Основные типы химических соединений в минеральном мире

Минералы представлены следующими основными типами химических соединений:

1) простыми веществами или самородными элементами — самородная сера (S), графит (С), самородная медь, золото, платина и др.;

2)оксидами и гидроксидами, например, корунд (А1₂0₃), рутил (ТiО₂), куприт (Сu₂ О) и др.;

3) солями различных кислородсодержащих и бескислородных кислот— галит (NaCl), пирит (FeS₂), кальцит (СаСО₃), барит (BaS0₄), форстерит (Mg₂Si0₄), ангидрит (CaS0₄).

Среди минералов различают соединения постоянного состава (определенные соединения) и переменного (неопределенные соединения). Определенные соединения в любых генетических условиях сохраняют в структуре одно и то же количественное соотношение минералообразующих элементов. Такими минералами являются, например галит (NaCl), кальцит (СаС0₃), гематит (Fe₂ О), кварц (Si0₂), куприт (Сu₂ О) и др.

У неопределенных соединений состав может колебаться в некоторых пределах (в пределах области, в которой кристаллическая решетка с данной структурой в заданных условиях температур и давлений может существовать), причем колебания состава не могут быть объяснены посторонними механическими примесями. К этой группе принадлежит абсолютное большинство минералов.

Изоморфизм – способность минералов к образованию соединений переменного состава основана на явлениях изоморфизма. Под изоморфизмом понимается явление взаимного замещения атомов и ионов в кристаллических решетках минералов без нарушения их строения. Образующиеся при этом вещества называются изоморфными смесями, или твердыми растворами. Возможность изоморфных замещений обусловлена как близостью свойств самих атомов и ионов (размеров, координации, состояния химической связи), так и некоторыми параметрами процессов минералообразования (температурой, давлением, концентрацией компонентов). Так, например, в условиях высоких температур изоморфное замещение компонентов происходит в гораздо более широких пределах, чем при низких. Значительная недонасыщенность среды минералообразования какими-либо элементами не позволяет им образовывать кристаллические решетки собственных минералов, что приводит к рассеянию их в решетках других минералов в виде изоморфных примесей.

В зависимости от количественных соотношений замещающих друг друга единиц различают изоморфизм полный (совершенный) и неполный (несовершенный). В случае полного изоморфизма смесимость компонентов возможна в любых количественных соотношениях. Примером полного изоморфизма является группа плагиоклазов, представляющая собой непрерывный изоморфный ряд, крайними членами которого являются альбит Na[AlSi₃O₆] и анортит Са[А1₂Si₂О₈] со схемой замещения NaSi → CaAl.

При неполном изоморфизме смесимость компонентов возможна только в определенных количественных соотношениях. Случаи несовершенного изоморфизма гораздо более многочисленны, примерами их могут быть кальцит СаСО₃, где до 22 % Са может замещаться Mg, флюорит CaF₂, в котором до 17% Са замещается Y по схеме 3Са + 2Y,

В минералах с существенно ионным типом связи различают также изовалентный и гетеровалентный (от греч. "гетерос" - другой, различный) изоморфизм.

При изовалентном изоморфизме взаимозамещаются ионы с одинаковыми зарядами, так, например, К¹⁺ → Rb¹⁺ в полевых шпатах, Мо⁴⁺ → Re⁴⁺ в молибдените, Ва²⁺→Sr²⁺ в барите, и т.д.

При гетеровалентном изоморфизме взаимозамещаются ионы различной валентности, но замещение происходит с компенсацией зарядов, т.е. при сохранении электростатического баланса решетки. Подобные замещения наблюдаются в плагиоклазах (Na¹⁺Si⁴⁺→Са²⁺А1³⁺), биотите (3Mg²⁺→2A1³⁺), и многих других минералах. При этом взаимозамещаемость успешно осуществляется только тогда, когда разница зарядов ионов не превышает единицы.

Формулы минералов. Химический состав минералов принято выражать с помощью эмпирических или структурных формул. Эмпирические формулы выражают количественный химический состав минералов, не давая представления о сочетаниях и связях химических элементов друг с другом. В структурных формулах, которые гораздо шире распространены в минералогии, учитывается не только химический состав минералов, но и тип химического соединения, взаимосвязи отдельных элементов.

Обычно в структурных формулах радикалы выделяются квадратными скобками, близко связанные друг с другом элементы — круглыми. Например, эмпирическая формула дистена имеет вид Al₂SiO₅ или А1₂О₃ × Si0₂,структурная — А1₂ [Si0₄]О, Особенно важны структурные формулы для минералов сложного состава, гак формула авгита имеет. вид Ca(Mg, Fe, Al) [(Si, A1)₂О₆ ], топаза Al₂(F, ОН)₂ [Si0₂ ] и т.д.

Изоморфные группы элементов в порядке уменьшения их количества заключаются в круглые скобки и отделяются друг от друга запятыми, например, формула сфалерита имеет вид (Zn, Fe, Mn, Cd, Ge, In, Te)S_, формула вольфрамита— (Mn, Fe)WО₄, оливина (Mg, Fe)₂ [Si0₄ ] и т.д.

10.Основные свойства кристаллических тел.

Кристаллами называют все твердые тела, в которых материальные частицы (атомы, ноны, молекулы) расположены закономерно, в виде узлов пространственных решеток. Поверхность кристаллов ограничена плоскостями — гранями, которые пересекаются по прямым линиям — ребрам. Точки пересечения ребер образуют вершины. Вместе с тем закономерным внутренним строением обладают многие твердые тела, не имеющие геометрически правильной внешней формы.

Кристаллическое состояние вещества более устойчиво по сравнению с аморфным, так как закономерному расположению частицы в структуре отвечает минимальная внутренняя энергия.

