САМОРОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ (простые вещества)
Все простые вещества — очень редкие минералы, суммарно они слагают не более 0,02 % массы земной коры. Известно около 100 самородных элементов (минералов).
Газообразные (кислород, азот, водород, инертные газы); Жидкие (ртуть, амальгамы золота и серебра); Твердые самородные вещества (минералы).
элементарные вещества (как говорят, самородные элементы), например графит С, алмаз С, медь С u, висмут Bi делятся на: Самородные металлы (золото, серебро, медь, железо, платина, висмут, сурьма, мышьяк и др.); Самородные неметаллы (сера, алмаз, графит); твердые растворы (изоморфные смеси) металлов друг в друге, например, минералы состава ( Au, Ag ), ( Au, С u ), ( Pt, Fe ), ( Os, Ir ); особые химические соединения — интерметаллиды Pt 3 Sn, Pt 2 FeNi, Cu 3 Au 2, Cu 7 Hg 6 и др.
Большинство самородных металлов и твердые растворы металлов друг в друге имеют структуру, отвечающую плотнейшим упаковкам — кубической или гексагональной. Чем сильнее химические свойства и характер связей в простом веществе отличаются от металлических, тем более структура минерала отходит от идеальной, плотнейшей упаковки.
Формы выделений самородных элементов (минералов) разнообразны: каплевидные зёрна; идиоморфные или нитевидные кристаллы, проволочно-вытянутые формы; плоские дендриты; ксеноморфные угловатые или пластинчатые (плёночные) образования (по границам сопутствующих минеральных индивидов и по трещинам).
Габитус кристаллов : Металлы - куб, октаэдр, ромбододекаэдр; Неметаллы – Ромбические и гексагональные пирамиды, би- и дипирамиды, комбинации с участием пинакоидов и др. (только у алмаза кристаллы изометрического габитуса кубической и октаэдрической формы)
Для металлических минералов характерно: - металлический блеск; - высокая теплопроводность; - высокая электропроводность; - ковкость; - высокий удельный вес; - у многих ( Au, Ag, Cu) низкая твердость; - часто крючковатый излом - несовершенная спайность.
Для неметаллических минералов характерно: - относительно низкая плотность (до 3,5 – алмаз); - различная твердость (от 1 до 10); - различная спайность (от совершенной до несовершенной); - плохая тепло и электропроводность (исключение графит); - раковистый и неровный излом.
Малая химическая активность элементов ( Au, Pt, Ir, Os) ; Малая химическая активность кислорода в среде минералообразования (Fe- теллурическое и Cu в основных породах ) ; Приповерхностное окисление некоторых руд (например, халькопирита ( CuFeS 2 )); биохимические реакции ( S) ; Падение метеоритов ( Fe - метеоритное ( камасит ), S, C (лонсдейлит)).
Форма Кристаллы – октаэдры, реже – ромбододекаэдры и кубы. Чаще в виде зерен, ден-дритов, пленок, вкраплений. Сингония Кубическая Цвет Золотисто-желтый Цвет черты От золотисто-желтого до серебряно-белого Блеск Металлический Твёрдость 2-3 Спайность Весьма несовершенная Излом Неровный Особое свойство Тугоплавко, растворяется только в царской водке. Очень высокая плотность – от 15 до 19.
Медь (Cu) Форма Кристаллы редки (куб,октаэдр,ромбододекаэдр). Чаще в виде дендритов, тонких пластинок, порошковатых скоплений и сплошных масс. Сингония Кубическая Цвет Медно-красный Цвет черты Медно-красный, блестящий Блеск Металлический Твёрдость 2,5-3 Спайность Весьма несовершенная Излом Крючковатый, неровный Особое свойство Иногда имеет побежалость
Платина (поликсен) Pt Форма Кристаллы редки. Встречается в виде самородков, неправильных зерен, конкреций, сталактитовых форм Сингония Кубическая Цвет Разный: серовато-серебристый, свинцово-серый, желтоватый, черный Цвет черты Стально-серый Блеск Яркий или тусклый металлический Твёрдость от 4 до 7 Спайность Весьма несовершенная Излом Крючковатый, неровный Особое свойство Иногда магнитен. Очень высокая плотность (выше 19)
Самородное железо (теллурическое) Fe Форма Кристаллы редки. Встречается в виде плотных зерен с неправильными извилистыми очертаниями, губчатых скоплений в базальтовых породах Сингония Кубическая Цвет Стально-серый в свежем изломе Цвет черты Блестящий серо-черный Блеск Металлический Твёрдость 4 -5 Спайность Весьма несовершенная Излом Крючковатый, неровный Особое свойство Сильно магнитен.
