Полная версия

Главная arrow География arrow Кристаллография и минералогия. Основные понятия

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Окислы и гидроокислы

Другое часто употребляемое название - «оксиды и гидрооксиды». По А.Г. Бетехтину [5], к окислам относятся соединения металлов и неметаллов с кислородом. К гидроокислам - соединения, в которых кислород частично или полностью замещен гидроксильной группой [ОН]1 . Окислы называются простыми, если в их составе в качестве катиона присутствует один элемент, например уранинит UO2; сложными - два и более элементов, например шпинель MgAl204.

Основная часть минералов класса сосредоточена в верхней части земной коры - от поверхности до уровня грунтовых вод. Именно здесь в свободном виде находится наибольшее количество кислорода, который в земной коре составляет 49,13% от ее массы. Типичные геологические формы этой области - коры выветривания горных пород и зоны окисления рудных месторождений (экзогенные процессы). Окислы образуются и при эндогенных процессах - в частности кварц Si02 - типичный минерал средних и кислых магматических горных пород, магнетит Fe304 (Fe0xFe203) - ультраосновные и основные породы (магматическая кристаллизация). Характерно образование окислов в процессах метаморфизма, эксгаляционной и гидротермальной деятельности.

Катионы, имеющие высокое химическое сродство к кислороду (образующие минералы рассматриваемого класса), показаны на диаграмме - рис. 2.54 (по А.Г. Бетехтину [5]). Здесь они распределены по параметру, называемому ионный потенциал - отношение валентности (W) к ионному радиусу (Ri). Область их распространения на диаграмме ограничена пунктирными линиями: слева - ионным потенциалом равным 2,0; справа - равным 10,0.

Диаграмма распределения катионов, образующих окислы и гидроокислы (область внутри пунктирных линий) [5]

Рис. 2.54. Диаграмма распределения катионов, образующих окислы и гидроокислы (область внутри пунктирных линий) [5]

Показанные в левой нижней части диаграммы катионы с ионным потенциалом меньше 2,0 в природных условиях образуют при осаждении из растворов только соли различных кислот. Исключение составляют Си1+ и РЬ2+, формирующие в том числе и окислы.

Катионы, расположенные в правой верхней части диаграммы (ионный потенциал больше 10,0), входят в состав комплексных анионов [С03]2_, [S04]2-, [Р04]3_, [ВО3]3 и т. и., которые дают различные соли.

Катионы, образующие минералы рассматриваемого класса - Mg2+, Fe2+, Ni2+, Zn2+, Cu2+ и некоторые другие, легко растворимы в кислых растворах и переносятся ими. В щелочной среде выпадают в форме гидроокислов. Катионы Al3+, Fe3+, Mn4+, Si4+, Ti4+, Sn4+ и в кислых, и в щелочных средах дают гидроокислы.

В эндогенных процессах трех- и четырехвалентные катионы чаще всего образуют простые окислы - корунд А1203, гематит Fe203, браунит Мп203, рутил ТЮ2, касситерит Sn02 и др. При вхождении в состав двухвалентных катионов более характерно образование сложных окислов - хромиты с общей формулой (Mg,Fe)(Cr,Al,Fe)204, перовскит CaTi03 и т. д.

В верхней части земной коры легко поддаются окислению элементы переменной валентности, находящиеся в низшей ее стадии - например Fe2+, Mn2+, V3+ и т. д. В этом процессе (окислении) они переходят в высшую валентность, вследствие чего ослабляются связи в кристаллических структурах. Минералы, содержащие такие элементы, разрушаются, а из продуктов разрушения первоначально образуются различные соли - карбонаты, сульфаты и др. Эти соединения вступают в реакцию с водой (гидролиз), в результате чего ряд катионов образует труднорастворимые гидроокислы (верхняя зона коры выветривания - рис. 2.8, табл. 2.4). Другой областью распространения гидроокислов выступают водные бассейны - морские, озерные, болотные. Преобладающими катионами здесь являются кремний, железо, марганец и алюминий. В процессах регионального метаморфизма гидроокислы переходят в безводные окислы; такой же переход наблюдается в условиях длительного нахождения гидроокислов в аридном климате.

Для окислов характерны кристаллические структуры с преобладающей ионной связью. Исключение составляют минералы кремнезема, структура которых схожа со строением силикатов. Из них кварц и халцедон - кристаллические, обладающие дальним порядком (рис. 2.55, а), опал Si02x/i(H20) - аморфный, ближний порядок (рис. 2.55, б). В других окислах катионы окружают анионы кислорода. Разнообразие структур варьирует в зависимости от их (катионов) размеров, валентности, поляризационных свойств.

В табл. 2.15 приведены координационные числа наиболее распространенных катионов.

