Физические свойства минералов.
Минералы обладают определенными свойствами, позволяющими различать и диагностировать их. Физические свойства минералов, используемые для их определения, называются диагностическими.
Цвет минералов зависит от их структурных особенностей, присутствия в них красящих элементов (хромофор) и механических примесей. Например, если в структуру граната входит магний, то минерал имеет кроваво-красный цвет (пироп), а если эти же позиции заняты кальцием – то желтоватый или зеленоватый цвет. Механическая примесь мельчайших кристаллов турмалина окрашивает бесцветный кварц в голубую окраску. «Загрязняющими» окраску механическими примесями могут быть бурые гидроксиды железа, органические вещества. Цвет минерала следует определять на свежем изломе, так как в процессе выветривания он может измениться, особенно у сернистых и мышьяковистых минералов. Для некоторых минералов цвет – основной диагностический признак. Например, аметист – фиолетовый, малахит – зеленый, рубин – красный. У некоторых минералов наблюдается ложная окраска, связанная с наличием трещин, мелких включений, тончайших пленок на поверхности. Отражение света происходит как от поверхности минерала, так и от поверхности включений и трещин, что воспринимается в виде радужной игры цветов. Это явление иризации. Оно характерно для лабрадорита, содержащего тончайшие включения пластинчатых кристаллов гематита по плоскостям спайности. Иризирующие пленки на поверхности минералов называют побежалостью. Разноцветная побежалость характерна для медьсодержащих минералов (халькопирита), одноцветная - золотистая – для бурого железняка - лимонита.
Цвет черты – цвет минерала в мелкораздробленном состоянии (порошке). Для определения цвета черты проводят куском минерала по неглазурованной фарфоровой пластинке – «бисквиту». Минерал не должен быть тверже бисквита, иначе он оставит не черту, а царапину. Цвет черты может отличаться от цвета минерала: гематит в куске черный, а в порошке – вишнево-красный, кальцит независимо от окраски имеет белую черту.
Прозрачность – способность вещества пропускать свет – зависит от физико-химических свойств вещества. Все минералы делятся на прозрачные (горный хрусталь, исландский шпат), полупрозрачные (сфалерит, киноварь, изумруд, халцедон, опал), непрозрачные (галенит, пирит, графит, магнетит). Прозрачны в тонких осколках полевые шпаты, пироксены, амфиболы.
Двойное лучепреломление характерно для некоторых прозрачных минералов и связано с различием показателей преломления по разным направлениям. Если через пластинку исландского шпата (разновидности кальцита) рассматривать какой-либо текст, то он будет двоиться.
Блеск минералов – способность их поверхности отражать свет. Различают минералы с металлическим блеском (пирит, халькопирит, галенит), полуметаллическим блеском тусклого металла (гематит, графит, киноварь) и неметаллическим блеском: стеклянным (силикаты), жирным (тальк и сера), алмазным (алмаз и касситерит), шелковистым (асбест и селенит), восковым (халцедон), перламутровым (слюда).
Твердость – сопротивление минерала царапанью – определяют в условных единицах по шкале Мооса (табл. 1).
Таблица 1
Шкала твердости
| Твердость | |
| по шкале Мооса | полевая |
| 1. Тальк 2. Гипс | мягкие минералы, царапаются ногтем |
| 3. Кальцит 4. Флюорит 5. Апатит | средние, царапаются стальным ножом |
| 6. Ортоклаз 7. Кварц 8. Топаз 9. Корунд 10. Алмаз | Твердые минералы не царапаются стальным ножом тв. больше 7 – царапают стекло тв. больше 8 – режут стекло тв. больше 10 – режут все вещества |
Ноготь имеет твердость 2.5, медная монета – 3, оконное стекло – 5–5.5, стальной нож – 5.5–6.
