Основные физические свойства минералов

ПРПИ-21 (заочное)

Лекция 2. ОСНОВЫ МИНЕРАЛОГИИ

1. Химический состав земной коры

2. Минералы, генезис, химический состав, строение

3. Основные физические свойства минералов

4. Классификация минералов

2. Минералы, генезис, химический состав, строение

Минералы представляют собой минеральные образования, каждый из которых имеет определенные химический состав, внутреннюю структуру и физико-механические свойства.

В настоящее время следует различать два вида минералов: 1) природного происхождения, рождение которых связано с процессами в земной коре, и 2) искусственного образования, создаваемые в процессах производственной деятельности человека.

Природные минералы. В земной коре содержится около 3000 видов минералов и почти 7000 их разновидностей, но наиболее часто и в больших количествах в земле встречается не более 100 представителей. Такие минералы называют породообразующими, а остальные – редкими.

Каждый минерал формируется и может существовать в земной коре только в тех термодинамических условиях, в которых он родился. Для земной коры характерны три разных процесса минералообразования: 1) эндогенный, 2) экзогенный и 3) метаморфический.

Эндогенный процесс – минералы рождаются в недрах земной коры из магмы, которая представляет собой алюмосиликатный огненно жидкий расплав. При остывании магмы, образуются минералы – кристаллические, плотные, с большой твердостью. Они хорошо противостоят воде, кислотам, щелочам. В этом процессе рождается около 700 минералов, например, такие как кварц (SiO₂), полевые шпаты (ортоклаз) – К[AlSi₃O₈], оливин -(Мg,Fe)₂[SiO₄], роговая обманка Са₂(Мg,Fe²⁺)5(Al,Fe³⁺)[(Si,Al)O₁₁](OH)₂ и другие.

Экзогенный процесс развит на поверхности Земли. Минералы рождаются на суше и в водной среде. На суше образование минералов связано с процессом выветривания и разрушения горных пород, залегающих на поверхности земли. Из продуктов разрушения создаются новые минералы, такие как глинистые: (каолинит – Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈, и монтмориллонит – (Al,Mg)₂(OH)₂ [Si₄O₁₀]·nH₂O), железистые образования типа минерала лимонита – 2Fe₂O₃·nH₂O. В водной среде (моря, озера, реки, подземные воды) минералы являются результатом химических реакций между анионами и катионами. Так рождаются карбонаты (кальцит – СаСО₃), сульфаты (гипс – СаSO₄·2H₂O), галоиды (галит – NaCl) и другие.

Следует отметить, что в водной среде рождается также ряд минералов, связанных с процессом жизнедеятельности животных организмов. Это минералы опал – SiO₂·nH₂O, кальцит – СаСО₃, и др.

Всего в экзогенном процессе формируется около 1000 минералов и в отличии от эндогенных образований они отличаются большим разнообразием свойств, например, глинистые минералы, так как они алюмосиликаты, стойки к воде, кислотам, щелочам, а сульфаты и галоиды растворяются в воде, мягкие, карбонаты разрушаются в кислотах.

Метаморфический процесс. При формировании земной коры, в процессе накопления слоев осадочных пород, экзогенные минералы попадают на большую глубину и подвергаются воздействию давления и высоких температур. В этих новых для них термодинамических условиях они видоизменяются. Так рождаются метаморфические минералы, которые по свойствам плотные и прочные. Наиболее типичными представителями являются слюды (мусковит – КАl₂(OH)₂[AlSi₃O₁₁]), асбест Mg₆[Si₄O₁₁](OH)₆·H₂O и другие. Всего в метаморфическом процессе в земной коре формируется около 500 минералов. Почти все они силикаты и алюмосиликаты, а это значит, что они стойки к процессу выветривания. Многие из них в связи с тем, что они формировались в процессе высоких давлений, имеют внешнюю форму листов (слюды) или нитей (асбест). Исключением является минерал кальцит, способный растворятся в воде и кислотах.

Структуры минералов. Большинство минералов имеют кристаллическое строение, но некоторые экзогенные минералы могут находиться в аморфном состоянии. В отличии от кристаллического аморфное состояние является неустойчивым и с течением времени переходит в кристаллическое состояние, например, минерал опал – SiO₂·nH₂O. Кристаллические минералы имеют форму многогранников и анизотропные свойства, т.е. кристаллы в разных направлениях имеют разные свойства. Аморфные минералы кристаллическими решетками не обладают и свойства их изотропны, т.е. одинаковые во всех направлениях.

