Л а б о р а тор н а я р а б о т а № 3

ОПИСАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНЕРАЛОВ

Задание I. Изучение классификации минералов.

По распространённости минералы подразделяются на

породообразующие – составляющие основу большинства горных пород;

акцессорные – часто присутствующие в горных породах, но редко слагающие больше 5 % породы (случаи нахождения которых единичны или немногочисленны);

рудные, широко представленные в рудных месторождениях.

Существует много вариантов классификаций минералов. Наиболее широко используется классификация по химическому составу и кристаллической структуре. Вещества одного химического типа часто имеют близкую структуру, поэтому минералы, сначала делятся на классы по химическому составу, а затем на подклассы по структурным признакам. Общепринятая в настоящее время кристаллохимическая классификация минералов выглядит следующим образом:

Раздел I. Самородные элементы и интерметаллические соединения

Раздел II. Сульфиды, сульфосоли и им подобные соединения

§ 1 класс Сульфиды и им подобные соединения

§ 2 класс Сульфосоли

Раздел III. Галоидные соединения (Галогениды)

§ 1 класс Фториды

§ 2 класс Хлориды, бромиды, иодиды

Раздел IV. Окислы (оксиды)

§ 1 класс Простые и сложные окислы

§ 2 класс Гидроокислы или окислы, содержащие гидроксил

Раздел V. Кислородные соли (оксисоли)

§ 1 класс Нитраты

§ 2 класс Карбонаты

§ 3 класс Сульфаты

§ 4 класс Хроматы

§ 5 класс Вольфраматы и молибдаты

§ 6 класс Фосфаты, арсенаты и ванадаты

§ 7 класс Бораты

§ 8 класс Силикаты

А. Островные силикаты

Б. Кольцевые силикаты

В. Цепочечные силикаты

Г. Ленточные силикаты

Д. Слоистые силикаты (листовые)

Е. Каркасные силикаты

На сегодняшний день известно около 4 тысяч видов минералов. Из общего числа минеральных видов около 34% приходится на сили­каты, около 25% – на оксиды и гидроксиды, около 20% – на сульфи­ды; на долю всех остальных минералов приходится около 21%.

Ежегодно открывают несколько десятков новых минеральных видов и несколько «закрывают» – доказывают, что такой минерал не существует.

Четыре тысячи минералов – это незначительное количество по сравнению с числом известных неорганических соединений (более миллиона). Небольшое количество видов минералов объясняется следующими причинами:

– распространенностью химических элементов. Наиболее широко на Земле представлены кислород и кремний. Соответственно, подавляющее большинство минералов является силикатами. С другой стороны, некоторые элементы так рассеяны, что никогда не образуют собственных минералов и лишь входят в структуру некоторых минералов в виде примесей;

– неустойчивостью многих химических соединений в земных условиях.

Широко распространенных в природе видов минералов насчитывается около 450 видов, остальные встречаются редко.

Характеристика минералов по классам

Самородные элементы.

К этому классу относятся минералы, состоящие их одного химического элемента и называемых по этому элементу. Например: самородное золото сера и т.д. Все они подразделяются на две группы: металлы и неметаллы.

В первую группу входят самородные платина, золото, се­ребро, медь и некоторые др. Железо в самородном виде встречается крайне редко из-за его склонности формировать химические соединения. Крайне редки в природе самородки редких металлов: палладия (Pd), осмия (Os), иридия (Ir).

Во второй группе – сера, алмаз, графит и др. Минералы класса не поль­зуются широким распространением (кроме графита и серы), но важны в практическом отношении.

К собственно породообразующим минералам относится лишь графит. Происхождение почти всех самородных элементов эндогенное, чаще всего гидротермальное. Иногда самородные элементы образуются в интрузивных породах и кварцевых жилах, Образование самородной серы связано с вулканизмом. Экзогенное происхождение минералов связано с разрушением пород и высвобождением самородных элементов (в силу их устойчивости к физическому и химическому воздействию они концентрируются в благоприятных для этого местах). Таким образом, могут формироваться россыпи золота, платины и алмазов.

Отдельно рассматривается самородный углерод С, который создает две полиморфные модификации: алмаз и графит. Образование алмазов связано с магматическими процессами. Чаще всего алмазы встречаются в кимберлитах – породах интрузивных тел подобных неккам. Графит образуется в богатых органическим веществом осадочных породах в процессе метаморфизма.

Существует ряд более редких модификаций самородного углерода: лонсдейлит, чаоит и фуллерен (С₆₀). Первые два сходны с алмазом, отличаясь формой кристаллов и несколько меньшей плотностью. Фуллерен представляет собой кристалл шарообразной формы.

