Симметрия и элементы симметрии кристаллов
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Кузбасский государственный технический университет
имени Т. Ф. Горбачева»
Кафедра геологии
А. А. Возная
ГЕОЛОГИЯ
Лабораторный практикум
(Часть 1)
Рекомендовано учебно-методической комиссией направления подготовки специалистов 130400.65 «Горное дело» Специализаций: 130401 «Подземная разработка пластовых месторождений», 130403 «Открытые горные работы», 130404 «Маркшейдерское дело», 130405 «Шахтное и подземное строительство», 130406 «Обогащение полезных ископаемых», 130412 «Технологическая безопасность и горноспасательное дело» в качестве электронного издания для использования в учебном процессе
Кемерово 2013
Рецензенты:
Недосекина Л. С. ст. преподаватель кафедры «Геологии»
Филимонов К. А., председатель учебно-методической комиссии специальности по направлению 130400.65 «Горное дело», зав. кафедрой РМПИПС, к.т.н.
Возная Анна Анатольевна. Геология [Электронный ресурс]: лабораторный практикум (часть 1) по дисциплине «Геология»: для студентов очной формы обучения специальности 130400.65 «Горное дело» Специализаций: 130401 «Подземная разработка пластовых месторождений», 130403 «Открытые горные работы», 130404 «Маркшейдерское дело», 130405 «Шахтное и подземное строительство», 130406 «Обогащение полезных ископаемых», 130412 «Технологическая безопасность и горно-спасательное дело» / А. А. Возная. – Электрон. дан. – Кемерово: КузГТУ, 2013. – Систем. требования : Pentium IV ; ОЗУ 4,33 Мб ; Windows 95; мышь. – Загл. с экрана.
|
|
|
Включены указания к выполнению пяти лабораторных работ по разделу «Минералогия и петрография» дисциплины «Геология». Содержит необходимый объём базовых сведений и понятий, а также рекомендации и практические приёмы работы по определению минералов и горных пород.
Ó КузГТУ
Ó Возная А. А.
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторные работы цикла «Минералогия и петрография» занимают важнейшее место в подготовке студентов направления 130400 «Горное дело» и являются наиболее сложными для усвоения дисциплины «Геология», поскольку они требуют значительного объема самостоятельной работы студента с литературой, с каменным материалом, а также необходимость запоминания большого количества новых терминов и диагностических свойств отдельных минералов и горных пород.
|
|
|
Основной целью лабораторных работ этого цикла является научить студента макроскопической диагностике минералов и горных пород, а также ознакомить с программным перечнем породообразующих и рудных минералов и важнейшими представителями магматических, осадочных, метаморфических пород.
РАЗДЕЛ «МИНЕРАЛОГИЯ»
Раздел «Минералогия» охватывает 12 часов лабораторных занятий и включает следующие темы.
Лабораторная работа № 1. Диагностические свойства минералов. Морфология минеральных зёрен, кристаллов и агрегатов, физические свойства минералов (4 часа).
Лабораторная работа № 2. Важнейшие породообразующие и рудные минералы. Самородные элементы, сульфиды, оксиды и гидроксиды, карбонаты, сульфаты, галоиды, фосфаты, силикаты и алюмосиликаты (8 часов).
Методические указания к разделу «Минералогия» содержат сведения о минералах как о кристаллических веществах и химических соединениях, процессах минералообразования. Приведён перечень и подробное описание диагностических свойства минералов, используемых в макроскопической диагностике и комплекс этих свойств для отдельных минералов в виде минералогических таблиц.
Выполнение лабораторных работ включает в себя: знакомство с эталонной коллекцией минералов под руководством преподавателя; выполнение контрольного задания по определению и описанию минералов индивидуальной задачи; проверку знаний студента диагностических свойств минералов отдельных классов путем устного опроса и защиты отчёта.
|
|
|
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ_ПОЛОЖЕНИЯ К РАЗДЕЛУ «МИНЕРАЛОГИЯ»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «МИНЕРАЛ»
Минералы являются важнейшим звеном в ряду вещественной организации земной коры: химические элементы – минералы – горные породы – формации горных пород и т.д.
Общее число минералов около 3000, и оно неуклонно растет – в последние десятилетия открывают в среднем по 40–50 минералов ежегодно. Но лишь немногие из минералов (50–70) имеют широкое распространение в горных породах; они называются породообразующими. Что же такое минерал? Однозначное и простое определение дать трудно, т.к. понятие “минерал” различными учеными понимается по-разному и включает в себя много составляющих.
