Тип оксидів і гідрооксидів

Клас мінералів представлений хімічними сполуками різних хімічних елементів з киснем, що нараховує близько 300 мінеральних видів. Найбільше розповсюджені природні оксиди Si, Fe, Mn, Al, меншою мірою Cu, U. Більшість природних оксидів – сполуки з іонним зв’язком, однак мінерали кремнезему характеризуються ковалентним зв’язком аналогічно іншим природним оксидам інших неметалів (As, Se, Te) та халькофільних елементів (Cu, Pb, Zn, Sn, Hg, Cd, In, Bi, Sb). Традиційно в класі природні оксиди об’єднані з гідроксидами і оксигідратами сполук, що містять одночасно O^2– та OH^–.

Природні оксиди поділяються на прості і складні, а також на групи за катіонним складом. До простих належать мінерали, які містять один кристалічний сорт катіонів., тобто сполуки типу RO, R₂O₃, RO₂, включаючи ізоморфні суміші з такими типовими формулами , , і т.д. Крім того, простими природними оксидами вважаються мінерали із вказаними формулами, що мають у своїх кристалічних решітках крупні порожнини, в яких можуть розміщатися інші катіони, що входять в них у порядку іонного обміну, тобто сполуки включення. Переважно це природні оксиди з цеолітовою водою або оксигідрати. Найбільш розповсюдженими серед простих оксидів є кварц, корунд, гематит, рутил, каситерит, піролюзит, ураніт, бадделеїт. До складних оксидів належать мінерали з двома або більше кристалохімічними сортами катіонів з типовими формулами ABO₃, AB₂O₄, AB₂O₆, ABB₂O₆ і т.д. Найбільш розповсюдженими серед складних оксидів є магнетит, ільменіт, вольфраміт, лопарит та ін.

Кристалічні структури більшості природних оксидів будуються за принципом заповнення катіонами порожнин в щільній упаковці з аніонів O^2–.

Природні оксиди перехідних елементів переважно безколірні і прозорі, з скляним блиском. Природні оксиди неперехідних елементів забарвлені в темні тони і часто мають металевий і напівметалевий блиск. Густина природних оксидів нижча, ніж у сульфідів, а твердість – вища.

Утворення природних оксидів пов’язане з різними геологічними процесами – ендогенними, екзогенними, метаморфічними.

Важливе практичне значення природних оксидів визначається тим, що до них належать такі важливі рудні мінерали, як магнетит, гематит, піролюзит, каситерит, ільменіт, рутил, лопарит та інші мінерали, а також кварц, корунд, рубін, сапфір, ювелірні різновидності хризоберилу.

Магнетит – Fe²⁺Fe₂³⁺O₄– мінерал підкласу складних оксидів. Склад і властивості змінні і залежать від умов утворення. Типоморфні елементи-домішки різних формацій: Ti, Mg, Al, Cr, Ni, Co, Mn, Ge. Багато з цих елементів входять до складу мікровключень в магнетиті – продуктів розпаду твердого розчину. Кристалізується в кубічній сингонії. Форми виділення дрібнозернисті суцільні маси, дрібна вкрапленість, кристали октаедричні, рідше ромбододекаедричні, дуже рідко кубічного обліку. Зустрічаються сфероліти діаметром до 10 см, дендрити довжиною до 10 см, волокнисті та сажисті виділення, ниркоподібні агрегати, ооліти. Відомі псевдоморфози магнетиту по гематиту, перескиту та ін.

Колір жовтувато-чорний, блиск металевий. Спайність відсутня; іноді окремості по октаедру. Твердість 5,5-6. Густина 5200 кг/м³. Сильно магнітний.

Корунд – Al₂O₃ – мінерал класу оксидів. Кристалічна структура координаційна, основний мотив субшаровий. Кристали тригональної сингонії, бочкоподібні, стовпчасті, рідше біпірамідальні, таблитчасті. Подовжені кристали типоморфні для порід, бідних кремнеземом, пластинчасті – для кислих метасоматичних і метаморфічних порід. Власне корунд складає також щільні дрібнозернисті маси.

Забарвлення звичайного корунду синьо-сіре, жовте. Красиві кольорові прозорі різновидності корунду рубін та сапфір. Забарвлення часто розподіляється нерівномірно. Характерний плеохроїзм. Блиск алмазний до скляного. Твердість 9. Густина 4000 кг/м³.

