Диагностические свойства минералов.

 

Диагностические свойства - физические свойства минералов, используемые для их определения. Важными свойствами минералов при их диагностике (определении) являются: твёрдость, плотность, цвет, цвет черты, блеск, спайность, излом, прозрачность, а также особые свойства, которые характерны только для некоторых минералов. Например, сера способна гореть голубым пламенем, выделяя сернистый газ; магнетит обладает сильной магнитностью; галит легко растворяется в воде.

Блеск – интенсивность света, отражённого от поверхности минерала. По характеру блеска минералы делятся на две группы: с металлическим блеском и неметаллическим блеском.

Металлический блеск напоминает вид поверхности свежего излома металлов. Он характерен для многих минералов, являющихся рудами металлов, например галенита, халькопирита. Металлический блеск имеют самородные металлы (золото, платина, медь). К этой группе относятся минералы с полуметаллическим блеском, напоминающим блеск потускневшего металла (графит).

Большинство минералов имеют неметаллический блеск. Среди них выделяют следующие виды блеска: алмазный (алмаз, сфалерит), стеклянный (галит, кальцит, флюорит), перламутровый (слюда, тальк), шелковистый (селенит), жирный (нефелин), матовый (каолинит) и восковый (опал, халцедон).

Твёрдость – способность минерала противостоять внешнему механическому воздействию (царапанью, вдавливанию и т. д.). Она обусловлена силой сцепления частиц, образующий данный минерал. У большинства минералов твёрдость является величиной более или менее постоянной, что делает её важным признаком при их определении.

Для точного определения твёрдости применяют специальный прибор – склерометр. Для определения относительной твёрдости минерала применяют шкалу Мооса, составленную австрийским минералогом Ф. Моосом в 1811 г. Твёрдость устанавливается путём сравнения исследуемого минерала с эталонным, твёрдость которого известна. Шкала состоит из 10 эталонных минералов, расположенных в порядке увеличения их твёрдости (номера минералов обозначают их относительную твёрдость).

1. Тальк Mg(OH)₂[Si₄O₁₀](ОН)₂

2. Гипс CaSO₄ · 2H₂O

3. Кальцит CaCO₃

4. Флюорит CaF₂

5. Апатит Ca₅[PO₄]₃(F, Cl, OH)

6. Ортоклаз (полевой шпат) K[AlSi₃O₈]

7. Кварц SiO₂

8. Топаз Al₂[SiO₄](F,OH)₂

9. Корунд Al₂O₃

10. Алмаз C

Определение твёрдости производится путём царапанья испытуемого материала острым концом эталонного минерала, входящего в шкалу твёрдости. Более твёрдые минералы царапают более мягкие. Например, если минерал, твёрдость которого надо определить, царапается кварцем (твёрдость 7), но не царапается ортоклазом (твёрдость 6), то его твёрдость 6,5. Если оба минерала царапают друг друга, твёрдости их считаются одинаковыми.

В полевых условиях при отсутствии шкалы твёрдости используют широко распространённые предметы с известной твёрдостью. Так, например, ноготь имеет твёрдость около 2,5, железный гвоздь – 4-4,5, оконное стекло – 5, лезвие бритвы – 5-6, напильник – 7. Если минерал оставляет черту на бумаге, то его твёрдость – 1. Наиболее распространены минералы с твёрдостью от 3 до 7.

Плотность (удельный вес) – это масса единичного объёма вещества (г/м³). Плотность достаточно постоянная величина, что делает этот признак очень важным при определении минералов. Она колеблется в широких пределах – от значений меньше 1 (природные газы, озокерит) до 23 (осьмистый иридий). Даже взвешивая минералы просто на ладони, можно определить их плотность. Большинство минералов имеет плотность от 2,5 до 3,5.

По плотности минералы распределяются на три группы: лёгкие – с плотностью до 2,5 (графит, сера); средние – от 2,5 до 4 (кварц, полевые шпаты) и тяжёлые – >4 (руды многих металлов).

Цвет (окраска) минералов зависит от сложного сочетания различных факторов: основного химического состава, строения, наличия различных примесей, условий образования. Например, многие соединения меди окрашены в зелёный и синий цвета. Для минералов, содержащих хром, характерен изумрудно-зелёный цвет. Большинство соединений марганца окрашены в фиолетовый или розовый цвет различных оттенков. У некоторых минералов цвет постоянный: например, у малахита он всегда зелёный, у золота – золотисто-жёлтый.

В прозрачных и полупрозрачных минералах нередко наблюдается явление - иризация, т. е. когда на поверхности минерала наблюдается игра цветов, обусловленная интерференцией света. Если основная окраска минерала определяется его основным химическим составом, то другие цвета и цветовые оттенки обусловлены различными примесями. У большинства минералов цвет непостоянный. Окраска некоторых минералов может меняться в зависимости от освещения. На поверхности отдельных непрозрачных минералов часто можно наблюдать тонкие радужные плёнки, получившие название побежалости.