Минералы (лат. «минера» – руда) – это продукты природных физико-химических процессов, протекающих на поверхности или в недрах земной коры, получившие определенную химическую индивидуализацию и определенные физические свойства.
|
|
|
1. Минералы как кристаллические вещества
Минералы в природе находятся в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Значительно преобладают твердые минералы, среди которых небольшая часть представлена аморфными образованиями, а подавляющее большинство – кристаллическими веществами. В аморфных телах материальные частицы (атомы, ионы) располагаются беспорядочно, а в кристаллических – упорядоченно, наподобие узлов пространственной решетки (рис. 1.1).
Закономерному расположению материальных частиц соответствует минимальная внутренняя энергия.
Следовательно, кристаллическое состояние вещества более устойчивое, поэтому оно более характерно для природных химических соединений – минералов. Кристаллическое строение большинства минералов определяет следующие их отличительные свойства: анизотропность, однородность и способность самоограняться.
Однородность – это способность минерального индивида кристаллического строения быть одинаковым во всем его объеме.
Анизотропность – это способность минерала кристаллического строения обладать одинаковыми физическими свойствами (твердостью, теплопроводностью и др.) по параллельным направлениям и неодинаковыми по не параллельным. Вдоль параллельных направлений атомы в кристаллической решетке минерала располагаются одинаково и свойства будут одинаковыми и наоборот, вдоль непараллельных направлений атомы располагаются неодинаково, поэтому физические свойства вдоль этих направлений различны. Аморфные минералы – изотропны, т.е. их физические свойства во всех направлениях остаются одинаковыми.
Способность самоограняться – это способность кристаллических минералов при своем образовании, росте покрываться плоскими гранями и прямолинейными ребрами, приобретая геометрически правильную многогранную форму в виде кристаллов. Это свойство присуще только веществам с кристаллическим строением. Для образования кристаллов в природе необходимы особые условия (наличие трещин и других пустот), где они могли бы свободно расти в спокойной обстановке. Кристаллические индивиды развивающиеся в стесненных условиях не приобретают геометрически правильную форму. Поэтому в природе минералы обычно встречаются в виде агрегатов, сложенных кристаллическими зернами неправильной формы.
Симметрия и элементы симметрии кристаллов
Прежде чем познакомиться с элементами геометрической кристаллографии необходимо познакомиться с кристаллографической терминологией, в основу которой положены слова из древнегреческого языка. Ниже приведены слова и их русский перевод.
Моно – один, ди(би) – два, три – три, тетра – четыре, пента – пять, гекса – шесть, окта – восемь, додека – двенадцать, эдра грань, гониа – угол, клино – наклоняю, пинака – доска, скалена – остроугольный треугольник, трапеца – трапеция.
Еще древнегреческие ученые обратили внимание на то, что кристаллы обладают симметричностью.
Многогранники различаются и классифицируются по степени их симметрии. Симметрия, в переводе с греческого, означает соразмерность, при этом в понятие симметрии вкладывается соразмерность или правильное расположение тел или отдельных частей тела в пространстве относительно некоторых геометрических образцов, например, точки, плоскости, прямой линии.
Симметрия кристаллов проявляется в закономерной повторяемости элементов их огранения – граней, рёбер, вершин по отношению к указанным образам. Основными операциями, при которых обнаруживается повторяемость элементов огранения кристаллов, является отражение в воображаемой зеркальной плоскости и точке равных частей кристалла и вращение его вокруг воображаемой прямой, проходящей через середину многогранника. В результате операций вращения или отражения весь многогранник или отдельные его части совмещаются со своим исходным положением в пространстве.
Элементами симметрии называются геометрические образы (точка, плоскость, прямая линия), относительно которых в пространстве симметрично повторяются равные части фигур или многогранников.
При оценке симметрии кристаллических многогранников используют две основные операции: операцию отражения и операцию вращения.
Операция отражения объединяет два типа отражения: зеркальное отражение в воображаемой плоскости равных частей кристалла и отражение в точке или инверсия (обращение). Элементами симметрии, применяемыми в операциях отражения, являются соответственно плоскость и центр симметрии.
Операция вращения даёт возможность оценить симметричность (самосовмещаемость) многогранника при вращении его относительно некоторых направлений, которые называются осями симметрии.
