Школьникам и первокурсникам о минералогии

Классификация минералов

В основе современной классификации минералов лежат химические и структурные признаки. Все известные минералы группируются в несколько классов, главнейшими из которых являются: 1) самородные элементы и интерметаллические соединения, 2) сульфиды и их аналоги, 3) галогениды, 4) оксиды и гидроксиды, 5) соли кислородных кислот. В пределах классов минералов выделяют подклассы, а внутри последних - группы. Краткое описание главных классов и подклассов минералов приведено ниже.

Золото

Алмаз

Самородные элементы и интерметаллические соединения. На сегодняшний день в природе известно более 30 элементов, находящихся в самородном состоянии. Однако число минералов принадлежащих классу самородных существенно больше, что связано с образованием разнообразных сплавов, интерметаллидов и амальгам. Если исключить из рассмотрения водород, азот, кислород и благородные газы, то все оставшиеся самородные элементы можно подразделить на три главных подкласса - металлы (медь, золото, серебро, платина), полуметаллы (мышьяк, сурьма) и неметаллы (сера, графит, алмаз).

Пирит

Галенит

Сульфиды и их аналоги. К рассматриваемому классу относятся сернистые, селенистые, теллуристые, мышьяковистые и сурьмянистые соединения металлов и полуметаллов. Наибольшее число минералов представлено сернистыми соединениями - сульфидами и сульфосолями. Около 40 химических элементов образуют в природе более 300 минералов, принадлежащих этому классу. Сульфиды представляют особый интерес как руды цветных металлов и часто как носители золота. Большинство сульфидов образуется из горячих водных (гидротермальных) растворов. Некоторые сульфиды могут кристаллизоваться из магмы, другие имеют осадочное происхождение. В земной коре наиболее широко распространены сульфиды железа (пирит - FeS₂), меди (халькопирит - CuFeS₂), свинца (галенит - PbS), цинка (сфалерит - ZnS) и некоторые другие.

галит	флюорит	криолит

Галогениды. К классу галогенидов относится приблизительно 100 минералов, представляющих собой соли галогеноводородных кислот HF, HCl, HBr и HI. Наиболее распространены хлориды Na, K и Mg (галит - NaCl, сильвин - KCl, карналит - MgCl₂^.KCl^.6H₂O), фториды Ca, Na и Al (флюорит - CaF₂, криолит - Na₃AlF₆). Галогениды имеют небольшое значение как породообразующие минералы, но очень важны в общегеологическом и практическом отношениях.

кварц

Окисиды и гидроксиды. Минералы этого класса очень широко распространены в природе и играют большую роль в сложении земной коры. Оксиды и гидроксиды образованы примерно тридцатью химическими элементами. Сейчас известно около 200 минералов, представляющих собой оксиды или гидроксиды металлов, реже полуметаллов и металлоидов. Все они соответствуют примерно 5 % от общего веса литосферы. Наиболее многочисленны оксиды, содержащие железо. Свободная SiO₂ существует в природе главным образом в виде кварца и его разновидностей и очень широко распространена в земной коре. По своей кристаллохимии кварц тесно связан с силикатами, поэтому современная классификация минералов допускает рассмотрение кварца не в классе оксидов, а в классе силикатов.

Почти все относящиеся к рассматриваемому классу соединения обладают кристаллическими структурами, для которых характерен ионный тип связи. В кристаллических структурах оксидов и гидроксидов катионы всегда находятся в окружении анионов кислорода или гидроксила (ОН)^-, и координация металлов и полуметаллов является важнейшей характеристикой этих минералов.

