1.3.Класификация минералов по химическому составу. Изучение и описание минералов основных классов из учебной коллекции
Задание 1.На основе учебной коллекции изучить и описать основные свойства минералов следующих классов: 1) самородные элементы, 2) сульфиды, 3) галогениды, 4) оксиды и гидроксиды, 5) карбонаты, 6) сульфаты, 7) фосфаты, 8) вольфраматы, и 9) силикаты и алюмосиликаты.
Задание 2. На примере минералов класса силикатов и алюмосиликатов проследить зависимость внешнего облика минералов от строения кристаллической решетки.
Примечание. Данная тема изучается на протяжении четырех занятий.
Теоретическая часть
В настоящее время известно более 2500 природных минералов, не считая разновидностей, но только немногие из них (около 50) имеют значение в образовании горных пород, слагающих земную кору. Они называются породообразующими. Остальные минералы в горных породах встречаются в виде незначительных примесей и называются акцессорными минералами или просто акцессориями (лат. «акцессориус» - дополнительный).
Современная классификация минералов основана на их химическом составе и кристаллической структуре. Главнейшие породообразующие и рудные минералы, изучение которых входит в программу курса, объединяются в несколько классов.
1.Самородные элементы. В этот класс входят минералы, состоящие из одного элемента. Известно около 45 минералов этого класса, составляющих 0,01 % массы земной коры. К нему относятся: самородное золото Au, серебро Ag, медь Cu, платина Pt, графит C, алмаз C , сера S и др.
2.Сульфиды – соединения различных элементов с серой. Они также имеют небольшое значение в строении земной коры, но включают ряд минералов – важнейших руд на свинец, медь, цинк, молибден и др. К ним относятся: пирит (серный колчедан) FeS2, халькопирит (медный колчедан) CuFeS2, борнит Cu5FeS4, галенит (свинцовый блеск) PbS, сфалерит (цинковая обманка) ZnS, молибденит (молибденовый блеск) MoS2, киноварь HgS и др.
3.Галоидные соединения. Минералы этого класса в химическом отношении представляют собой соли галоидоводородных кислот. Наиболее распространены хлористые и фтористые соединения. К ним относятся галит (поваренная соль) NaCl, сильвин KCl, флюорит (плавиковый шпат) CaF2.
4.Оксиды и гидроксиды. В этот класс объединены минералы – соединения различных элементов с кислородом и гидроксильной группой. По количеству входящих в него минералов занимает одно из первых мест; на его долю приходится около 17 % массы земной коры. Минералы этого класса подразделяются на две группы: 1) оксиды и гидроксиды кремния (группа кварца) SiO2 и 2) оксиды и гидроксиды металлов. Кварц – один из наиболее распространенных минералов в земной коре, составляющий по весу около 12 % ее и входящий в состав почти всех генетических типов горных пород. К разновидностям кварца относятся: прозрачный горный хрусталь, фиолетовый аметист, дымчатый раухтопаз, черный морион и некоторые другие минералы. Скрытокристаллической разновидностью кварца является минерал халцедон; полосчатая разновидность халцедона – агатом; халцедон, загрязненный примесями, - кремнем. Гидроксид кремния представлен минералом, называемым опалом SiO2 ·nH2O.
В класс оксидов и гидроксидов металлов входит ряд важнейших рудных минералов: магнетит (магнитный железняк) FeO Fe2O3, гематит (железный блеск или красный железняк) Fe2O3, корунд Al2O3, хромит FeCr2O4; из гидроксидов – лимонит (бурый железняк) Fe2O3 nH2O, гидроксиды алюминия – минералы гиббсид Al(OH)3 и диаспор AlO(OH), входящие в состав бокситов (алюминиевой руды).
5. Карбонаты – соли угольной кислоты (H2CO3). В класс карбонатов входят минералы: кальцит (известковый шпат) CaCO3, прозрачная разность которого называется исландским шпатом, доломит CaMg(CO3)2, сидерит FeCO3, магнезит MgCO3 . К водным карбонатам относится красивый поделочный минерал малахит Cu2CO3(OH)2.
6. Сульфаты – соли серной кислоты (H2SO4). К ним относится гипс CаSO4 ·2H2O, ангидрит (безводный сульфат кальция) CaSO4, барит BaSO4 и др.
7. Фосфаты – соли ортофосфорной кислоты (H3PO4). Наиболее распространенными среди фосфатов является минералы апатит Сa5[PO4]3(F,OH,Cl) и скрытокристаллическая разность того же состава –фосфорит. Широко используются для производства удобрений и в химической промышленности.
