Мінерали і гірські породи Росії і СРСР

<<< Фізичні властивості мінералів | зміст | Крихкість і гнучкість >>>

МОРФОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ МІНЕРАЛІВ
Фізичні властивості мінералів

щільність

Щільність - маса одиниці об'єму речовини. Позначення - D або р. Колишнє, застаріла назва - питома вага; його ще можна зустріти в мінералогічних підручниках і довідниках, виданих аж до початку 1970-х років, але нині питому вагу у називається інша величина - НЕ маса, а вага одиниці об'єму речовини.

Співвідношення щільності і питомої ваги: ​​у = pg, де g - прискорення сили тяжіння, значення якого, як відомо, змінюється в залежності від місця вимірювання. Тому, на відміну від щільності, питома вага (в сучасному розумінні) не є числовим виразом фізичного властивості речовини. В системі СГС одиниця виміру щільності - г / см3 (традиційно прийнята в мінералогії), в Міжнародній системі СІ - кг / м3 (в мінералогії практично не увійшла у вжиток); відповідно для питомої ваги - дин / см3 і Н / м3 (Н - ньютон; Діна і ньютон - одиниці сили, а не маси).

Щільність мінералів варіює в широкому діапазоні.

Найлегший мінерал - лід (0,917); серед інших мінералів найменшу щільність мають: натрон - природна сода (1,46), сассолін - природна борна кислота (1,48), мирабилит - глауберової сіль (1,49), нашатир (1,5), бішофіт, карналлит , Індігіріт - водний основний карбонат Mg і А l (1,6). Багато органічних сполук, що відносяться до мінералів або мінералоідам, мають щільність в межах від 1,09 -0,02 ( Бурштин -сукцініт) до 1,64-1,65 (Мелліт). В цілому до числа найбільш легких мінералів належать деякі водні та основні карбонати, борати, сульфати, хлориди та органічні речовини.

Найважчим мінералом є платіністий іридій (до 22,84). Взагалі групу мінералів з максимальною щільністю (від ~ 7,0 і вище) становлять в основному самородні метали, сплави і інтерметалліді платини і платиноїдів, золота і срібла , Ртуті, свинцю і вісмуту, а також їх арсеніди, сульфіди, селеніди і теллуріди: сперріліт PtAs2 (10,6); аргентит і акантит Ag2S (7,3); Гессен Ag2Te (8,0); Калавера AuТе2 (9,3); креннеріт AuТе2 (8,6); Сільваном (А u, Ag) 2Te4 (8,1); Петца Ag3AuTe2 (8,7-9,0); Алтай TbTe (8,3), тетрадіміт Bi2TeS (7,2); галенит PbS (7,6); кіновар HgS (8,0-8,2); вісмутін Bi2S3 (6,7-7,2); Айкіна PbCuBiS3 (7,1); Клаусталя PbSe (8,3); Тімане HgSe (8,3) і т.д.

В ту ж групу "надважких" мінералів входять арсеніди нікелю і кобальту: нікелін NiAs (7,6-7,8); саффлоріт CoAs2 (7,3); раммельсбергит NiAs2 (7,0-7,2); та ін.; сульфіди вольфраму і талію - тунгстеном WS2 (7,7) і (дуже рідкісний) Карлін T l2S (8,6); оксиди ртуті, танталу, вольфраму, олова, свинцю, урану, торію, вісмуту: матроід HgO (11,0); танталіт (Мn, Fe) Ta2O6 (7,9-8,1); воджініт (Та, Nb, Sn, Mn, Fe), BiOCl (7,7); вольфрамит (Fe, Mn) WO4 (7,1-7,5); касситерит SnO2 (7,0); сурик Р b3O4 (8,9); глет і масикот Р Bо (9,3-9,6); уранініт UO2 (10,9); торіаніт Т nO2 (9,7); Бісміл Bi2O3 (9,4); оксікарбонат вісмуту Бісмут У i2 (СO3) O2 (8,3) і його ж оксихлорід бісмокліт BiOCl (7,7); вольфрамат свинцю - Штольц PbWO4 (8,3), його ж молибдат - вульфеніт Р bМоO4 (7,0) і фосфат - піроморфітР b5 (РO4) 3С l - (6,7-7,2), арсенат - міметіт Pb5 (AsO4 ) Cl (7,3), ванадат - ванадиніт Pb5 (VO4) 3Cl (6,8-7,1) і деякі інші мінерали вищеназваних металів .