Спайность минералов – способность их раскалываться по определенным направлениям – плоскостям спайности. Встречаются минералы с весьма совершенной спайностью. Такие минералы легко расщепляются на пластинки, листочки, образуя ровные плоскости (слюды). Минералы с совершенной спайностью раскалываются с образованием ровных блестящих плоскостей в двух (ортоклаз), трех (кальцит, каменная соль), четырех (флюорит), шести (сфалерит) направлениях. Несовершенная спайность обнаруживается с трудом на обломках минерала (апатит, берилл). У минералов с весьма несовершенной спайностью плоскости спайности отсутствуют (корунд, кварц, касситерит).
Излом определяет характер поверхности, возникающей при расколе минерала. Ровный излом дают минералы, обладающие спайностью. Поверхность раскола не по плоскостям спайности может быть следующей: раковистой – похожей на внутреннюю поверхность раковины (опал, халцедон, вулканическое стекло), неровной – без блестящих спайных участков (апатит), занозистой – напоминает излом древесины поперек волокон (асбест, гипс, роговая обманка), крючковатой – поверхность излома покрыта мелкими крючками (самородная медь, серебро), землистой – у землистых минералов (каолинит, охра).
Плотность минерала зависит от его структуры и химического состава и колеблется от 0.9 – у льда до 23 г/см3 – у осмистого иридия. Большинство минералов имеет плотность от 2.5 до 4.5. К легким относятся минералы с плотностью до 2.5, к средним – 2.4–4.0, к тяжелым – более 4 г/см3. Непрозрачные минералы с металлическим блеском (пирит, магнетит) обычно тяжёлые, прозрачные со стеклянным блеском – легкие (кварц, гипс, галит, ортоклаз).
Магнитность – способность минералов действовать на магнитную стрелку или притягиваться к магниту – характерна для железосодержащих минералов: магнетита, пирротина.
Растворимость в кислотах – важное свойство минералов класса карбонатов растворяться в 10% растворе соляной кислоты. Кальцит и малахит растворяются в ней на холоде, магнезит – при нагревании, а доломит – только в раздробленном виде.
Вкус характерен для растворимых в воде минералов: для галита – соленый, сильвина – горько-соленый, квасцов – кислый. Легкорастворимые минералы растворяются на языке (карналлит), нерастворимые – липнут к языку (каолинит, галлуазит).
Запах возникает при трении желваков фосфорита (жженой кости), при нагревании серы и янтаря, при выбивании искр из пирита и марказита (сернистого газа); запах чеснока характерен для минералов, содержащих мышьяк.
Ковкость – свойство ковких минералов при ударе молотком сплющиваться и закругляться по краям, в то время как хрупкие минералы при ударе раскалываются на мелкие куски. При царапании хрупких минералов образуется порошок, а на поверхности ковких остается блестящий след.
Классификация минералов
В основу классификации минералов (по А.Г. Бетехтину) положен кристаллохимический принцип. Все минералы подразделяются на несколько классов, из которых главнейшими являются: 1) силикаты, 2) оксиды и гидроксиды, 3) карбонаты, 4) фосфаты, 5) сульфаты, 6) галоиды, 7) нитраты, 8) су-льфиды, 9) самородные элементы.
К классу оксидов и гидроксидов относятся кислородные и водные соединения металлов и металлоидов. На их долю приходится около 17% массы земной коры. К этому классу относятся такие важнейшие минералы как кварц, лимонит, гематит, магнетит, боксит, пиролюзит и др.
Карбонаты – соли угольной кислоты – H2CO3 составляют до 1,8% массы земной коры. Карбонаты являются источником питания растений кальцием, магнием и некоторыми другими элементами, обладают исключительным признаком – реагируют с разбавленной соляной кислотой, выделяя при этом пузырьки СО2. Важнейшие минералы этого класса: кальцит, доломит, магнезит, сидерит, сода.
Нитраты или селитры – это производные солей азотной кислоты. Содержание их в земной коре незначительно, поскольку минералы этого класса легко растворимы в воде. Нитраты – ценные минеральные удобрения. Наиболее распространены натриевая (чилийская) и калиевая (индийская) селитры.