Сульфиды.

Сульфиды или сернистые соединения являются солями сероводородной кислоты. Они составляют менее 2 % массы земной коры чаще всего в виде руд. Сульфиды не являются породообразующими минералами, но представляют большой интерес как руды цветных и черных металлов. Минералы класса сульфидов кристаллизуются в различных сингониях – кубической, гексагональной, ромбической и т.д. По сравнению с самородными минералами, у них более широкий состав элементов-катионов. Отсюда большее разнообразие минеральных видов. Общими свойствами для сульфидов являются металлический блеск, серые и темные цвета, средняя плотность.

Из сернистых минералов в земной коре наиболее широко распространен пирит FeS₂ (серный или железный колчедан). Пирит и марказит FeS₂ (гребенчатый колчедан) являются примером явления полиморфизма, т.е. при одинаковом химическом составе имеют разную кристаллическую решетку и соответственно различаются по физическим свойствам. К сульфидам железа относится также пирротин FeS (магнитный колчедан). Из других минералов класса сульфидов часто встречаются халькопирит СuFеS₂, галенит РbS (свинцовый блеск) – важнейшая свин­цовая руда, сфалерит ZnS (цинковая обманка) – цинковая руда, киноварь HgS (ярко-красный минеральный пигмент, источник для получения ртути).

Происхождение большинства сульфидов эндогенное, чаще всего гидротермальное (кроме пирита, который часто формируется на поверхности Земли и является типичным минералом некоторых осадочных пород и почв). Сульфиды являются основным источником руд цветных металлов, а за счет примесей редких и благородных металлов ценность их использования повышается. Железо и другие черные металлы (хром, марганец) из сульфидных руд не извлекаются из-за избытка серы. В поверхностных условиях сульфиды неустойчивы и разрушаются, переходя в различные вторичные минералы: карбонаты, сульфаты, окислы и силикаты.

Оксиды и гидроксиды.

Оксиды и гидроксиды представляют один из наиболее распространенных классов с более чем 150 минеральными видами. Наиболее широко представлены оксиды Si , Fe , Al , Ti , Sn . Некоторые из них образуют и гидрооксидную форму.

Часто оксиды и гидроксиды подразделяются на 2 подкласса:

оксиды и гидроксиды кремния,

оксиды и гидроксиды металлов.

В отношении первого подкласса существует неоднозначная интерпретация. Некоторые исследователи рассматривают оксиды кремния как частный случай каркасных силикатов. Важнейшим оксидом кремния (SiO₂) является кварц, который составляет 12 % массы земной коры. Кварц является обычной составляющей большинства горных пород разного генезиса. Различают следующие важнейшие разновидности кварца:

горный хрусталь – про­зрачный, без примесей, встречающийся в виде кристаллов;

морион – коричнево-черный прозрачный и полупрозрачный;

аметист – фиолето­вый; цитрин – желтый.

Выделяются также скрыто-кристаллические разновидности кварца: халцедон, кремень, агат (полосатый халцедон), яшма, тигровый глаз и др.

Кроме кварца формулу SiO₂ имеют менее распространенные минералы кристобалит, тридимит, стишовит (пример явления полиморфизма). Кристобалит, тридимит формируются при высоких температурах и образуются при извержениях вулканов. Стишовит формируется при очень высоких давлениях и на поверхности Земли встречается только в кратерах, образовавшихся при падении крупных метеоритов. Считается, что в земной мантии SiO₂ присутствует в виде стишовита.

Гидроксид кремния известен только один. Это опал – минерал, представляющий собой коллоидальный кремнезем SiO₂. Он образуется при выпадении кремния в осадок из различных растворов. Формула опала SiO₂^.nН₂О, поскольку в нем содержится переменное количество воды. Некоторые разновидности опала используются в качестве поделочных и полудрагоценных камней. Оксиды и гидроксиды кремния характеризуется низкой плотностью, высокой твердостью 6–9, прозрачностью, широкой гаммой цветов, отсутствием спайности. Опал часто образуется в почвах в результате выветривания силикатов, формируя характерные натеки.

Из оксидов и гидроксидов металлов более всего распространены соединения железа и алюминия.

Магнитный железняк – магнетит Fe₃O₄ или Fe₂O_2*Fe₂O₃ – оксид, наиболее богатый железом.

Гематит Fe₂O₃ – в виде кристаллов, называемый железным блеском, а в скрытокристаллической форме – красным железняком.

Бурый железняк или лимонит 2Fe₂O₂^.3H₂O – смесь минералов гётита FeOOH и гидрогётита FeOOH^.nH₂O.

Ильменит (Fe,Ti)₂O₃.

