title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Химический состав и химические свойства минералов

Химический состав и химические свойства минералов

В состав минералов входят почти все химические элементы таблицы Менделеева, однако участие их в составе минералов неодинаковое. Наряду с главными элементами, определяющими самостоятельность минерального вида, имеются элементы, входящие в минерал лишь в качестве примесей. Так, кремний образует более 400 минералов, в то время как мы еще не знаем минералов, образованных рубидием и гафнием.
Атомы химических элементов, за счет соединения которых образуются минералы, в различных условиях минералообразования ведут себя по-разному. В одних случаях за их счет возникают минералы, состоящие из атомов одного и того же химического элемента (гомоатомные) или минералы, представляющие собой соединения друг с другом атомов различных химических элементов (гетероатомные). В первом случае образуются минералы, выделяемые под названием простых веществ или самородных элементов, а во втором — минералы различного состава, среди которых особенно развиты простые, комплексные и двойные соли.
Простые соли в своем большинстве представлены бинарными соединениями, т. е. соединениями, в состав которых входят только два элемента (катион и анион). Катионы в них могут образовывать соединения с различными анионами. Например, с серой — сульфиды (PbS — галенит, Ag2S — аргенит, Sb2S3 — антимонит, Fe[S2] — пирит и т. д.), с кислородом — окислы (CuO — тенорит, Cu2O — куприт, TiO2 — рутил, Al2O3 — корунд и др.), с хлором — хлориды (NaCl — галит, PbCl2 — котунит и др.), фтором — фториды (CaF2 — флюорит) и т. д. Среди этих соединений часто встречаются такие, у которых несколько катионов соединены с определенным анионом (например, CuFeS2 — халькопирит, CaTiO3 — перовскит и др.). Эти соединения можно также рассматривать как бинарные, у которых сумма катионов находится в определенном отношении к аниону.
Наиболее распространенными среди минералов являются комплексные соединения. Они характеризуются определенными радикалами, т. е. группами атомов, которые участвуют в химических реакциях как одно целое. Главными радикалами являются [SiO4], образующий силикаты (например, Mg2[SiO4] — форстерит); [PO4], образующий фосфаты (например Y[PO4] — ксенотим); [CO3], образующий карбонаты (например, Са[СO3] — кальцит); [SO4], образующий сульфаты (например, Ca[SO4] — ангидрит); [NO3], образующий нитраты (например, Na[NO3] — натриевая селитра) и др.
Радикалы являются комплексными анионами и присоединяют при образовании минералов количество катионов, необходимое для компенсации отрицательной валентности. В комплексных анионах малые высоковалентные катионы окружены большими низковалентными анионами. В приведенных примерах очень мелкие Si4+, Р5+, C4+, S6+, N5+ окружены О2-. Комплексные анионы представляют собой в кристаллической решетке самостоятельные анионные группы с небольшим координационным числом центрального катиона. При этом усилие (прочность) валентной связи между центральным катионом комплекса и окружающими его анионами больше, чем между этими анионами и катионами, лежащими вне комплекса.
Для кальцита Ca[CO3] внутри группы [CO3] заряд углерода равен +4, а координационное число 3, усилие (прочность) связи между углеродом и кислордом 4/3, в то время как вне комплекса заряд кальция равен +2, а координационное число 6, т. е. усилие (прочность) связи между Ca, и О = 2/6 = 1/3. Внутри комплекса усилие (прочность) связи всегда больше единицы (см. табл. 9), чем и объясняются прочность комплексного аниона и сокращение ионных расстояний внутри комплекса. Комплекс [SiO4]4-, у которого усилие (прочность) связи Si—О равно единице, занимает промежуточное положение. Внутри комплекса обычно наблюдается сильная поляризация анионов, что выражается в сокращении межионного расстояния по сравнению с суммой радиусов. Обращаясь к уже приведенному примеру с кальцитом, мы видим, что расстояние С—О составляет всего 1,25 А, в то время как радиус одного иона кислорода равен 1,32 А. Ho как ни малы расстояния в комплексных анионах, радиус всего комплексного аннона всегда значительно больше, чем отдельные радиусы входящих в него ионов.
Комплексные анионы по сравнению с простыми ионами выделяются большой величиной своих радиусов, что видно из следующих цифр (в А): [SO4]4- = 2,95; [PO4]3- = 3,00.
В кристаллической решетке комплексные ионы должны быть выражены изолированными группами, не связанными друг с другом. Следовательно, если в кристаллической решетке такие группы отсутствуют, то соединение не принадлежит к комплексным. В минералогии в качестве комплексных ионов встречаются почти исключительно радикалы простых кислородных кислот.
Двойные соли пользуются широким развитием в минеральном мире. Они представляют собой соединения, содержащие два или несколько типов катионов, занимающих в кристаллической решетке особые места. Обычно кислотный радикал у обеих солей бывает одинаков, например Ca[CO3]*Mg[CO3] — доломит, Na2[SiO3]*Fe2в3+[SiO3]3 — эгирин (2NaFe3+[Si2O6]2), но также бывают двойные соли с различными кислотными радикалами, например каинит — KCl*Mg[SO4] -3Н2O.
Наиболее склонными к образованию двойных солей оказываются катионы, обладающие наибольшей основностью, уменьшающейся с уменьшением размера ионного радиуса и с увеличением заряда. Для характеристики «основности» катионов В.С. Соболев использовал энергетическую константу, введенную А.Е. Ферсманом, — вэк. Вэк — средний пай энергии, вносимый данным ионом в кристаллическую решетку, отнесенный к единице валентности. По величине вэков он разделил металлы, образующие двойные соли, на три группы (табл. 10).

