Химическая энциклопедия

МИНЕРАЛ (от позднелат. minera-руда), прир. твердое тело с характерными хим. составом, кристаллич. структурой и св-вами. Образуется в результате физ. и хим. процессов (экзогенных, эндогенных и метаморфических; см. Полезные ископаемые )в глубинах и на пов-сти Земли, Луны, др. планет и космич. тел. М.-составная часть горных пород, руд и метеоритов. Как исключение к М. относят жидкую ртуть и прир. амальгамы, аморфные опал и аллофан (водный силикат алюминия). Выделяют также метамиктные М., к-рые утратили кристаллич. строение в результате радиоактивного распада. М., как правило,-неорг. в-ва, но иногда к ним относят кристаллич. орг. соединения (в частности, окса-латы), нек-рые твердые углеводороды и ископаемые смолы (компоненты янтаря). Воду, в отличие от льда, обычно не считают М. По мнению В. И. Вернадского, однако, М. являются не только твердые прир. образования, но также жидкости и газы.

Понятие М. употребляют для обозначения минеральных индивида, вида и разновидности. Минер. индивиды-отдельные кристаллы или кристаллич. зерна. Их размеры варьируют от 1-100 нм (коллоидные М.) до неск. м. Минер. вид-совокупность минер. индивидов однотипной структуры, хим. состав к-рых может изменяться в определенных пределах без изменения структуры. М. одинакового состава, но разной структуры-полиморфные модификации (напр., алмаз и графит, кальцит и арагонит) - относят к разным минер. видам. Непрерывные ряды твердых р-ров (изоморфные смеси) условно делят на неск. минер. видов. Так, в двухкомпонентных твердых р-рах выделяют обычно три минер. вида (с содержанием одного из компонентов 100-75, 75-25 и 25-0 мол. или ат. %), реже два (0-50 и 50-100 мол. или ат. %), а в трехкомпонентных-семь или три. Минер. разновидность выделяют внутри минер. вида по особенностям структуры, состава, морфологии и св-в. Известно ок. 3000 минер. видов и почти столько же разновидностей.

Называют М. по составу, месту находки, особенностям морфологии, характерному св-ву, в честь ученых, путешественников, космонавтов, политич. деятелей и т.д.

Структура. Структурными единицами в узлах кристаллич. решетки м. б. атомы (как, напр., в алмазе), ионы (напр., Na⁺, UO₂²⁺, NH⁺₄, Н₃О⁺ , Cl^-, CO₃^2-, PO₄^3-), а также молекулы (S₈ в сере, As₄S₄. в реальгаре). Они удерживаются в структуре благодаря ионной, ковалентной, металлич. и водородной связям, а также ван-дер-ваальсовым взаимодействиям. В т. наз. гомо(изо)десмич. структурах имеется только один тип связи (ковалентная в алмазе, ионная в галите, металлическая в золоте); но гораздо чаще встречаются гетеро(анизо)десмич. структуры с неск. типами связи. Пространств. расположение структурных единиц, связанных наиб. прочными связями, определяет геом. "мотив" структуры: островной (в т.ч. кольцевой), цепочечный, ленточный, слоистый, каркасный, координационный. В структуре каждого М. выделяют элементарную ячейку с соответствующей симметрией и параметрами (см. Кристаллы ).

Реальная структура М. отличается от идеальной наличием дефектов (вакансии в отдельных узлах кристаллич. решетки, примесные атомы или ионы в узлах или между узлами, изменение валентности у части ионов) и дислокаций. Упорядочение вакансий может приводить к увеличению одного из параметров элементарной ячейки. Для слоистых М. (слюды, графит, молибденит и др.) характерна политипия, при к-рой происходит небольшой сдвиг слоев (пакетов) относительно друг друга с изменением периодичности в их чередовании. В результате разл. политипы одного М. отличаются друг от друга параметрами вдоль одной из осей (причем эти параметры кратны одной и той же величине). При этом может происходить изменение вида симметрии элементарной ячейки вплоть до изменения сингонии. Однако существ. перестройки структуры, как при полиморфизме, не происходит.

Кроме того, атомы или ионы в нек-рых М. могут распределяться по узлам кристаллич. решетки закономерно или статистически; соответственно различают упорядоченные и неупорядоченные структуры.

