главная > справочник > химическая энциклопедия:

Минерал

Минерал (от позднелат. minera-руда), прир. твердое тело с характерными хим. составом, кристаллич. структурой и свойствами. Образуется в результате физ. и хим. процессов (экзогенных, эндогенных и метаморфических; см. Полезные ископаемые)в глубинах и на поверхности Земли, Луны, др. планет и космич. тел. минерал-составная часть горных пород, руд и метеоритов. Как исключение к минерал относят жидкую ртуть и прир. амальгамы. аморфные опал и аллофан (водный силикат алюминия). Выделяют также метамиктные минерал, которые утратили кристаллич. строение в результате радиоактивного распада. минерал, как правило, неорг. вещества, но иногда к ним относят кристаллич. орг. соединения (в частности, оксалаты), некоторые твердые углеводороды и ископаемые смолы (компоненты янтаря). Воду. в отличие от льда, обычно не считают минералом. По мнению В. И. Вернадского, однако, минералами являются не только твердые прир. образования, но также жидкости и газы.

Понятие 'минерал' употребляют для обозначения минеральных индивида, вида и разновидности. Минер. индивиды-отдельные кристаллы или кристаллич. зерна. Их размеры варьируют от 1-100 нм (коллоидные минерал) до неск. минерал Минеральный вид - совокупность минер. индивидов однотипной структуры, хим. Состав которых может изменяться в определенных пределах без изменения структуры. Минерал одинакового состава, но разной структуры-полиморфные модификации (напр., алмаз и графит. кальцит и арагонит) - относят к разным минер. видам. Непрерывные ряды твердых растворов (изоморфные смеси) условно делят на неск. минер. видов. Так, в двухкомпонентных твердых растворах выделяют обычно три минер. вида (с содержанием одного из компонентов 100-75, 75-25 и 25-0 мол. или ат. %), реже два (0-50 и 50-100 мол. или ат. %), а в трехкомпонентных-семь или три. Минер. разновидность выделяют внутри минер. вида по особенностям структуры, состава, морфологии и свойств. Известно ок. 3000 минер. видов и почти столько же разновидностей.

Называют минерал по составу, месту находки, особенностям морфологии, характерному свойству, в честь ученых, путешественников, космонавтов, политич. деятелей и т.д.

Структура. Структурными единицами в узлах кристаллич. решетки минерал б. атомы (как, например, в алмазе), ионы (напр., Na⁺, UO₂²⁺, NH⁺₄, Н₃О⁺ , Cl^-, CO₃^2-, PO₄^3-), а также молекулы (S₈ в сере. As₄S₄. в реальгаре). Они удерживаются в структуре благодаря ионной, ковалентной, металлич. и водородной связям, а также ван-дер-ваальсовым взаимодействияминерал В т. наз. гомо(изо)десмич. структурах имеется только один тип связи (ковалентная в алмазе, ионная в галите, металлическая в золоте); но гораздо чаще встречаются гетеро(анизо)десмич. структуры с неск. типами связи. Пространств. расположение структурных единиц, связанных наиб. прочными связями, определяет геоминерал "мотив" структуры: островной (в т.ч. кольцевой), цепочечный, ленточный, слоистый, каркасный, координационный. В структуре каждого минерал выделяют элементарную ячейку с соответствующей симметрией и параметрами (сминерал Кристаллы).

Реальная структура минерала отличается от идеальной наличием дефектов (вакансии в отдельных узлах кристаллич. решетки, примесные атомы или ионы в узлах или между узлами, изменение валентности у части ионов) и дислокаций. Упорядочение вакансий может приводить к увеличению одного из параметров элементарной ячейки. Для слоистых минералов (слюды, графит. молибденит и др.) характерна политипия, при которой происходит небольшой сдвиг слоев (пакетов) относительно друг друга с изменением периодичности в их чередовании. В результате разл. политипы одного минерал отличаются друг от друга параметрами вдоль одной из осей (причем эти параметры кратны одной и той же величине). При этом может происходить изменение вида симметрии элементарной ячейки вплоть до изменения сингонии. Однако существ. перестройки структуры, как при полиморфизме. не происходит.

Кроме того, атомы или ионы в некоторых минерал могут распределяться по узлам кристаллич. решетки закономерно или статистически; соответственно различают упорядоченные и неупорядоченные структуры.

