Материал: Betekhtin
Общая часть
66
или вовсе раствориться заново; более того, похожая участь иногда постигает
и первичные включения. Подобные явления «рассасывания» механических
примесей возможны, если кристалл минералахозяина подвергнется длитель
ному нагреву, например, в условиях прогрессивного метаморфизма.
Следует отметить и вариант возникновения неоднородностей в мине
ралах в процессе внешне обусловленных химических реакций, в частно
сти, как результат разложения химического соединения в связи с измене
ниями в окружающей среде (например, в оловосодержащем сфалерите —
(Zn,Sn)S — в окислительной обстановке возникают мельчайшие включе
ния оксида олова — SnO
2
). Особенно часто включения посторонних мине
ралов, как остатков от замещения (реликтов), наблюдаются в кристаллах,
образующихся метасоматическим путем в метаморфических породах.
Вполне понятно, что данные химического анализа таких минералов
не будут точно укладываться в химические формулы со стехиометриче
скими отношениями компонентов. С другой стороны, неоднородности в
минералах несут с собой бесценную информацию об условиях формиро
вания и последующих изменений минерала, представляя собой одно из
важнейших проявлений
типоморфизма
.
Водные соединения.
Предварительно необходимо сделать следующее
важное замечание. К числу водных соединений следует относить только
такие, которые в своем составе содержат электрически нейтральные мо
лекулы воды. Раньше под видом водных соединений рассматривали так
же минералы, содержащие гидроксильные анионы [ОН]
1–
. Однако меж
ду молекулой Н
2
О и отрицательно заряженным ионом [ОН]
1–
существует,
естественно, принципиальная разница, весьма существенно сказывающа
яся на физических и химических свойствах минералов. Гидроксил как
ион способен заменять в соединениях такие анионы, как F
1–
, Cl
1–
и проч
но удерживается в кристаллических структурах. Молекула Н
2
О этим
свойством не обладает и, будучи слабо связана в структуре, легко удаля
ется при нагревании. То, что гидроксил при прокаливании минералов, его
содержащих, покидая кристаллическую решетку, способен превращать
ся в пары воды, отнюдь не может служить основанием для отождествле
ния его с молекулой Н
2
O. Поэтому весьма важно в химических формулах
минералов раздельно указывать присутствие в них гидроксила и воды. С
этой точки зрения, например, малахит — Cu
2
[CO
3
][ОН]
2
— является не
водным, а основным безводным карбонатом меди, хотя при химическом
анализе гидроксил определяется в виде Н
2
О. То же относится к минера
лам, представляющим собой кислые соли, в которых в числе катионов
находится водород или катион Н
3
О
+
(оксоний).
В зависимости от того, каким способом удерживается вода в минера
лах, различают: 1) кристаллизационную, или связанную, воду, входящую
в кристаллические структуры минералов; 2) свободную воду, не участву
ющую в строении самого кристаллического вещества.
Глава 2. Конституция и свойства минералов
67
Связанная вода
в кристаллической структуре участвует в виде молекул
Н
2
О, занимающих в ней строго определенные места. Количество молекул
воды находится в простых отношениях к другим компонентам соединения.
В качестве примеров можно привести следующие: Na
2
CO
3
.
10H
2
O (сода),
Ca[SО
4
]
.
2H
2
O (гипс), Ni
3
[AsO
4
]
2
.
8H
2
O (аннабергит), Аl
2
[РО
4
](ОН)
3
.
5Н
2
О
(вавеллит) и др. Это так называемые кристаллогидраты, которые, по Вер
неру, должны рассматриваться как «комплексные соединения», т. е. та
кие, в которых молекулы воды как структурные единицы располагаются
в определенной координации вокруг какихлибо ионов, создавая таким
путем своего рода комплексные ионы.
Так, в кристаллической структуре соединения Ni[SО
4
]
.
6H
2
O рентге
нометрическими исследованиями установлено, что шесть дипольных
молекул Н
2
О непосредственно окружают катион Ni
2+
, ориентируясь, оче
видно, определенным образом по отношению к катиону (двумя протона
ми Н
1+
к периферии комплексного иона). Так как молекула Н
2
О сама по
себе электрически нейтральна, то гидратированный катион [Ni(H
2
O)
6
]
2+
сохраняет заряд Ni
2+
. Поэтому химическую формулу соединения правиль
нее писать так: [Ni(H
2
O)
6
][SO
4
].