Химический состав и формулы. В состав М. входят все стабильные и долгоживущие изотопы элементов периодич. системы, кроме инертных газов (хотя Аr и Не могут накапливаться в М. как продукты радиоактивного распада). Различают видообразующие элементы и элементы-примеси, содержание к-рых в М. составляет соотв. единицы-десятки и единицы-доли процента по массе. К последним обычно относят редкие и рассеянные элементы: Rb, Cs, Ra, Sc, Ga, In, Tl, Ge, Hf, Th, РЗЭ, Re, I, Br и др., к-рые, как правило, не образуют самостоятельных М. Примеси м. б. структурными (изоморфными) или механическими (адсорбир. элементы и соед., газово-жидкие микровключения, микроскопич. и суб-микроскопич. включения др. М.), что связано с условиями образования М. и с особенностями его кристаллич. структуры.

По числу (один, два или больше) видообразующих элементов среди М. выделяют соотв. простые в-ва, бинарные и более сложные соединения. Бинарные соед. преобладают среди интерметаллидов (напр., Au₂Bi, Pd₃Sn, Pt₃Fe), карбидов, нитридов, силицидов (Fe₃C, FeSi, CrN), характерны для нек-рых халькогенидов (PbS, NiSe, Bi₂Te₃, NiAs, FeSb₂), простых оксидов (MgO, Fe₂O₃, Al₂O₃, SiO₂), галогенидов (NaCl, KCl, MgF₂, CaF₂). К более сложным соед. относятся нек-рые интерметаллиды (Au₈PbTe, CuPt₂Fe), карбиды и фосфиды (Fe₂NiP, Fe₂₀Ni₃C), большая часть халькогенидов (Cu₅FeS₄, CoAsS, Ag₃SbS₃), гидроксиды и сложные оксиды (АlOОН, FeCr₂O₄), все соли кислородсодержащих к-т {Ca_s [PO₄]₃(F, Сl, ОН)}, часть галогенидов (NH₄Cl, KMgCl₃^.6H₂O) и все т. наз. галогеносоли (Na[BF₄], Na₃ [AlF₆]). Характерная особенность силикатов, боратов и ванадатов - наличие полимерных анионов, В силикатах в строении анионного радикала принимают участие (кроме Si и О) Аl, В и Be.

Состав нек-рых М. относительно постоянен (кварц, гематит и др.), однако большинство М. имеют переменный состав, как, напр., члены изоморфных рядов в двух-, трех- и многокомпонентных системах.

Состав М. выражается хим. ф-лой. Эмпирич. ф-ла отражает соотношения входящих в состав М. элементов, к-рые располагаются в ней слева направо по мере увеличения номера группы в периодич. системе, а для элементов одной группы-по мере уменьшения их порядковых номеров, напр. кобальтин CoAsS, сподумен Li₂O • Аl₂О₃ • 4SiO₂. К р и с т а л л о х и м. ф-ла отражает связь состава со структурой. Она записывается по определенным правилам: сначала катионы; затем анионы, при этом комплексные анионы заключают в квадратные скобки; после аниона т. наз. дополнит. анионы (F^-, Cl^-, ОН^-, О^2-); молекулы воды обычно записываются в конце ф-лы; изоморфные элементы ставят в круглые скобки через запятую. Можно указать мотив полимерного аниона: цепочечный или ленточный (), слоистый (), каркасный ( ). Напр., кристаллохим. ф-ла кобальтина имеет вид Co[AsS], сподумена- , талька-Mg₃(OH)₂, альбита- . Степень окисления указывают справа вверху от символа элемента, а координац. число-слева вверху в круглых скобках, напр.: магнетит Fe²⁺Fe₂³⁺ O₄, андалузит ⁽⁶⁾Al⁽⁵⁾Al [SiO₄] О. Ф-лы М., для к-рых характерны разнообразные изоморфные замещения, записывают в обобщенном виде, напр. блеклые руды М⁺₁₀М₂²⁺ [Y₄X₁₃], где М⁺ -Сu, Ag; M²⁺ -Fe, Zn, Сu, Hg, Cd, Mn; Y-As, Sb, Bi, Те; X-S, Se.

В составе М. может присутствовать вода: связанная, или конституционная, в ионизир. виде (ОН^-, Н₃О⁺); кристаллизационная в виде молекул Н₂О, кол-во к-рых в элементарной ячейке постоянно, и свободная (адсорбированная, капиллярная, межслоевая и др.), кол-во к-рой непостоянно, что обозначается n^.Н₂О или aq. M. может содержать одновременно неск. типов воды, что отражается в кристаллохим. ф-лах, напр.: гипс Са [SO₄]•2Н₂О, гидромусковит (К, Н₃O⁺) Аl₂ [AlSi₃O₁₀] (OH)₂•nН₂O.

