Тема 3: минералы.

А) Минера́л (фр. minéral, от позднелат. minera — руда) — природное тело с определённым химическим составом и кристаллической структурой, образующееся в результате природных физико-химических процессов и обладающее определёнными физическими, механическими и химическими свойствами. Является составной частью земной коры, горных пород, руд, метеоритов. Изучением минералов занимается наука минералогия. В настоящее время установлено около 3500 минеральных видов. Однако лишь несколько десятков минералов (около 70) пользуются широким распространением. Они входят в состав горных пород и называются породообразующими.

Б) Классификация минералов по химическому составу:

Приводим краткую характеристику основных классов минералов.

Силикаты (полевые шпаты, слюды, пироксены, хлориты и др.). Наиболее многочисленный класс (до 800 минералов), слагающий по массе более 90% всей земной коры. В основе строения всех силикатов — кремнекислородный тетраэдр [SiO4]4. Силикаты являются породообразующими минералами для большинства магматических и метаморфических горных пород. Самыми распространенными среди силикатов являются полевые шпаты, которые подразделяются на калиево-натриевые (ортоклаз) и известково-натриевые, или плагиоклазы (альбит, Лабрадор, анортит).

В составе силикатов большое практическое значение имеет группа глинистых минералов — каолинит, гидрослюда и особенно монтмориллонит. Эти минералы во многом определяют инженерно геологические особенности глинистых пород и отличаются весьма высокой дисперсностью (< 1 мкм).

Карбонаты (кальцит — СаСОэ, доломит — СаМg(С03)2, сидерит — FеС03 и др.)- В класс карбонатов входит до 80 минералов, наиболее известен среди них кальцит, входящий в состав таких горных пород, как известняк и мрамор. Карбонаты растворяются в воде и вызывают развитие опасных геологических процессов.

Оксиды и гидроксиды (кварц и халцедон — SiO2, опал — SiO2• nН20, лимонит — Fe2Оэ • nН20 и др.). Наиболее распространенным и весьма устойчивым минералом среди них является кварц, входящий в состав почти всех горных пород.

Сульфиды (пирит FеS2, галенит РbS, сфалерит ZnS и др.) в химическом отношении представляют собой соединения различных элементов с серой. Наиболее распространен среди них пирит, отрицательно влияющий на качество природных строительных материалов. Всего в классе сульфидов насчитывается до 200 минералов.

Сульфаты (гипс СаS04 • 2Н20, ангидрит СаS04, барит ВаS04 и др.) — соли серной кислоты, типичные минералы осадочных горных пород. Представители этого класса насчитывают до 260 минералов. Их характерная особенность — растворимость в воде, что является причиной развития (как и в карбонатах) опасного геологического процесса — карста.

Галоиды (галит — NаС1, сильвин — КС1, флюорит — СаF2 и др.) — соли галоидно-водородных кислот. Многие из них растворимы в воде и придают ей повышенную минерализацию.

Фосфаты (апатит — Са5(F, С1) (Р04)3 и др.) представлены большим количеством минералов (до 300), однако содержание их в земной коре не превышает 1 %.

Вольфраматы (вольфрамит — (FеМn)>WO4 и др.) не имеют породообразующего значения и в горных породах встречаются крайне редко. Многие сплавы вольфраматов обладают очень высокой твердостью, например победит, широко используемый при бурении скважин.

Самородные элементы (алмаз — С, сера — S, золото — Аu и др.). В этот класс входит около 50 минералов. Встречаются они редко, и в земной коре их масса не превышает 0,1%.

Для общей характеристики состава минералов, входящих в состав горных пород, в инженерно-геологической практике их изучают с помощью шлифов — тончайших прозрачных пластинок горных пород толщиной 0,03 мм. Для просмотра шлифов используют поляризационный микроскоп. Высокодисперсные глинистые минералы (монтмориллонит и др.), имеющие важное значение при инженерно-геологической оценке горных пород, изучают с помощью электронной микроскопии:, термического анализа, рентгенографии и других методов.

В) Характеристика основных минералов.

КВАРЦ(нем. Quarz) — один из самых распространённых минералов в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород. Свободное содержание в земной коре 12 % [1]. Входит в состав других минералов в виде смесей и силикатов. В общей сложности массовая доля кварца в земной коре более 60 %[2]. В крови и плазме человека концентрация кремнезёма составляет 0,001 % по массе[1].

