Минералы. Их кристаллическая структура, физические свойства и диагностические признаки.

Лекция 3
Минералы. Их кристаллическая структура, физические свойства и диагностические признаки.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Минералы. Строение минералов и минеральных агрегатов.
Химическая связь в минералах.
Кристаллические формы минералов.
Диагностические признаки минералов (цвет, твердость, цвет черты, блеск, спайность, излом, магнитность, лучепреломление, жирность, люминесценция и др.).
Породообразующие и рудообразующие минералы.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Минералы. Строение минералов и минеральных агрегатов.

Минерал (нем. Мineral или фр. minéral,  — руда) — однородная по составу и строению часть горных пород, руд, метеоритов, являющаяся естественным продуктом геологических процессов и представляющая собой химическое соединение или химический элемент.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Минералы. Строение минералов и минеральных агрегатов.

Минералы обладают кристаллической структурой пли бывают аморфными. Большинство минералов имеет кристаллическое строение, в котором атомы расположены в строго определенном порядке, создавая пространственную решетку. Благодаря этому многие минералы внешне имеют вид правильных много­гранников (кристаллов). Примером может служить кварц.

Со строением и характером пространственной решетки связаны свойства кристаллических тел. Прежде всего минералы обладают однородностью строения, состава и свойств, так как в каждой своей части, вплоть до размеров элементарной ячейки, они обладают одинаковым кристаллическим строением и химическим составом. Свойства минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям (изотропные свойства) или разными по различным направлениям (анизотропные свойства).
Аморфные минералы кристаллической структуры не имеют. Такие минералы по свойствам изотропны, для них характерна не­правильная внешняя форма.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Химическая связь в минералах

1) Ионная связь (полярная, гетероатомная) возникает в результате того, что при взаимодействии атомов один из них притягивает в сферу своего ядра один или несколько электронов и становится отрицательно зараженным ионом- анионом, а другой – отдавая  - становится катионом.

Между разнозаряженными ионами появляется электростатическое взаимодействие. Например:  галит  -  NaCl (Na¹+→ Cl¹-).
Ионная связь наблюдается в тех минералах, которые представляют собой соединение атомов имеющих на внешних орбитах электроны со спинами противоположного знака.
При ионной связи атомы стремятся приобрести наиболее устойчивую оболочку с полным числом  электронов во внешнем слое. Ионная связь не имеет пространственной направленности, благодаря чему ион стремится окружить себя максимальным количеством противоположно заряженных ионов.
Данный тип химической связи один из самых слабых.
К минералам с существенно ионной связью относятся: тип галлоидов и некоторые классы из типа кислородных соединений.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Химическая связь в минералах

2) Ковалентная связь возникает при образовании пар электронов, которые движутся в поле ядер двух взаимодействующих атомов, причем в состав каждой пары входит по одному электрону от каждого атома.
Связь эта возникает когда взаимодействующие атомы имеют не спаренные  электроны  с противоположно ориентированными спинами на внешних электронных оболочках.
Причиной ковалентной связи является стремление атомов к созданию устойчивой 8-ми электронной внешней оболочки, путем заполнения до полного числа s и p - электронов на внешних орбитах.
Ковалентный тип связи характерен для гомоатомных минералов, но распространен и среди гетероатомных.
Количество ковалентных связей равняется количеству неспаренных электронов атома в свободном или в возбужденном состоянии. Имеется в виду, что атомы при взаимодействии могут возбуждать друг друга и производить распаривание , т.е. переводить один из спаренных электронов в свободную ячейку на незанятый энергетический уровень. Например: углерод (алмаз)
Ковалентные связи характеризуются определённой направленность в пространстве.
Данный тип химической связи один из самых сильных.
Ковалентный тип связи встречается у минералов типа сульфидов и частично в типе простых веществ.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Химическая связь в минералах

