Рубрика «Инженерная геология»
Силикаты
Силикаты и алюмосиликаты – наиболее распространенный и разнообразный класс минералов. Для них характерен сложный химический состав и изоморфные замещения одних элементов и комплексов элементов другими. Главными химическими элементами, входящими в состав силикатов, являются Si, O, Al, Fe2+, Fe3+, Mg, Mn, Ca, Na, K, а также Li, B, Be, Zr, Ti, F, H, в виде (OH)− или H2O и др.
Общее количество минеральных видов силикатов около 800. По распространённости на их долю приходится более 90 % минералов литосферы. Силикаты и алюмосиликаты являются породообразующими минералами. Из них сложена основная масса горных пород: полевые шпаты, кварц, слюды, роговые обманки, пироксены, оливин и др. Самыми распространёнными являются минералы группы полевых шпатов и затем кварц, на долю которого приходится около 12 % от всех минералов.
В основе структурного строения всех силикатов лежит тесная связь кремния и кислорода; эта связь исходит из кристаллохимического принципа, а именно из отношения радиусов ионов Si (0.39Å) и O (1.32Å). Каждый атом кремния окружён тетраэдрически расположенными вокруг него атомами кислорода. Таким образом, в основе всех силикатов находятся кислородные тетраэдры или группы [SiO4]3, которые различно сочетаются друг с другом.
Поэтому в основе систематики силикатов – кремнекислородный тетраэдр [SiO4] -4 .В зависимости от того, как сочетаются между собой кремнекислородные тетраэдры, различают следующие структурные типы силикатов.
Вольфраматы
Вольфраматы — руды легирующего металла вольфрама (вольфрамат железа и марганца), минералы относятся к подклассу сложных оксидов.
Вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент — углерод. При стандартных условиях химически стоек.
Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO3 с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO4 * mMnWO4 — соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO4). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1-2 %.
Фосфаты
Фосфаты – соли фосфорной кислоты, т.е. содержащие PO4 , и эфиры фосфорных кислот, например ортофосфат калия K3PO4. Различают ортофосфаты и конденсированные фосфаты, содержащие более одного атома P, образующие связи P—O—P.
Ортофосфаты можно получить действием ортофосфорной кислоты на щёлочь:
У всех ортофосфатов есть свойство: безводные соли стабильны при нагревании до температуры плавления, которая для разных солей колеблется в диапазоне от 830°C (у фосфата свинца) до 1605°C (у фосфата бария).
Фосфаты в основном плохо растворимы, в отличие от дигидрофосфатов. Растворимы только фосфаты калия, натрия и аммония. Фосфаты обладают общими свойствами солей. Взаимодействуют с сильными кислотами (они превращают нерастворимый фосфат в растворимый дигидрофосфат):
Взаимодействуют с другими растворимыми солями:
При нагревании выше 2000C° разлагаются на оксиды:
Гидроортофосфаты — неорганические соединения, кислые соли ортофосфорной кислоты, например, гидроортофосфат бериллия. Дигидроортофосфаты — неорганические соединения, кислые соли ортофосфорной кислоты, например, дигидроортофосфат аммония. Существуют также метафосфаты, например, метафосфат калия.
Сульфаты
Сульфаты – соли серной кислоты, т.е. имеют радикал SO4 . Наиболее распространенные и известные сульфаты Ca, Ba, Sr, Pb. Общими свойствами для них являютс я – кристаллизация в моноклинной и ромбической сингониях, светлая окраска, низкая твердость, стеклянный блеск, совершенная спайность.
Минералы: гипс CaSO4 •2H2O, ангидрит CaSO4, барит BaSO4 (высокая плотность), целестин SrSO4.
Образуются в экзогенных условиях, часто совместно с галоидами. Некоторые сульфаты (барит, целестин) имеют гидротермальный генезис.
Применение – строительство, сельское хозяйство, медицина, химическая промышленность.
Карбонаты
Карбонаты, составляющие около 1,7 % от массы земной коры, являются осадочными или гидротермальными минералами. С химической точки зрения это соли угольной кислоты – Н2СО3, общая формула АСО3 – где А – Са, Мg, Fe и др.
Карбонаты имеют ионные кристаллические решетки; характерны малые плотности, стеклянный блеск, светлая окраска (за исключением карбонатов меди), твердость 3-5, реакция с разбавленной НСl.