Серебро (А g) Форма Кристаллы редки (куб, октаэдр). Встречается в виде дендритов, волосовидных образований (часто скрученных и изогнутых), неправильных зерен, самородков. Сингония Кубическая Цвет Серебряно-белый свежем изломе Цвет черты Белый, блестящий Блеск Металлический Твёрдость 4 -5 Спайность Весьма несовершенная Излом Крючковатый
Алмаз (С) Форма Кристаллы обычны. Облик кристаллов окта-эдрический, реже кубический, ромбо- и тетраэдрический. Сингония Кубическая Цвет Бесцветный водяно-прозрачный, но может быть и окрашенным Блеск Алмазный до жирного Твёрдость 10 Спайность Средняя Излом Раковистый Особое свойство Самый твердый минерал на Земле
Форма Тонкочешуйчатые, землистые агрегаты, пластинки и сферические радиально-лучистые агрегаты. Сингония Гексагональная Цвет Темно-серый, железо-черный Цвет черты Темно-свинцово-серая Блеск Полуметаллический, матовый Твёрдость 1 Спайность Совершенная Излом Зернистый, ровный Особое свойство Тепло- и электропроводен, жирен на ощупь Графит (С)
C ера ( S ) Форма Сплошные массы, натечные, шаровидные, почковидные и сталактитовые образования. Кристаллы бипирамидального и толстотаблитчатого вида. Сингония Ромбическая и две моноклинные Цвет Желтый, зеленоватый Цвет черты Бесцветный Блеск Алмазный на гранях, жирный на изломе Твёрдость 1-2 Спайность Несовершенная Излом Неровный Особое свойство Хороший изолятор
природные соединения металлов и некоторых неметаллов с S. В химическом отношении - соли сероводородной кислоты H 2 S. Главнейшие элементы, образующие сульфиды: Fe, Zn, Cu, Mo, Ag, Hg, Pb, Bi, Ni, Co, Mn, V, As, Sb. К сульфидам относят и близкие к ним по свойствам антимониды, арсениды, селениды и теллуриды. Отмечается изоморфное замещение одних химических элементов другими и примесь редких элементов ( Cd,Ga,In,Re и др.) .
Сульфиды составляют около 0,15 % массы земной коры. Выделяют около 600 минеральных видов сульфидов и их аналогов.
С позиций общей химии сернистые соединения можно разбить на четыре класса : 1. простые сульфиды - соли сероводородной кислоты (сфалерит ZnS, киноварь HgS, сульфид молибдена ( IV ) — молибденит MoS 2 и др.);
2. сложные сульфиды, это двойные и многокомпонентные соли сероводородной кислоты ( халькопирит CuFeS 2, борнит Cu 5 FeS 4, станнин Cu 2 FeSnS и др. );
3. Соли тиокислот (сульфокислот), т.е. бескислородных кислот, в которых роль кислорода играет сера. Например, прустит Ag 3 ( SbS 3 ) — это серебряная соль сурьмяной сульфокислоты H 3 SbS 3 ;
4. полисернистые соединения (персульфиды), они формально трактуются как соли полисернистой кислоты H 2 S 2 со своеобразным комплексным двухзарядным анионом ( S 2 ) 2- в их кристаллических сруктурах (дисульфид железа ( II ) — пирит Fe ( S 2 ) и др.).
Для сульфидов характерно сочетание в кристаллических постройках этих минералов типичного ионообразователя (серы) и типичных металлов (железа, меди, свинца, цинка и др.). Важно и соотношение их размеров: радиус S 2- составляет 0,184 нм, радиусы Pb 2+, Fe 2+, Co 2+, Zn 2+, — соответственно 0,119, 0,078, 0,075, 0,074 нм
Разница в ионных радиусах приводит к формированию неплотных упаковок атомов и ионов, что вызывает низкую химическую устойчивость атомов в кристаллических структурах. Атомы серы способны к легкой поляризации ионов, что вызывает возникновение ионно-ковалентно-металлических химических связей.
Все разнообразие кристаллических структур сульфидов и их аналогов подразделяется на следующие условные типы: координационные, островные, цепочечные (ленточные), слоистые, с комплексными анионами.
Физические свойства сульфидов очень специфичны. Внешне они подобны металлам - непрозрачны, имеют металлический или металловидный блеск, цвета, как и у металлов, в большинстве случаев серо-черные и желтые (реже — красные и синие) разной интенсивности и оттенков, электропроводны, высокая плотность. ( Все эти особенности физических свойств обусловлены смешанным, частично металлическим характером химических связей в сульфидах.)