3) Металлическая связь в наиболее чистом виде наблюдается между атомами одного и того же элемента- металла рассматриваемого как совокупность положительно заряженных ионов – «атомных остовов» между которыми свободно перемещаются  электроны в виде «электронного газа».
Притяжение между положительно заряженными ионами и электронным газом не имеет направленности и количественного ограничения связей, поэтому каждый ион стремится окружить себя мах числом соседей.
В минералах с металлической связью для  электронов имеются широкие энергетические зоны образованные расщеплением электронных уровней соединившихся атомов.
Многочисленность уровней и близость их к друг к другу обуславливает подвижность электронов.
При металлической связи ионы каждого из элементов отдавая по одному электрону, получают взамен устойчивую 18-электронную оболочку.
Например: кристаллы самородной меди, золота, серебра.
Металлическая связь характерна для минералов типа простые вещества, класс металлов.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Химическая связь в минералах

4) Молекулярная (остаточная, ван-дер-ваальсовская) связь проявляется в результате взаимодействия между собой нейтральных молекул, внутри которых характер связи уже другой.
Она определяется тремя эффектами, которые свойственны молекулам:
1) дисперсионным; 2) ориентационным; 3) наведённым (индукционным).
Дисперсионный эффект – результат движения электронов, которое создает мгновенные диполи, вызывающие притяжение между молекулами.
Ориентационный эффект является результатом полярности молекул, которые могут иметь различный собственный дипольный момент.
Наведенный эффект связан с поляризующим действием электронных полей соседних молекул.
Молекулярная связь наиболее характерна для органических соединений (янтарь), но наблюдается также в некоторых самородных элементах (сера, теллур) и окислах (лед, брусит, слоистые силикаты).

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Химическая связь в минералах

5) Донорно–акцепторная связь -  возникает в результате того , что два спаренных электрона одного атома используются в свободной ячейке другого атома, становясь общими для того и другого.
Атом дающий пару электронов называется донором, принимающий – акцептором.
В отличие от ионной связи в этом типе передача  совершается на время, в результате чего  часть времени пара электронов находится в оболочке одного из соединяющихся атомов, а часть времени – в оболочке другого, осуществляя связь между атомами.
Донорно-акцепторная связь особенно характерна для некоторых сульфидов и их аналогов. Например: пирит (FeS2).

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Кристаллические формы минералов.

В природе кристаллические минералы встречаются как в виде одиночных кристаллов или их сростков, так и в виде скоплений, называемых минеральными агрегатами. Эти агрегаты состоят из компонентов, обладающих внутренним кристаллическим строением. Среди минералов выделяются три группы, обладающие характерным обликом, или габитусом, кристаллов:

изометрические, одинаково развитые по всем трем направлениям,- магнетит, пирит, гранат.

2) удлиненные в одном направлении – призматические, столбчатые, игольчатые и лучистые – барит, кварц и др.

3) вытянутые в двух направлениях – таблитчатые, пластинчатые, листоватые и чешуйчатые – хлорит и др.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Кристаллические формы минералов.

Три основные группы кристаллов, обладающих характерным обликом (габитусом):
I – изометрические (а – магнетит, б – пирит, в – гранат);
II – вытянутые в одном направлении (г – барит, д – антимонит, е – кварц);
III – вытянутые в двух направлениях (ж – барит, з – хлорит).

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Кристаллические формы минералов.

Выделяют следующие формы нахождения минералов в природе:
двойники,
друзы,
дендриты,
секреции (миндалины, жеоды),
конкреции,
оолиты,
натечные формы.

Некоторые минералы образуют закономерно сросшиеся кристаллы, которые называются двойниками, тройниками и т. д. Двойники возникают в результате взаимного прорастания или срастания кристаллов. Не следует смешивать закономерные сростки с незакономерными агрегатами кристаллов, например с друзами и «щетками», нарастающими на стенках полостей и пещер в горных породах.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Кристаллические формы минералов.

Друзы – это сростки более или менее правильных кристаллов, часто приросших одним концом к породе. Для их образования необходимы открытые полости, в которых может происходить свободный рост кристаллов. (Друза вольфрамита на кварце)

Дендриты возникают в результате быстрой кристаллизации минералов в тонких трещинах и порах породы и напоминают причудливые по форме ветки растений. (Дендриты окислов марганца в родоните)

Иногда минералы почти целиком заполняют небольшие пустоты, образуя секреции. Для секреций типично концентрическое строение. Заполнение их минеральным веществом происходит от периферии к центру. Крупные секреции с часто оставшейся в середине пустотой называются жеодами, а мелкие секреции в излившихся породах называются миндалинами. (Секреция агата)

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Кристаллические формы минералов.