8. Вольфраматы – соли вольфрамовой кислоты (H2WO4). К ним относятся минералы вольфрамит (Fe,Mn)WO4 и шеелит CaWO4, являющиеся рудой на вольфрам.
9.Силикаты – соли гипотетической кремниевой кислоты (одна из формул кислоты H4SiO4). В этот класс входят наиболее распространенные в земной коре породообразующие минералы, чрезвычайно сложные по химическому составу и участвующие в строении всех типов горных пород, особенно магматических и метаморфических. Они составляют примерно одну треть всех известных минералов. По Н. В. Белову, силикаты, включая и кварц, относящийся по структуре также к силикатам, составляют по весу более 90 % всей земной коры. Стройная классификация этого сложного класса минералов стала возможной лишь благодаря кристаллохимическим исследованиям, установившим тесную связь их структуры с химическим составом.
В основе кристаллической решетки всех силикатов лежит ионная четырехвалентная группировка [SiO4]4- , образующая тетраэдры, различное сочетание которых определяет структуру силикатов (рис.11).
Рис. 11. Строение кремнекислородного тетраэдра
Все силикаты по внутренней структуре делятся на: 1) островные, структура которых состоит из изолированных тетраэдров (например, минералы группы оливинов); 2) кольцевые, кремнекислородные тетраэдры которых, соединяясь друг с другом, образуют замкнутые кольца (например минерал берилл); 3) цепочечные – те силикаты, в которых тетраэдры соединяются в непрерывные цепочки (например группа пироксенов); 4) ленточные – в них цепочки тетраэдров, соединяясь друг с другом, образуют обособленные ленты или полосы (например, группа амфиболов); 5) слоевые или листовые силикаты объединяют многие минералы, структура которых обусловлена сцеплением лент в виде одного непрерывного слоя (например, минералы группы слюд, глинистые минералы, серпентинит); 6) каркасные силикаты, в которых кремнекислородные тетраэдры сцеплены через все четыре вершины, что создает каркас (рис. 12).
Рис.12.Структура силикатов: а) кольцевая; б) цепочечная, в) ленточная; г) слоистая, или листовая; д) каркасная.
К каркасным силикатам относится, в частности, очень важная группа породообразующих минералов – полевые шпаты. Минералы группы полевых шпатов пользуются широким распространением в земной коре, составляя в ней около 50 %, являются породообразующими минералами многих магматических и метаморфических горных пород. По химическому составу полевые шпаты делятся на две подгруппы: 1) калий-натриевые полевые шпаты, составляющие подгруппу ортоклаза, к которой относится собственно ортоклаз, микроклин, его разновидность зеленого цвета – амазонит и др. и 2) известково-натриевые, или натриево-кальциевые, полевые шпаты, или плагиоклазы. Плагиоклазы представляют собой непрерывный ряд изоморфных минералов от альбита до анортита: альбит, олигоклаз, андезин, лабрадор, битовнит, анортит. Крайними членами этого ряда являются натриевый плагиоклаз альбит Na[AlSi3O8] и кальциевый плагиоклаз анортит Ca[Al2Si2O8]. Все промежуточные минералы этого ряда представляют собой смесь альбитовых и анортитовых молекул в различных соотношениях. В соответствии с этим плагиоклазы подразделяются на кислые (альбит, олигоклаз), средние (андезин, лабрадор) и основные (битовнит и анортит).
В щелочных магматических породах развиты минералов группы фельдшпатоидов, состоящие из тех же химических элементов, что и полевые шпаты, но с меньшим содержанием оксида кремния. Среди них наиболее распространен минерал нефелин.
Внутренняя структура силикатов и алюмосиликатов в значительной степени обусловливает их свойства: минералы с островной структурой, характеризующейся плотной упаковкой ионов, часто образуют изометричные кристаллы, обладают большой твердостью, плотностью и несовершенной спайностью. Минералы с линейно вытянутыми структурами (цепочечными и ленточными) образуют призматические кристаллы, обладающие хорошо выраженной спайностью в двух направлениях вдоль длинной оси структуры. Минералы со слоевой структурой образуют таблитчатые кристаллы с весьма совершенной спайностью, параллельной «слоям» структуры.
Как
в описанных
выше полевых
шпатах (ряд
альбит-анортит),
так и во
многих
других
силикатах
широко
развиты
явления изоморфизма
(греч. «изос» -
равный,
«морфэ» -
форма), под
которым
понимают свойство
элементов
замещать
друг друга в химических
соединениях
родственного
состава и
образовывать
ряд
смешанных
минералов
одинаковой
кристаллической
формы.
