Химический состав минералов
Среди минералов нет химически чистых веществ. В их структуру входят различные химические примеси. В одних минералах количество таких примесей незначительно, мы называем их минералами постоянного состава. Таковы, например, кварц БЮг (в нем содержание А1, Ре, Ка и других элементов не превышает 0,01%), галит КаС1 (его чистота обычно не менее 99,9%). Другие минералы содержат разные (от незначительных до больших) количества химических примесей. Так, в разных образцах сфалерита количество примеси железа колеблется от 0 до 20 ат.% от суммы + ¥е. Такие минералы называют минералами переменного состава, и главная причина их существования — явление изоморфизма. Изоморфизмом называется явление замены в кристаллической решетке минерала одних химических элементов другими.
Соединения постоянного состава. Все химические соединения постоянного состава, как известно, строго подчиняются закону кратных отношений (закон Дальтона) и закону валентных паев, связывающему отношения компонентов данного соединения с отношениями их в других типах соединений. Эти законы находятся в полном соответствии с Периодической системой элементов Д. И. Менделеева, законами кристаллохимии и учением о симметрии в кристаллических средах.
Характерно, что эти соединения отличаются целым рядом особых физических свойств, отчетливо выступающих на физико-химических диаграммах плавкости, растворимости, электропроводности, твердости, удельного веса, показателей преломления и пр. Необходимо отметить, что реальные минералы в отношении своего химизма практически никогда не могут рассматриваться в качестве соединений постоянного состава, поскольку содержат то или иное изменяющееся от индивида к индивиду количество примесей (минеральные индивиды также можно считать химически однородными лишь в первом приближении). Причина такого положения дел заключается, во-первых, в одном из качеств природных минералообразующих систем, которое определяется законом В. И. Вернадского о «всюдности химических элементов». Второй причиной является чрезвычайная энергетическая выгодность наличия примесей в кристаллической структуре по сравнению с чистым веществом. Дело в том, что добавление малого количества примеси (не механической, а в атомной форме) вызывает резкое повышение так называемой конфигурационной энтропии соединения по сравнению с нулевым значением этого параметра для чистого вещества, что оказывает стабилизирующее воздействие на кристаллическую структуру, тем большее, чем выше температура. Всякое введение посторонних частиц в структуру, конечно, стремится дестабилизировать ее, вызывая в ней напряжения, но для малых количеств примеси энтропийный положительный эффект всегда превышает потери, затрачиваемые на «содержание» примеси. Поэтому ни одно природное соединение без особых причин не может «отказаться» от присутствия хотя бы небольших порций посторонних атомов в структуре, тем более, когда состав минералообразующей системы обеспечивает широкий выбор наиболее подходящих примесных атомов.
Лишь отдельные индивиды минералов, формирующиеся в специфических условиях природной дистилляции, приближаются к соединениям постоянного состава. Тем не менее в качестве идеализации многие минералы полезно условно рассматривать как соединения постоянного состава.
Такое абстрагирование от реального состава позволяет использовать понятие минерального вида и характеризовать индивиды минералов, относящиеся к определенному минеральному виду, единообразными и относительно простыми химическими формулами, отражающими устойчивые особенности их, вообще говоря, непостоянного состава.
К числу бинарных химических соединений относятся: простые оксиды (Cu2O, MgO, Fe2O3, SiO2 и др.), сульфиды (NiS, FeS2, Sb2S3 и др.), галогениды (NaCl, AgBr, CaF2 и др.) и т. д. Соединения, состоящие из атомов трех элементов, называются тернарными; таковы различные кислородные соли (Са[CO3], Ca[SO4], Y[PO4], Mg2[SiO4] и др.). Существуют, конечно, и соединения более сложного состава.
Химический состав химических соединений может изображаться двояким способом: 1) в виде эмпирических формул; 2) в виде конституционных или структурных формул.
Эмпирическими формулами выражают состав минералов либо в виде символов элементов, входящих в соединение, начиная с наиболее низковалентных катионов и заканчивая наиболее низковалентными анионами
(например, Ba[SO4], Na3[AlF6], Na[AlSi3O8] и т. д.), либо в виде ряда простейших составляющих соединений (BaO .SO3, 3NaF .AlF3, Na2О .Al2O3.6SiO2 и т. д.).
Соединения переменного состава (твердые растворы, смешанные кристаллы, изоморфные смеси).Кроме химических соединений постоянного состава, получаемых обычно в лабораториях с использованием чистых исходных компонентов, существует огромное множество таких соединений, состав которых не является постоянным, а колеблется то в узких, то в более широких пределах, причем эти колебания состава не могут быть объяснены наличием каких-либо механических примесей посторонних веществ. Наоборот, колеблющийся состав соединений с кристаллохимической точки зрения находит объяснение в растворимости составных компонентов в данном соединении. Такие химические образования получили название соединений переменного состава.
Среди минералов соединения переменного состава составляют большинство. Существование веществ (фаз) переменного состава кажется вполне естественным, если речь идет о жидких растворах, состав которых определяется соотношением количеств растворенного вещества и растворителя. Таким образом, состав раствора колеблется в пределах от чистого растворителя до насыщенного раствора; он может быть любым из непрерывного множества возможных составов в пределах, зависящих от температуры и давления. Способность кристаллических веществ различного состава образовывать непрерывно меняющиеся по составу соединения одинаковой кристаллической структуры основана на изоморфизме, т. е. свойстве атомов различных элементов заменять друг друга в твердых химических соединениях.