Структура и химический состав минералов

Кристаллическая структура минерала - внутреннее устройство его кристаллов, способ взаимного расположения составляющих их атомов, ионов или молекул. Кристаллическая структура описывается параметрами кристаллической решетки и её дефектов. Она определяет свойства и габитус, внешний облик кристаллов.

Структура. В зависимости от химического состава минералов и физико-химических параметров находится тип химической связи между отдельными элементами и, как следствие, закономерность их пространственного распределения в кристаллической структуре минералов. Значительное изменение состава вызывает морфотропное изменение структуры и переход к веществу с новой структурой, т.е. к другому минералу. Изменение физико-химических параметров может привести к полиморфному переходу типа а-кварц-Я-кварц (повышение температуры), андалузитсиллиманит (повышение температуры) кианит (повышение давления). Обычные отклонения реальной структуры минералов от идеальной — вакансии в отдельных узлах кристаллической решётки, связанные с появлением, например, примесей в междоузлиях, изменением валентности части катионов (анионов). Упорядочение ваканский может приводить к увеличению одного из параметров элементарной ячейки, к появлению сверхструктур, переходу, например, от слоистых структур (талька — пирофиллита) к ленточным (честерит — джимтомпсонит — амфиболы) и т.п. В кристаллохимическом отношении среди минералов преобладают кристаллические структуры с ионным и ковалентным типами химической связи, менее распространены — с металлическими и молекулярными решётками (сера самородная, реальгар, аурипигмент). В результате различных дефектов (вакансий, примесных, радиационных и других дефектов, вхождения посторонних ионов или молекул, например воды в каналы и другие полости решётки, изменения заряда катионов и анионов и т.д.) и дислокаций кристаллы минералов могут приобретать блочное строение. Реальные минералы образуют иногда т.н. упорядочивающиеся серии (например, полевые шпаты), когда распределение различных катионов по структурным позициям в той или иной степени отклоняется от правильного порядка, присущего идеальным кристаллам, и с понижением температуры проявляет тенденцию к упорядочению. Не менее широко распространены явления распада твёрдых растворов (смешанных кристаллов), находящие выражение в специфических структурах минералов.
Для минералов со слоистыми кристаллическими решётками (например, слюд, молибденита, сфалерита, глинистых минералов, хлоритов, графита и др.) характерно явление политипии, при котором смежные слои (или пакеты слоев) оказываются несколько повёрнутыми один относительно другого. В результате такого поворота возникают политипные модификации (или политипы), элементарные ячейки которых имеют одинаковые параметры по двум осям и различные — по третьей. Образование политипов объясняется условиями роста кристаллов (в частности, кинетическими факторами и механизмом спирального роста). Политипия может приводить к изменениям симметрии кристаллов минералов, вплоть до перемены их сингонии, но не сопровождается существенной перестройкой кристаллической структуры.

Химический состав минералов может быть выражен химическими формулами – эмпирическими и структурными. Эмпирические формулы показывают количественное соотношение элементов, входящих в состав минерала. Например, эмпирическая формула ортоклаза может иметь вид K2 Al2 Si6O16. Эта формула очень удобна для описания состава, но она не отражает характера взаимодействия связи элементов в структуре минерала. Эту же формулу можно дать в виде молекулярных соединений различных оксидов, что удобно для выражения реакций, в которых участвуют минералы. Такая формула будет называться структурной и ее можно записать в таком виде: K2 ОAl2 О 3 6SiO2

Химический состав минералов различает две основные группы:

1) Постоянного химического состава (например SiO2, FeS2). Эту группу минералов изучать достаточно просто;

2) Минералов, образующие непосредственные соединения, довольно сложные для изучения. К этим соединениям относятся минералы, имеющие различные примеси (газы, растворы, взвешенные частицы и в виде отдельных элементов, входящих в кристаллическую решетку вещества, не нарушая ее формы).

Многие минералы, имея один и тот же химический состав минералов, могут иметь различную структуру и внешний облик кристаллов, текстуру, а значит и различные физические свойства. Такое свойства минералов называется полиморфизмом. Примером полиморфизма может служить углерод. В зависимости от условий кристаллизации он может образовать две полиформных разновидностей – алмаз и графит, имеющие различное расположение атомов углерода в пространстве.

Вода, входящая в химический состав минералов, подразделяется по прочности связи: конституционная (наиболее прочно связана с кристаллической решеткой, кристаллизационная (тоже связанная с кристаллической решеткой, но менее прочно и поэтому может быть удалена при высоких температурах); циолитная (вода как бы растворенная в кристалле). Присоединение конституционной воды означает образование особой формы минерала, а ее удаление разрушает минерал.

Присоединение кристаллизационной воды и ее удаление при высоких температурах заметно отражается на многих физических и химических свойствах минерала. Например, присоединяя кристаллизационную воду, ангидрит переходит в гипс. При этом увеличивается его объем до 60%. Цеолитовую воду минералы могут относительно просто терять и восстанавливать, изменяя при этом некоторые свои свойства (показатель преломления, структуру).