Досить велика група легких мінералів різних класів має щільність в інтервалі 1,7-2,5; серед них - ряд силікатів і особливо алюмосиликатов натрію, калію, літію (багато цеоліти , Петаліт LiA lSi4O10 і ін.); водні борати натрію, калію, магнію, частково кальцію; хлориди, сульфати, нітрати лужних металів і магнію; водні карбонати натрію - трону Na3 (CO3) (HCO3) • 2H2О, термо-натрію Na2CO3 • H2О і алюмінію - Давсон NaAl (CO3) (OH) 2; гідроксиди магнію - брусит Mg (OH) 2 і берилію - бехоіт Ве (ОН) 2, частково алюмінію - гиббсит Al (ОН) 3; аморфні мінерали (мінералоіди) кремнезему і глинозему, багаті водою: опал SiO2 • nH2O і аллофан - водний силікат алюмінію змінного складу; також ряд інших, менш поширених мінералів.

Але величезна більшість мінералів мають щільність в діапазоні від 2,5-2,6 до 6,5-7,0. Нижні значення типові, зокрема, для багатьох каркасних алюмосилікатів (наприклад, для лужних польового шпату , А в верхньому кінці інтервалу (починаючи з 5,0-5,5) розташовується більшість сульфідів важких металів; високі значення щільності характеризують і мінерали інших класів, що містять свинець - англезит PbSO4, церуссит Р bСO3, крокоит Р bCrO4, рідкісний барісіліт Pb8Mn (Si2O7) 3, хлориди ртуті - каломель Hg2Cl2 і срібла - хлораргіріт AgCl, оксиди танталу - мікроліт NaCaTa2O6F, Тапіола FeTa2O6 і ін. Варто зауважити, що нормальної величини зразок мінералу здається важким, коли його беруть в руки, вже починаючи з значень щільності близько 4,5 (така, наприклад, щільність "важкого шпату "- бариту BaSO4). Часто розрізняють мінерали низькою (менше 3,0), середній (3,0-5,0) і високої (понад 5,0) щільності - відповідно легкі, середні і важкі.

Таким чином, головним фактором, що визначає велику щільність мінералів, є високий вміст в них одного або декількох важких хімічних елементів, головним чином, металів, розташованих в нижній частині таблиці Менделєєва: платини і платиноїдів, золота , срібла , Ртуті, свинцю, вісмуту, урану, торію, талію, танталу, вольфраму, олова, почасти телуру. В рівній мірі малі значення щільності характеризують більшість мінералів натрію, калію, літію, берилію, магнію, бору, деякі мінерали кальцію, алюмінію, кремнію, - тобто переважно елементів верхньої частини тієї ж таблиці.

Зменшенню щільності мінералів сприяє також присутність (тим більш високий вміст) в них води як у вигляді гідроксилу (ОН), так і в молекулярній формі (H2О). Аналогічне вплив надає входження З l і інших великих додаткових іонів. В цілому, як уже було сказано, щільність мінералів залежить в першу чергу від їх хімічного складу.

Проте, і структурний фактор теж позначається на щільності мінералів. По-перше, мають значення відносні розміри атомів (іонів), що входять в кристалічну структуру, причому цей фактор часом виявляється більш "вагомим", ніж атомна маса. Так, іон К + трохи важче, ніж іон Na +, але зате він і значно більші, внаслідок чого заміна натрію на калій в складі мінералу (при незмінності структурного мотиву) зазвичай веде до деякого зниження щільності. Наприклад, при однаковому структурному типі щільність Галіт NaCl дорівнює 2,16-2,17, а сильвин а КС l - 1,98-1,99; калієві польові шпати ортоклаз і микроклин KAlSi3O8 мають щільність 2,55-2,56, а альбіт NaAlSi3O8 - 2,61-2,62. кальцит СаСO3 (щільність 2,71-2,72) легше магнезиту MgCO3 (2,9- 3,1), так як іон Са, хоча і важче Mg2 +, але в той же час багато крупніше (обидва мінерали мають однакову структуру).

Те ж саме можна сказати про заміну хлору на фтор: наприклад, вілліоміт NaF, що має структуру типу Галіт, набагато важче останнього, його щільність - 2,79: хоча іон F- легше, ніж Cl-, але іонхлору набагато більші, а входження великих іонів (катіонів або аніонів) при незмінному заряді послаблює, "розпушує" структуру, робить її менш компактній.

