title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Кристаллохимические типы минералов

Кристаллохимические типы минералов

В процессе минералообразования происходит формирование минералов, характеризующихся определенным химическим составом и соответствующей структурой. Состав и структура являются взаимно связанными, так как каждое сочетание атомов при данных условиях образования минералов может иметь лишь определенную структуру. Соединяясь в кристаллическую структуру, атомы химических элементов используют присущие им связи, типы которых были рассмотрены выше.
По степени однородности связей в структурах все минералы могут быть разделены на два типа: гомодесмические и гетеродесмические.
Гомодесмические (изодесмические) минералы (от греч. гомос — одинаковый и десмос — связка) характеризуются структурами, в которых присутствуют связи только одного типа и они одинаковы по всем направлениям, присущим каждой из них. В гомодесмических минералах атомы или ионы равномерно распределены в структуре. Построенные подобным образом структуры получили название координационных. Характерной их чертой является равномерное распределение связей в трех измерениях, в результате чего координационные полиэдры имеют значительное число общих граней, ребер и вершин.

Среди минералов с существенно ионной связью к ним принадлежат: галит (NaCl), галенит (PbS), периклаз (MgO), флюорит (CaF2) и др. Из данных рис. 5, на котором представлена структура галенита, видно, что каждый ион свинца окружен шестью ионами серы, а каждый ион серы окружен шестью же ионами свинца, причем расстояния между центрами ионов свинца до каждого из ионов серы и наоборот одинаковы (2,97 А).
Из минералов с существенно ковалентной связью к гомодесмическим принадлежат алмаз, сфалерит (ZnS), алабандин (MnS) и др. Из данных рис. 4 видно, что в структуре сфалерита каждый ион цинка с тетраэдрически расположенными связями окружен четырьмя ионами серы и наоборот на одинаковом расстоянии, равном 2,35 А.
В самородных металлах мы встречаемся с высоким координационным числом. Здесь (см. рис. 20) каждый атом металла (в данном случае меди) окружен двенадцатью такими же соседями, центры которых отстоят один от другого на 2,55 А.
Гетеродесмические (анизодесмтеские) минералы (от греч. гетерос — другой, различный) характеризуются тем, что в разных частях и по разным направлениям в них связи неодинаковые; одни группы атомов соединены друг с другом при помощи одних связей, а соединения между группами осуществляются при помощи других.
В гетеродесмических минералах наблюдается обособление групп атомов. По этим обособленным группам они подразделяются на островные, цепочечные, слоистые и каркасные.
Островные минералы характеризуются обособленными группами атомов (радикалами), связи внутри которых более прочные, чем связи с окружающими их атомами. Радикалы могут быть простыми и иметь линейную, треугольную, пирамидальную, тетраэдрическую и октаэдрическую форму и сложными, состоящими из двух полиэдров.
Среди минералов с ионной связью к островным принадлежат многие комплексные соединения с обособленными в структуре радикалами (карбонаты, сульфаты, нитраты, некоторые силикаты и др.). На рис. 6 приведена структура форстерита — Mg2[SiO4], показывающая наличие в ней обособленных (островных) тетраэдров [SiO4], играющих роль комплексных анионов, соединение которых в общую структуру минерала происходит при помощи катионов, с которыми они соединяются ионной связью.

К островным минералам с молекулярной связью принадлежат сенармонтит — Sb4O6, реальгар As4S4 и др.
Отдельные изолированные группы атомов в структуре минерала могут соединяться в кольца, как, например, в самородной сере или берилле (рис. 7). Поэтому среди островных гетеродесмических минералов как разновидность выделяются кольцевые.
Цепочечные минералы характеризуются наличием «бесконечных» групп атомов, расположенных в виде цепочки с существенно ковалентной связью внутри цепочек и преимущественно ионной связью между ними.
Цепочечный характер структуры определяется четко выраженной линейной направленностью наиболее прочных связей, которые реализуются для атомов через о-связи, а для полиэдров, имеющих форму треугольников, тригональных пирамид, тетраэдров и октаэдров, через общие вершины, ребра и грани.
Кристаллохимические типы минералов

К минералам с существенной ионной связью принадлежит весьма важная группа пироксенов (рис. 8).
К цепочечным минералам с существенно ковалентной связью принадлежит киноварь—HgS, миллерит — NiS, джемсонит — Pb4Fe[Sb3S7]2 и др.
Наряду с рассмотренными цепочками, называемыми одиночными, часто развиты также сдвоенные, которые получаются путем отражения одиночных цепочек в плоскости симметрии. К ним из минералов с ионной связью принадлежат очень важная группа амфиболов, гётит — FeO(OH) и др., а из минералов с существенно ковалентной связью — антимонит — Sb2S3, структура которого изображена на рис. 9.