Они явля­ются главными минералами железных руд. Наиболее богата железом магнетитовая руда, несколько менее – гематитовая и самые бедные лимонитовые или болотные руды.

Широко распространенным оксидом алюминия является боксит, который представлен смесью ряда минералов.

К оксидам алюминия относятся несколько разновидностей более ред­ких минералов, например корунд Al₂O₃. Красная разновидность корунда называется рубином, синяя – сапфиром.

Прозрачные, кристаллические разновидности корунда (сапфир и рубин) и кварца (аметист, горный хрусталь и др.) используются как драгоценные и полудрагоценные камни.

Гидроксид алюминия – гиббсит Al₂(OH)₃ входит в состав алюминиевых руд – бокситов и иногда содержится в глинах. Образование минералов этого класса происходит при эндогенных и экзогенных процессах.

Галоиды.

Соли галогеноводородных кислот образуют около 100 минералов. Среди галоидных соединений наиболее широко распространены фториды и хлориды – соединения катионов металлов с одновалентным фтором и хлором. Их роль как породообразующих минералов невелика, но они важны в практическом отношении.

Фториды – минералы светлые, средней плотности и твердости. Представитель – флюорит CaF₂ (плавиковый шпат) и криолит Na3AlF6 – минерал назван криолит по сходству (блеску и показателю преломления) со льдом.

В народном хозяйстве флюорит и криолит используются в металлургии при плавке металлов, в стекольной и химической промышленности для получения плавиковой кислоты. Прозрачные разности флюорита используются в оптике.

Хлоридами являются минералы галит NaCl, сильвин KCl, сильвинит NaCl^.KCl, карналлит KCl^.МaCl₂^.6Н₂О. Хлориды обладают особыми свойствами: соленым и горько-соленым вкусом.

Из галоидов наибольшее распространение имеет галит, который используется в виде поваренной соли в пищу. Помимо этого галит является основным источником натрия и хлора для химической промышленности. Сильвин и карналлит используются в качестве удобрений. Галит и сильвин находят применение в медицине и фотоделе.

Галит и сильвин служат примером изоморфного замещения. В галите часть ионов натрия всегда замещена калием, также как в сильвине всегда присутствует натрий. Если натрий и калий присутствуют в примерно равных количествах, то минерал называется сильвинитом. Непрерывный ряд минералов с разной степенью замещения определенного элемента другим элементом (наблюдаемый в ряду галит-сильвинит-сильвин) называется изоморфным рядом. Форма записи формул минералов изоморфных рядов может быть различной. Например, сильвинит может быть записан тремя способами: NaCl^.KCl, (Na,K)Cl и NaKCl_2.

Для галоидов общими являются низкая твердость, кристаллизация в кубической сингонии, совершенная спайность, широкая цветовая гамма, прозрачность.

По генезису фториды и хлориды отличаются. Флюорит – продукт эндогенных процессов (гидротермальный). Галит (каменная соль), сильвин и карналлит образуются в экзогенных условиях за счет осаждения при испарении в озёрах и морях.

Нитраты.

Нитраты природные – класс минералов, солей азотной кислоты. Из-за высокой растворимости в воде большинство нитратов природных являются сравнительно редкими минералами. Они представляют собой главным образом нитраты Na²⁺, К⁺, реже NH⁴⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Cu²⁺. Всего в классе нитратов природных выделяют 9 минералов, из которых промышленные скопления образуют только натровая (чилийская) селитра (нитронатрит) NaNO₃ и калийная (индийская) селитра (нитрокалит) KNO₃. Их месторождения находятся в крайне сухих жарких областях (в пус­тынях).

Нитраты природные образуются в природе в основном двумя путями: биогенным путём (в результате деятельности нитробактерий в почве) и путем окисления азота атмосферы при грозовых разрядах или под действием солнечной радиации.

Нитраты используются в качестве азотных удобрений, а так же для получе­ния азотной кислоты и взрывчатых веществ. Поскольку промышленные запасы этих минералов ограничены, в настоящее время нитраты получают преимущественно методом химического синтеза из азота воздуха.

Карбонаты.

Карбонаты – соли угольной кислоты. Их общая формула АСО₃, где А – ионы Са, Мg, Fe и др. Минералы этого класса очень широко распространены в верхних частях земной коры. Это породообразующие минералы осадочных пород (известняки, доломиты, мел и др.) и метаморфических – мрамор, скарны.

Карбонаты кристаллизуются в ромбической и тригональной сингониях (спайность по ромбу). Для них характерна низкая твердость 3–4, преимущественно светлая окраска. Наиболее часто встречающиеся минералы: кальцит СаСО₃ , магнезит MgСО₃ , доломит СаМg (СО₃)₂ , сидерит FeСО₃ и малахит Cu₂C0₃(ОH)₂.