Рассмотрим, как оценивается симметричность тел операциями отражения:
Плоскость симметрии – это воображаемая плоскость, которая делит многогранник на две зеркально-равные половины.
Обычно плоскость симметрии обозначается латинской буквой Р. В кристаллах могут быть следующие по количеству наборы плоскостей симметрии: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 9 Р. Наибольшим возможным количеством плоскостей симметрии характеризуется, например, шестигранник – куб, который в положении, указанном на (рис. 1.2, а) имеет четыре вертикальных, одну горизонтальную и четыре наклонных плоскости симметрии.
а) 
б) 
в) 
|
Имеются многогранники, в которых, как бы мы не пытались, невозможно провести ни одной плоскости симметрии (рис. 1.2, в). Таким образом, представляется возможность различать многогранники по количеству возможных плоскостей симметрии.
Плоскости симметрии в кристаллах можно провести через следующие элементы огранения: через центры граней и середины рёбер, вдоль рёбер, через вершины и вдоль биссектрис гранных углов.
Центром симметрии называется такая воображаемая точка внутри многогранника, в которой пересекаются и делятся пополам отрезки прямых, соединяющих соответственные точки противоположных одноимённых элементов огранения многогранника.
В отличие от отражения в зеркале, отражение в точке перевёрнутое, обращённое или, как говорят, инверсированное. Многогранник имеет центр симметрии только в том случае, когда каждой его грани обязательно соответствует на противоположной стороне огранения равная по величине, одинаковая по форме и обратно параллельная грань (рис. 1.3 а, б).
а) 
б) 
в) 
|
Центр симметрии обозначают буквой С. Кристаллические многогранники подразделяются на имеющие центр симметрии и не имеющие его.
Практически наличие или отсутствие центра симметрии в многограннике можно установить с помощью следующего простого приёма. Многогранник кладётся на ровную поверхность (стол, книгу) гранями разной конфигурации. При наличии в многограннике центра симметрии всегда сверху обнаруживается грань, равная по величине, одинакова по форме, параллельная той на которой покоится многогранник, и развёрнутая относительно противоположной грани характерными элементами огранения на 180º (рис. 1.3, б). Если, хотя бы для одной из граней, это условие не соблюдается, центра симметрии нет (рис. 1.3, в).
Следующей операцией, выявляющей симметрию кристалла, является операция вращения вокруг воображаемой прямой, проходящей через середину кристалла. При операции вращения многогранник совмещается со своим исходным положением при повороте на некоторый угол.
Симметрия вращения оценивается особым элементом симметрии – осью симметрии.
Осью симметрии многогранников называют такую воображаемую прямую линию, при вращении вокруг которой на 360º многогранник «n» – раз совмещается со своим исходным положением в пространстве. Число само совмещений при повороте на 360º вокруг оси характеризует название или, как говорят, порядок оси симметрии. Ось симметрии обозначают обычно Ln c цифровым индексом, показывающим порядок оси L2, L3, L4, L6. Их называю осью второго порядка, осью третьего порядка и т д. Оси третьего, четвертого и шестого порядков считаются осями высшего порядка, соответственно ось второго порядка – это единственная ось низшего порядка.
Кристаллы, вследствие своего решетчатого строения могут иметь только оси следующих порядков L2, L3, L4, L6, причём оси каких либо порядков могут присутствовать в количестве нескольких штук.
Рассмотрим, как проходят оси симметрии в многограннике на примере куба. Через середины граней куба проходят 3L4, через вершины, где мы видим сходящиеся под одинаковым телесным углом 3 грани можно провести 4L3 и через середины рёбер проходят 6L2 (рис. 1.4)
|
При наличии в многограннике одной плоскости симметрии ось симметрии перпендикулярна ей. Если имеются несколько пересекающихся плоскостей симметрии, оси симметрии, либо перпендикулярны к ним, либо совпадают с линиями пересечения плоскостей симметрии.
При этом полезно иметь в виду следующее:
Линия пересечения двух плоскостей симметрии есть ось симметрии второго порядка. Линия пересечения трёх плоскостей есть ось симметрии третьего порядка. Линия пересечения четырех плоскостей есть ось симметрии четвертого порядка. Линия пересечения шести плоскостей есть ось симметрии шестого порядка.
Кроме обычных поворотных осей существуют оси сложной симметрии: инверсионные и зеркально-поворотные оси.