Фосфаты – соли фосфорной кислоты Н3РО4 – составляют не более 0,1% массы земной коры. Минералы этого класса являются ценными агрономическими рудами, к ним относятся: апатит, фосфорит, вивианит.
Сульфаты – соли серной кислоты Н2SО4. На их долю приходится 0,1% массы земной коры. К ним относятся ангидрит, гипс, мирабалит, барит и др. Гипс и ангидрит являются ценными агрономическими рудами.
Галоиды – это соли галогеноводородных кислот – НС1, HF, реже НВг и HI. Наибольшее значение имеют хлористые соединения (xлориды) – соли соляной кислоты. Многие из них хорошо растворимы в воде. Огромные залежи их образовались в кембрийский и пермский периоды. Минералы этого класса (сильвин, сильвинит, карналлит) являются калийными агрорудами.
Сульфиды – соли сероводородной кислоты H2S – составляют 0,25% массы земной коры. Они не относятся к породообразующим минералам, но являются рудами многих важнейших металлов: железа, меди, цинка, свинца, ртути. К сульфидам относятся: пирит, халькопирит, галенит, сфалерит, аурипигмент, киноварь и др.
Самородные элементы – класс минералов, включающий химические элементы, находящиеся в земной коре в свободном состоянии. Это алмаз, графит, сера, золото, платина, природные газы: О, N, Н и др. Общая масса их около 0,1% от массы земной коры.
В таблице 2 представлены минералы перечисленных классов, участвующие в образовании пород и почв, являющиеся агрорудами и имеющие значение для сельского хозяйства.
Таблица 2
Классификация минералов
| Класс | Главные минералы | Формула | Отличительные признаки | Происхождение | Участие в породо- и почвообразовании, применение в с/х |
| Оксиды и гидроксиды | Кварц | SiO2 | Тв. 7, неметаллический блеск, отсутствие спайности, шестигранные кристаллы с поперечной штриховкой на гранях. | Магматическое, пневматолитовое, гидротермальное, гипергенное. | Породообразующий минерал кислых магматических, метаморфических и осадочных обломочных пород. Входит в состав крупных фракций почв. |
 | Опал | SiO2*nH2O | Аморфная разновидность кремнезема тв. 5.5-6.5, стекловидное строение, раковистый излом, полупрозрачный. | Продукт выветривания силикатов и почвообразования. Гидротермальное. | Входит в состав пород осадочного химического и органического происхождения, минеральной части почв. Образует прослойки и заполняет трещины в породах, формируя псевдоморфозы. |
| Халцедон | SiO2 | Скрытокристаллическая разновидность кремнезема, структура скрытокристаллическая или волокнистая, просвечивает в краях, восковой блеск, плотный. | Химическое осадочное-выпадает из растворов, образуется при выветривании силикатов. | Выстилает пустоты в породах, входит в состав метаморфических и осадочных пород. | |
| Боксит | Al2O3*nH2O | Кирпично-красный, красно-бурый, оолитовое строение, землистый, легкий. | Осадочное химическое – на дне озер и морей, образуется при латеритном выветривании. | Входит в состав латеритных кор выветривания и почв, способствуя оструктуриванию почв. | |
| Лимонит | Fe2O3*nH2O | Ржаво-бурый, охряно-желтый, аморфный, матовый. Встречается в виде конкреций, желваков, натеков. | Продукт химического выветривания железосодержащих минералов. | Содержится в корах выветривания, встречается в торфяниках, придает бурую окраску почвам и породам. | |
| Пиролюзит | MnO2 |  Цвет и черта – черные, матовый, мягкий, строение оолитовое или землистое. | Образуется в зоне выветривания марганцевых минералов. | Применяют в качестве микроудобрения в с/х, образует конкреции в почвах. |
Продолжение таблицы 2