Химическая формула: SiO2 (диоксид кремния).

Свойства:

-В чистом виде кварц бесцветен или имеет белую окраску из-за внутренних трещин и кристаллических дефектов. Элементы-примеси и микроскопические включения других минералов, преимущественно оксидов железа, придают ему самую разнообразную окраску. Среди цветовых разновидностей кварца — почти чёрный морион, фиолетовый аметист, жёлтый цитрин и т. д. Причины окраски некоторых разновидностей кварца имеют свою специфическую природу. Искусственным кристаллам придают также зелёную (очень редка в природе) и голубую (природных аналогов нет) окраску.

-Растворяется в плавиковой кислоте и расплавах щёлочей.

-Температура плавления 1713—1728 °C (из-за высокой вязкости расплава определение температуры плавления затруднено, существуют различные данные).

-Диэлектрик и пьезоэлектрик.

-Относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть склонен к образованию переохлаждённого расплава — стекла. Обладает развитым полиморфизмом. Стабильная при нормальных условиях полиморфная модификация — α-кварц (низкотемпературный). Соответственно β-кварцем называют высокотемпературную модификацию.

КАЛЬЦИТ, известковый шпат — минерал CaCO3 из группы карбонатов, одна из природных форм карбоната кальция. Исключительно широко распространён на поверхности Земли, породообразующий минерал. Кальцитом сложены известняки, меловые породы, мергели, карбонатиты. Кальцит — самый распространённый биоминерал: он участвует в строении очень многих живых организмов, в составе раковин и костей.

Карбонат кальция имеет и другую (ромбическую) полиморфную модификацию — арагонит.

Название предложено Гайдингером в 1845 году и происходит, как и название химического элемента, от лат. calx (род.п. calcis) — известь.

Свойства:

В чистом виде кальцит белый или бесцветный, прозрачный (исландский шпат) или просвечивающий, — в зависимости от степени совершенства кристаллической структуры. Примеси окрашивают его в разные цвета. Ni окрашивает в зелёный; кобальтовые, марганцевые кальциты — розовые. Тонкодисперсный пирит окрашивает в синеватый и зеленоватый цвет.

Кальцит с примесью железа — желтоватый, буроватый, красно-коричневый; с примесью хлорита — зелёный. Углистое вещество часто придает кальциту неравномерную чёрную окраску. Известны кристаллы с многочисленными включениями битуминозного вещества, они имеют жёлтый или бурый цвет.

Черта белая, плотность 2,6-2,8, излом ступенчатый, твёрдость по шкале Мооса 3, спайность совершенная по основному ромбоэдру, блеск стеклянный до перламутрового. Вскипает при взаимодействии с разбавленной соляной кислотой (HCl). Характерно многообразие двойников срастания и прорастания по многочисленным законам, а также деформационные двойники. Прозрачные кристаллы обладают двупреломлением света, особо хорошо наблюдаемым сквозь поверхности спайности в ромбоэдрических выколках или толстых пластинах.

ГИПС—минерал из класса сульфатов, по составу CaSO4•2H2O. Волокнистая разновидность гипса называется селенитом, а зернистая — алебастром.

Свойства:

Блеск стеклянный или шелковистый (у волокнистых разновидностей), спайность весьма совершенная в одном направлении (расщепляется на тонкие пластинки). Цвет белый, серый, иногда красноватый, при наличии примесей имеет серую, желтоватую, розоватую, бурую. Волокнистые разности дают занозистый излом. Черта белая. Система моноклинная. Плотность — 2,3 г/см³, твёрдость по шкале Мооса — 2. Текстура — массивная.

При 140—150 °C частично теряет воду, переходя в серый или белый порошок полуводного гипса, (CaSO4•0,5Н2О), который заметно растворим в воде. В силу меньшего количества гидратных молекул, алебастр при гидратации не дает усадки (увеличивается в объеме прибл. на 1 %).

[править]

Применение:

Волокнистый гипс (селенит) используют для недорогих ювелирных изделий. Из алебастра издревле вытачивали крупные ювелирные изделия — предметы интерьера (вазы, столешницы, чернильницы и т. д.).

В "сыром" виде используется как удобрение и в целлюлозно-бумажной промышленности, в химической для получения красок, эмали, глазури.