Все сульфиды, за исключением персульфидов, обладают относительно низкой твердостью — от 1 до 5 (т.е. мягче стекла). Твердость персульфидов ( пирита, кобальтина, марказита, арсенопирита ) равна или более 5, что предопределено проявлением в них преимущественно ковалентных, сильных связей внутри островных группировок
Пирит FeS 2 Марказит FeS 2 Пирротин FeS Пентландит [Fe,Ni] 9 S 8 Арсенопирит FeAsS
Халькопирит CuFeS 2 Халькозин Cu 2 S Ковеллин CuS
Галенит PbS C фалерит ZnS Киноварь HgS Молибденит MoS 2 Аурипигмент As 2 S 3
Слагают около 17% массы земной коры; Общее количество – около 300 минералов; Наиболее распространены оксиды и гидрооксиды Si ( 12,6% массы земной коры), Fe ( 4%), Al, Mn, Ti, Cr ; Преобладает ионный тип химической связи ; Кристаллохимические структуры обычно характеризуются тетраэдрической и октаэдрической группировкой кислорода и гидроксильных групп.
Физические свойства оксидов связаны с кристаллохимической структурой. Оксиды, как правило, имеют большую твердость, высокую химическую стойкость, тугоплавкость, низкую растворимость. Удельный вес зависит от состава катионов.
Гидроксиды за счет присутствия гидроксил-ионов имеют менее плотную упаковку частиц. Это приводит к меньшей твердости, более яркому цвету и лучшей спайности. Гидроксиды трехволентных металлов обычно более твердые, чем гидроксиды двухвалентных и металлов с переменной валентность ( Fe).
Цвет – разнообразен. Оксиды Mg, Al, P в чистом виде бесцветны; Оксиды Mn, Fe, Cr – как правило окрашены в различные цвета (в т.ч. черный) и чеще всего непрозрачны. Плотность – повышенная (у оксидов значительно больше плотности гидрооксидов).
Большинство оксидов имеет эндогенное происхождение (магматическое и метаморфическое), а также гидротермальное. Большинство гидроксидов образуется на поверхности ( в результате выветривания (гипергенеза)) и окисления эндогенных минералов.
SiO 4 - Кремнекислородный тетраэдр 4- В основе строения кварца –кремнекислородные тетраэдры - тетраэдрические группировки анионов О 2, между которыми располагается катион Si Связь - КОВАЛЕНТНАЯ
Кристаллохимическая структура – каркас кремнекислородных тетраэдров Высокотемпературный кварц, устойчивый при t 573-867*C, – менее плотный каркас, гексагональная сингония Низкокотемпературный кварц, устойчивый при t ниже 573*C, – более плотный каркас, тригональная сингония
Форма Кристаллы гексагональные, трапецоэдрические, бипирамидальные. Характерны друзы, щетки, жеоды, кристаллические и зернистые агрегаты Сингония Тригональная у альфа-кварца, гексагональная у бета-кварца Цвет Бесцветен. Окраска обусловлена механическими включениями и дефектами в кристаллической решетке Блеск Стеклянный на гранях, жирный на изломе Твёрдость 7 Спайность Весьма несовершенная Излом Раковистый, неровный
Аметист Розовый кварц Морион Цитрин Белый кварц Раухтопаз Горный хрусталь Празем
Форма Сплошные массы, натечные, почковидные, сталактитоподобные образования Цвет Зависит от примесей Блеск Восковой, матовый Твёрдость 7-8 Спайность Отсутствует Излом Раковистый, неровный
Сердолик Хризопраз Кремень Оникс Яшма Кахалонг
Молочный опал Форма Плотные стеклоподобные натечные массы, конкреции, корки, оолиты, псевдоморфозы Цвет Зависит от примесей Блеск Восковой, матовый Твёрдость от 1 до 6 Спайность Отсутствует Излом Раковистый Огненный опал
Гётит Форма Кристаллы – волокнистые, игольчатые, столбчатые – редки. Сплошные, пористые, ноздреватые массы. Почковидные, сталактитовые, оолитовые образования Сингония Ромбическая Цвет Темно-бурый, черный, ржаво-бурый Цвет черты Желтовато-бурый Блеск Полуметаллический, матовый Твёрдость 5-5,5 Спайность Совершенная Гидрогётит
Гидрогематит тонкокристал- лический гематит, содержащий до 8% воды. Форма Кристаллы пластинчатые и ромбо-эдрические, реже призмати-ческие и скаленоэдрические. Натечные, почковидные массы. Землистые, чешуй-чатые, зернистые агрегаты Сингония Тригональная Цвет Стально-серый, у скрытокристаллических агрегатов – матово-красный Черта Вишнево-красная Блеск Полуметаллический, металлический, матовый Твёрдость 5-6 Спайность Отсутствует Гематит
Скрытокристаллический агрегат Железная слюдка Натечные массы Почковидные массы Крупнокристаллический агрегат Гематитовая «роза»
Форма Кристаллы окта-эдрического, реже додека-эдрического облика. Крис-таллические и зернистые массы, вкрапления в изверженных породах Сингония Кубическая Цвет Железо-черный Черта Черная Блеск Полуметаллический, матовый Твёрдость 5,5-6 Спайность Отсутствует Излом Неровный Особое свойство Сильно магнитен Псевдомор- фоза гематита по магнетиту
Форма Зернистые массы, вкрапленные округлые зерна, редко кристаллы окта-эдрического облика. Сингония Кубическая Цвет Черный Черта Коричневая, бурая Блеск Металлический Твёрдость 5,5-7,5 Спайность Отсутствует Излом Неровный
Боксит – сложная смесь минералов гидроксидов Al и Fe с глинистыми минералами. Представлен рыхлыми глинистыми массами, оолитами, реже – уплотненными породами.