| Гематит | Fe2O3 | Цвет вишнево-красный, черный, черта вишнево-красная, блеск полуметаллический. | Метаморфическое. | Железная руда. | |
| Магнетит | Fe3O4 | Сильно магнитен, черта черная, твердый. | Метаморфическое. | Железная руда. | |
| Гетит | FeOOH | Ржаво-бурые цвет и черта, призматические кристаллы редки, чаще встречаются натечные формы, конкреции, землистые массы. | Продукт ферралитного выветривания в экваториальных и тропических областях. | Находясь в тонкодисперсных фракциях почв влияет на их свойства – емкость поглощения. В кислых почвах способен к необменной сорбции анионов. | |
| Гиббсит | Al(OH)3 | Белый, блеск стеклянный, слоистый. | |||
 Карбонаты | Кальцит (Разновидность – исландский шпат). | CaCO3 | Стеклянный блеск, совершенная спайность в трех направлениях, тв. 3, бурно вскипает при действии разбавленных соляной и уксусной кислот. | Гидротермальное, осадочное органогенное, образуется в процессе выветривания. | Породообразующий минерал известняков, используемых для известкования кислых почв. |
| Доломит | CaCO3*MgCO3 | Тв. 3.5-4, стеклянный блеск, вскипает с разбавленной соляной кислотой в порошке. | Метасоматоз, осадочное химическое. | Породообразующий минерал, используется в качестве удобрения. | |
| Магнезит | MgCO3 | Реагирует с подогретой соляной кислотой, зерна удлиненной формы. | Гидротермальное, метасоматоз, аморфный магнезит образуется при химическом выветривании силикатов Mg. | Породообразующий минерал метаморфических пород. | |
| Сидерит | FeCO3 |  Желтый, бурый, вскипает при действии нагретой соляной кислоты. Капля кислоты на поверхности сидерита окрашивается в желтый цвет благодаря образованию FeCl3 | Гидротермальное. Осаждается в морских бассейнах. | Руда на Fe. Встречается в болотных почвах вместе с вивианитом как нераскристаллизовавшийся гель. |
Продолжение таблицы 2
| Сода | Na2CO3*10H2O | Растворим в воде и в HCl. Белый, серый, желтоватый, встречается в зернистых агрегатах, на воздухе теряет воду и белеет. | Осадочное химическое. | Встречается в виде белых налетов, выцветов, корочек на поверхности почвенных частиц в засушливых районах. | |
| Нитраты | Натриевая селитра | NaNO3 | Белый, бесцветный, желтоватый. Блеск стеклянный, мягкий, образует налеты, пласты, имеет солоноватый, холодящий вкус, растворим в воде, при нагревании с углем дает вспышку. | Биогенное. | Азотнокислая агроруда. |
 | Калийная селитра | KNO3 | Дает более яркую вспышку, блеск стеклянный и шелковистый. | Биогенное, химическое. | Азотнокислая агроруда. Встречается в виде выцветов и налетов в почвах и породах, образуя пухлые солончаки в сухих областях Казахстана. |
| Фосфаты | Апатит | [Ca5(PO4)3 (F,Cl,OH)] | Хибинский – мелкозернистый, сахаровидный, забайкальский – образует таблитчатые, призматические кристаллы со стеклянным блеском, тв. 5, цвет белый, зеленый, голубой, бурый. | Магматическое. | Агроруда на фосфор. |
| Фосфорит | Ca5(PO4)3 (Cl,F) | Амфорный минеральный агрегат, смесь апатита с кальцитом, гипсом и др. Образует желваки, конкреции. Черный, бурый, темно-серый. При трении образцов друг о друга появляется запах жженой кости. | Осадочное, химическое и биогенное. | Фосфорнокислая агроруда, особенно эффективен на кислых почвах. | |
| Вивианит | Fe3(PO4)2* 8H2O | В свежем состоянии бесцветен, на воздухе синеет, зеленеет, затем становится бурым, тв. 1.5-2. | Биохимическое. | Фосфорнокислая агроруда. Встречается в болотных почвах с лимонитом и сидеритом. |
Продолжение таблицы 2