На вопросе о причине гидратации ионов в кристаллических структу
рах мы остановимся позднее (во введении к кислородным солям). Здесь
можно лишь указать, что необходимость гидратации ионов кристаллохи
мически строго оправдывается; для образования устойчивых кристалли
ческих структур из таких крупных по размерам анионов, как [SO
4
]
2–
, при
сутствующие в растворе катионы Ni
2+
слишком малы, в силу чего и
возникает стремление к увеличению их объема без изменения заряда.
Само собой разумеется, что образование кристаллогидратов может про
исходить лишь в средах, богатых водой, и при низких температурах.
При нагревании кристаллогидраты легко обезвоживаются, если не
сразу целиком, то скачкообразно, периодически теряя часть молекул воды.
При этом перестройка структуры происходит с сохранением рациональ
ных отношений числа молекул Н
2
О и основного соединения. Например,
халькантит Сu[SО
4
]
.
5Н
2
О при искусственном обезвоживании образует
вначале Cu[SО
4
]
.
3H
2
O, затем Cu[SО
4
]
.
H
2
O и, наконец, Cu[SО
4
]. При
этом скачкообразно меняются и такие физические свойства, как показа
тели преломления, удельный вес и др. Из разных соединений вода удаля
ется при различных температурах: некоторые из них теряют ее при ком
натной температуре (многоводные сульфаты меди и железа), другие —
при более высоких и даже при температурах выше 100 °С.
Свободная вода
, присутствующая в минеральных массах, характери
зуется тем, что не принимает прямого участия в строении кристалличе
ского вещества минералов. При нагревании она выделяется постепенно.
Различают три вида свободной воды: а) цеолитную; б) коллоидную;
в) гигроскопическую.
Цеолитная вода получила свое название от общего названия особой
группы минералов — цеолитов, в которых наиболее ярко проявлены
Общая часть
68
особенности ее нахождения. Установлено, что молекулы воды в этой
группе минералов не занимают какоголибо строго определенного по
ложения в кристаллической структуре, а располагаются лишь в сво
бодных полостях в ней (вдоль каналов, в межслоевых пространствах и
пр.). Поэтому «растворимость» воды в них существенно ограничена.
Интересно, что количество воды в них может меняться без нарушения
кристаллической однородности вещества с
постепенным
изменением
физических свойств: степени прозрачности, показателей преломления,
удельного веса и др. Это указывает на то, что вода находится как бы в
состоянии твердого раствора. При нагревании она выделяется в ин
тервале температур 80–400 °С. Любопытно, что обезвоженные осто
рожным нагреванием цеолиты вновь способны поглощать воду с вос
становлением прежних своих физических свойств.
Коллоидная вода, как показывает само название, распространена
в гидрогелях, где удерживается на поверхности дисперсных фаз очень сла
быми силами связи. Она по существу является адсорбированной водой, и
ее наличие не зависит от структуры адсорбента (сам адсорбент, конечно,
может содержать кристаллохимически связанную воду). Примером может
являться опал (гидрогель кремнезема) — SiO
4
.
aq (aq
— первые две буквы
латинского слова
aqua
— вода). Такое обозначение коллоидной воды, при
нимаемое некоторыми авторами, следует признать рациональным.
Гигроскопическая (капиллярная) вода удерживается в тонких трещи
нах, порах и порошковатых массах силами поверхностного натяжения.
В большей своей части она легко удаляется при нагревании до 100–110 °С.
Резкой границы между капиллярной и коллоидной водой провести нельзя.
Кроме того, мы должны иметь в виду механические примеси воды
в виде мельчайших газовожидких включений, захваченных кристалла
ми во время их роста. Они широко распространены во многих минералах.
2.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ
Уже указывалось, что минералы как физические тела обладают ши
роким разнообразием таких свойств, как цвет, твердость, блеск, удель
ный вес и др. В зависимости от химического состава и кристаллической
структуры эти свойства у различных минералов проявляются поразно
му. Каждый минерал характеризуется какимилибо особыми признака
ми, по которым его можно всегда отличить от других.