Общие свойства – кристаллизуются в ромбической и тригональной сингониях (хорошие кристаллические формы и спайность по ромбу); низкая твердость 3–4, преимущественно светлая окраска, реакция с кислотами (HCl и HNO3 ) с выделением углекислого газа.
Наиболее распространенными являются: кальцит СаСО3, магнезит Mg СО3, доломит СаМg (СО3) 2, сидерит Fe СО3.
Галоидные соединения
Земная кора содержит около 0,5 % (по массе) галоидных соединений. С химической точки зрения эти минералы являются солями кислот: HF, HI, HBr, HCI.
Галоиды — фтористые, хлористые и очень редкие бромистые и йодистые соединения.
Наиболее широко распространены фториды и хлориды – соединения катионов металлов с одновалентным фтором и хлором.
Фториды – минералы светлые, средней плотности и твердости. Представитель – флюорит CaF2 . Хлоридами являются минералы галит и сельвин (NaCl и KCl).
Для галоидов общими являются – низкая твердость, кристаллизация в кубической сингонии, совершенная спайность, широкая цветовая гамма, прозрачность. Особыми свойствами обладают галит и сильвин – соленый и горько-соленый вкус.
По генезису фториды и хлориды отличаются. Фтористые соединения или фториды в основном образуются в связи с кристаллизацией магмы или при воздействии постмагматических растворов и газов или, очень редко, осадочным путем. Флюорит – продукт эндогенных процессов (гидротермальный), часто встречается в пегматитовых жилах.
Хлористые соединения или хлориды образуются осадочным путем. Представляют собой химические осадки озер, морей и являются минералами соляных месторождений. Галит и сильвин – образуются в экзогенных условиях за счет осаждения при испарении в водоемах.
В народном хозяйстве флюорит используется в оптике, металлургии, для получения плавиковой кислоты. Галит и сильвин находят применение в химической и пищевой промышленности, в медицине и сельском хозяйстве, фотоделе.
Характерны: стеклянный блеск, малые плотности, растворимость в воде. Галоидные соединения имеют ионные решетки.
Оксиды
Оксид (окисел, окись) — бинарное соединение химического элемента с кислородом в степени окисления −2, в котором сам кислород связан только с менее электроотрицательным элементом. Химический элемент кислород по электроотрицательности второй после фтора, поэтому к оксидам относятся почти все соединения химических элементов с кислородом. К исключениям относятся, например, дифторид кислорода OF2.
Оксиды — весьма распространённый тип соединений, содержащихся в земной коре и во Вселенной вообще. Примерами таких соединений являются ржавчина, вода, песок, углекислый газ, ряд красителей. Оксиды и гидроксиды – представляют один из наиболее распространенных классов с более 150 минеральными видами, в которых атомы или катионы металлов образуют соединения с кислородом или гидроксильной группой (ОН).
Соединения, которые содержат атомы кислорода, соединённые между собой, называются пероксидами, строго говоря, не относятся к категории оксидов.
Земная кора содержит до 17 % (по массе) оксидов. Наиболее распространены кварц (12,6 %), оксиды и гидрооксиды железа (3,9 %), оксиды и гидрооксиды AI, Мn, Ti, Сг. Напомним здесь, что главная масса железорудных и марганцевых руд имеют осадочное происхождение. Минералы группы оксидов являются рудной базой черной металлургии. Важнейшие рудные минералы железных и марганцевых руд: гематит (Fe2O3), магнетит (Fe3O4), бурый железняк (Fе2O3. Н2O), пиролюзит (МnО2), браунит (Мn2O3), гаусманит (Мn3O4), псиломелан (МnO2. МnО. n Н2O), манганит (МnO2. Мn(ОН)2.
Наиболее широко представлены оксиды Si, Fe, Al, Ti, Sn. Некоторые из них образуют и гидрооксидную форму. Особенность большинства гидрооксидов – снижение значений свойств по сравнению с оксидной формой того же атома металла. Яркий пример – оксидная и гидрооксидная форма Al.
Шпинель
Шпинель — м-л, гр. алюмошпинелей, MgAl2O4. Образует изоморфные ряды с др. м-лами гр.— герцинитом, ганитом и галакситом. Аl частично замещается Fe3+, Cr3+, Мn3+.