Самым распространённым карбонатом является кальцит. Непрозрачный кальцит называют известковым шпатом. Прозрачная разновидность кальцита – исландский шпат встречается реже и применяется в оптике.

Магнезит МgСО₃ и доломит СаМg(СО₃)₂ используются в химической промышленности и для производства цемента.

Сидерит (железный шпат) FеСО₃ – руда для получения качественной стали. Сидерит – типичный минерал болотных руд. Малахит Cu₂CО₃(ОH)₂ относится к гидрокарбонатам.

Ма­лахит – красивый поделочный камень. Как и близкий к нему по со­ставу и свойствам минерал азурит Cu₃CО₃(ОH)₂, он образуется на поверхности Земли в результате окисления сульфидов меди в виде натечных почковидных агрегатов зе­леного цвета. Его землистые разновидности (медная зелень) встречаются в песчаниках Урала, Украины и других районов.

Все карбонаты вступают со слабой (5–10 %–ной HCl) соляной кислотой в реакцию, сопровождающуюся выделением углекислого газа. Сте­пень интенсивности реакций у разных минералов позволяет отличать сходные по внешне­му виду карбонаты. Генезис карбонатов разнообразен – осадочный (химический и биогенный), гидротермальный, метаморфический.

Сульфаты.

Сульфаты – соли серной кислоты, т.е. имеют в составе радикал SO₄. Они кристаллизуются в моноклинной и ромбической сингониях. Из минералов этого класса широко распространен гипс СаSО₄^.2Н₂O. Он является компонентом многих осадочных пород. Добывается в больших количест­вах. Используется для изготовления штукатурки, цемента, как наполнитель при изготовлении бумаги и красок, а также в качестве удобрения.

Реже встречается ангидрит СаSO₄ – безводный сульфат кальция. Искусственно обожженный гипс, а также тонкозернистые сплошные массы обыкновенного гипса называют алебастром.

Иногда встречается длинностолбчатая волокнистая разновидность светлого голубоватого гипса, называемая селенитом.

Мирабилит (глауберова соль) NaSO₄^.ОН₂O формируется исключительно путём выпадения в осадок из холод­ных растворов на поверхности Земли. Месторождения обнаружи­ваются по берегам солёных озёр; используется главным образом для производства соды.

Барит BaSO₄ – главный минерал бария. Барит часто образует удлиненные и уплощенные призматические кристаллы и друзы, встречаются также характерные кристаллические сростки, баритовые розы – радиальные агрегаты, состоящие из таблитчатых кристаллов. Встречается в виде жил в известняках и сланцах. Барит используется во многих областях человеческой деятель­ности в силу своей химической инертности: при изготовлении кра­сок, бумаги, эмалей, а также как утяжелитель шоколада.

Для сульфатов, как и карбонатов, характерны низкая твердость, светлая окраска, небольшая плотность (исключение барит), стеклянный блеск, совершенная спайность.

Сульфаты образуются в экзогенных условиях, часто совместно с галоидами. Некоторые сульфаты (барит) имеют гидротермальный генезис.

Хроматы.

Элемент хром был впервые установлен в минерале крокоите (рис. 40). Крокоит – хромат свинца (РbСгО₄). Он содержит 69,1 % РbО; 30,9 % Сг²⁰³. Название от греч. ироиос – шафран, по характерному оранжево-красному (шафранному) цвету. Старое название – красная свинцовая руда. Хорошо ограненные кристаллы и друзы часто встречаются по трещинам. Кристаллы призматические, удлиненные (имеют форму острого ромбоэдра), со штриховкой на гранях. Цвет очень яркий оранжево-красный, оранжевый до багряного. Встречается редко. Происхождение гипергенное – в зоне окисления месторождений полиметаллов и золота. Практического значения не имеет. Встречается в виде красивых кристаллов и друз, которые ценятся коллекционерами.

Рис. 40. Крокоит

Хром – довольно распространенный элемент на Земле. Его кларк (среднее содержание в земной коре) составляет 8,3·10^–3 %. Хром никогда не встречается в свободном состоянии. В хромовых рудах практическое значение имеет только хромит FeCr₂O₄, относящийся к шпинелям – изоморфным минералам кубической системы с общей формулой МО·Ме₂О₃, где М – ион двухвалентного металла, а Ме – ион трехвалентного металла. Шпинели могут образовывать друг с другом твердые растворы. Хромиты окрашены в темный или почти черный цвет, имеют металлический блеск и обычно залегают в виде сплошных массивов. Месторождения хромита имеют магматическое происхождение.