Аніони, як правило, більші за катіонів; внаслідок цього заміна аниона з низьким зарядом на аніон з більш високим зарядом, що викликає відповідне зменшення загального числа аніонів і відносне збільшення ролі катіонів в структурі, навіть при близькості розмірів тих і інших і збереженні або схожості структурного типу, веде до помітного збільшення щільності мінералу. Хороший приклад - мінерали з координаційною структурою периклаз MgO (щільність 3,56-3,68) і Селлан MgF2 (щільність 3,50-3,17): Селлан помітно легше, попри те, що периклаз відноситься до структурного типу Галіт, а Селлан має більш щільну структуру типу рутила , Причому розміри іонів O2- і F- близькі, а атомна маса фтору навіть дещо більше (F - 9, Про - 16). Причина криється в тому, що в структурі селлаіта тільки половина октаедричних пустот щільної упаковки аніонів зайнята катіонами Mg2 +, тоді як в структурі периклаза вони займають все порожнечі.

По-друге, на щільність мінералів мають певний вплив структурний мотив і структурний тип їх кристалів. При близькому складі мінерали з каркасним структурним мотивом зазвичай легше мінералів, що мають координаційні або інші структурні мотиви. Так, в класі силікатів каркасні алюмосилікати - в цілому найлегші: каркасні структури, в яких координаційне число алюмінію КЧA l = 4 (алюміній в тетраедрах), - більш "пухкі" у порівнянні зі структурами, де КЧA l = 6 (або значна частка атомів алюмінію має КЧ = 6). Взагалі збільшення КЧ зазвичай веде до ущільнення структури і відповідно підвищує щільність мінералів. Цим, зокрема, пояснюються відмінності щільності поліморфних модифікацій одного і того ж речовини, тобто мінералів постійного складу, але з різною структурою.

Простежимо на прикладах, вплив структурного мотиву і координаційного числа на щільність поліморфних модифікацій (або, як часто говорять, поліморфів).

Серед поліморфів TiO2 - рутила , Брукіта і анатаза - найважчим є рутил з дуже щільною ланцюгової структурою (щільність 4,2-4,3), за ним слід брукіт із шаруватим структурним мотивом (щільність 4,14) і легше всіх - анатаз зі структурою, близькою до каркасної (щільність 3,9). У всіх трьох мінералах KЧTi = 6, і відповідно відмінності в щільності не надто різкі.

Щільність оксігідроксідов алюмінію AlO (ОН) - беміт і діаспора - дорівнює відповідно 3,0-3,1 і 3,3-3,5. При однаковому в Октаедр Al (О, ОН) 6 - діаспор має досить щільну ланцюгову (точніше, стрічкову) структуру, а беміт - більш "пухку" шарувату (точніше, шарувато-молекулярну), з ослабленими зв'язками між шарами-молекулами; звідси і відмінності в щільності.

В ряду поліморфів Al2SiO5 андалузит (Щільність 3,1- 3,2) - силлиманит (3,2) - кианит (3,5-3,6) половина атомів A l в структурі завжди має КЧ = 6; в Кіану і у другої половини їх теж КЧ = 6, але в Андалузії воно дорівнює 5, а в алюмосиликате силлиманит Al (AlSiO5) - 4. Цим пояснюється помітно більш висока щільність кіаніту в порівнянні з двома іншими поліморф.

Якщо розглянути структуру всіх трьох мінералів на основі єдиної дуже ретельним кубічної упаковки атомів кисню, то в ряду кианит-андалузит-силіманіт в ній буде спостерігатися збільшення числа вільних вакансій, пов'язане з частковою зміною КЧAl і відображає разуплотнение структури, що безпосередньо позначається на щільності мінералів.

кварц SiO2 (його низькотемпературна модифікація, трігональную а-кварц) при одночасному впливі високих тисків (що особливо істотно) і температур переходить в моноклінний коесит, що має так само, як і кварц, каркасну структуру з KЧSi = 4, але кілька ущільнену за рахунок кращої упаковки (кладки) кремнекислородних тетраедрів SiO4; відповідно щільність зростає від 2,65 у a-кварцу до 2,91-2,93 у коесіта. Подальше підвищення тиску (до дуже великих значень) і температури викликає різку зміну і ущільнення структури SiO2 з переходом в Тетрагональна стишовит, що відноситься вже до структурному типу рутилу; в ньому KЧSi = 6 і відповідно його щільність - 4,28-4,35.