Реальный состав М. всегда отличается от идеальной ф-лы минер. вида. Так, ф-ла минер. вида сфалерита-ZnS, а в результате хим. анализа конкретного образца сфалерита м. б. получена, напр., такая ф-ла: (Zn_0,70Fe_0,15Mn_0,10Cd_0,03In_0,02)S.

Классификация. Общепринятой классификации М. нет. Наиб. рациональной классификацией минер. видов считают кристаллохимическую, к-рая в равной степени учитывает хим. состав и структурные особенности М. и позволяет выявлять взаимосвязи между составом, кристаллич. структурой, св-вами и морфологией (см. ниже) М. Так, иногда М. подразделяют по составу на шесть типов: самородные элементы (простые в-ва), интерметаллиды, карбиды и им подобные, халькогениды, кислородные соед., галогенные соединения. В трех последних типах характер аниона (простой или комплексный) служит основанием для выделения соответствующих подтипов, а конкретный состав аниона-для выделения классов (см. табл.).

КЛАССИФИКАЦИЯ МИНЕРАЛОВ

Морфология (формы выделения). М. часто образуют кристаллы определенной формы, свойственной данному минер. виду. Облик их м. б. изометрический, удлиненный (столбчатый, игольчатый и др.) или уплощенный (таблитчатый, чешуйчатый и др.). Нередко кристаллы закономерно срастаются в виде двойников, тройников, четверников, шестсрни-ков. Незакономерные сростки кристаллов и кристаллич. зерен образуют минер. агрегаты (друзы, щетки, сферолиты, оолиты и др.). Морфология кристаллов и агрегатов дает информацию об условиях образования М. и используется при их диагностике.

Свойства М. обусловлены их кристаллич. структурой и хим. составом. Они являются основой диагностики М., учитываются при поисках в разведке полезных ископаемых, при обогащении и комплексной переработке руд и применении М. Мех. св-ва включают твердость, хрупкость, ковкость, спайность, отдельность, излом, гибкость (сопротивление излому), упругость. Под твердостью понимают степень сопротивления М. к.-л. воздействию. Для определения относит. твердости М. используют шкалу Мооса, составленную из 10 эталонов-минералов с условной твердостью от 1 до 10: 1-тальк, 2-гипс, 3-кальцит, 4-флюорит, 5-апатит, 6-ортоклаз, 7-кварц, 8-топаз, 9-корунд, 10-алмаз (расположены в порядке возрастания твердости). Этими минералами царапают пов-сть исследуемого М. Т. наз. микротвердость (кгс/мм²) рассчитывают по величине углубления, полученного в стандартных условиях при вдавливании в М. алмазной пирамидки на спец. приборе-микротвердомере. Твердость М. зависит гл. обр. от его кристаллич. структуры, типа и прочности хим. связей. С твердостью М. связаны их хрупкость и ковкость. Спайность М.-это способность раскалываться при ударе по определенным направлениям с образованием плоских пов-стей. Спайность зависит от типа кристаллич. решетки, прочности связей и их пространств. распределения в структуре и, в зависимости от геом. типа структуры, может проявляться в одном, двух, трех и более направлениях. Отдельность подобна спайности, но обусловлена двойникованием, ориентированным замещением другими М., воздействием одностороннего давления. Излом (ступенчатый, занозистый, раковистый, неровный) характеризует пов-сть обломков, на к-рые раскалывается М. (не по спайности) при ударе. Упругие св-ва оценивают по характеру деформации М. при воздействии на него мех. напряжения (см. Реология ).