Химический состав и формулы. В состав минералов входят все стабильные и долгоживущие изотопы элементов периодич. системы, кроме инертных газов (хотя Аr и Не могут накапливаться в минерал как продукты радиоактивного распада). Различают видообразующие элементы и элементы-примеси, содержание которых в минерал составляет соотв. единицы-десятки и единицы-доли процента по массе. К последним обычно относят редкие и рассеянные элементы: Rb, Cs, Ra, Sc, Ga, In, Tl, Ge, Hf, Th, РЗЭ, Re, I, Br и др., которые, как правило, не образуют самостоятельных минерал Примеси минерал б. структурными (изоморфными) или механическими (адсорбир. элементы и соед., газово-жидкие микровключения, микроскопич. и субмикроскопические включения других минералов), что связано с условиями образования минералов и с особенностями его кристаллич. структуры.

По числу (один, два или больше) видообразующих элементов среди минерал выделяют соотв. простые вещества, бинарные и более сложные соединения. Бинарные соед. преобладают среди интерметаллидов (напр., Au₂Bi, Pd₃Sn, Pt₃Fe), карбидов. нитридов. силицидов (Fe₃C, FeSi, CrN), характерны для некоторых халькогенидов (PbS, NiSe, Bi₂Te₃, NiAs, FeSb₂), простых оксидов (MgO, Fe₂O₃, Al₂O₃, SiO₂), галогенидов (NaCl, KCl, MgF₂, CaF₂). К более сложным соед. относятся некоторые интерметаллиды (Au₈PbTe, CuPt₂Fe), карбиды и фосфиды (Fe₂NiP, Fe₂₀Ni₃C), большая часть халькогенидов (Cu₅FeS₄, CoAsS, Ag₃SbS₃), гидроксиды и сложные оксиды (АlOОН, FeCr₂O₄), все соли кислородсодержащих кислот {Ca_s [PO₄]₃(F, Сl, ОН)}, часть галогенидов (NH₄Cl, KMgCl₃^.6H₂O) и все т. наз. галогеносоли (Na[BF₄], Na₃ [AlF₆]). Характерная особенность силикатов, боратов и ванадатов - наличие полимерных анионов. В силикатах в строении анионного радикала принимают участие (кроме Si и О) Аl, В и Be.

Состав некоторых минерал относительно постоянен (кварц, гематит и др.), однако большинство минерал имеют переменный состав, как, например, члены изоморфных рядов в двух-, трех- и многокомпонентных системах.

Состав минералов выражается химической формулой. Эмпирич. формула отражает соотношения входящих в состав минерал элементов, которые располагаются в ней слева направо по мере увеличения номера группы в периодич. системе, а для элементов одной группы-по мере уменьшения их порядковых номеров, например кобальтин CoAsS, сподумен Li₂O  Аl₂О₃  4SiO₂. Кристаллохимическая формула отражает связь состава со структурой. Она записывается по определенным правилам: сначала катионы. затем анионы, при этом комплексные анионы заключают в квадратные скобки; после аниона т. наз. дополнит. анионы (F^-, Cl^-, ОН^-, О^2-); молекулы воды обычно записываются в конце формулы; изоморфные элементы ставят в круглые скобки через запятую. Можно указать мотив полимерного аниона: цепочечный или ленточный ( ), слоистый ( ), каркасный ( ). Напр., кристаллохим. формула кобальтина имеет вид Co[AsS], сподумена- , талька-Mg₃ (OH)₂, альбита- . Степень окисления указывают справа вверху от символа элемента, а координационное число - слева вверху в круглых скобках, например: магнетит Fe²⁺Fe₂³⁺ O₄, андалузит ⁽⁶⁾Al⁽⁵⁾Al [SiO₄] О. Формулы минерала, для которых характерны разнообразные изоморфные замещения, записывают в обобщенном виде, например блеклые руды М⁺₁₀М₂²⁺ [Y₄X₁₃], где М⁺ -Сu, Ag; M²⁺ -Fe, Zn, Сu, Hg, Cd, Mn; Y-As, Sb, Bi, Те; X-S, Se.

В составе минерала может присутствовать вода: связанная, или конституционная, в ионизир. виде (ОН^-, Н₃О⁺); кристаллизационная в виде молекул Н₂О, кол-во которых в элементарной ячейке постоянно, и свободная (адсорбированная, капиллярная, межслоевая и др.), кол-во которой непостоянно, что обозначается n^.Н₂О или aq. M. может содержать одновременно неск. типов воды, что отражается в кристаллохим. формулах, например: гипс Са [SO₄]2Н₂О, гидромусковит (К, Н₃O⁺) Аl₂ [AlSi₃O₁₀] (OH)₂nН₂O.