Кварц – SiO₂ – головний мінерал сімейства кремнезему. Широко розповсюджений в літосфері. Містить в невеликих кількостях домішки Al, Fe, Ca, Mg, Ti, Na, K, Li, OH тощо. Встановлено 12 поліморфних модифікацій кристалічного SiO₂, з них основні a-К, b-К, b₂-К. Всі вони стійкі при нормальному тиску, утворення їх визначається температурою середовища. При тиску вищому 2 ГПа утворюється моноклінальний коесит, а вище 10 ГПа – найбільш щільна модифікація кварцу гексагональний стишовіт. Кристалічна структура a-К і b-К представлена каркасом з пов’язаних вершинами [SiO₄]-тетраедрів, спірально закручених вздовж трійних осей симетрії, в результаті чого розрізняються праві та ліві енантіоморфні форми.

Кварц виділяється у вигляді окремих зерен, добре огранених призматичних, рідко ромбоедричних кристалів, зернистих і шостоватих агрегатів, зливних мікроволокнистих і сферолітових мас (халцедон). Характерні орієнтовані зростки кварцу з польовими шпатами (графічний пегматит), рутилом, кальцитом тощо. Твердість 7. Густина 2650 кг/м³, іноді недосконала спайність по ромбоедру, призмі, пінакоїду. Злам раковистий. Переважають п’єзоелектричні властивості. Легко розчиняється у HF, при підвищених температурах і тисках розчиняється у водних лужних і бікарбонатних розчинах.

Рутил – TiO₂ – мінерал класу оксидів, найбільш розповсюджена поліморфна модифікація TiO₂. Ізоморфні домішки Cr, Nb, Ta, U, Sn. Різновидності рутилу стюверит – містить домішки Ta₂O₅ (до 47%); ільмено-рутил – Nb₂O₅ (до 42%); нігрин (залізистий рутил). Сингонія тетрагональна. Кристалічна структура рутилу утворена стрічками TiO₆-октаедрів, витягнутими вздовж четвертої осі. Кристали призматичні, стовпчасті до голчастих. Грані призми покриті вертикальною штриховкою. Переважно двійники колінчасті, серцевидні. Утворюють також епітаксичні зростання з магнетитом, гематитом, ільменітом, голчастими і витягнутими зростками в кварці (“стріли Амура”, “волосся Венери”), гранаті. Орієнтовані за кристалографічними напрямами вростки рутилу в сапфірі, рубіні, шпінелі та інших зумовлюють астеризм в цих мінералах. Зустрічаються також у вигляді дрібно- і крупнозернистих суцільних мас. Тонкозернистий агрегат рутилу входить до складу псевдоморфоз по мінералах Ti (лейкоксен).

Забарвлення червоно-буре, темно-буре, жовтувате, синювате, чорне, рідко зелене. Твердість 5,5. Густина 4200 кг/м³. Крихкий. Широко розповсюджений акцесорний мінерал інтрузивних і метаморфічних порід, характерний мінерал альпійських жил. Часто зустрічається в теригенних осадових породах. Промислові концентрації відомі в кварцитах, гнейсах, метаморфічних сланцях. Накопичується також у розсипах.

Опал – SiO₂×nH₂O – водовмісний колоїдний оксид кремнію глобулярної будови. Глобули кремнезему мають розмір 150-400 нм, рідко більше. При розкристалізації переходить в агрегат субмікроскопічних кристалів: a-кристоболіту, b-тридиміту і їх суміш КТ-опал. Містить домішки оксидів Al, Fe, Mn, Mg, лужних та органічних речовин, що зумовлюють власне забарвлення опалу (рис. 4.30). Глобулярна будова опалу породжує опалесценцію – розсіювання світла.

Благодатний опал відрізняється радужною грою кольорів (кпалізацією), причиною якої є дифракція світла на просторі решітки, утвореної регулярно розташованими однорозмірними глобулами. Колір радужної іризації визначається діаметром глобул (при Æ 150-200 нм – фіолетовий, до 400 нм – зелений, більше 400 нм – червоний).

За забарвленням виділяють такі різновидності благодатного опалу: білий опал – світлий з кристалізацією в блакитних тонах; чорний опал – з темно-фіолетовим, синім або чорним корпускним забарвленням та іризацією в червоних і зелених тонах; арлекін – з мозаїчним рисунком; вогняний опал – оранжевий із вогняною іризацією; джірозоль – блакитна або біла прозора різновидність тощо. Маточний опал – вміщуюча порода з прожилками благородного опалу.