Очень многие минералы можно совершенно точно определить по ком
плексу характерных физических свойств, не прибегая к более трудоем
ким исследованиям, как, например, к химическому анализу, рентгеноана
лизу и др. Нужно заметить, что для многих минералов существуют
специфические, только каждому из них в отдельности свойственные, тон
кие особенности, которые при первом знакомстве нелегко схватить и пе
Глава 2. Конституция и свойства минералов
69
редать словами. Особенно это относится к оттенкам цвета, густоте окрас
ки, характеру излома, блеска и пр. Тем не менее уже при некотором опыте
глаз настолько привыкает улавливать эти характерные свойства минера
лов, что в дальнейшем они служат решающими диагностическими при
знаками. Во времена далекого прошлого, когда люди еще не имели ника
кого представления ни о химии вообще, ни о химических элементах
в частности, эти особые признаки минералов были хорошо известны, и
«рудознатцы» по ним безошибочно находили те полезные ископаемые,
которые для них в то время представляли ценность.
Нельзя, конечно, думать, что таким путем могут быть определены все
встречающиеся в природе минералы. Многие из них для окончательного
установления требуют более детальных исследований, в частности, при
менения качественных химических реакций, более точного определения
удельного веса, оптических, механических и прочих свойств. Тонкозер
нистые минеральные массы изучаются в специальных препаратах (шли
фах) под микроскопом. Очень часто в случаях установления с помощью
спектрального анализа примесей таких ценных металлов, как кобальт,
индий, кадмий, литий, цезий и др., имеющих промышленное значение
даже в случае незначительного их содержания в минералах, приходится
обращаться к химическому анализу. При изучении скрытокристалличе
ских минеральных образований необходимо прибегать также к рентгено
метрическим исследованиям. Особые методы применяются при изуче
нии радиоактивности минералов, пьезоэлектрических эффектов,
магнитных свойств и других физических явлений в минералах.
Ниже мы остановимся на разборе главнейших свойств минералов,
которые имеют наибольшее диагностическое значение. К этим свойствам
относятся следующие:
морфологические
особенности — облик кристал
лов, двойники, штриховатость граней;
оптические
1
— прозрачность, цвет
минералов, цвет черты, блеск;
механические
— спайность, излом, твердость,
хрупкость, ковкость, упругость; а также такие свойства, как удельный вес,
магнитность, радиоактивность и др.
Морфологические особенности кристаллов минералов
В природе минералы в главной своей массе распространены в виде не
правильной формы зерен, не имеющих кристаллических граней, но обла
дающих независимо от своей формы и размеров внутренним кристалли
ческим строением. Хорошо образованные кристаллы, т. е. индивиды,
ограниченные естественными гранями, встречаются несравнимо реже. На
ходки их представляют интерес в том отношении, что в распоряжении
1
За исключением кристаллооптических свойств (светопреломления, двупреломле
ния, плеохроизма и др.), детально излагаемых в курсах кристаллографии и кристалло
оптики.
Общая часть
70
исследователя оказывается больше признаков, по которым может быть оп
ределен минерал. Существуют даже специальные определители минера
лов по их кристаллографическим формам.
Морфология кристаллов и учение о симметрии подробно излагают
ся в специальных курсах кристаллографии. Мы здесь остановимся лишь
на некоторых общих особенностях морфологии кристаллов и их граней,
также имеющих некоторое практическое значение при определении ми
нералов.
Облик кристаллов.
Исходя из того, что любое тело в пространстве имеет
три измерения, мы среди разнообразных форм кристаллов и кристалли
ческих зерен прежде всего должны выделить следующие основные типы.
1.
Изометрические формы,
т. е. формы, одинаково развитые во всех
трех направлениях в пространстве. Примером их могут служить ромбо
додекаэдры граната, октаэдры магнетита, кубы пирита (рис. 11) и др. Изо
метрический облик особенно характерен для минералов кубической син
гонии, но и кристаллы минералов других сингоний также могут обладать
обликом, приближающимся к изометрическому (рис. 12).
2. Формы,
вытянутые в одном направлении
, т. е. призматические,
столбчатые, шестоватые, игольчатые (рис. 13), волосистые кристаллы, во
локнистые образования. Например, кристаллы аквамарина, турмалина и др.
Рис. 11.
Кристаллы изометрического облика минералов кубической сингонии:
а
— ромбо
додекаэдр граната;
б
— октаэдр магнетита и
в
— куб пирита с комбинационной штриховкой
Рис. 12.
Кристаллы изометрического облика минералов тетрагональной (
а
и
б
)
и тригональной (
в
) сингонии:
а
— шеелит;
б
— анатаз и
в
— шабазит