Химический состав. Каждый минерал обладает своим химическим составом. Имеются минералы сходного химического состава, но они обязательно различаются по структурам. Отдельные минералы имеют химический состав в виде одного химического элемента (сера – S, алмаз – C), но большинство минералов представляют собой комплекс элементов (кварц – SiO₂, пирит – FeS₂). Только экзогенные минералы в своих кристаллических решетках могут содержать воду, как в молекулярном так и в гидроксильном виде, например, гипс - СаSO₄·2H₂O, каолинит - Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈. Химический состав минералов может выражаться в виде формул – эмпирических и структурных. Эмпирические формулы показывают из каких химических элементов состоит минерал и в каком количестве они представлены. Структурные формулы кроме химического состава отражают его внутреннее строение. Все это видно на примере каолинита: Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O – эмпирическая формула, а Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ – структурное выражение.

Рис.2 – Строение кристаллических решеток

а – галита; б – алмаза; в – графита

Основные физические свойства минералов

Минеральные агрегаты — это срастания минеральных индивидов одного или разных минералов.
Виды минеральных агрегатов.

Среди минеральных агрегатов резко преобладают зернистые агрегаты, в которых тесно срослось множество кристаллов. Так как кристаллы в таких агрегатах растут одновременно и стесняют друг друга в росте, они обычно лишь с некоторых сторон имеют правильную огранку или лишены её вообще.

Среди прочих минеральных агрегатов наиболее распространены:

Друзы – незакономерные сростки кристаллов, прикрепленных одним концом к общему основанию, благодаря чему у них хорошо огранены только свободные концы.

Щетки – также сростки шестоватых кристаллов прикрепленных к общему основанию, но ориентированных параллельно друг другу, в результате чего видны только головки кристаллов.

Сферолиты и сноповидные агрегаты– представляют собой сферические, полусферические или сноповидные агрегаты различного размера, образованные тонкими, радиально расходящимися от центра волокнами.

Конкрецииполучаются, если минеральное вещество осаждается из раствора на какие-то твердые частицы, например, песчинки или обломки раковин, покрывая их как бы концентрическими скорлупками, налегающими одна на другую.

Секреции- округлые шаровидные или сплюснутые минеральные скопления, образующиеся в пористых породах в результате последовательного отложения минерального вещества от периферии к центру.

Жеоды представляют полости в горной породе, частично заполненные минеральным веществом. При этом отложение минерального вещества происходит на стенках полости, а в середине остается свободное пространство, где могут образоваться хорошо ограненные кристаллы. Если разбить крупную жеоду с кристаллами внутри на несколько частей, можно получить красивые друзы или щетки.

Дендриты получаются при очень быстрой кристаллизации минералов (скелетный рост только вершин и ребер), а также при кристаллизации в тонких трещинах, когда отдельные кристаллы сложно ветвятся, напоминая ветви дерева (вспомните причудливые узоры дендритов льда на окнах в мороз), или образуя «растительный» рисунок нежных черных «веточек» пиролюзита как бы нарисованных на стенках трещин в горных породах.

Натечные образованиявозникают в результате отложения минерального вещества на поверхности других агрегатов из водных растворов при их постепенном испарении. К их числу относятся почковидные агрегаты (внешне напоминающие почки животных), сталактиты и сталагмиты и т.д.

Многие минералы встречаются в природе также в виде тонких корочек, пленок и примазок на поверхности других минералов или горных пород.

Каждый минерал имеет определенный химический состав и характерную для него внутреннее строение, от которого зависят его внешняя форма и физические свойства.

Различают такие внешние (макроскопические) физические свойства минералов: цвет, цвет черты, прозрачность, блеск, спайность, взлом, твердость, растворение в кислотах, вкус, запах, плотность.

Цвет. Почти все минералы окрашены в тот или иной цвет. Многие из них названы по этому признаку. Например, гематит (от греческого "гематикос" - кровавый), альбит (от латинского "альбиус" - белый), рубин (от латинского "рубер" - красный).

Для характеристики цвета и его оттенков используют такие термины: белый, черный, серый, бурый, красный, желтый, зеленый, синий. Такие названия, как оранжевый, розовый, голубой применяются для уточнения оттенков, например, оранжево-желтый, серо-белый и др..

Для обозначения оттенков употребляют префиксы темно-, свето-и др.., а для минералов с металлическим блеском обязательно как префикс используют название металла (например, медно-красный, золотисто-, латунно-, бронзово-желтый, свинцово - или стально- серый, железо - черный и др.)..

Кроме основного окраса, минералы иногда имеют дополнительные оттенки - изменчивость, обусловленную явлением интерференции света на поверхности минералов вследствие различных реакций при выветривании.

Цвет черты. Многие минералы в мелко-размельченном состоянии (порошка) имеют совершенно другой цвет, так называемый цвет черты. Это важный диагностический признак минерала. Для определения цвета черты нет необходимости раздроблять минерал, а достаточно провести им по неглазированной фарфоровой пластинке.