Значительное число оксидов и гидроксидов представляют собой продукты экзогенных процессов, протекающих в самых верхних частях земной коры при непосредственном участии  свободного кислорода атмосферы. В глубинных условиях образуются разнообразные оксиды Fe, Ti, Ta, Nb, р. з. э., Al, Cr, Be, Sn, U и других элементов. Происхождение некоторых оксидов и гидроксидов связано с  гидротермальным процессом минералообразования. Ряд минералов, относящихся к рассматриваемому классу, возникают в результате метаморфических и метасоматических процессов, а также как продукты фумарольной деятельности. Наряду с упомянутыми выше кварцем и халцедоном в природе относительно широкое распространение получили также гематит - Fe₂O₃, магнетит - Fe²⁺Fe₂³⁺O₄, пиролюзит - MnO₂, касситерит - SnO₂, рутил - TiO₂, корунд - Al₂O₃, куприт - Cu₂O, ильменит - FeTiO₃, шпинель - MgAl₂O₄, хризоберилл - BeAl₂O₄, хромит - FeCr₂O₄, колумбит - (Fe,Mn)Nb₂O₆, танталит - (Fe,Mn)Ta₂O₆, уранинит - UO₂, опал - SiO₂^.nH₂O, брусит - Mg(OH)₂, гидраргиллит - Al(OH)₃, гетит - HFeO₂, гидрогетит - HFeO₂^.nH₂O и некоторые другие.

гематит	магнетит	пиролюзит	касситерит	рутил
корунд	ильменит	шпинель	опал	брусит

Соли кислородных кислот. В этот класс минералов входят соли различных кислородных кислот, главными из которых являются угольная (карбонаты), серная (сульфаты), фосфорная (фосфаты) и кремневая (силикаты), выделяемые в виде отдельных подклассов. Карбонаты и силикаты имеют особенно большое значение как породообразующие минералы. Учитывая сложность и важность рассматриваемого класса минералов целесообразно привести краткое описание каждого из отдельных подклассов.

Кальцит

Малахит

Карбонаты. Из неорганических соединений углерода в природе известно около ста минералов, большая часть из которых относится к солям угольной кислоты (H₂CO₃) и получила название карбонатов. Эти минералы очень широко распространены в верхней части литосферы и среднее их содержание в земной коре составляет 1,5 мас.%. В структуре карбонатов анионные группы [CO₃]^2- в форме плоских треугольников изолированы друг от друга катионами или дополнительными анионами. Обычно карбонаты подразделяются на безводные и водные. К безводным карбонатам относятся такие породообразующие минералы как кальцит - CaCO₃, магнезит - MgCO₃, доломит - CaMg(CO₃)₂, сидерит - FeCO₃, основные карбонаты меди: малахит - Cu₂(CO₃)(OH)₂ и азурит - Cu₃(CO₃)₂(OH)₂ , в которых вхождение гидроксил-иона (ОН)^- компенсирует избыточный заряд катионов; к водным - сода - Na₂[CO₃]^.10H₂O. Цвет карбонатов, как и большинства других минералов, зависит от вхождения в структуру ионов-хромофоров. Медные карбонаты зеленые или синие; урановые - желтые; карбонаты, содержащие железо или редкоземельные элементы, окрашены в коричневатые цвета, но большинство карбонатов белые или бесцветные. Твердость карбонатов обычно составляет 3-5. Удельный вес

Азурит

меняется в широких пределах в зависимости от химического состава минералов. Самый легкий из карбонатов - сода; наибольшим удельным весом обладают карбонаты висмута и свинца. Большинство карбонатов относительно хорошо растворяются в воде богатой свободной углекислотой по схеме СаСО₃ + СО₂ + Н₂О Са(НСО₃)₂; некоторые из них интенсивно вскипают в разбавленной (10 %) соляной кислоте, выделяя при этом пузырьки СО₂. Условия протекания реакции с кислотой (кусочки или порошок исходного минерала, интенсивность разложение при нагревании и без него) являются одним из основных диагностических свойств при идентификации широко распространенных карбонатов кальция, магния и железа. Из оптических свойств для карбонатов характерно весьма высокое двулучепреломление - следствие наличия в структуре этих минералов плоских групп [CO₃]^2-. В большинстве случаев карбонаты образуются в гипергенных процессах (хотя известны и магматические карбонаты). Происхождение некоторых карбонатов, например, кальцита в известняках, связано с жизнедеятельностью организмов. Гидротермальные карбонаты распространены в жилах, контактово-метасоматических зонах, в отложениях минеральных источников, в миндалинах вулканических пород. Многие карбонаты имеют практическое значение как руды на железо, цинк, свинец и медь. Плотные массивные карбонатные породы - известняки, мраморы, доломиты - используются в качестве строительного материала.