Реальный состав минерала всегда отличается от идеальной формулы минералогического вида. Так, формула минералогического вида сфалерита-ZnS, а в результате хим. анализа конкретного образца сфалерита минерал б. получена, например, такая формула: (Zn_0,70Fe_0,15Mn_0,10Cd_0,03In_0,02)S.

Классификация. Общепринятой классификации минерал нет. Наиб. рациональной классификацией минер. видов считают кристаллохимическую, которая в равной степени учитывает хим. состав и структурные особенности минерал и позволяет выявлять взаимосвязи между составом, кристаллич. структурой, свойствами и морфологией (см. ниже) минерала. Так, иногда минерал подразделяют по составу на шесть типов: самородные элементы (простые вещества), интерметаллиды, карбиды и им подобные, халькогениды, кислородные соед., галогенные соединения. В трех последних типах характер аниона (простой или комплексный) служит основанием для выделения соответствующих подтипов, а конкретный состав аниона-для выделения классов (сминерал табл.).

КЛАССИФИКАЦИЯ МИНЕРАЛОВ

Морфология (формы выделения). Минералы часто образуют кристаллы определенной формы, свойственной данному минеральный виду. Облик их может быть изометрический, удлиненный (столбчатый, игольчатый и др.) или уплощенный (таблитчатый, чешуйчатый и др.). Нередко кристаллы закономерно срастаются в виде двойников, тройников, четверников, шестсрников. Незакономерные сростки кристаллов и кристаллич. зерен образуют минеральные агрегаты (друзы, щетки, сферолиты, оолиты и др.). Морфология кристаллов и агрегатов дает информацию об условиях образования минерала и используется при их диагностике.

Свойства минералаобусловлены их кристаллич. структурой и хим. составом. Они являются основой диагностики минерал, учитываются при поисках в разведке полезных ископаемых, при обогащении и комплексной переработке руд и применении минерал Мех. свойства включают твердость, хрупкость, ковкость, спайность, отдельность, излом, гибкость (сопротивление излому), упругость. Под твердостью понимают степень сопротивления минерал к.-л. воздействию. Для определения относительной твердости минералов используют шкалу Мооса, составленную из 10 эталонов-минералов с условной твердостью от 1 до 10: 1-тальк, 2-гипс, 3-кальцит, 4-флюорит, 5-апатит, 6-ортоклаз, 7-кварц, 8-топаз, 9-корунд, 10-алмаз (расположены в порядке возрастания твердости). Этими минералами царапают поверхность исследуемого минерал Т. наз. микротвердость (кгс/мм²) рассчитывают по величине углубления, полученного в стандартных условиях при вдавливании в минерал алмазной пирамидки на спец. приборе-микротвердомере. Твердость минерал зависит главным образом от его кристаллич. структуры, типа и прочности хим. связей. С твердостью минерал связаны их хрупкость и ковкость. Спайность минерал-это способность раскалываться при ударе по определенным направлениям с образованием плоских поверхностей. Спайность зависит от типа кристаллич. решетки, прочности связей и их пространств. распределения в структуре и, в зависимости от геоминерал типа структуры, может проявляться в одном, двух, трех и более направлениях. Отдельность подобна спайности, но обусловлена двойникованием, ориентированным замещением другими минерал, воздействием одностороннего давления. Излом (ступенчатый, занозистый, раковистый, неровный) характеризует поверхность обломков, на которые раскалывается минерал (не по спайности) при ударе. Упругие свойства оценивают по характеру деформации минерал при воздействии на него мех. напряжения (сминерал Реология).