Прозрачность. Это способность минералов пропускать свет. Различают прозрачные (горный хрусталь, исландский шпат и др.), полупрозрачные (халцедон, опал и др..) и непрозрачные (графит, пирит и др.). Многие минералы в тонких пластинках просвечиваются, например, биотит.

Блеск. Это способность минералов отражать свет (зависит от количества отраженного света).

По этим свойством минералы делят на две большие группы: с металлическим и неметаллическим блеском.

Металлический блеск - это блеск свежего взлома металла. Остальные - неметаллические. Различают блеск алмазный - очень сильный, отражает много света; зеркальный - блеск зеркала; стеклянный - блеск поверхности стекла; шелковистый - при параллельно-волокнистом строении; жирный - поверхность минерала как намазана жиром; перламутровый - цвет интерференции. Многие минералы не имеют блеска и является матовыми.

Спайность. Это способность минералов раскалываться при ударе в отдельных кристаллографических направлениях с образованием гладких или зеркальных поверхностей - поверхностей спайности.

Спайность присуща только кристаллическим минералам и отсутствует в монокристаллах. Направление плоскостей спайности не случайно и соответствует направлениям наиболее плотных кристаллических решеток. Спайность может наблюдаться в одном, двух, трех, четырех и даже шести направлениях. Следует различать плоскости спайности от граней кристалла. Например, в кварце спайность отсутствует, хотя он и встречается часто в форме кристаллов с гладкими поверхностями.

Физически спайность обусловлена тем, что внешние связи между кристаллами значительно слабее внутренних структурных связей между элементарными частицами.

Различают следующие виды спайности:

а) весьма совершенная - минерал легко раскалывается по определенному направлению на отдельные пластинки, листочки или чешуйки (слюда, графит, гипс и др..)

б) совершенная - при ударе минерал раскалывается ровными, гладкими плоскостями на обломки, напоминающие первичные кристаллы (галит, кальцит и др..)

в) несовершенная - распознается трудно на обломках минерала. Значительная часть обломков ограничена неправильными поверхностями (апатит, берилл и др.).

г) спайность отсутствует. При ударе минерал раскалывается в случайных направлениях с неправильными поверхностями излома (кварц, лимонит и др.).

Излом. Для определения некоторых минералов хорошим диагностическим признаком является излом - случайное направление раскола минерала. По определенным характерным поверхностям, которые образуются при расколе минерала, выделяют следующие типы излома:

а) ровный, ступенчатый, характерный для минералов со спайностью;

б) раковистый (опал, халцедон и др.), который напоминает внутреннюю поверхность раковины;

в) занозистый (роговая обманка, гипс и др.) - присущ минералам с волокнистым или игловатым строением;

г) землистый (каолинит и др.) - характерный для землистых минералов;

д) зернистый - имеют минералы зернистого строения.

Твердость. Это способность минералов сопротивляться механическим усилиям, которые разъединяют его частицы. Степень твердости минералов определяется приблизительно по сравнению с твердостью эталонных минералов по шкале Ф. Мооса.

Для определения твердости минералов в лабораторных условиях пользуются подручными предметами, твердость которых известна: мягкий карандаш - 1 ноготь - 2,5; медная монета - 3-4; стекло - 5-5,5; лезвие бритвы - 5-6; напильник - 7.

Стекло царапает все минералы с твердостью менее 5, а минералы с твердостью более 5 сами царапают стекло. Этими подручными средствами можно определить твердость большинства минералов, поскольку минералы с твердостью более 6 встречаются сравнительно редко.

Растворение в кислотах. Все минералы класса карбонатов (кальцит, малахит и др.) реагируют с соляной кислотой с выделением углекислого газа, пузырьки которого создают впечатление кипения кислоты. Некоторые минералы этого класса растворяются в размельченном состоянии (доломит) или при подогреве (магнезит). Для определения минералов применяется 10% раствор соляной кислоты, капля которого с помощью стеклянной палочки или капельницы наносится на поверхность образца или в порошок.

Вкус, запах. Все минералы, которые растворяются в воде, имеют определенный вкус. Так, галит - соленый, сильвин - горько-соленый. Некоторые минералы при трении друг о друга имеют характерный запах. Так, при трении желваки фосфоритов появляется запах горелой кожи, запах сернистого газа характерен для пирита и серы.