Отримані спочатку штучно, обидва мінерали - коесит і стишовит - були потім знайдені в природі - в метеоритних кратерах, або астроблемах, що виникли від удару метеоритів об земну поверхню, при якому гірські породи зазнають ударний метаморфізм - короткочасний вплив дуже високих тисків і температур.

Вплив координаційного числа на щільність мінералів наочно ілюструється двома парами мінералів: сульфідами сфалерит ZnS - троилит FeS і галогенидами бромаргіріт AgBr - йодаргіріт AgI. Хоча розміри іонів Zn2 + та Fe2 + близькі, а атомна маса Zn набагато більше, ніж Fe, і структурний мотив обох мінералів однаковий (координаційний), щільність сфалериту (4,0) значно нижче, ніж троіліта (4,8), оскільки в структурному типі сфалериту KЧZn = 4, а в структурі троіліта KЧFe = 6 (структурний тип нікелін а). Приклад другий пари демонструє істотний вплив КЧ (в даному випадку і катіонів, і аніонів) на щільність навіть таких важких мінералів як галогеніди срібла . Щільність бромаргіріта - 6,4, йодаргіріта - 5,7, незважаючи на те, що з атомної масі йод набагато важче брому (правда, іон I- крупніше, ніж Br-); структурний мотив в обох випадках координаційний, але бромаргіріт відноситься до структурного типу Галіт з KЧAg = KЧBr = 6, тоді як йодаргіріт - до структурного типу вюртцита з KЧAg = KЧI = 4.

А ось щільність двох поліморфних модифікацій ZnS - кубічної (сфалериту) і гексагональної (вюртцита) практично однакова, хоча вони належать різним структурним типам: в основі структурного типу сфалериту - кубічна щільна упаковка атомів сірки, в основі структурного типу вюртцита - гексагональна. Але в обох структурних типах KЧZn = KЧS = 4, що навіть зумовлено сталість щільності. Число подібних прикладів легко помножити, але й наведеного достатньо.

Ще один фактор, що робить істотний вплив на щільність, - перехід мінералів (як правило, під впливом радіоактивності) в метаміктниє стан. Щільність метаміктниє (рентгеноаморфних) мінералів, в тому числі більшості мінералів, що містять уран і / або торій, виявляється значно нижче щільності їх кристалічних аналогів (і нижче теоретичної, розрахункової). Ймовірно, гідратація (сорбція води), зазвичай супроводжує метаміктизація мінералів, вносить вагомий внесок у зменшення щільності, а й саме по собі руйнування кристалічної структури під впливом іонізуючого випромінювання, тобто власне перехід в метаміктниє стан, грає важливу роль, діючи в тому ж напрямку.

У мінералогічної практиці прийнято поділяти всі мінерали по щільності на дві великі групи, що відповідають двом фракціям, які виділяються при підготовці шліхов і протолочек (подрібнених проб гірських порід і руд) до мінералогічного аналізу. Обидві фракції виходять шляхом поділу проб у важких органічних рідинах; найчастіше для цієї мети використовується бромоформ (трібром-метан) СНО r3, що має при кімнатній температурі щільність 2,892 (а з добавками спирту і бензолу - 2,88). Мінерали з більш високою щільністю тонуть в бромоформ, з меншою - спливають. Відповідно другі (з щільністю нижче 2,9) складають легку фракцію, перші - важку фракцію .

Більшість світлих породоутворюючих мінералів таких, як кварц , польові шпати , нефелин , цеоліти та ін., входять до складу легкої фракції, яка тому завжди забарвлена в світлі тони. Кольорові мінерали гірських порід - биотит , амфіболи , піроксени , олівін , епідот , турмалін та ін. - виявляються у важкій фракції, зазвичай має темне забарвлення; туди ж потрапляють в основному акцесорних мінерали. У важкій фракції концентрується і більшість рудних мінералів.