Оптические свойства веществ а минерал включают преломление, отражение и поглощение света, блеск, цвет, люминесценцию. Они также связаны с составом и структурой минерал Преломление света наблюдается у прозрачных минерал (кислородные и галогенные соед.) и характеризуется показателем преломления п. Отражение света наблюдается в большей степени у непрозрачных и полупрозрачных минерал (металлы, интерметаллиды, халько-гениды, оксиды и гидроксиды) и характеризуется коэф. отражения R. По величинам п и R диагностируют минерал под микроскопом в проходящем или отраженном свете. Свето-поглощение (оптич. плотность) характеризует как прозрачные (алмаз, горный хрусталь), так и полупрозрачные (сфалерит, сера) и непрозрачные (магнетит, золото) минеральный блеск минералов, наблюдаемый визуально - одна из форм светоотражения. Он бывает металлическим, полуметаллическим, алмазным, стеклянным, жирным, матовым и др. Цвет минерала объясняется частичным поглощением видимого света и обусловлен присутствием в структуре ионов-хромофоров в качестве видообразующих элементов или изоморфных примесей, а также структурными дефектами, газово-жидкими включениями и микроскопич. включениями окрашенных минералов. Некоторые минерал способны люминесцировать при облучении, нагревании, раскалывании, в результате трения.

Э л е к т р и ч. с веществ а выявляются у минералов при воздействии на них электркч. поля, в некоторых случаях-при нагр. или мех. деформации. По величине электропроводности минерал делят на проводники (металлы, интерметаллиды), полупроводники (мн. халькогениды) и диэлектрики (кислородные и галогенные соед.). Диэлектрики не проводят электрич. тока, но на поверхности некоторых из них могут возникать электрич. заряды в результате нагревания (пироэлектричество, например, в турмалине), давления, сжатия, растяжения (пьезоэлектричество в кварце) и трения (трибоэлектричество).

М а г н. с веществ а проявляются у минерал в магн. поле. Они связаны с магн. моментами атомов и особенностями структуры минерал По величине магн. восприимчивости минерал подразделяют на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. По степени упорядоченности магн. моментов парамагнетики и ферромагнетики подразделяют на антиферромагнетики (напр., ильменит, гематит), ферромагнетики (самородное железо) и ферримагнетики (магнетит, пирротин). По плотности (г/см³) минерал делят на легкие (до 2,5), средние (2,5-4), тяжелые (4-8) и весьма тяжелые (> 8,0). Плотность зависит от атомных масс слагающих кристаллич. решетку атомов и ее геоминерал типа. Наиб. плотность (от 8 до 23 г/см³) имеют самородные металлы. Некоторые минерал обладают радиоактивностью.

Диагностика и методы изучения. Предварит. диагностика минерал основывается на изучении морфологии и физ. свойств минерал, наблюдаемых визуально. Иногда дополнительно изучают люминесцентные, радиоактивные и магн. свойства минерал,

Растворимость их в воде и соляной кислоте. О составе минералов судят по характерным хим. реакциям и по цвету пламени газовой горелки при внесении в него образца. Точная диагностика минерал осуществляется в лаб. условиях чаще всего оптическими (в поляризац. микроскопе) и рентгеновскими (напр., на дифрактометре) методами. Элементный состав минерала определяют методами спектрального, атомно-абсорбц. анализа, лазерного спектрального микроанализа. Электронно-зондовые методы позволяют определять состав микроколичеств минерал и устанавливать неоднородность и природу примесей без разрушения образца. Примеси в минералах изучают также с помощью электронной микроскопии и ЭПР. Электронное строение минерал исследуют методами ЭПР, ЯМР и мессбауэ-ровской спектроскопии. Тип воды в минерал определяют методами термич. анализа, спектроскопии ИК и ЯМР. Явления структурной упорядоченности и политипии минерал изучают методами рентгенографии, электронографии, спектроскопии ЯМР. Электронная микроскопия в сочетании с электронографией эффективны при исследовании тонкодисперсных минерал

Применение. минерал служат источниками для получения металлов и др. хим. элементов, а также хим. соединений. Их используют как абразивные и огнеупорные материалы, применяют в керамике, оптике, радиоэлектронике, электро- и радиотехнике. Некоторые минерал являются драгоценными и поделочными камнями. Свойства минерал лежат в основе поиска и разведки полезных ископаемых, методов сепарации и обогащения руд. В широких масштабах в промышленности получают синтетические минерал для радиоэлектроники, оптики, абразивной и ювелирной промышленности.

Лит.: Поваренных А. С., Кристаллохимическая классификация минеральных видов, К., 1966; Булах А. Г., Руководство и таблицы для расчета формул минералов, 2 изд., минерал, 1967; Годовиков А. А., Введение в минералогию, Новосибирск, 1973; Марфунин А. С., Введение в физику минералов, минерал, 1974; Минералогические таблицы, Справочник, под ред. Е.И.Семенова, минерал, 1981; Годовиков А. А., Минералогия, 2 изд., минерал, 1983. © Р. А. Виноградова.