Тема 1. Конституция минералов. Химический состав минералов
Под конституцией минералов понимают химический состав и внутреннее строение минералов, которые взаимосвязаны между собой и являются важнейшими свойствами минералов.
Конституция минералов определяется составляющими минералы структурными единицами (атомами и ионами).
При образовании минералов его структурные единицы стремятся к симметричному расположению и определённой координации, что приводит к образованию трёхмерных периодических структур, выраженных в виде пространственных кристаллических решёток.
Пространственная решётка состоит из элементарных ячеек со свойственными им «постоянными» решёток – ао, bо, со, β, ά, γ.
Элементарная ячейка для каждого минерала является типичной и из неё закономерным путём периодического повторения можно построить весь кристалл минерала с его внешними свойствами и формами.
В состав минералов входят почти все химические элементы таблицы Менделеева, однако, их участие в составе минералов неодинаковое.
Наряду с главными элементами, определяющими самостоятельность минерального вида, имеются элементы, входящие в минерал лишь в качестве примесей. Так, например, кремний (Si) образует более 400 минералов, примесями могут быть Са, Mg, Fe, Mn, Al, Сr.
В настоящий момент не известны минералы образованные рубидием (Rb)и гафнием (Gf).
Минералы – химические соединения
I. Гомоатомные соединения
В случае образования минерала из одного химического элементf они называются гомоатомные. К ним относятся минералы типа простых веществ и самородных элементов. Например, золото, серебро, платины, алмаз, и т.п. эти минералы имеют специфические свойства:
- инертность в отношении химического взаимодействия с другими элементами. Они, как правило, химически устойчивые в условиях земной поверхности;
- практически всегда имеют примеси, хоть в небольших количествах (доли %);
- в структурном отношении они в большинстве своем кристаллизуются в кубической сингонии.
В результате соединения нескольких химических элементов образуются минералы различного состава, среди которых особенно развиты простые, комплексные и двойные соли
II. Простые соли (бинарные соединения)
Простые соли в большинстве представляют собой бинарные соединениями, т.е. соединения в состав которых входят только два элемента (катион и анион). Катионы в них могут образовывать соединения с различными анионами. Например: с серой – сульфиды (FeS2) с хлором – хлориды (NaCl), с фтором – фториды (CaF2)
Среди простых солей встречаются такие, у которых несколько катионов соединены с определенным анионом. Например: халькопирит – CuFeS2, перовскит – CaTiO2.
Эти соединения также рассматриваются как бинарные: у которых сумма положительно заряженных частиц (+) находится в строгом соответствии к сумме отрицательно заряженных частиц (–).
III. Комплексные соединени
Комплексные соединения – наиболее распространены в природе минералов. Они характеризуются определенными радикалами, т.е. группами атомов с отрицательной валентностью, которые участвуют в химических реакциях как одно целое;
Главными радикалами являются: силикаты – SiO4, фосфаты – PO4, карбонаты – CO3, сульфаты – SO4, нитраты – NO4. Радикалы являются комплексными анионами и присоединяют при образовании минералов количество катионов, необходимое для компенсации их отрицательной валентности. В комплексных анионах малые высоковалентные катионы, окружены большими низковалентными анионами. Например: в силикатах - очень мелкие ионы кремния (Si) окружены крупными атомами кислорода (О). Комплексные анионы представляют собой в кристаллической решетке самостоятельные анионные группы с небольшим координационным числом центрального катиона. Прочность валентной связи между центральным катионом комплекса и окружающими его анионами больше, чем между этими анионами и катионами расположенными вне комплекса. Например: для кальцита внутри группы заряд углерода равен +2, а КЧ=3, т.е. прочность связи между С и О выражается отношением 4/3, в то время как вне комплекса заряд кальция =2, а координационное число = 6, т.е. прочность связи между Са и О = 2/6 (1/3).
Внутри комплекса прочность связи всегда >1. Комплексные анионы по сравнению с простыми ионами выделяются большой величиной своих радиусов. Например: радиус сульфат-иона (SO4)=2,95 Ǻ, а радиус О=1,32 Ǻ.
В минералогии в качестве комплексных ионов встречаются почти исключительно радикалы простых кислородных кислот.
IV. Двойные соли
Двойные соли – пользуются широким развитием в минеральном мире. Они представляют собой соединения, содержащие два или более типов катионов, занимающих в кристаллической решетке особые места.
Обычно кислородный радикал у обеих солей бывает одинаков, например: доломит – CaMg[CO3]2, но также бывают двойные соли с различными кислотными радикалами: каинит – KCl*Mg[SO4]*3H2O.
Наиболее склонными к образованию двойных солей оказываются катионы, обладающие наибольшей основностью, уменьшающейся с увеличением заряда катиона и уменьшением размера ионного радиуса.
Наиболее активные катионы обладают наибольшим ВЭКом, к ним относятся щелочные металлы К+, Na+ и т.д.
Понятие ВЭКа был введён А.Е.Ферсманом в середине 50-х годов прошлого века. ВЭК – средний пай энергии, вносимый данным ионом в кристаллическую решётку, отнесённый к единице валентности.
Химические формулы минералов.
Состав минерала обозначается химической формулой, которая условно отражает качественную и количественную характеристику слагающих минерал элементов.
Формулы минералов могут быть эмпирическими и структурными. Эмпирические формулы выражают количественный состав минералов и не дают представления о сочетаниях и связях составляющих минерал элементов. Структурные формулы не только дают представление о химическом составе, но и позволяют судить о типе химического соединения и о взаимных связях между отдельными элементами. Формулы минералов составляются по данным валового химического анализа и выражаются в %.
При сокращённом написании структурных формул близко связанные друг с другом атомы выделяют в группы посредством круглых скобок, а радикалы – квадратные скобки. Например: форстерит – Mg2[SiO4], каолинит – Al4(OH)8[Si4O10]. Молекулы воды в кристаллогидратах пишутся в конце формулы. Например: гипс –Ca[SO4]*2H2O.
Если в формуле есть дополнительные анионы ОН, и др. они ставятся перед радикалом. Например: апатит – Ca5(F, Cl, OH)[PO4]3.
Изоморфные группы заключаются вместе в круглые скобки и отделяются друг от друга запятыми, причем элементы присутствуют в большом количестве пишутся впереди. Например: сфалерит – (Zn, Fe, Mg, Cu, Ge, Yn, Tl,) S.