Инверсионной осью называют воображаемую прямую линию в многограннике, при вращении вокруг которой на 360º многогранник несколько раз совмещается со своим исходным положением в пространстве и столько же раз со своим отражением в точке.
Инверсионные оси обозначаются через Lin, где n порядок оси. В кристаллах устанавливают инверсионные оси только четвертого и шестого порядка.
Многогранники, обладающие инверсионной осью, не имеют центра симметрии.
Составную операцию симметрии, связанную с инверсионной осью 4 порядка рассмотрим на примере многогранника, изображенного на рис. 1.5.
|
Полный набор рассмотренных выше элементов симметрии данного многогранника называется видом симметрии. Как видно из приведенных примеров, запись ведётся от осей высших порядков к низшим, затем указываются плоскости симметрии и в конце записывают центр симметрии. Например, формула вида симметрии куба 3L44L36L29РС. Математически доказано, что возможно всего 32 комбинации из взаимообусловленных элементов симметрии или, как говорят, 32 вида симметрии. Установление принадлежности многогранника к одному из видов симметрии является первым шагом к систематике многогранников. Учитывая особенности сочетания элементов симметрии 32 вида симметрии подразделяют на три большие категории (табл. 1):
а) низшая категория – без осей L3, L4, L6.
б) средняя категория – с одной главной осью симметрии
L3, L4, L6.
в) высшая категория – всегда с осями 4L3.
Виды симметрии, обладающие общими элементами симметрии, объединяются в 7 сингоний (сингония в переводе с греческого означает сходноуголие или равноуголие) (табл. 1). Каждая сингония объединяет виды симметрии с одноимённой главной поворотной осью, или группой осей, а при их отсутствии в сингонии объединяются многогранники с одинаково низкой степенью симметрии.
Одной из важных характеристик сингоний служит понятие об единичных и симметрично-равных направлениях в кристалле.
Единичными направлениями называются такие направления, которым нет симметрично-равных. Например, в средней группе сингонии направления совпадающие с L6, L3 и L4. Вдоль единичного направления кристаллы или вытянуты или сжаты.
В таблице 1 приведена классификация сингоний и классов симметрии, а также указаны характерные признаки каждой сингонии.
Устанавливая элементы симметрии, легко можно убедиться в том, что кристаллы не похожие друг на друга характеризуются одним видом симметрии и относятся к одной и той же сингонии (рис. 1.6.) Следовательно, при описании многогранника недостаточно охарактеризовать вид его симметрии, необходимо также принять во внимание его внешний облик.
Таблица 1
Номенклатура и символика 32 видов симметрии
| Категория | Сингония | Число единичных направлений и внешние признаки кристаллов | Характерные элементы симметрии | Форма сечений перпендикулярных единичному направлению | Формулы видов симметрии | ||
| Низшая | Триклинная | Все. Видимая деформация в двух направлениях | С (О) | О, С | |||
| Моноклинальная | Множество. Видимая деформация в одном направлении | L2 (P) | P, L2, L2РС | ||||
| Ромбическая | Три. Кристалл в одном направлении вытянут, в другом сжат | 3L2 (нет осей высших порядков) |
| L22Р, 3L2, 3L23РС | |||
| Средняя | Тригональная | Одно. Кристалл вытянут в одном направлении по L3 | L3 |       
| L3, L3С, L33Р, L33L2, L33L23РС | ||
| Тетрагональная | Одно. Кристалл вытянут в одном направлении по L4 | L4 (Li4) |  
| L4, L4РС, L44Р, L44L25РС, Li4 = L2, Li42L22Р=3L22Р | |||
| Гексагональная | Одно. Кристалл вытянут в одном направлении по L6 | L6 (Li6) |  
| L6, L6РС, L66Р, L66L2, L6 6L27РС, Li6, Li6= L3Р, Li63L23Р=L33L24Р | |||
| Высшая | Кубическая | Нет. Изометричные кристаллы | 4L3 | 4L33L2, 4L33L23РС, 4L33L2 (3Li4)6Р, 3L44L36L2, 4L33L4 6L29РС |
а) 
б) 
| Рис. 1.6. Два многогранника, имеющие одинаковые элементы симметрии | Рис. 1.7. Комбинация гексагональной призмы и гексагональной дипирамиды |
В связи с этим в кристаллографии введено понятие «простая форма». Простая форма – это совокупность граней данного кристалла одинаковых по форме и размеру, которые могут быть выведены друг из друга при помощи элементов симметрии. Кристалл может быть огранен одной простой формой (рис. 1.6 ,а) или несколькими (рис. 1.6, б), причем, сколько сортов граней в многограннике столько и простых форм. Если кристалл огранен несколькими простыми формами, говорят что это комбинация простых форм. На (рис. 1.6, б) кристалл представляет собой комбинацию тетрагональной призмы (прямоугольные грани) и пинакоида (квадратные грани).