Цвет черты. Для определения некоторых минералов часто используют цвет черты – способность давать окрашенную черту на белой фарфоровой пластинке с шероховатой, не покрытой эмалью поверхностью. Цвет черты – это цвет минерала в тонком порошке. Он часто не совпадает с цветом того же минерала в монолитном образце. Так, пирит латунно-жёлтого цвета, а черта этого минерала зеленовато-чёрная.

Спайность – способность минералов раскалываться по определённым направлениям с образованием ровных, гладких поверхностей. Спайность зависит от особенностей кристаллической решётки минерала и проявляется в направлениях с наименьшей силой сцепления между атомами, ионами или молекулами.

По степени совершенства спайности минералов выделяют следующие виды: весьма совершенная (слюда, гипс), совершенная (кальцит, галит), средняя (малахит), несовершенная (апатит, сера) и весьма несовершенная (кварц, магнетит).

Излом – неровная поверхность, появляющаяся при раскалывании минерала не по плоскости спайности. Как и спайность, излом обусловлен особенностями строения минерала. По характеру поверхности, образующейся при расколе минерала, выделяют следующие виды излома: раковистый (кремень, халцедон), неровный (апатит), занозистый (гипс волокнистый), землистый (фосфорит), зернистый (графит, магнетит) и крючковатый (золото, медь).

Прозрачность – способность минералов пропускать свет. По степени прозрачности различают: прозрачные минералы (горный хрусталь, топаз); полупрозрачные, через которые видны только расплывчатые очертания предметов (изумруд, халцедон); просвечивающие в тонких пластинках (полевые шпаты) и непрозрачные, не пропускающие свет даже в тонких пластинках (пирит, магнетит).

Ковкость и хрупкость. Ковкие минералы при ударе молотком сплющиваются и закругляются в краях, в то время как хрупкие при ударе рассыпаются на мелкие куски.

Магнитность. Магнитностью обладают минералы, содержащие железо (магнитный железняк и др.). Для определения магнитности минералов пользуются магнитной стрелкой.

Двойное лучепреломление. Это явление отчетливо проявляется у исландского шпата, прозрачной разновидности кальцита. Оно заключается в том, что естественный свет, проходя сквозь кристалл, распадается на два отклоняющихся луча, распространяющихся внутри минерала с разными скоростями. Оба световых луча становятся поляризованными.

 

Происхождение минералов

 

По происхождению различают следующие типы минералообразования.

Магматический – минералы образуются из магмы при её медленном остывании и кристаллизации на большой глубине или излиянии и быстром застывании на поверхности.

Пегматитовый – минералы образуются в верхних частях магматических очагов, в условиях высокого давления и богатства магмы летучими компонентами (перегретыми водяными парами, газами).

Пневматолитовый – минералы образуются из летучих соединений, выделившихся из магмы.

Гидротермальный – минералы образуются из горячих водных растворов при охлаждении.

Осадочный – минералы образуются вблизи или на поверхности Земли при выветривании, накоплении и преобразовании осадков.

Метаморфический – минералы образуются в недрах земли под влиянием высокого давления и температур, химически активных растворов и газов в результате чего происходит глубокое изменение вещества.

 

Классификация минералов

 

В основу классификации минералов положен химический состав, т. к. они являются природными химическими соединениями. Выделяют следующие классы минералов: 1) самородные элементы; 2) сульфиды; 3) галоидные (галогенные, галогениды) соединения; 4) карбонаты; 5) сульфаты; 6) фосфаты; 7) оксиды и гидроксиды; 8) силикаты; 9) органические соединения.

Самородные элементы. В этот класс входят минералы, состоящие из одного химического элемента. Известно около 80 самородных элементов, включая газы: например, азот, кислород, водород, инертные газы. На долю самородных элементов приходится около 0,1% массы земной коры. Среди них различают самородные металлы (золото - Au, платина - Pt, серебро - Ar, медь - Cu и неметаллы (графит - C, алмаз - C, сера - S.

Сульфиды (сернистые соединения). К классу сульфидов относится более 300 минералов. Они составляют 0,15% массы земной коры. Для сульфидов обычно характерны металлический блеск, большая плотность и невысокая твёрдость. Происхождение большинства сульфидов гидротермальное, для некоторых – магматическое. В поверхностных условиях они обычно неустойчивы, легко разлагаются. Многие минералы этого класса имеют важное промышленное значение, образуя руды различных металлов. К сульфидам относятся галенит (свинцовый блеск) PbS, сфалерит (цинковая обманка) ZnS, пирит (серный колчедан, железный колчедан) FeS₂, халькопирит (медный колчедан) CuFeS₂.