Гипс	барит	целестин	англезит

Сульфаты, хроматы, молибдаты и вольфраматы. Сульфаты - минералы, представляющие собой соли серной кислоты (H₂SO₄), могут образовываться в природе лишь в условиях повышенной концентрации кислорода, необходимой для перевода серы в высшую степень окисления (S⁶⁺) и при относительно низких температурах. Такие условия в земной коре создаются вблизи поверхности, где и встречается основная масса сульфатов. В природе известно около 300 минералов, относящихся к этому классу соединений, но по массе они составляют менее 0,1 % веса земной коры. В структурном отношении комплексный анион [SO₄]^2- характеризуется крупным размером. Поэтому образование устойчивых кристаллических структур возможно лишь при сочетании этого аниона с крупными двухвалентными катионами (Ba²⁺, Sr²⁺, Pb²⁺). Структуры сульфатов, катионы которых имеют небольшие радиусы, могут образовываться практически только при наличии молекул воды, которые располагаются в свободном пространстве. Одновалентные катионы щелочных металлов образуют слабые кристаллические структуры и, подобно сульфатам двухвалентных малых катионов, легко растворяются в воде. Сульфаты трехвалентных металлов встречаются только в виде водных соединений. Среди сульфатов широкое распространение получили двойные и более сложные соли одно-, двух- и трехвалентных металлов. Часто встречаются сульфаты с добавочными анионами (OH^-, Cl^-, CO₃^2-, PO₄^3- и др.). Характерной особенностью всех сульфатов является их небольшая твердость (меньше 3,5). Наиболее часто в природе встречаются следующие сульфаты: гипс - CaSO₄^.2H₂O, ангидрит - CaSO₄, барит - BaSO₄, целестин - SrSO₄, англезит - PbSO₄, тенардит - Na₂SO₄, мирабилит - Na₂SO₄^.10H₂O, алунит - KAl₃(SO₄)₂(OH)₆ и ярозит - KFe₃(SO₄)₂(OH)₆.

Хроматы - представители солей ортохромовой кислоты (H₂CrO₄) - очень редки. Они встречаются в зонах окисления некоторых полиметаллических месторождений, классическим из которых является Березовское на Среднем Урале. Именно в хромате из этого месторождения - крокоите - PbCrO₄ в 1797 г. был открыт химический элемент хром.

Вульфенит

Большинство молибдатов - солей молибденовой кислоты (H₂MoO₄) - являются гипергенными минералами, образующихся в зонах железных шляп рудных месторождений в результате окисления молибденита (MoS₂). Наиболее распространенные молибдаты (вульфенит - PbMoO₄, ферримолибдит - Fe₂³⁺[MoO₄]₃^.7H₂O) имеют большое поисковое значение.

фольфрамит	шеелит

Вольфраматы - соли вольфрамовой кислоты (H₂WO₄) в природе немногочислены. Однако в рассматриваемый подкласс входят два промышленно важных рудных минерала - вольфрамит - (Fe,Mn)WO₄ и шеелит - CaWO₄, имеющих глубинное происхождение.