Основными свойствами кристаллических тел являются анизотропность, однородность и способность самоограняться.

Анизотропностью (неравносвойственностью) называется изменение свойств вещества с изменением направления. Оно обусловлено различной ретикулярной плотностью кристаллической решетки по разным направлениям.

Яркий пример анизотропности представляет собой слюда. Кристаллические пластины этого минерала легко расщепляются по плоскостям, параллельным его пластинчатости. В поперечных направлениях расщепить слюдяные пластинки значительно труднее.

Другим характерным примером анизотропности является дистен, характеризующийся резко различной твердостью по разным направлениям.

Однородность заключается в том, что любые два участка одного и того же кристалла обладают одинаковыми свойствами (по параллельным направлениям). Твердые аморфные тела также могут быть однородными и даже анизотропными.

Способность самоограняться, т.е. принимать в условиях: свободного роста в подходящей среде форму правильных многогранников — кристаллов, находится в связи с анизотропностью кристаллов: притяжение осаждающихся частиц при росте кристалла одинаково на всем протяжении какой-либо одной грани и изменяется при переходе к другому направлению, т.е. к другой грани.

11. Элементы симметрии кристаллов.

Изучением кристаллов и кристаллического состояния вещества занимается кристаллография. Одним из ее разделов является геометрическая кристаллография, т.е. учение о внешних формах кристаллов как отражение их внутреннего строения.

Зависимость между внутренним строением и внешней формой кристаллов выражена в одном из основных законов геометрической кристаллографии — закона постоянства углов, согласно которому углы между соответственными гранями (и ребрами) во всех кристаллах одного и того же вещества постоянны.

Симметрия — слово греческое, что в переводе на русский язык означает "соразмерность". По отношению к кристаллам симметрия есть закономерная повторяемость в пространстве одинаковых граней, ребер и углов фигуры.

Основными элементами симметрии являются центр, плоскость, и ось симметрии. Центром симметрии, или центром инверсии (С), называется такая точка внутри кристалла, в которой пересекаются и делятся пополам все линии, соединяющие соответственные точки на поверхности кристалла. При наличии в кристалле центра симметрии каждой его грани обязательно должна соответствовать другая грань, равная и параллельная (или обратно параллельная) первой,

Плоскость симметрии (Р) называется воображаемая плоскость, которая делит фигуру на две симметрично равные части, расположенные друг относительно друга как предмет и его зеркальное отражение. Плоскости симметрии могут проходить через середины граней и ребер, перпендикулярно к ним, или вдоль ребер, образуя равные углы с одинаковыми гранями и ребрами.

Осью симметрии называется прямая линия, при вращении вокруг которой повторяются равные части фигуры (фигура самосовмещается со своим исходным положением в пространстве). Число самосовмещений при повороте на 360° определяет порядок оси симметрии (п).

Кристаллы, вследствие своего решетчатого строения, могут обладать осями первого (они в кристаллографии не учитываются) второго, третьего, четвертого и шестого порядков (L₂,L₃,L₄,L₆),

Оси пятого порядка и порядка выше шести в кристаллах невозможны. Оси третьего, четвертого и шестого порядка называют осями высшего порядка.

Инверсионной осью называется такая прямая линия, при повороте вокруг которой на некоторый определенный угол с последующим отражением в центральной точке фигуры, как в центре инверсии, фигура совмещается сама с собой. Таким образом, инверсионная ось представляет собой как бы совокупность простой поворотной оси и центра инверсии, действующих совместно. Следует отметить, что в кристаллах, обладающих инверсионными реями, центр инверсии в качестве самостоятельного элемента симметрии обычно отсутствует. Наиболее часто в кристаллах присутствуют инверсионные от четвертого и шестого порядка.

Для определения симметрии кристаллов также пользуются понятием единичное направление, введенным Е.С. Федоровым. Единичное направление — это единственное не повторяющееся в кристалле направление, в отличие от него, повторяющиеся направления, связанные элементами симметрии, называют симметрично-равными. Чем более симметричен кристалл, тем меньше в нем единичных направлений вплоть до полного исчезновения.

Виды симметрии, кристаллографические сингонии и категории. Совокупность всех элементов симметрии данного кристаллического многогранника называется его видом симметрии. При этом далеко не всякое произвольное сочетание элементов симметрии возможно.

Все известные виды симметрии подразделяются на семь кристаллографических систем, или сингоний (греч. "сходноугольность").

Сингонией называется группа видов симметрии, обладающих одним или несколькими элементами симметрии при одинаковом числе единичных направлений. Сингонии в порядке возрастания степени симметричности можно расположить в следующем порядке: триклинная, моноклинная, ромбическая, тригональная, тетрагональная, гексагональная, кубическая. Сингонии в свою очередь группируются в три категории — низшую, среднюю и высшую.

Формы кристаллов. По внешнему огранению кристаллы могут быть разделены на две группы. К первой группе относятся кристаллы, состоящие из одинаковых по форме и величине симметрично расположенных граней, (куб, октаэдр). Ко второй группе принадлежат кристаллы, обладающие различными по величине и очертаниям гранями (многогранник в форме кирпичика). Многогранники первой группы представляют собой простые формы, многогранники второй группы - комбинации простых форм.

Простой формой называется совокупность граней, связанных между собой элементами симметрии. Следовательно, грани одной простой формы, которые в идеально развитых кристаллах должны быть одинаковыми по очертаниям и величине, будучи связанными элементами симметрии могут быть выведены из одной заданной грани посредством действия этих элементов.

Комбинацией называется совокупность двух или нескольких простых форм. Комбинации не могут быть выведены из одной исходной и плоскости и, следовательно, имеют грани, различные по форме, величине и другим свойствам.

Всего в кристаллографии известно 47 типов простых форм. Комбинаций же возможно бесконечное множество.