Среди простых форм различают закрытые, полуоткрытые и открытые. Закрытая простая форма полностью ограняет многогранник, замыкая пространство. Например, тетрагональная дипирамида представляющая собой 8 одинаковых равнобедренных треугольников (рис. 1.6, а).
Полуоткрытыми являются разного рода одновершинные бесконечные пирамиды. К открытым относятся призмы, бесконечно открытые в двух направлениях, а также диэдр, моноэдр и пинакоид.
Полуоткрытые и открытые простые формы бесконечны в пространстве, чтобы получился законченный многогранник им необходимо сочетаться с другими открытыми или закрытыми простыми формами. Например, две открытые формы на (рис. 1.6, б). В комбинациях могут выступать открытые с закрытыми (рис. 1.7) и несколько закрытых форм.
Многообразие простых форм и их комбинаций, обусловлено тем, что кристалл выбирает для огранки те плоские сетки решетки, на которых наиболее густо расположены узлы, что обеспечивает минимум поверхностной энергии.
Известно всего 47 простых форм.
В кубической сингонии встречаются 15 простых форм, все закрытые и не характерные для средней и низшей категории (рис. 1.8)
|
Названия простым формам дается по количеству граней. Тетраэдр – четырехгранник, октаэдр – восьмигранник, гексаэдр – шестигранник, додекаэдр – двенадцатигранник. Существует пять исходных простых форм, остальные являются производными от них. Производные получаются удвоением, утроением, учетверением или ушестерением количества граней исходной формы. Причем в названии производной формы на первое место ставят форму получившейся грани, на второе – их количество, а на третье – название исходной формы.
Исходная простая форма тетраэдр (рис. 1.8, 1) имеет четыре производные простые формы: тригонтритетраэдр образован треугольниками (тригон) возникшими в количестве трех штук (три) на грани исходного тетраэдра (рис. 1.8, 2); тетрагонтритетраэдр – четырехугольники (тетрагон) в количестве трех штук (три) на грани исходного тетраэдра (рис. 1.8, 3); пентагонтритетраэдр – пятиугольники (пентагон) в количестве трех штук (три) на грани исходного тетраэдра (рис. 1.8, 4); тригонгексатетраэдр – треугольники (тригон) в количестве шести штук (гекса) на грани исходного тетраэдра (рис. 1.8, 5).
Исходная простая форма октаэдр (рис. 1.8, 6) имеет четыре производные простые формы, которые образованы по тому же принципу, что и для тетраэдра: тригонтриоктаэдр, тетрагонтриоктаэдр, пентагонтриоктаэдр, тригонгексаоктаэдр (рис. 1.8, 7, 8, 9, 10).
Исходная простая форма гексаэдр (куб) (рис. 1.8, 11) имеет одну производную простую форму тригонтетрагексаэдр – треугольники (тригон) в количестве 4 штук (тетра) на грани исходного гексаэдра (рис. 1.8, 12).
В название исходных простых форм двенадцатигранников введена форма грани. Ромбододекаэдр не имеет производных простых форм (рис. 1.8, 13), а пентагондодекаэдр (рис. 1.8, 14) имеет одну производную форму возникшую при удвоении пятиугольных граней исходной формы, которая называется дидодекаэдр или бидодекаэдр (рис. 1.8, 15).
В средней категории встречаются как закрытые, так и открытые простые формы.
Призма – образована тремя и более гранями, пересекающимися по параллельным ребрам.
Пирамида – форма из трех и более граней пересекающихся по ребрам и сходящихся в одной точке на главной оси.
В каждой сингонии есть свои призмы и пирамиды: тригональные (в сечении треугольник), тетрагональные (в сечении квадрат) и гексагональные (в сечении правильный шестиугольник). Они могут удваиваться по количеству граней и в прилагательном появляется приставка ди- или би- – дитригональная (в сечении неправильный шестиугольник), дитетрагональная (в сечении восьмиугольник), дигексагональная (в сечении двенадцатиугольник) призма или пирамида (рис. 1.9).