Конкреции представляют собой стяжения шарообразной или неправильной округлой формы; они формируются в результате отложения минерального вещества вокруг какого-либо центра кристаллизации, часто имеют радиально-лучистое внутреннее строение. В отличие от секреций рост конкреций идет от центра к периферии. Очень часто в виде конкреций встречаются фосфорит и марказит. (Кварц-кварциновая конкреция и радиально-лучистое строение конкреции фосфорита)

По строению с конкрециями сходны оолиты — мелкие (до 10 мм в поперечнике) округлые образования, имеющие концентрическое строение и возникающие при выпадении минерального вещества из водных растворов. Оолитовое строение часто характерно для руд марганца, железа, алюминия и для известняка. (Оолиты арагонита)

Если кристаллизация веществ из растворов происходит медленно или раскристаллизации подвергаются коллоиды, то при этом формируются натечные формы, имеющие вид сосулек, почек, гроздей, прожилков, жил или гнезд. Натеки, свисающие в виде сосулек сверху, называются сталактитами, а нарастаю­щие им навстречу снизу – сталагмитами.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Диагностические признаки минералов

Индивидуальность минерала определяется, как было сказано, его химическим составом и строением кристаллической решётки. А проявляется она в разнообразных свойствах минерала, из которых важнейшими для диагностики являются свойства физические.
Физическими свойствами минералов называются те, которые проявляются в их физических взаимодействиях с различными объектами. Именно физические свойства являются важнейшими диагностическими признаками минералов и положены в основу их практического определения. Некоторые из них можно определить лишь в лабораторных условиях. Но есть такие физические свойства, которые легко определяемы невооруженным глазом или при помощи несложного оборудования. Умение правильно их определять является ключом к практическому определению большинства наиболее распространенных в природе минералов

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Диагностические признаки минералов

Прозрачность – способность минерала пропускать свет. В зависимости от степени прозрачности все минералы делятся на 3 группы (при этом следует иметь в виду, что границы между ними условные):
1. Прозрачные (сквозь минерал можно легко видеть различные предметы) – горный хрусталь, исландский шпат, топаз и др.
2. Полупрозрачные (сквозь минерал виден свет, но контуры предметов уже не различимы) – сфалерит, киноварь и др.
3. Непрозрачные – пирит, магнетит, графит и др.

Цвет. Наиболее легко определяемый визуально признак. Но один и тот же минерал нередко может иметь различную окраску в зависимости от примесей или дефектов строения его кристаллической решетки. Например, флюорит может быть окрашен в зеленый, фиолетовый, бурый, желтый, цвета различных оттенков, а изредка бывает бесцветным. Турмалин бывает зеленым, розовым, бурым, синим, черным. Окраска некоторых минералов может быть неоднородной даже в одном кристалле. Поэтому цветом минералов, как диагностическим признаком, следует пользоваться с осторожностью.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Диагностические признаки минералов

В зависимости от происхождения можно выделить несколько типов окраски минералов:
- идиохроматический (от греческого идиос – собственный) – минерал имеет отчетливо выраженный собственный цвет;
- аллохроматический (от греческого аллос – чужой) – минерал окрашен примесями;
- псевдохроматический – «ложная окраска». Иногда тонкий поверхностный слой минерала имеет дополнительную окраску. Это явление называется побежалостью. Появление побежалости связано с образованием очень тонких пленок других минералов на поверхности, в связи с чем наблюдаются явления интерференции падающего и отраженного света. Кроме того, в некоторых прозрачных и полупрозрачных минералах (например, в плагиоклазах) иногда наблюдается «игра цветов», получившая название иризация, которая обусловлена интерференцией падающего цвета в связи с отражением его от внутренних поверхностей трещин внутри минерала. В некоторых минералах при повороте наблюдаются идущие из глубины кристаллов «вспышки» желтого, красного или голубого света - опалесценция (благородный опал).