Г и д р о к с и д ы а л ю м и н и я Форма Кристаллы таблитчатого или столбчатого вида. Листоватые, чешуйчатые, волокнистые, натечные образования Сингония Ромбическая Цвет Белый, желтовато-бурый, серый, зеленоватый, розовый Черта Белая Блеск Стеклянный, перламутровый Твёрдость 2 - 3 Спайность Совершенная
Диаспор AlOOH Гидроксиды алюминия Форма Кристаллы таблитчатого или столбчатого вида. Листоватые, чешуйчатые, волокнистые, натечные образования Сингония Ромбическая Цвет Белый, желтовато-бурый, серый, зеленоватый, розовый Черта Белая Блеск Стеклянный, перламутровый Твёрдость 6,5-7 Спайность Совершенная Полиморфная модификация – бёмит (менее твердый-3,5)
Форма Кристаллы призмати-ческие, дипирамидальные, бочонкообразные. Мелко-зернистые агрегаты. Сингония Тригональная Цвет Обычно синевато- или желтовато-серый Блеск Стеклянный, алмазный Твёрдость 9 Спайность Отсутствует Излом Неровный, раковистый
Ограненный кристалл сапфира Рубин Сапфир
Форма Кристаллы призмати-ческие, но встречается, как правило, в землистых, сажис-тых, сплошных кристалличес-ких и скрытокристаллических массах. Иногда лучистые агрегаты. Корки. Конкреции. Сингония Тетрагональная Цвет Черный, на кристаллах стально-серый Черта Черная Блеск Металлический, матовый Твёрдость 6-6,5 для кристал-лов, 1-2 для землистых разностей Спайность Совершенная Излом Неровный, раковистый
Форма Кристаллы дипирами-дальные, призматические – хорошо выражены. Встречается в кристалличес-ких агрегатах и вкрапленниках в горные породы. Сингония Тетрагональная Цвет Разный, от бесцветного до черного Блеск От алмазного до смоля-ного, полуметаллического и матового Твёрдость 6-7 Спайность Несовершенная Излом Неровный, полурако-вистый
Соли кислородных кислот Для всех этих минералов характерно наличие в их структуре комплексных анионов с ковалентной связью внутри аниона по донорно-акцепторному механизму. Между комплексным анионом и катионом связь, как правило, ионная.
Карбонаты – соли угольной кислоты, анион (CO 3 ) 2- ; Сульфаты – соли серной кислоты, анион ( SO 4 ) 2- ; Фосфаты –соли фосфорной кислоты, анион ( PO 4 ) 3-
Минералы этих классов – соединения соответствующих анионов с двухвалентными щелочно-земельными металлами ( Ca, Mg, Ba, Sr, реже Fe, Cu, Pb, Zn). Общие свойства: светлые, низкая твердость, низкая плотность, часто средняя и совершенная спайность, стеклянный блеск.
Магнезит Доломит Сидерит
Арагонит Смитсонит
Катионы – щелочные ( K,Na) и щелочно-земельные ( Ca, Mg) металлы, реже Fe, Pb ; Анионы – Cl, F, Br, I. Отличаются координационно-ионной структурой, кристаллизуются в кубической сингонии. Твердость – низкая, плотность – средняя, спайность – часто совершенная. Многие минералы хорошо растворимы в воде.