Галоидные (галогенные) соединения. К галоидным соединениям относится около 100 минералов – солей галоидно-водородных кислот. Они составляют примерно 0,5% массы земной коры. Галоидные соединения обычно мягкие, светлые, часто прозрачные минералы. Это галит (поваренная соль) NaCl, сильвин KCl.

Карбонаты. Минералы класса карбонатов - соли угольной кислоты. Их более 60. Карбонаты составляют около 2% от массы земной коры, из которых 1,5% приходится на долю минерала кальцита. Для карбонатов характерны небольшая твёрдость, средняя плотность, светлая окраска, неметаллический, обычно стеклянный блеск. Большинство минералов этого класса обладают способностью «вскипать» при взаимодействии с холодной или нагретой соляной кислотой:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑

Многие карбонаты – породообразующие минералы осадочных и метаморфических пород, руды на железо, свинец, цинк и др. К карбонатам относятся кальцит (известковый шпат) CaCO₃, доломит CaMg(CO₃).

Сульфаты (соли серной кислоты). К классу сульфатов относится более 130 минералов. Они составляют около 0,5% массы земной коры. Для большинства сульфатов характерны небольшие плотность и твёрдость, светлая окраска, неметаллический, часто стеклянный блеск. Большинство сульфатов возникает в экзогенных условиях. Это главным образом морские или озёрные химические осадки, реже – продукты окисления сульфидов. Некоторые сульфаты могут иметь гидротермальное происхождение. К классу сульфатов относятся гипс (лёгкий шпат) CaSO₄ · 2H₂O, ангидрит CaSO₄.

Фосфаты. К классу фосфатов относится более 170 минералов. Они составляют 0,75% массы земной коры. Наиболее распространённым минералом является апатит Ca₅[PO₄]₃(F, Cl, OH), на долю которого приходится 95% фосфора всех фосфатов в земной коре. В осадочных породах часто встречаются конкреционные образования апатита, которые называют фосфоритами.

Оксиды и гидроксиды. Минералы класса оксидов и гидроксидов представляют собой соединения различных химических элементов с кислородом, в гидроксидах присутствуют гидроксил, или вода, или то и другое вместе. Оксиды и гидроксиды объединяют около 200 минералов, на долю которых приходится около 17% массы земной коры. Особенно распространены в земной коре оксиды и гидроксиды кремния (12,5%) и железа (4%). В меньшем, но также значительном количестве содержатся оксиды и гидроксиды алюминия, марганца, титана. Минералы этого класса имеют различное происхождение и физические свойства. Разнообразно и их использование. Одни минералы – руды различных металлов, другие – необходимы в химической, стекольной, керамической промышленности, ювелирном деле и др. К ним относятся кварц SiO₂, халцедон SiO₂, гематит (красный железняк) Fe₂O₃, магнетит (магнитный железняк) FeFe₂O₄.

Силикаты. К классу силикатов относится около трети всех известных минералов, что составляет 75% массы земной коры. Большинство из них – породообразующие минералы. Это в основном слюды и полевые шпаты.

Слюды – сложные алюмосиликаты калия, магния, железа, лития, редко натрия. Их химический состав очень сложный, непостоянный. Минералы группы слюд обладают следующими физическими свойствами: весьма совершенной спайностью (легко расщепляются на тонкие упругие листочки), листоватым или чешуйчатым обликом, небольшой твёрдостью. Слюды – распространённые породообразующие минералы. Они входят в состав многих магматических и метаморфических пород: гранита, сиенита, гнейса и др. В виде мелких чешуек встречаются в осадочных породах. Среди слюд наиболее распространены мусковит (калиевая слюда) KAl[AlSi₃O₁₀](OH, F)₂ и биотит (железисто-магнезиальная слюда) K(Mg,Fe)₃[Si₃AlO₁₀](OH,F)₂. Также к данной группе минералов относятся тальк Mg₃[Si₄O₁₀](OH)₂ и каолинит Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈.

Полевые шпаты – группа самых распространённых породообразующих минералов. На их долю приходится 50% массы земной коры. Они входят в состав магматических, метаморфических и осадочных пород. По химическому составу полевые шпаты подразделяются на калиево-натриевые – ортоклаз K[AlSi₃O₈] и натриево-кальциевые – лабрадор.

Органические соединения. Происхождение органических соединений связано с накоплением на поверхности Земли остатков растений и животных и с последующим их изменением, чаще всего в условиях недостатка кислорода. К ним относятся янтарь C₁₀H₁₆O₄, озокерит, асфальт и др.

Глава 8

Горные породы