Сдвоенные цепочки также называются лентами, а структуры, для которых они характерны — ленточными.
Слоистые минералы характеризуются наличием группировок атомов, составляющих «бесконечные» слои, внутри которых связи одни, а между слоями другие. Они характеризуются двумерным распределением наиболее прочных связей, т. е. расположением структурных единиц и координационных полиэдров (треугольной, пирамидальной, тетраэдрической, октаэдрической и призматической формы) в плоскости.
К слоистым минералам с существенной ионной связью относятся брусит — Mg(OH)2, гидраргиллит — Al(OH)3, каолинит — Al4(OH)8[Si4O10], слюды и др. В них внутри слоя связи ионные, а между слоями молекулярные. Типичным примером подобных минералов является калиевая слюда мусковит — KAl2(OH)2[AlSi3O10].
В слоистых силикатах мы встречаемся с дополнительным структурным элементом пакетом, который представляет собой объединение между собой нескольких слоев, выполненных тетраэдрами и октаэдрами.
В структуре мусковита трехслойные пакеты, состоящие из двух тетраэдрических слоев и одного лежащего между ними октаэдрического, ионом калия объединяются при помощи ионной связи в общую структуру. Двухслойные пакеты каолинита соединяются между собой молекулярной связью.
К слоистым минералам с существенно ковалентной связью принадлежат: аурипигмент — As2S3, ковеллин — Cu2S*CuS2 (рис. 10) и др., а с существенно молекулярной связью — сассолин — H3(BO3), молибденит — MoS2, графит и др. В графите (рис. 11) атомы внутри слоев связаны ковалентной связью, а слои между собой увязываются в структуру минерала при помощи молекулярных связей.
Каркасные минералы характеризуются наличием трехмерного каркаса, получающегося за счет равномерного пространственного распределения ковалентных и ионных связей между атомами. Между координационными полиэдрами в минералах каркасной структуры (тетраэдры и октаэдры) связь осуществляется через общие вершины, которых должно быть не более двух.
К каркасным минералам с существенно ионной связью принадлежат многие алюмосиликаты, в частности полевые шпаты.

Трехмерный каркас вообще, а в алюмосиликатах в частности, имеет полости значительной величины. Каркас, выступая, по существу, как крупный анион, для компенсации отрицательных зарядов принимает в свои полости крупные катионы — K+, Na*, Ca2+, а также Ba2+.
Рассматривая кристаллохимические типы минералов в отношении степени однородности химической связи, мы отнесли все минералы с координационными группами к гомодесмическому типу, а с островными, цепочечными, слоистыми и каркасными — к гетеродесмическому. Однако, если это справедливо для большинства минералов, то для некоторых наблюдаются исключения. Так, некоторые минералы с координационными группами имеют решетки гетеродесмического типа. К ним относятся некоторые металлы: цинк, ртуть, олово и др.
К гомодесмическому типу принадлежат некоторые минералы с каркасными группами. К ним принадлежат с существенно ионной связью куприт — CuO, кварц — SiO2 (рис. 12) и др., а с существенно ковалентной связью — аргентит — Ag2S, науманит Ag2Se и др.

Важнейшие структурные типы минералов. Структурное исследование минералов показало, что в основе многих из них находятся структуры одного и того же типа. Такие структуры получили название типических. Они играют большую роль в минеральном мире. Их мы рассмотрим исходя из общих формул АХ, A2X, AX2, A2X3 и т. д., где А — сумма катионов в формуле, а X — сумма анионов.
Приведенные формулы показывают определенное соотношение между анионами и катионами. Первые, как это было показано выше, образуют плотнейшие упаковки, а вторые — выполняют пустоты в них. Способ выполнения пустот в плотнейшей упаковке принято называть мотивом. Исходя из общих формул минералов выделяют мотивы АХ, AX2, A2X3, AX4 и др.
Мотивы рассматриваются по следующему плану:
1) мотив из октаэдров:
а) кубическая плотнейшая упаковка;
б) гексагональная плотнейшая упаковка;
2) мотив из тетраэдров:
а) кубическая плотнейшая упаковка;
б) гексагональная плотнейшая упаковка.
В соединениях с общей формулой AX число анионов равно числу катионов. А число октаэдрических пустот в плотнейшей упаковке, равное числу анионов, в данном случае равно числу катионов. Значит, в мотиве AX из октаэдров катионами будут заполнены все октаэдрические пустоты как в кубической, так и в гексагональной плотнейших упаковках. При кубической плотнейшей упаковке получается структура, названная типом галита (NaCl). Плотнейшую упаковку создают ионы Cl-, а катионы Na+ заполняют все октаэдрические пустоты (рис. 13). Тетраэдрические пустоты в такой структуре остаются незаполненными.
При гексагональной плотнейшей упаковке получается структура типа никелина (NiAs) (рис. 14).


В структуре типа галита и типа никелина Na и Ni окружены шестью атомами Cl и As и наоборот. Октаэдрические полиэдры NaCl6 соединяются между собой через общие ребра, a NiAs6 — противоположными гранями и шестью ребрами.
Структура типа NaCl более устойчива и поэтому распространена шире, чем структура типа NiAs.
При более мелких катионах или более крупных анионах (например, при переходе от окислов к сульфидам) для катионов уже достаточно места в тетраэдрических пустотах. Так как в формуле AX тетраэдрических пустот в два раза больше, чем катионов, они выполняют только половину тетраэдров. Отобрать эту половину можно по-разному, следовательно, можно получить несколько мотивов выполнения. Тетраэдры в плотнейшей упаковке ориентированы двояко: половина обращена своими остриями вверх половина — вниз.
Если заполнить катионами только одинаково ориентированные тетраэдры, то придем к очень распространенному типу структуры сфалерита ZnS при кубической плотнейшей упаковке и к структуре другой полиморфной модификации (ZnS) — вюртцита при гексагональной плотнейшей упаковке (рис. 15).