Подальше, більш докладний поділ важкої фракції по щільності проводиться за допомогою інших, більш важких рідин, таких, як рідина Тулі (водний розчин тетраіодомеркурата калію К2 [HgI4] з щільністю 3,196), дійодметан (колишні назви - йодистий метилен, метіленйодід) СH2I2 з щільністю 3,324-3,325 і рідина Клерічі - водний розчин малоната і форміату талію СH2 (відповід l) 2 і НСООТ l з щільністю 4,25 (зростання з підвищенням температури)

Особливо зручна найважча рідина Клерічі, добре змішується з водою, що дозволяє досягти будь-яких бажаних (проміжних) значень щільності. Однак ця рідина дуже токсична; втім, токсична (хоча і в меншій мірі) також рідина Тулі, а пари бромоформу і дійодметана дратують дихальні шляхи і слизові оболонки, роблять наркотичний і снодійну дію. Тому оперувати важкими рідинами слід з великою обережністю, в добре вентильованих приміщеннях (найкраще - під тягою, тобто в витяжних шафах) або на відкритому повітрі.

Ті ж важкі рідини служать і для орієнтовного визначення щільності мінералів. Точніше її вимірювання проводиться шляхом гідростатичного зважування (наприклад, на вагах Вестфаля) або за допомогою пікнометра; а якщо в розпорядженні дослідника є дуже мала кількість мінералу (кілька чисто відібраних дрібних зерен), то застосовується мікрометод Руденко-Василевського: щільність вимірюється за швидкістю падіння частинок мінералу в мірній бюретці, заповненої рідиною з відомою щільністю і закріпленої на штативі перед горизонтально орієнтованим тубусом мікроскопа , за допомогою якого зчитуються поділу на бюретці; час відраховується по годинах з секундною стрілкою.

Щільність мінералів может буті Обчислено теоретично; для цього необходимо мати рентгенівські дані про Параметри елементарної коміркі мінералу, розташовуваті его повну хімічнім аналізом и знаті число формульних одиниць (Z) в Є.Я. Треба сказати, що теоретичне (розрахункове) і експериментальне (виміряний) значення щільності, як правило, трохи розходяться, так як в реальних мінералах зазвичай присутні різні домішки, мікровключення, дефекти, дислокації, відхилення від стехіометрії та інші прояви мікронеоднорідності або недосконалості структури. З тієї ж причини можуть варіювати і виміряні значення щільності одного мінерального виду, внаслідок чого для багатьох мінералів в довідниках наводяться інтервальні оцінки щільності; інтервал зазвичай составляетn * 10-2 г / см3 і, як правило, не перевищує 0,1-0,2 г / см3, але іноді (переважно у мінералів змінного складу) досягає 0,5-1,0 г / см3.

Щільність - дуже важлива характеристика мінералів; вона широко використовується як діагностична ознака (особливо при визначенні дорогоцінних каменів - з метою відрізнити їх від імітацій), а також при гравітаційному збагаченні руд.

<<< Фізичні властивості мінералів | Зміст | Крихкість і гнучкість >>>

Познайомитися з зображеннями і описами інших об'єктів природи Росії і суміжних країн - мінералів і гірських порід , грунтів , грибів , водоростей , лишайників , листостеблових мохів , дерев, чагарників, чагарників і ліан , трав'янистих рослин (квітів) , ягід і інших дикорослих соковитих плодів , водних безхребетних тварин , комах-шкідників лісу , денних метеликів , прісноводних і прохідних риб , земноводних (амфібій) , плазунів (рептилій) , птахів, пташиних гнізд, їх яєць і голосів , А такоже ссавців (звірів) , - можна в розділі природа Росії нашого сайту.

У розділі Природа в фотографіях розміщені також тисячі наукових фотографій грибів, лишайників, рослин і тварин Росії і країн колишнього СРСР, а в розділі Природні ландшафти світу - фотографії природи Європи , азії , Північній и Південної Америки , Африки , Австралії та Нової Зеландії и Антарктики .

У розділі Методичні матеріали Ви також можете познайомитися з описами розроблених екологічним центром "Екосистема" друкованих визначників рослин середньої смуги, кишенькових визначників об'єктів природи середньої смуги, визначальних таблиць "Гриби, рослини і тварини Росії", комп'ютерних (електронних) визначників природних об'єктів, польових визначників для смартфонів і планшетів , методичних посібників по організації проектної діяльності школярів і польових екологічних досліджень (включаючи книгу для педагогів "Як організувати польовий екологічний практикум"), а також навчально-методичних фільмів по організації проектної дослідницької діяльності школярів в природі. Придбати всі ці матеріали можна в нашому некомерційному Інтернет-магазині . Там же можна придбати mp3-диски Голоси птахів середньої смуги Росії и Голоси птахів Росії, ч.1: Європейська частина, Урал, Сибір .