Найбільше розповсюдження мають звичайні опали і напів-опали, що не мають іризації.

Опал дуже крихкий, розтріскується при дегідратації. Твердість 5-6,5. Густина 1850-2300 кг/м³. Блиск скляний, іноді перламутровий або восковий.

Тип солей кисневих кислот

До цього типу належить переважна більшість відомих мінералів земної кори, які залежно від кислоти, за рахунок якої вони утворились, поділяються на такі класи:

1. Клас силікатів – олівін, гранати, циркон, топаз, каолініт, нефелін;

2. Клас боратів – борацит;

3. Клас фосфатів – апатит, бірюза;

4. Клас карбонатів – кальцит, магнезит, доломіт, малахіт;

5. Клас вольфраматів – шеєліт, вольфраміт;

6. Клас сульфатів – ангідрит, барит, гіпс;

7. Клас нітратів – натрієва селітра, калієва селітра;

8. Тип вуглеводневих (органічних) мінералів.

В даному підпункті наведено тільки найбільш характерні мінерали з кожного класу, що є типовими для них.

Гранати – A₃²⁺B₂³⁺[SO₄]₃. Група включає в себе 15 ізоструктурних мінералів – кінцевих членів ізоморфних рядів. За хімічним складом поділяються на 5 підгруп. Найбільше розповсюдження мають алюмінієві і кальцієві гранати, що утворюють безперервні ізоморфні ряди.

Кристалізується в кубічній сингонії. Параметр елементарної решітки варіює від 11,46 до 12,46 А. Основною структурою є каркасний мотив з ізольованих кремнистокисневих SiO₄-тетраедрів і кисневих BO₆-октаедрів; AO₈-поліедри розташовуються в порожнинах каркасу. Для гранатів характерні ромбододекаедричні та тетрагонтриоктаедричні кристали. Переважають також суцільні зернисті агрегати.

Циркон – Zr[SiO₄] – мінерал підкласу острівних силікатів. Переважно містить домішки Ca, Mn, Mg, Sn, Nb, TR, P, U, Th у вигляді мінеральних мікровключень. В кристалічній структурі циркону ізольовані [SiO₄]-тетраедри чергуються вздовж вертикальної осі у шаховому порядку з [ZrO₈]-поліедрами. Сингонія тетрагональна. Кристали циркону видовжено- і короткопризматичні з гострими біпірамідальними закінченнями або біпірамідальні. Характерні епітаксичні зростання циркону з пірохлором і ксенотимом, а також хрестоподібні та колінчасті двійники.

Циркони пізніших генерацій утворюють променеві зростки тонкопризматичних кристалів. У забарвленні циркону переважають червонувато-коричневі кольори, відомі також безколірні, соломово- і золотисто-жовті, оранжево- і пурпурно-червоні, рідше зелені циркони. За забарвленням виділяють різновидності прозорих ювелірних цирконів. Характерне велике подвійне заломлення. Блиск алмазний до скляного. Спайність часто виражена по призмі. Злам раковистий або нерівний. Твердість 7,5. Густина 4000-4700 кг/м³. Крихкий.

Апатит – Ca₅[PO₄]₃(OH,F,Cl) – мінерал класу фосфатів. В деяких апатитах зустрічаються домішки Mn (до 7,6% MnO), Sr (до 23,7% SrO), Mg (до 0,5% MgO), Fe (до 4,6%), Al (до 1,5%) та ін. В аніонній частині домішки CO₂ (до 4,5%), SO₃ (до 3,7%), SiO₂ (до 2%). Залежно від складу розрізняють (рис. 4.33): фторапатит, карбон- апатит, фторкарбонапатит.

Найбільше розповсюдження і практичне значення мають фтор-апатит і фторкарбонапатит. Теоретичний вміст P₂O₅ в апатиті 42,3%. Кристалізується в гексагональній сингонії, утворюючи подовжено-призматичні до голчастих, рідше таблитчастих кристали. Агрегати зернисті, іноді ниркоподібні, землисті, оолітові та ін. Фізичні та оптичні властивості змінюються залежно від складу мінералу. Колір апатиту зумовлений наявністю домішок або дефектами структури – блакитний, синьо-зелений, жовто-зелений, рожевий при заміщенні , при значних включеннях гематиту – темно-червоний, органіки – чорний, глинистих речовин або гідроксилів Fe – сірий, бурий. Спайність практично відсутня. Блиск скляний, масний. Твердість 5. Густина від 2950 до 3800 кг/м³.