Размером кристаллы обычно невелики, но иногда встречаются более фута длиной, весом около пуда (Южный Урал, Северная Америка). Твёрдость по шкале Мооса — 8. Удельный вес 3,5—4,1 (у прозрачных шпинелей плотность колеблется в более узком диапазоне от 3,58 до 3,63). Двупреломление, плеохроизм отсутствуют. Дисперсия 0,020. Люминесценция обычно отсутствует, иногда бывает жёлто-зелёная, красная, оранжевая.
Состав (%): MgO — 28,2; Al2O3 — 71,8.
Чистая шпинель бесцветна и водяно-прозрачна, однако в природе такие камни встречаются очень редко. Гораздо чаще кристаллы бывают окрашены минеральными примесями в различные сочные цвета: бурый, чёрный, розовый, красный, синий. В частности, окраску красных камней (так называемых рубинов-балэ) определяет присутствие ионов хрома (точно так же, как и в случае рубинов настоящих). Слегка желтоватый оттенок рубицеллов связан с присутствием примеси железа, а марганец приводит к появлению лилово-красного цвета. Блеск кристаллов шпинели яркий стеклянный. Некоторые разновидности считаются драгоценными камнями, носящими в продаже разнообразные названия, в зависимости от цвета, прозрачности и местности.
Сульфиды
Земная кора содержит не более 0,15 % (по массе) минералов этой группы (230 минералов). С химической точки зрения эти соединения являются солями сероводородной кислоты. Существуют как сульфиды строго стехиометрического состава (FeS2, CuFeS2 и т.п.), так и соединения, в которых содержание серы меняется в определенных пределах (полисульфиды, например FeSx , где х = 1,0.1 — 1,14).А – атом металлов, В-атомы металлов и металлоидов, Х – атомы серы.(Pb, Cu, Fe ит.д.) (Bi, Sb, As, Sn)Сульфиды кристаллизуются в разных сингониях – кубической, гексагональной, ромбической и т.д. По сравнению с самородными, у них более широкий состав элементо-катионов. Отсюда большее разнообразие минеральных видов и более широкий диапазон одного и того же свойства.Общими свойствами для сульфидов являются металлический блеск, невысокая твердость (до 4), серые и темные цвета, средняя плотность. В то же время, среди сульфидов отмечаются различия по таким свойствам как спайность, твердость, плотность.
|
минерал |
формула |
цвет |
твердость |
плотность |
спайность |
сингония |
|
Галенит |
PbS |
серый |
2,5 |
7,6 |
весьма совершенная |
кубическая |
|
Молибденит |
MoS2 |
серый |
1 |
4,7 |
весьма совершенная |
гексагональная |
|
Арсенопирит |
FeAsS |
серый |
6 |
6,1 |
ясная |
триклинная |
|
Антимонит |
Sb2 S3 |
серый |
2 |
4,63 |
совершенная |
ромбическая |
Сульфиды являются основным источником руд цветных металлов, а за счет примесей редких и благородных металлов ценность их использования повышается.Генезис – различные эндогенные и экзогенные процессы. Характерны ионные кристаллические решетки.
Большинство сульфидов тяжелые, мягкие, блестящие. Обладают высокой электропроводностью. В большинстве случаев гидротермального происхождения, иногда продукт кристаллизации сульфидной магмы, При выветривании в зоне окисления сульфиды переходят сначала в сульфаты, а затем в оксиды, гидрооксиды, карбонаты. Читать далее…
Самородные элементы
Земная кора содержит не более 0,1 % (по массе) самородных элементов (83 минерала). Их добыча связана со значительными трудностями, в связи с чем многие из них особенно высоко ценятся и, являясь эталонами человеческого труда, используются в золотых запасах стран в качестве обеспечения национальной валюты в международной торговле.
Самородные элементы подразделяются на две группы: металлы и неметаллы. В первую группу входят самородные Au, Ag, Cu, Pt, Fe и некоторые др., во вторую – As, Bi, S и С (алмаз и графит).
Генезис – в основном, образуются при эндогенных процессах в интрузивных породах и кварцевых жилах, S – при вулканизме. При экзогенных процессах происходит разрушение пород, высвобождение самородных минералов (в силу их устойчивости к физическому и химическому воздействию) и их концентрация в благоприятных для этого местах.
Генетически связаны с процессами кристаллизации магмы (Pt, алмаз, графит), с гидротермальными (Аu) и осадочными (S) процессами.