| Сульфаты | Гипс | CaSO4* 2H2O | Тв.2, белый, серый, бесцветный, желтоватый, розовый, черта белая, спайность весьма совершенная, плотный, землистый, листоватый, волокнистый. Образует землистые массы, отдельные кристаллы, двойники, друзы, растворим в воде и HCl. | Осадочное химическое, образуется в процессе выветривания. | Гипсовая агроруда. Используется для нейтрализации засоленных почв – замещения Na+ в ППК на Ca2+. Источник Ca и S для кормовых: клевера и люцерны. |
| Ангидрит | CaSO4 | Тв.3-3.5, слабо растворим в HCl, цвет белый, сероватый, голубой, красноватый. | Осадочное химическое, образуется при дегидратации гипса. | Гипсовая агроруда. | |
 | Мирабилит (глауберова соль) | Na2SO4* 10H2O | Бесцветный с желтоватым или зеленоватым оттенком, вкус солоноватый, горьковатый, при реакции с HCl «не вскипает» | Осадочное химическое. | Химическое сырье. |
| Галоиды | Галит | NaCl | Стеклянный блеск, соленый вкус, спайность совершенная в трех направлениях по кубу. | Осадочное химическое. | В пищевой и химической промышленности. |
| Сильвин | KCl | Цвет различный, тв.1.5-2, легко растворим в воде, вкус горькосоленый. | Осадочное химическое. | Калийная агроруда. | |
| Сильвинит | KCl*NaCl | Смесь галита с сильвином. | Осадочное химическое. | Калийная агроруда. | |
| Карналлит | KCl*MgCl2* 6H2O | Красный, тв. 2-3, горько-соленый, легко растворим в воде, гигроскопичен, на воздухе расплывается и становится жирным. При растворении издает треск в результате «лопания» пузырьков газа, находящихся в нем. | Осадочное химическое. | Калийная агроруда. | |
| Флюорит | CaF2 |  Тв.4, стеклянный блеск, кубические кристаллы. | Магматическое, осадочное. | Минерал шкалы твердости. |
Продолжение таблицы 2
| Сульфиды | Пирит | FeS2 | Латунно-желтый, черта черная, тв.6-6.5, металлический блеск. В зоне окисления неустойчив, образует сульфаты, карбонаты, гидроксиды железа. | Магматическое, осадочное. | Сырье для получения серной кислоты. Огарки используются как источник микроэлементов. Встречается в глинах, почвах. |
| Халькопирит | CuFeS2 | Золотисто-желтый с пестрой побежалостью, тв. 3.5-4, черта черная. В зоне выветривания легко окисляется до сульфатов Cu и Fe. | Гидротермальное. | Продукт окисления – медный купорос – применяют для борьбы с вредителями с/х культур. | |
| Сфалерит | ZnS | Сильный алмазный блеск, весьма совершенная спайность, цвет черты бурый, коричневый. | Гидротермальное, образуется при восстановлении сульфатов и карбонатов. | Руда на цинк. | |
 | Аурипигмент | As2S3 | Лимонно-желтый цвет и черта, тв.1-2. | Гидротермальное. | Получают перекись мышьяка, используемую для борьбы с вредителями |
| Самородные элементы | Сера | S | Светло-желтый, неметаллический блеск, при горении выделяет сернистый газ с удушливым запахом. | Пневматолитовое, вулканическое, при восстановлении сульфатов и окислении сульфидов. | Применяется для борьбы с вредителями и как микроудобрение. |
Наиболее распространенными в земной коре являются минералы класса силикатов. Они имеют более сложную структуру по сравнению с другими минералами, основным элементом ее является кремнекислородный радикал-тетраэдр, обладающий четырьмя свободными валентными связями (рис. 1а). В зависимости от характера сочленения и расположения тетраэдров в кристаллической решетке возникают различные виды структур. В таблице 3 представлена характеристика наиболее распространенных минералов этого класса.
К подклассу слоистых силикатов относятся глинистые минералы, являющиеся основным компонентом тонких фракций суглинистых и глинистых пород, а также почв. В их структуре помимо слоя кремнекислородных тетраэдров (рис. 2а) присутствует слой алюмогидроксильных октаэдров (рис. 2б).
|
 |
Таблица 3