Кальцит – CaCO₃ – мінерал класу карбонатів. Утворює неповні ізоморфні ряди з карбонатами Mn, Fe²⁺, Mg. Відомі також невеликі домішки Co, Zn, Sr, Ba, Pb, TR. Кристалізується у тригональній сингонії.

Спайність досконала по ромбоедру. На площинах спайності характерна штриховка полісинтетичного двійникування. Для кальциту також характерні зернисті агрегати, друзи, сталактити і сталагміти, конкреції, сфероліти, ооліти, пізоліти, щільні, пористі, тонколускуваті, мучнисті та волокнисті скупчення.

Кальцит може бути забарвлений ізоморфними та механічними домішками у відтінки сірого, жовтого, червоного, бурого, зеленого і чорного кольорів. Часто білий. Блиск скляний до перламутрового. Крихкий. Твердість 3. Густина чистого кальциту 2710 кг/м³. Розчиняється у холодній розбавленій соляній кислоті при скипанні.

Малахіт – Cu₂(OH)₂[CO₃] – мінерал основної карбонатної міді. Кристалізується в моноклінній сингонії. Кристалізаційна структура координаційна. Основний мотив – зигзагоподібні ланцюжки з поліедрів Cu(O,OH)₆ і трикутників [CO₃], з’єднаних в неправильні шари. Кристали голчасті або призматичні, зустрічаються рідко. Переважно радіально-променеві концентрично-зональні “нирки”, сталактити, сферокристали, а також порошкуваті і землисті виділення, нальоти, псевдоморфози (наприклад, по азуріту). Іноді зустрічаються у великих скупченнях.

Вольфраміт – (Mn,Fe)WO₄ – мінерал класу вольфрамітів. Вміст WO₃ – 74-76%. Іноді присутні домішки Ca, Nb, Ta, Mg тощо. Вольфраміт являє собою серію твердих розчинів змінного складу з кінцевими членами MnWO₄ і FeWO₄. Кристалізується в моноклінній сингонії. В основі кристалічної структури – зигзагоподібні ланцюжки (Mn,Fe)O₆- і WO₆-октаедрів.

Вольфраміт утворює кристали (часто зональні) різної форми: подовжено- і короткопризматичні, стовпчасті, шостоваті, голчасті та ін. Характерна вертикальна штриховка на гранях. Часто спостерігаються двійники. Найбільш поширені агрегати видовжено-пластинчастих або голчастих зерен, променеві зростки, суцільні зернисті маси. Відомі псевдоморфози вольфраміту по шеєліту і навпаки.

Колір вольфраміту буро-чорний. Блиск металевий, напівметалевий, масний, смолистий та алмазний. Іноді спостерігається райдужна мінливість. Крихкий. Спайність досконала в одному напрямку. Твердість 5-5,5. Густина від 7100-7200 до 7500-7600 кг/м³.

Клас сульфатів

Барит – BaSO₄ – мінерал класу сульфатів. Вміст BaO 65,7%. Барит заміщується стронцієм і між ними існує повна ізоморфна сумісність. Однак проміжні члени – баритоцелестин, целестобарит – рідкісні. Домішками служать Ca і Pb. Кристалізується в ромбічній сингонії. Основна структура бариту – поодинокі SO₄-тетраедри, які чергуються з катіонним поліедром з утворенням субшаруватості паралельно (001). Завдяки цьому барит по (001) має досконалу спайність. Утворює тонко- і товстотаблитчасті або видовжено-призматичні кристали, їх зростки. Переважно грубозернисті й щільні агрегати, пластинчасті маси. Зустрічаються так звані баритові рози, сферичні конкреції, рідше коломорфні агрегати, іноді зонально-концентричні та ін. Переважно барит безколірний або сніжно-білий. Завдяки механічним мікровключенням або дефектам в структурі зафарбований у жовтуватий, блакитний, червонуватий, зеленуватий та інші кольори. Прозорий до напівпрозорого зустрічається дуже рідко. Характерні висока густина (4300-4500 кг/м³), низька твердість (3-3,5), порівняно невелика абразивність, нерозчинність у воді. Це основні ознаки барію.