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Диагностические признаки минералов

Цвет черты (цвет минерала в порошке). 
Более постоянный и надежный по сравнению с окраской самого минерала диагностический признак. Цвет черты в ряде случаев полностью совпадает с цветом минерала в образце. Но очень многие минералы в мелкораздробленном состоянии имеют цвет, значительно отличающийся от его цвета в образце. Так, у гематита цвет стально-серый или черный, а черта красная.
Для определения цвета минерала в порошке достаточно с легким нажимом провести минералом по поверхности специальной пластинки из неглазированного фарфора. Следует иметь ввиду, что большинство светлоокрашенных и прозрачных минералов имеет белую черту, а минералы с высокой твердостью вместо черты оставляют царапину на фарфоровой пластинке. Поэтому говорить, к примеру, о цвете черты алмаза бессмысленно.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Диагностические признаки минералов

Блеск.
Большинство минералов с различной интенсивностью отражают падающий на них свет, т.е. обладают блеском. Характер блеска зависит от того, насколько сильно поверхность минерала отражает падающий свет, каково соотношение отражения, поглощения и пропускания света минералом, как отражаемый свет рассеивается. Различают следующие виды блеска:
Металлический – напоминает блеск полированного металла (сталь, серебро, золото).
Полуметаллический – подобен металлическому, но более тусклый (как у потускневших от времени металлов или как у грифеля простого карандаша).
Алмазный – сильный блеск, обусловленный неоднократным отражением света от внутренних поверхностей прозрачных и полупрозрачных минералов (алмаз, сера, сфалерит, киноварь)
Стеклянный – поверхность минерала блестит как стекло (но значительно слабее, чем у минералов с алмазным блеском). Стеклянным блеском обладает большинство (около 70%) прозрачных и полупрозрачных минералов.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Диагностические признаки минералов

Перламутровый – минерал блестит и переливается как поверхность перламутра или жемчуга. Наблюдается у прозрачных и просвечивающих минералов, имеющих тонкое пластинчатое строение. Свет одновременно отражается от множества поверхностей внутри минерала, в результате чего возникают перламутровые «переливы».
Шелковистый – обусловлен волокнистым строением минерала, поэтому минерал блестит и переливается, как шелк или моток шелковых нитей.
Жирный – поверхность минерала кажется смазанной жиром или покрытой маслянистой пленкой. Возникает тогда, когда поверхность минерала покрыта мельчайшими неровностями.
Смоляной – блеск, напоминающий блеск застывшей смолы или гудрона. Аналог жирного блеска для минералов с темной окраской.
Восковой – полуматовый блеск, напоминающий блеск пчелиного воска, характерный для минералов, равномерно рассеивающих свет (халцедон, серпентин).
Матовый - если минерал представлен тонкодисперсными, землистыми массами, то он не блестит.Это происходит потому, что весь свет при отражении рассеивается совершенно равномерно.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Диагностические признаки минералов

Твердость – устойчивость минерала к царапанию. Является одним из главных и надежных диагностических признаков минералов. По твердости все минералы условно разделяются на 10 групп, в соответствии с предложенной австрийским минералогом Фридрихом Моосом шкалой твердости. Набор условных эталонов твердости, состоящий из 10 минералов, в его честь получил название шкала Мооса. Минералы в ней подобраны таким образом, что каждый последующий минерал в ней оставляет царапину на предыдущем. Причем получается углубленная царапина, не исчезающая при легком стирании пальцем. Относительная твёрдость выражается условными единицами твёрдости от 1 до 10, соответствующими номеру эталонного минерала шкалы Мооса (от самого мягкого до самого твёрдого)

Шкала Мооса

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Диагностические признаки минералов