Перечисленные простые формы являются открытыми и всегда выступают в комбинациях. Компанию им могут составить еще две открытые простые формы средней категории: моноэдр – форма из одной бесконечной в пространстве грани, легко сочетаемая с пирамидой и пинакоид – форма из двух параллельных граней, сочетающаяся с призмой (рис. 1.10, 1,2).
На приведенных примерах легко можно показать как меняется форма грани простой формы, когда она выступает в комбинации.
|
Представителями закрытых простых форм средней категории являются дипирамиды: две пирамиды сложенные основаниями. В каждой сингонии своя дипирамида: тригональная, тетрагональная и гексагональная. Существуют дипирамиды удвоенные по количеству граней: дитригональная, дитетрагональная, дигексагональная. Поперечное сечение дипирамид такое же, как у обычных пирамид и призм (рис. 1.9, 7 -12).
Трапецоэдры – закрытая простая форма с гранями в форме трапеции, сходящимися в одной точке на главной оси высшего порядка: тригональный трапецоэдр, тетрагональный трапецоэдр, гексагональный трапецоэдр (рис. 1.9, 19, 21, 23). Трапецоэдры не имеют плоскостей симметрии и центра.
Скаленоэдры обладают гранями в виде вытянутого треугольника. Скаленоэдры встречаются только в тригональной и тетрагональной сингониях (рис. 1.9, 24, 25).
Тетрагональный тетраэдр – четырёхгранник с гранью в виде равнобедренного треугольника (рис. 1.9, 20).
Последней закрытой простой формой средней категории можно назвать ромбоэдр – шестигранник с ромбической формой грани. Он принадлежит к тригональной сингонии и это единственный кристалл в средней категории не вытянутый, а сплюснутый вдоль единственной главной оси третьего порядка (рис. 1.9, 22)
В многогранниках низшей категории встречаются моноэдры, пинакоиды, а также ромбические призмы, пирамиды, дипирамиды, тетраэдры, поскольку в поперечном сечении имеют ромб. Последней 47-ой я простой формой является диэдр – две бесконечные пересекающиеся плоскости в виде «крыши». Эта форма встречается только в низшей категории (рис. 1.10).
|
В ромбической сингонии известны все перечисленные простые формы низшей категории. В моноклинной невозможны ромбические пирамида, дипирамида и тетраэдр. В триклинной встречаются только моноэдры и пинакоиды.
Знание геометрической кристаллографии помогает в диагностике минералов, если они встречены в виде кристаллов. Каждое вещество кристаллизуется в определённой сингонии, кристаллы обладают определённым набором элементов симметрии и внешним обликом (изометричным, удлинённым, призматическим, уплощенным), а главное индивидуальным габитусом, т. е. набором простых форм участвующих в огранке.
2. Минералы как химические соединения
Химические элементы закономерно группируются в земной коре, образуя минералы. Как самородные элементы минералы встречаются редко, обычно они образуют различные химические соединения.
Среди минералов практически нет химически чистых веществ. В их структуру входят различные химические примеси. В одних минералах количество таких примесей незначительно – это минералы постоянного состава (галит – NaCl). Другие минералы содержат разные количества химических примесей. Такие минералы называют минералами переменного состава, и главная причина их существования – явление изоморфизма.
Изоморфизм – это явление замены в кристаллической решетке минерала одних химических элементов другими, но без изменения кристаллической структуры минерала. Изоморфизм происходит при условии разницы в размере взаимозаменяемых атомов не более 15 %, близости их химических свойств и сохранения электронейтральности кристаллической решетки.
Такие минералы представляют собой твердые смеси, т.е. кристаллические растворы переменного химического состава. В формулах минералов изоморфные атомы заключаются в круглые скобки и отделяются друг от друга запятыми (например, Mg и Fe в минерале оливин – (Mg,Fe)2[SiO4]).
Различают два типа изоморфизма по степени совершенства: совершенный и несовершенный.
При совершенном (неограниченном) изоморфизме возможна полная (до 100 %) замена одних атомов другими, т.е. могут существовать два крайних и все промежуточные по составу минералы, имеющие часто собственные названия. Например, в минерале оливин – (Mg,Fe)2[SiO4] наблюдается полный изоморфизм между Mg2+ (R = 0,078 нм) и Fe2+ (R = 0,082 нм). R – это радиус атомов или ионов, измеряемый в нанометрах (1 нм равен 10–9 м). Крайними членами изоморфного ряда являются форстерит Mg2[SiO4] и фаялит Fe2[SiO4].