Плотность. Это свойство минералов изменяется в широких пределах - от значения меньше 1 (газы, битумы) до 23 г/см³ (группа осьмистого иридия). В ряде случаев плотность является хорошим диагностическим признаком, даже взвешивая минералы на ладони, можно приблизительно определить их плотность. По плотности все минералы распределяют: на легкие - с плотностью до 2,0 г/см³, средние - от 2 до 4 г/см³, тяжелые - более 4 г/см³.

Особые свойства. Некоторые минералы обладают только им присущими свойствами, которые являются хорошими диагностическими признаками этих минералов. Так, одна из разновидностей кальцита - исландский шпат имеет двойное лучепреломление, у лабрадора при вращении на плоскостях спайности наблюдается игра цветов в фиолетово-синевато-зеленых тонах; флюорит даже в небольшом образце может быть окрашен в различные цвета; графит оставляет след на бумаге; глинистые минералы, например, каолин - жирный на ощупь; халцедон просвечивается на краях и т.д.

4. Классификация минералов.

Силикаты (80%) – наиболее многочисленный класс, включающий в себя до 800 минералов. Это алюмосиликаты, являющиеся основой магматических и метаморфических пород. В состав класса входят полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды и другие.

Оксиды и гидрооксиды (17%) объединяют до 200 минералов. На их долю приходится до 17% массы земной коры. Наибольшее распространение имеют кварц, опал и лимонит.

Карбонаты (1,7%). К ним относятся более 80 минералов, чаще всего встречаются кальцит, магнезит и доломит.

Сульфаты (0,1%) объединяют до 260 минералов. Среди них наибольшее значение имеют гипс и ангидрит.

Сульфиды (0,26%) насчитывают до 200 минералов. Типичным представителем является пирит.

Галоиды (менее 0,5%) содержат до 100 минералов. Наибольшее распространение получил галит (поваренная соль).

Другие классы минералов в земной коре занимают меньшее количество. В скобках показано содержание минералов каждого класса в земной коре. Из этих цифр видно, что земная кора в основном состоит из силикатов и алюмосиликатов, и частично из оксидов и карбонатов.

Радиоактивность минералов. 97 природных минералов обладают радиоактивностью за счет содержания в них радиоактивных химических элементов (U²³⁸, Th²³², Ra, K⁴⁰ и др). Из искусственно созданных в процессах ядерных реакций радиоактивных химических элементов отметим технеций, прометий и нептуний. Минералы с содержанием радиоактивных элементов дают излучение, интенсивность которого зависит от вида и количества этих элементов. Это видно из следующих примеров: 1) минерал эшимит содержит Th²³² до 30% - малое излучение, а минерал пирохлор имеет U²³⁸ всего 17%, но дает большое излучение; 2) минерал уранинит содержит U²³⁸ до 30% - малое излучение, а торернит – до 60% - это уже большое излучение. Радиоактивные минералы входят в состав горных пород. В силу этого некоторые горные породы обладают радиоактивностью.

Искусственные минералы. Эти минералы появились в результате целенаправленной производственной деятельности человека. В настоящее время уже известно более 150 искусственно созданных минералов. Они создаются в двух направлениях: 1) как аналоги природных минералов и 2) как техногенные образования.

Аналоги – это искусственно полученные минералы, которые копируют природные минералы, такие как алмаз(С), корунд (Al₂O₃), кварц в виде горного хрусталя (SiO₂), барит (ВаSO₄) и ряд других. Эти минералы в природных условиях встречаются редко, но они необходимы для хозяйства и поэтому их стали создавать искусственно. Минералы-аналоги, а их уже десятки наименований, в ряде случаев превосходят природные минералы по хорошей огранке и чистоте кристаллов. Искусственные алмаз и корунд по прочности выходит природного алмаза на 40%.

Техногенные минералы создаются в промышленных условиях. И представляют существенный интерес для дорожного строительства, т.к. входят в широко используемые дорожно-строительные материалы (вяжущие, шлаки и др.). В природных условиях такие минералы не образуются. Это минералы, из которых состоят цементы, огнеупоры, абразивы, керамика и т.д. Каждый минерал имеет строго определенные свойства. Так например: 1) вяжущими свойствами обладают алит (3СаО·SiO₂) и белит (2СаО·SiO₂), входящие в цементы, 2) огнеупорными являются муллит (3Аl₂О·2SiO₂) и периклаз (МgО), 3) высокую прочность имеют карбид кремния (SiC) и т.д.

Контрольные вопросы:

1. Что называют минералами?

2. Где используются минералы?

3. Что такое минеральные агрегаты?

4. Охарактеризовать минеральные агрегаты.

5. Рассказать о физических свойствах минералов.

6. Почему необходимо определять все физические свойства при исследованиях?

7. Какие минералы называют породообразующими?

8. Выучить наизусть классификацию минералов.

Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 39; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!