Обожжённый гипс применяют для отливок и слепков (барельефы, карнизы и т. д.), как вяжущий материал в строительном деле, в медицине. Желтоватые и более плотные разновидности гипса являются хорошим поделочным материалом.

Используется для получения строительного гипса, высокопрочного гипса, гипсоцементно-пуццоланового вяжущего.

БАРИТ (от др.-греч. βαρύς — тяжёлый), тяжёлый шпат — минерал бария из класса сульфатов, BaSO4.Содержание [убрать]

Свойства:

Ромбическая сингония, ромбо-дипирамидальный. В чистом виде бесцветный и прозрачный или белый, но обычно окрашен примесями оксидов железа, сульфидов и т. д. в самые разные цвета. Блеск стеклянный, твёрдость 3-3,5, плотность 4,3-4,7, коэффициент преломления 1,63. спайность совершенная по (001) и средняя по (210).

Кристаллы — пластинчатые, призматические, игольчатые. Игольчатые радиально-лучистые пучки и тонковолокнистые сферолиты. Пластинчатые, чешуйчатые и зернистые агрегаты.

Происхождение:

Распространён широко. Происхождение главным образом гидротермальное, иногда образует самостоятельные рудные жилы в несколько метров шириной. Может заполнять миндалевидные пустоты в ряде основных вулканитов. В осадочных породах образует радиально-лучистые конкреции и секреции (жеоды) с кристаллами во внутренней полости. Сопутствующие минералы — флюорит, кальцит, кварц, гематит, халькопирит, антимонит, галенит, сфалерит, марказит и др.

Применение:

Прозрачные кристаллы барита используют в оптических приборах. Применяют для защиты от рентгеновских лучей, для покрытий и изоляции в химических производствах (благодаря химической стойкости, в частности по отношению к серной кислоте). Служит сырьём для производства бариевых солей, бариевых белил, эмали, глазури; наполнитель при изготовлении резины, клеёнки, линолеума, бумаги. Широко применяется в качестве вещества, повышающего плотность буровых растворов.

ПОЛЕВЫЕ ШПАТЫ— группа широкораспространённых, в частности — породообразующих минералов из класса силикатов (Feldspat — от нем. фельд — поле и др.-греч. спате — пластина, из-за способности раскалываться на пластины по спайности).

Большинство полевых шпатов — представители твёрдых растворов тройной системы изоморфного ряда К[AlSi3O8] — Na[AlSi3O8] — Са[Al2Si2O8], конечные члены которой соответственно — ортоклаз (Or), альбит (Ab), анортит (An). Выделяют два изоморфных ряда: альбит (Ab) — ортоклаз (Or) и альбит (Ab) — анортит (An). Минералы первого из них могут содержать не более 10 % An, а второго — не более 10 % Or. Лишь в натриевых полевых шпатах, близких к Ab, растворимость Or и An возрастает. Члены первого ряда называются щелочными (К-Na полевые шпаты), второго — плагиоклазами (Са-Na полевые шпаты). Непрерывность ряда Ab-Or проявляется лишь при высоких температурах, при низких — происходит разрыв смесимости с образованием пертитов.

Наряду с санидином, являющимся высокотемпературным, выделяются низкотемпературные калиевые полевые шпаты — микроклин и ортоклаз.

Полевые шпаты — наиболее распространенные породообразующие минералы, они составляют около 50 % от массы Земной коры.Содержание

Общие свойства:

Полевые шпаты относятся к силикатам с кристаллической структурой каркасного типа, это ажурные постройки из кремнекислородных тетраэдров, в которых кремний иногда замещён алюминием. Они образуют довольно однообразные кристаллы моноклинной или триклинной сингоний, в виде немногочисленных комбинаций ромбических призм и пинакоидов. Характерны простые или, в особенности, полисинтетические двойники. Спайность совершенная в двух направлениях, по (001) и (010). Кристаллы без примесей белые или бесцветные, от просвечиваюших до полупрозрачных и прозрачных. Но чаще содержат много примесей и включений, придающих им любые окраски. Плотность 2,54—2,75 г/см³. Твёрдость 6 (один из эталонных минералов шкалы Мооса).

Все полевые шпаты хорошо травятся HF, плагиоклазы разрушаются также под действием HCl.