При несовершенном (ограниченном) изоморфизме количество изоморфной примеси не может превышать какого-то предела, неоднозначного для разных минералов. Например, в минерале сфалерит – ZnS железа двухвалентного не более 20 % от суммы (Fe + Zn).Железистая разновидность сфалерита называется марматитом, безжелезистая – клейофаном.
Существует два типа изоморфизма по характеру компенсации валентности: изовалентный и гетеровалентный.
Изовалентный изоморфизм характеризуется заменой в кристаллической решетке одного атома другим атомом той же валентности. Пример замены двухвалентного магния двухвалентным железом в структуре оливина рассмотрен выше.
При гетеровалентном изоморфизме в кристаллических структурах минералов происходит замена одного атома другим атомом иной валентности. Гетеровалентный изоморфизм ярко проявляется на примере плагиоклазов. Плагиоклазы представляют собой изоморфный ряд с полной (100%-ной) изоморфной смесимостью при высоких температурах. Крайними членами этого ряда являются альбит NaAlSi3O8 и анортит CaAl2Si2O8, между которыми существуют переходные разновидности с различным процентным содержанием Na и Ca. Происходит замена Na1+ (R = 0,057 нм) на Ca2+ (R = 0,106 нм), а избыток заряда компенсируется вхождением Al3+ (R = 0,057 нм) на место Si4+ (R = 0,039 нм).
Большинство породообразующих минералов представляет собой изоморфные смеси. Химический состав и физические свойства минерала – члена изоморфного ряда зависят от параметров среды минералообразования. Например, из магматического расплава, обогащенного магнием, железом и кальцием, будет кристаллизоваться плагиоклаз с высоким содержанием кальция (лабрадор, битовнит, анортит – основные плагиоклазы), а из расплава, обеднённого этими химическими элементами, но богатого щелочами, возникнут преимущественно натриевые плагиоклазы (олигоклаз, альбит – кислые плагиоклазы).
Проявление изоморфизма оказывает влияние на те или иные физические свойства минерала, что необходимо учитывать при их диагностике. Например, железистая разновидность сфалерита марматит образуется в высокотемпературных гидротермальных условиях и имеет буровато-черный цвет, темно-коричневый цвет черты, а клейофан образуется при более низких температурах и имеет бесцветный или светло-желтый цвет и белый цвет черты.
3. Вода в составе минералов
Вода входит в состав минералов в различных формах.
Конституционная вода входит в кристаллическую решетку минералов в виде ионов ОН– или Н3О+. Удаление её происходит при высоких температурах (600–700 °С), при этом минерал разрушается. Например, минерал тальк Mg3[Si4O10](OH)2.
Кристаллизационная вода входит в решетку минералов в виде молекул Н2О. Удаление её происходит при температурах 300–400 °C, минерал при этом также разрушается. Например, гипс Ca[SO4]×2H2O.
Адсорбционная вода может сорбироваться минералами, обладающими коллоидными свойствами. Она удаляется при температуре 110 °C, минерал при этом не разрушается. Например, опал SiO2×nH2O.
В минералах могут присутствовать одновременно разные виды воды, например (Al,Mg)2[Si4O10](OH)2×nH2O – монтмориллонит.
4. Классификация минералов
Классификация минералов – это группировка более чем 3000 минералов по какому-либо одному или нескольким признакам. В современной минералогии имеется много различных вариантов классифицирования минералов. Например, можно выделять группы минералов по ведущему или характерному элементу – минералы содержащие свинец, уран, молибден и т.д. Можно выделять группы минералов по общности процесса минералообразования – магматические, гидротермальные, осадочные и др. группы минералов. В России наиболее распространена классификация минералов, основанная на их химическом составе. Согласно этой классификации всё многообразие минералов поделено на десять типов. В составе большинства типов выделены классы, а иногда и подклассы. Породообразующие и рудные минералы являются представителями не всех типов минералов. Поэтому классификация приводится не в полном объёме.
Тип простые вещества
В этот тип входят минералы, состоящие из одного химического элемента. Известно около 45 минералов этого типа, но в составе земной коры они составляют 0,1 %.