В структуре типа сфалерита и типа вюртцита тетраэдрические полиэдры ZnS4 соединяются между собой общими вершинами.
В соединениях типа AX2 анионов вдвое больше, чем катионов. Значит, катионы могут выполнить только половину октаэдрических пустот. Следовательно, в таких соединениях теоретически возможно бесконечное количество способов выполнения октаэдров катионами. Однако среди минералов распространены структуры нескольких наиболее простых мотивов AX2 из октаэдров.
Отбор половины октаэдров производится очень просто: слои 1, 3, 5, 7 и т. д. заполнены; слои 2, 4, 6, 8 и т.д. пустуют.
Если в основе такого мотива лежит гексагональная плотнейшая упаковка, получается очень распространенная сложная структура типа брусита (Mg(OH)2). При кубической плотнейшей упаковке получается структура типа хлористого кадмия — CdCl2 (рис. 16).
В структуре типа брусита октаэдры Mg(OH)6 ориентированы тройной своей осью симметрии вдоль оси с и соединяются общими ребрами в сплошные сетки (рис. 17).

В структуре хлористого кадмия координационные полиэдры CdCl6 соединяются общими ребрами в сплошные сетки, но с иным периодом повторяемости, чем у брусита.
Выделение цепочек из октаэдров, перпендикулярных тройной оси плотнейшей упаковки, получается вследствие чередования заселенных и незаселенных слоев октаэдров как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Связь таких цепочек наиболее легко осуществляется в гексагональной плотнейшей упаковке, где каждый октаэдр одного слоя ложится на октаэдр другого слоя.
Цепочки могут быть прямые, зигзагообразные с различной длиной звена, спаренные, которые можно назвать полосами, и др.
При ширине прямолинейной цепочки в один октаэдр образуется структура типа рутила (TiO2) (рис. 18).
В структуре типа рутила атомы титана находятся в шестерной координации атомов кислорода, а они окружены тремя атомами титана.
Координационные полиэдры TiO6 имеют форму несколько искаженных октаэдров. Они соединяются между собой противоположными ребрами, образуя колонки параллельно оси с. Колонки связаны между собой вершинами.

Мотивы AX3 и A2X3 из октаэдров тесно связаны друг с другом и являются дополнительными, поскольку при выполнении 1/3 октаэдров в мотиве AX3 остаются незаполненными 2/3 октаэдров, которые образуют мотив A2X3. Весьма просто получить мотив A2X3 (и AX3), если чередовать два заполненных слоя и один пустой.
В минералах типа A2X3 наиболее распространена структура типа корунда (Al2O3). В основе этого мотива лежит гексагональная плотнейшая упаковка, причем заполненные октаэдры образуют в каждом слое шестичленные кольца, в центре которых находится пустой октаэдр (рис. 19).
При наложении таких слоев друг на друга в колонках вдоль L3 упаковки происходит чередование двух заполненных и одного пустого октаэдра.
В структуре корунда атомы алюминия окружены шестью атомами кислорода, а атомы кислорода — четырьмя атомами алюминия. Октаэдрические полиэдры AlO6 соединяются между собой ребрами.

Из других структур, построенных по принципу плотнейшей упаковки, типическими являются структура типа меди (рис. 20, а) и структура типа металлическою магния (рис. 20, б). Первая является кубической, а вторая — гексагональной. В них атомы имеют координационное число 12 и образуют координационные полиэдры в форме додекаэдров, соединяющихся между собой гранями, ребрами и вершинами.
Типическими также являются некоторые структуры, не имеющие плотнейшей упаковки. Среди них мы рассмотрим тип металлического тантала, тип хлористого цезия и тип флюорита.
Тип металлического тантала характеризуется пространственной решеткой в виде центрированного куба (рис. 20, в), в котором атомы тантала имеют координационное число 8.
Тип хлористого цезия (CsCl) характеризуется тем, что в его структуре ионы цезия окружены восемью ионами хлора и наоборот. Координационные полиэдры в форме куба соединяются друг с другом общими гранями (рис. 21).

Тип флюорита (CaF2). В структуре каждый Ca окружен восемью ионами фтора, а каждый ион фтора — четырьмя ионами кальция, образуя полиэдры в форме куба, которые соединяются между собой через общие ребра (рис. 22).
Наряду с флюоритовым типом среди минералов пользуется развитием также так называемый антифлюоритовый тип. К нему относятся структуры, геометрически идентичные флюоритовой, но в них места катионов занимают анионы, а места анионов — катионы. По антифлюоритовому типу построены аргентит — Ag2S, халькозин — Cu2S и др.


title-icon Подобные новости