Методические рекомендации
Данная работа выполняется в течение четырех занятий.
Используя описание минералов в данном пособии (смотри ниже), а также другие справочные материалы и определители, имеющиеся в кабинете геологии, студенты изучают минералы из учебной коллекции, описывая их в рабочей тетради по следующему плану:
1. Название класса минералов.
2. Название и химическая формула минерала.
3. Основные его физические свойства.
4. Отличительные признаки.
На первом занятии студенты изучают минералы первых трех классов: самородные элементы (сера, графит, шунгит); сульфиды (пирит, халькопирит, пирротин, галенит, сфалерит, киноварь, молибденит, антимонит, аурипигмент); галогениды (галит, или поваренная соль, флюорит).
На втором занятии студенты изучают минералы класса оксиды и гидроксиды. Этот класс делится на две группы: а) оксиды и гидроксиды кремния - это кварц и его разновидности: горный хрусталь, аметист, морион, раух-топаз, халцедон, сердолик, агат, кремень; и б) оксиды и гидроксиды металлов (гематит, лимонит, магнетит, мартит, титаномагнетит, хромит, касситерит, пиролюзит, псиломелан).
Третье занятие посвящается изучению минералов классов: карбонаты (кальцит, исландский шпат, мраморный оникс, доломит, магнезит, сидерит и водный карбонат меди малахит); сульфаты (гипс, гипс-селенит, барит, целестин, ярозит, алунит); фосфаты (апатит, фосфорит); вольфраматы (шеелит, вольфрамит).
На четвертом занятии студенты изучают минералы класса силикаты и алюмосиликаты, которые делятся на: а) островные (минералы гр. оливинов, в частности форстерит; минералы группы гранатов: альмандин, уваровит, андрадит; дистен, сфен); б) кольцевые (берилл и его разновидность ярко зеленого цвета – изумруд; сюда же относится сложный алюмоборосиликат турмалин, в частности его розовая разновидность – руббелит; хризоколла); в) цепочечные (минералы группы пироксенов: диопсид, геденбергит, диаллаг, эгирин-авгит); г) ленточные (минералы гр. амфиболов: роговая обманка уралит, актинолит, тремолит); д) слоевые, или листовые (минералы гр. слюд: тальк, флогопит, лепидолит; глинистые минералы: каолинит, монтмориллонит; серпентин, или змеевик, а также его тонковолокнистая разность - хризотил-асбест); е) каркасные ( гр. полевых шпатов, которая делится на 1) калий-натриевые пол.шпаты, представленные ортоклазом, микроклином и зеленой разновидностью микроклина – амазонитом; и 2) натрий-кальциевые пол. шпаты, или плагиоклазы, представленные в учебной коллекции альбитом и лабрадором; группа нефелина).
5.На основе изучения минералов класса силикатов и алюмосиликатов сделайте письменное заключение о зависимости внешнего облика минералов от строения его кристаллической решетки. Приведите примеры.
Контрольные вопросы
1. Приведите примеры минералов следующих классов: карбонатов, сульфидов, сульфатов, вольфраматов.
2. Какие полиморфные разновидности минералов группы углерода встречаются в земной коре?
3. Какими признаками отличается гематит от лимонита?
4.Назовите свойства и отличительные признаки минералов - сульфидов свинца, сурьмы и ртути. Какое происхождение имеет название природного сульфида ртути?
5. Перечислите разновидности минералов группы кварца.
6.Как называется порода, в составе которой преобладают минералы – гидроксиды алюминия?
7.Назовите минералы из класса сульфидов, являющиеся рудами на медь, цинк, молибден? Напишите их химические формулы.
8. К какому классу относятся следующие минералы: лабрадор, роговая обманка, гранат, амазонит?
9. Как называются разновидности кварца фиолетового, черного, дымчатого цвета? Как называется прозрачный кварц?
10. Назовите минерал из группы карбонатов, являющийся ценным поделочным камнем?
11. Как называется полосчатая разновидность халцедона?
12. Назовите минералы состава SiО2, SiО2 nН2О, используемые в ювелирном деле и как поделочные камни.
13.Минералы какого класса составляют около 75% от массы земной коры?
14. Какие руды называются полиметаллическими?
15. Как взаимодействуют с соляной кислотой кальцит, доломит, магнезит и сидерит?
Рекомендуемая литература
1. Короновский Н. В.. Общая геология. – М.: Изд-во «КДУ», 2006.
2. Короновский Н. В. , Ясаманов Н. А. Геология. - М.:ACADEMA, 2003.
3. Добровольский
В.В. Геология.
- М.: ВЛАДОС, 2001.