Класс самородные металлы: золото – Au.
Класс самородные неметаллы: сера – S.
Тип сернистые соединения и их аналоги
В этот тип входят около 500 минералов, представляющих собой соединения различных элементов с серой, реже мышьяком или теллуром. В составе земной коры они составляют 0,15 % по весу, но включают ряд минералов, являющимися важнейшими рудами на Pb, Zn, Cu, Mo, Hg, As.
Класс простые сульфиды, персульфиды и их аналоги: галенит – PbS, пирит – FeS2.
Класс сложные сульфиды и их аналоги: халькопирит – CuFeS2.
Тип галогенные соединения
В этот тип входят около 100 минералов, которые в химическом отношении представляют собой соли галоидно-водородных кислот – HСl, HF, HBr и HJ. Наиболее широко распространены хлористые и фтористые соединения.
Класс хлориды: галит – NaCl, сильвин – KCl.
Класс фториды: флюорит – CaF2.
Тип кислородные соединения
Класс оксиды и гидроксиды
В этот класс объединены минералы – соединения различных элементов с кислородом (оксиды) и соединения с кислородом и с гидроксильной группой (ОН) (гидроксиды). В составе земной коры они составляют 17 % по весу, из них на долю кремнезема (SiO2) приходится 12,5 %. Оксиды и гидроксиды Al, Fe, Mn, Cr – важнейшие руды: магнетит – Fe3O4, гематит – Fe2O3, кварц – SiO2.
Класс сульфаты
Соли серной кислоты – H2SO4. Многие сульфаты легко растворяются поверхностными водами и поэтому широко участвуют в образовании химических осадков. Минералы этого класса весьма многочисленны – около 250 видов, но составляют 0,1 % массы земной коры: гипс – Ca[SO4]×2H2O.
Класс фосфаты
Минералы этого класса являются солями фосфорной кислоты – H3PO4 и составляют не более 0,1 % массы земной коры: апатит – Ca5[PO4]3(OH,F,Cl).
Класс карбонаты
Минералы этого класса являются солями угольной кислоты – Н2СО3. Большинство карбонатов – это безводные простые соединения, главным образом, Ca, Mg и Fe с комплексным анионом [CO3]2- . Карбонаты (80 минералов) составляют до 1,7 % веса земной коры. Минералы этого класса имеют в основном экзогенное происхождение: кальцит – Ca[CO3], доломит – Ca(Mg,Fe)[CO3]2.
Класс силикаты
Минералы этого класса являются главнейшими породообразующими минералами и широко распространены в природе, слагая до 75 % объёма земной коры. Основой кристаллической структуры силикатов является кремнекислородный анион [SiO4]4–. Позицию кремния в анионе может занимать алюминий [AlO4]5–, но не более половины объёма решетки. Такие минералы являются алюмосиликатами. Анионы в структуре силикатов способны к полимеризации, т.е. к образованию различных анионных группировок. Между собой одиночные анионы или их группировки соединяются через катионы. Геометрия сочетания катионов и анионных группировок в кристаллической решетке объясняет разнообразие и обусловливает свойства силикатов. Характер сцепления анионов в группировке лежит в основе выделения подклассов силикатов.
Подкласс островных силикатов: (Mg,Fe)2[SiO4] – оливин, эпидот – Ca2(Al2Fe)[SiO4][Si2O7]O(OH).
Подкласс кольцевых силикатов: турмалин – NaFe3Al6[Si6O18][BO3]3(OH)4.
Подкласс цепочечных силикатов – пироксенов: авгит – (Ca,Na)(Mg,Fe2+, Fe3+, Ti, Al)[(Si, Al)2O6].
Подкласс ленточных силикатов – амфиболов: роговая обманка – Ca2Na(Mg,Fe2+)4(Al, Fe3+)[(Si,Al)4O11]2(OH)2, актинолит – Ca2(Mg,Fe)5[Si4O11]2(OH)2.
Подкласс слоевых силикатов: Mg3[Si4O10](OH)2 – тальк, биотит – K(Mg, Fe)3[AlSi3O10](OH, F)2.
Подкласс каркасных силикатов: калиевые полевые шпаты (КПШ) – K[AlSi3O8], натрий-кальциевые полевые шпаты (плагиоклазы) – это изоморфный ряд (100 – n)Na[AlSi3O8] ↔ nCa[Al2Si2O8].
Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 699; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!