О п т и ч. с в-в а М. включают преломление, отражение и поглощение света, блеск, цвет, люминесценцию. Они также связаны с составом и структурой М. Преломление света наблюдается у прозрачных М. (кислородные и галогенные соед.) и характеризуется показателем преломления п. Отражение света наблюдается в большей степени у непрозрачных и полупрозрачных М. (металлы, интерметаллиды, халько-гениды, оксиды и гидроксиды) и характеризуется коэф. отражения R. По величинам п и R диагностируют М. под микроскопом в проходящем или отраженном свете. Свето-поглощение (оптич. плотность) характеризует как прозрачные (алмаз, горный хрусталь), так и полупрозрачные (сфалерит, сера) и непрозрачные (магнетит, золото) М. Блеск М., наблюдаемый визуально,-одна из форм светоот-ражения. Он бывает металлическим, полуметаллическим, алмазным, стеклянным, жирным, матовым и др. Цвет М. объясняется частичным поглощением видимого света и обусловлен присутствием в структуре ионов-хромофоров в качестве видообразующих элементов или изоморфных примесей, а также структурными дефектами, газово-жидкими включениями и микроскопич. включениями окрашенных М. Нек-рые М. способны люминесцировать при облучении, нагревании, раскалывании, в результате трения.

Э л е к т р и ч. с в-в а выявляются у М. при воздействии на них электркч. поля, в нек-рых случаях-при нагр. или мех. деформации. По величине электропроводности М. делят на проводники (металлы, интерметаллиды), полупроводники (мн. халькогениды) и диэлектрики (кислородные и галогенные соед.). Диэлектрики не проводят электрич. тока, но на пов-сти нек-рых из них могут возникать электрич. заряды в результате нагревания (пироэлектричество, напр., в турмалине), давления, сжатия, растяжения (пьезоэлектричество в кварце) и трения (трибоэлектричество).

М а г н. с в-в а проявляются у М. в магн. поле. Они связаны с магн. моментами атомов и особенностями структуры М. По величине магн. восприимчивости М. подразделяют на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. По степени упорядоченности магн. моментов парамагнетики и ферромагнетики подразделяют на антиферромагнетики (напр., ильменит, гематит), ферромагнетики (самородное железо) и ферримагнетики (магнетит, пирротин). По плотности (г/см³) М. делят на легкие (до 2,5), средние (2,5-4), тяжелые (4-8) и весьма тяжелые (> 8,0). Плотность зависит от атомных масс слагающих кристаллич. решетку атомов и ее геом. типа. Наиб. плотность (от 8 до 23 г/см³) имеют самородные металлы. Нек-рые М. обладают радиоактивностью.

Диагностика и методы изучения. Предварит. диагностика М. основывается на изучении морфологии и физ. св-в М., наблюдаемых визуально. Иногда дополнительно изучают люминесцентные, радиоактивные и магн. св-ва М.,

р-римость их в воде и соляной к-те. О составе М. судят по характерным хим. р-циям и по цвету пламени газовой горелки при внесении в него образца. Точная диагностика М. осуществляется в лаб. условиях чаще всего оптическими (в поляризац. микроскопе) и рентгеновскими (напр., на дифрактометре) методами. Элементный состав М. определяют методами спектрального, атомно-абсорбц. анализа, лазерного спектрального микроанализа. Электронно-зондо-вые методы позволяют определять состав микроколичеств М. и устанавливать неоднородность и природу примесей без разрушения образца. Примеси в М. изучают также с помощью электронной микроскопии и ЭПР. Электронное строение М. исследуют методами ЭПР, ЯМР и мёссбауэ-ровской [мессбауэ-ровской] спектроскопии. Тип воды в М. определяют методами термич. анализа, спектроскопии ИК и ЯМР. Явления структурной упорядоченности и политипии М. изучают методами рентгенографии, электронографии, спектроскопии ЯМР. Электронная микроскопия в сочетании с электронографией эффективны при исследовании тонкодисперсных М.

Применение. М. служат источниками для получения металлов и др. хим. элементов, а также хим. соединений. Их используют как абразивные и огнеупорные материалы, применяют в керамике, оптике, радиоэлектронике, электро- и радиотехнике. Нек-рые М. являются драгоценными и поделочными камнями. Св-ва М. лежат в основе поиска и разведки полезных ископаемых, методов сепарации и обогащения руд. В широких масштабах в пром-сти получают синтетические М. для радиоэлектроники, оптики, абразивной и ювелирной пром-сти.

Лит.: Поваренных А. С., Кристаллохимическая классификация минеральных видов, К., 1966; Булах А. Г., Руководство и таблицы для расчета формул минералов, 2 изд., М., 1967; Годовиков А. А., Введение в минералогию, Новосибирск, 1973; Марфунин А. С., Введение в физику минералов, М., 1974; Минералогические таблицы, Справочник, под ред. Е.И.Семенова, М., 1981; Годовиков А. А., Минералогия, 2 изд., М., 1983. Р. А. Виноградова.