Гіпс – Ca[SO₄]×2H₂O – мінерал класу сульфатів. В чистому вигляді містить 32,56% CaO, 46,5% SO₃ і 20,93% H₂O. Механічні домішки головним чином у вигляді органічної та глинистої речовин, сульфідів тощо. Кристалізується в моноклінній сингонії. В основі кристалічної структури – подвійні шари з аніонних груп [SO₄]^2–, пов’язаних з катіонами Ca²⁺. Кристали таблитчасті або призматичні, утворюють двійники. Спайність дуже досконала. Агрегати зернисті, листуваті, порошкуваті, конкреції, волокнисті прожилки, радіально-голкові.

Чистий гіпс безколірний і прозорий, а при наявності домішок має сіре, жовтувате, рожевувате, буре до чорного забарвлення. Блиск скляний. Твердість 1,5-2. Густина 2300 кг/м³. У воді помітно розчиняється (2,05 г/л при 20°С). За походженням переважно хемогенний. Випадає в осад при +63,5°С, а в розчинах, насичених NaCl, – при температурі +30°С. При значному підвищенні солоності у високих лагунах і соленосних озерах замість гіпсу починає випадати безводний сірчанокислий кальцій – ангідрит. Аналогічним чином ангідрит виникає при зневодненні гіпсу. Відомий також гідротермальний гіпс, який утворюється в низькотемпературних родовищах.

Тип галоїдів

До цього типу належать солі галоїдних кислот HF, HCl, HB та HI, в яких водень заміщується лужними або лужноземельними металами, а також Cu, Pb, Ag, Hg і Mn. З кристалохімічної точки зору це типові сполуки з координаційним типом зв’язку. В даному типі виділяють два класи:

1. Клас фторидів – флюорит;

2. Клас хлоридів – галіт, сильвін.

Флюорит – CaF₂ – мінерал класу фторидів. Теоретичний склад: Ca – 51,33%, F – 48,67%. Встановлено декілька десятків елементів, які входять в мінерал за законами ізоморфізму або у вигляді неструктурної домішки. Іони F^– можуть частково заміщатися O^2–, а іони Ca²⁺ – головним чином дво- і тривалентними іонами. Загальна кількість домішок переважно невелика, але в деяких випадках вони досягають 35-40%. Відомі різні різновидності флюориту залежно від кількості домішок.

Флюорити зустрічаються у вигляді окремих кристалів, їх зростків, зернистих агрегатів, іноді стовпчастих, волокнистих, масивних, щільних. В осадових породах відомий землистий флюорит (ратовкіт). Мінерал прозорий або просвічується. Забарвлення різноманітне, інколи зональне, плямисте, смугасте. Блиск сильний скляний.

Крихкий. Твердість 4. Густина 3180 кг/м³. Риса біла, у темно-лілового флюорита трохи забарвлена. Мінерал ізотропний, неелектропровідний, з низькою теплопровідністю, діамагнітний, а при низьких температурах – парамагнітний.

Галіт – NaCl – мінерал класу хлоридів. Містить 39,34% Na і 60,66% Cl. Домішки у вигляді Br, NH₂, Mn, Cu, Ga, As, I, Ag, Ba, Tl, Pb, K, Ca, SO₃. Кристалізується в кубічній сингонії. Структура координаційна. Утворює кубічні, рідше октаедричні кристали. Переважно зустрічається у вигляді зернисто-кристалічних агрегатів, рідше складає паралельно-волокнисті агрегати, натічні кірки, сталактити, нальоти, вицвіти, друзи, скелетні форми.

Галіт прозорий і безколірний, часто сірувато-білий. Домішки забарвлюють галіт у різні кольори. Блиск скляний. Спайність досконала по кубу. Твердість 2. Густина 2173 кг/м³. Крихкий. Ізотропний. Легко розчиняється у воді, має характерний солений смак. Галіт має дуже слабку електропровідність і високу теплопровідність, діамагнітний. Розчинений та розплавлений галіт має високу електропровідність.

Сільвін – KCl– мінерал класу хлоридів. Містить 52,5% (за масою) K, а як домішки – Na і NH₄. Кристалізується в кубічній сингонії. Структура координаційна типу галіту. Форми виділення – щільні зернисті маси, шостоваті та волокнисті агрегати, сталактити, сталагміти, натічні форми в печерах, друзи, кристалічні кірки на дні лагун та озер, рідше кубічні або кубоедричні кристали.

Сільвін безколірний, часто прозорий, інколи забарвлений домішками гематиту в червоний колір або має синє радіальне забарвлення. Блиск скляний. Спайність досконала по (100). Твердість 2. Густина близько 2000 кг/м³. Крихкий. Характерний гіркувато-солений смак. Легко розчиняється у воді. Сильно гігроскопічний.