Спайность - способность кристаллов раскалываться (расщепляться) по определенным кристаллографическим направлениям параллельным действительно наблюдаемым или возможным граням кристалла, с образованием ровных блестящих плоскостей скола. Различают следующие степени совершенства спайности (в порядке убывания):
Весьма совершенная – спайность в одном направлении, когда минерал очень легко разделяется на все более тонкие пластинки или листочки.
Совершенная – при любом ударе молотком по минералу он рассыпается на обломки, ограниченные ровными спайными плоскостями (кубики, ромбоэдры, октаэдры).
Средняя – при раскалывании минерала с одинаковой частотой образуются как ровные спайные поверхности, так и неправильные поверхности излома по случайным направлениям.
Несовершенная и весьма несовершенная – при раскалывании минерала подавляющая часть обломков ограничена неправильными неровными поверхностями излома.
Спайность может наблюдаться по одному, двум, трем, четырем и шести направлениям. Степень совершенства спайности зависит от строения кристаллической решетки каждого минерала, так как разрыв по некоторым плоскостям (плоским сеткам) этой решетки из-за более слабых связей происходит гораздо легче, чем по другим направлениям. В случае одинаковых сил сцепления между частицами кристалла, спайность отсутствует.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Излом - неровная поверхность, получающаяся при раскалывании минералов или минеральных агрегатов. Различают следующие виды излома:
Раковистый – похожий на внутреннюю поверхность раковины (кварц, халцедон, обсидиан). С раковистым изломом кремня человек познакомился в каменном веке – ведь именно этот тип излома дает такие острые режущие края.
Занозистый – напоминает поперечный излом древесины и свойственен волокнистым минеральным агрегатам – (асбест, амфиболы).
Крючковатый – поверхность излома как бы покрыта мелкими крючочками (самородная медь, серебро и другие ковкие металлы).
Землистый – поверхность излома матовая и как бы покрыта мелкой пылью (каолин)
Ровный – свойственен очень мелкозернистым агрегатам, например, яшмам.
Ступенчатый – возникает у минералов с хорошей спайностью или отдельностью.

Диагностические признаки минералов

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Диагностические признаки минералов

Удельный вес (плотность) – соответствует массе минерала в граммах, заключенной в одном кубическом сантиметре его объема и является важным диагностическим признаком, так как колеблется в широких пределах – от 1,5 (бура, мирабилит) до 19-21 (золото и самородная платина). Важно научиться хотя бы приблизительно определять удельный вес минералов, взвешивая кусок минерала на ладони, чтобы различать минералы легкие, средние, тяжелые и очень тяжелые.

К прочим диагностическим признакам можно отнести магнитность, двупреломление, ковкость, гибкость, упругость, запах, вкус, радиоактивность, люминесценция и т.д.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Породообразующие и рудообразующие минералы.

Породообразующие минералы, минералы, содержание которых в данной горной породе превышает 5 объёмных процентов. Набор породообразующих минералов (наряду со структурно-текстурными особенностями) определяет название горной породы. Наиболее распространённые породообразующие минералы осадочных горных пород природные карбонаты (кальцит, доломит), глинистые минералы (каолинит, нонтронит, монтмориллонит) и гидрослюды (глауконит), сульфаты (гипс, ангидрит), хлориды (галит, сильвин), минералы группы кремнезёма (кварц, халцедон) и оксиды (магнетит, рутил).
Для магматических горных пород земной коры характерны силикаты (оливин, пироксены, полевые шпаты, фельдшпатоиды, слюды, амфиболы), кварц.
В метаморфических горных породах распространены преимущественно силикаты (гранаты, амфиболы, полевые шпаты, слюды, кианит, ставролит, серпентин, природные хлориты и др.) и кварц.

Литвинович А. В.

Геология

Лекция 3

Различают породообразующие минералы лейкократовые (сиалические, светлые) – кварц, полевые шпаты, фельдшпатоиды и прочие, и меланократовые (мафические, темноцветные) – биотит, амфиболы, пироксены, оливин и др. Выделяют первичные (сингенетичные, образовавшиеся одновременно с формированием всей горной породы) и вторичные (возникающие при любых преобразованиях породы) породообразующие минералы.
Главные породообразующие минералы хорошо изучены: исследованы кристаллические структуры, выявлены особенности химического состава (включая распределение катионов по различным структурным позициям в зависимости от условий формирования), определены зависимости физических свойств от состава, температуры и давления.
Химический состав породообразующих минералов (включая элементы-примеси) используется для определения генетических особенностей горной породы и для расчётов физико-химических условий формирования пород. Электрические, магнитные, упругие, тепловые, радиоактивные и другие свойства породообразующих минералов определяют физические свойства горных пород, которые используются для решения задач сейсмологии, петрофизики, в геофизических методах разведки, инженерной

Породообразующие и рудообразующие минералы.

https://studfile.net/preview/2983332/page:5/

Литвинович А. В.

Лекция 3

Геология