Апатит

Фосфаты, арсенаты и ванадаты. В природе установлено более 450 минеральных видов, принадлежащих солям ортофосфорной (H₃PO₄), мышьяковой (H₃AsO₃) и ванадиевой (H₃VO₃) кислот. Распространенность этих минералов в земной коре относительно невелика и составляет около 0,7 % по массе. Все фосфаты, арсенаты и ванадаты подразделяются на безводные и водные. Сравнительно крупные размеры трехвалентных анионов [PO₄]^3-, [AsO₄]^3- и [VO₄]^3- обусловили устойчивость в природе безводных соединений типа R³⁺[XO₄], где X = P, As или V, а R³⁺ - крупные трехвалентные ионы, например, редкоземельных элементов: церия в монаците - Ce[PO₄] или иттрия в ксенотиме - Y[PO₄]. Наиболее устойчивыми в земной коре фосфатами двухвалентных металлов также являются соединения с относительно крупными катионами (Ca²⁺, Sr²⁺), но с уже дополнительными анионами (OH^-, F^-, Cl^- и др.); примером может служить апатит - Ca₅[PO₄]₃(F,Cl,OH). Для арсенатов и ванадатов характерны соединения со свинцом, причем добавочным анионом служит Cl^-, как, например, в миметезите - Pb₅[AsO₄]₃Cl или в ванадините - Pb₅[VO₄]₃Cl. Элементы с относительно маленькими ионными радиусами образуют, как правило, соединения, содержащие существенное количество молекул H₂O. Особое положение по составу среди водных фосфатов, арсенатов и ванадатов занимают, так называемые, урановые слюдки - двойные соли уранил-иона (UO2)²⁺ и двухвалентных металлов (главным образом, Cu²⁺ и Са²⁺): торбернит - Cu(UO₂)₂[PO₄]₂^.12H₂O, отунит - Ca(UO₂)₂[PO₄]₂^.10H₂O, тюямунит - Ca(UO₂)₂[VO₄]₂^.8H₂O и другие. Многие водные соединения или соли основного типа, относящиеся к фосфатам и их аналогам, являются редкими или очень редкими минералами. Представители группы имеют в большинстве случаев гипергенное происхождение - образуются в близповерхностных условиях в результате разложения органических остатков (фосфаты), окисления мышьяковых соединений (арсенаты) и за счет рассеянного в осадочных породах ванадия (ванадаты). Некоторые фосфаты образуются магматическим путем. Наибольшее распространение и значение получили фосфаты, а среди последних - апатит. Он встречается во многих типах магматических и метаморфических пород и используется как сырье для производства фосфорных удобрений.

Силикаты представляют собой наиболее многочисленный подкласс минералов и слагают около 90 % массы вещества земной коры. Они входят в состав многих горных пород. Одним из главных элементов в составе силикатов является кремний, для которого характерна связь с кислородом. Кремний практически всегда четырехвалентный с ионным радиусом для Si⁴⁺, равным 0,39 А, что позволяет ему находиться в окружении четырех атомов кислорода, расположенных в вершинах тетраэдра (рис. 9). Такая тетраэдрическая группировка [SiO₄]^4- - кремнекислородный тетраэдр - является основой, своеобразным "элементарным кирпичиком", для описания структур всех силикатов. Расстояние Si-O в тетраэдре равно 1,62 А, а между двумя атомами кислорода 2,65 А. Группа [SiO₄]^4- обладает четырьмя свободными валентными связями, за счет которых происходит присоединение ионов других химических элементов (обычно Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, реже Mn, Ti, B, Zr, Li и др.). Кремнекислородные тетраэдры в структурах силикатов могут быть обособленными один от другого, а могут и соединяться между собой за счет общего иона кислорода (рис. 10). Соединение кремнекислородных тетраэдров практически всегда происходит через их вершины, при этом могут образовываться довольно сложные кремнекислородные кластеры. Силикаты в структуре которых кремнекислородные тетраэдры [SiO₄] или кластеры (например, группа сдвоенных тетраэдров [Si₂O₇] или кольцевой радикал [Si₆O₁₈]) находятся в виде изолированных "островов" получили название островные силикаты. Многократно повторяющиеся присоединения тетраэдров друг к другу могут привести к возникновению "бесконечных" одномерных цепочек или лент, двумерных плоскостей или трехмерных каркасов. По форме бесконечно вытянутых построек из кремнекислородных тетраэдров силикаты подразделяются на цепочечные, ленточные, слоистые (листовые) и каркасные (рис. 10). Примеры наиболее широкораспространенных породообразующих силикатов приведены в следующей таблице.

Среди класса солей кислородных кислот выделяют также бораты, иодаты и некоторые другие. Заинтересованный читатель может найти сведения о представителях этих классов минералов в дополнительной литературе, список которой приведен в конце статьи.

далее>>