На основании анализа фактического материала В.С. Соболев пришел к таким очень важным выводам:
1. Катионы первой группы имеют склонность к образованию двойных солей с катионами третьей группы и в меньшей степени с катионами второй группы, катионы третьей группы — с катионами первой группы и во вторую очередь со второй группой. Катионы второй группы могут образовывать двойные соли как с первой, так и с третьей группами.
2. Сильные катионы входят в двойные соли в порядке их основности.
Наиболее активны катионы, обладающие наименьшим вэком (калий, натрий и т. д.).
3. Порядок вхождения слабых катионов в двойные соли зависит от «кислотности» аниона. Во многих случаях спутником сильного металла является алюминий.
Природа и причина образования двойных солей определяется природой самих химических элементов. На это давно обратил внимание Д.И. Менделеев, указывавший, что в двойных солях «один из металлов (например, К) легко дает кислые соли, другой (например, Mg) — основные; в первом случае преобладают свойства резких основных элементов, во втором они ослаблены, и образуемые ими соли носят на себе характер кислот. Например, соли алюминия или магния во многих случаях действуют как кислоты. При взаимном соединении оба эти свойства соединяющихся солей как бы находят удовлетворение». Подтверждением вывода Д.И. Менделеева являются минералогические особенности соляных месторождений, в которых в качестве важных минералов развиты двойные соли калия и магния (упоминавшийся уже каинит — KMg[Cl/SO4]*3Н2O, леонит — K2Mg[SO4]2*4Н2O, шенит — K2Mg[SO4]2*6Н2O, карналлит — KMgCl3*6Н2O и др.), а также минералогия многих силикатов, являющихся двойными солями магния и алюминия (сапфирин — Mg2Al4[O6/SiO4], кордиерит (Mg5Fe)2Al3[AlSi5O18], пироп — Mg3Al2[SiO4]3 и др.
Образованию двойных солей благоприятствуют также увеличение разности ионных радиусов катионов, увеличение разности в валентности и различие типа катиона, т. е. те факторы, которые не благоприятствуют условиям изоморфизма.

title-icon Подобные новости