Структура кварца и халцедона (а), опала (б) [81]

Рис. 2.55. Структура кварца и халцедона (а), опала (б) [81]

Координационные числа наиболее распространенных катионов окислов

Таблица 2.15

Координационные числа

Катионы

4

Ве2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, Ni2+, Zn2+, Cu2+, Si4+

6

Mg2+, Fe2+, Mn2+, Al3+, Fe3+, Cr3+, Ti4+, Zr4+, Sn4+, Ta5+, Nb5+

8

Zr4+, Th4+, Ц4*

12

Ca2+, Na1+, Y3+, Ce3+, La3+

Гидроокислы, содержащие гидроксильные группы, по строению существенно отличаются от окислов. При замене ионов О2 дипольными анионами [ОН]1 образуются слоистые структуры с ионной связью в слоях и вандерваальсовской - между слоями. При этом симметрия понижается. Например, MgO кристаллизуется в кубической сингонии, тогда как Mg[OH]2 - в гексагональной; А120з - тригональная, А1[ОН]3 - моноклинная и т. д.

Различия в кристаллохимическом строении окислов и гидроокислов причинно обусловливают их разные физические свойства. Окислы обладают большой твердостью (6-9 по шкале Мооса), химической устойчивостью, тугоплавкие, труднорастворимые, спайность не характерна и т. д. Многие из них, образовавшиеся в эндогенных условиях, устойчивы и в экзогенных, формируя россыпи. Хорошо ограненные минералы не редки - высокая степень идиоморфизма.

Гидроокислы со слоистыми структурами легко расщепляются на тонкие листочки (спайность), твердость с катионами двухвалентных металлов небольшая (~ 2,5-3,0), но увеличивается с вхождением в структуру трехвалентных катионов. Например, диаспор А10[0Н] - 6,5-7,0. В воде нерастворимы, идиоморфизм не характерен. Обычны скрытокристаллические и коллоидные агрегаты - лимонит, псиломелан, боксит, часто оолитового строения.

Термин «лимонит» имеет два значения: первое - собственное название минерала Fe203 х пН20; второе - агрегат трудноразличимых окислов и гидроокислов железа - минералы лимонит, гетит, гидрогетит и др.

Псиломелан - имеет два значения: первое - минерал псиломелан МпО х Мп02 х пН20; второе - агрегат трудноразличимых окислов и гидроокислов марганца - псиломелан, браунит, манганит и др.

Боксит - агрегат гидроокислов алюминия - бёмит, диаспор, гиббсит (гидраргиллит). По преобладанию той или иной минеральной формы выделяют бёмит-диаспоровую (окраска - зеленый до серого и черные тона) и гиббситовую (в окраске преобладают красные тона) разновидности бокситов. Как правило, в значительных количествах присутствуют окислы и гидроокислы железа и кремнезем.

Прозрачные минералы класса встречаются редко. Это преимущественно окислы, образовавшиеся в эндогенных условиях. Например, разновидности корунда красного цвета - рубин, синего или фиолетового - сапфир, бесцветная прозрачная разновидность кварца - горный хрусталь и некоторые другие. Обычно за счет элементов хромофоров (обусловливающих окраску - Fe, Мп, Сг и т. д.) они окрашены в бурые, красноватые, темные преимущественно до черных тона (псиломелан греч. psilos - гладкий, лысый, голый и melanos - черный; буквально - «черная стеклянная (лысая) голова»). Для окрашенных представителей характерен металловидный блеск, который часто называют «полуметаллическим».

По встречаемости в природе наиболее распространены минералы группы кварца. При кристаллизации магматического расплава полиморфные модификации (минералы) с одинаковым химическим составом Si02 образуются в такой последовательности: расплав —? наиболее высокотемпературный (3-кристобалит —> (3-тридимит, устойчивый в интервале температур 1 713-1 470 °С p-кварц (1 470-870 °С) -? а-кварц - менее 870 °С. Последнюю модификацию называют кварцем - без комментариев к названию; именно она наиболее широко распространена. Среди хорошо ограненных кристаллов выделяют разновидности по окраске: горный хрусталь; аметист (фиолетовые оттенки); раухтопаз (дымчатый кварц); морион - оттенки черных тонов и т. д. Халцедон - скрытокристаллическая разновидность кварца, состоящая из тончайших волокон, различимых лишь под микроскопом. Здесь понимается вся совокупность подобных представителей рассматриваемой группы - агат, оникс, хризопраз, сердолик (даны наиболее часто встречаемые названия). Для них характерно полосчатое и концентрически зональное строение с различным (за счет включений и примесей) окрашиванием слоев. Под не вполне строгим термином «кремень» обычно рассматривают тонкозернистую разновидность кварца, используемую в каменном веке человечества как наконечник различных орудий труда и оружия. Опал

Si02xw(H20) - аморфная разновидность кремнезема. Кристаллов не образует. Содержание воды колеблется от 1 до 21 %, изредка выше. Различают следующие разновидности: драгоценный (благородный) опал с характерной опалесценцией - радужная игра цвета при поворотах образца минерала; гидроопал - очень пористый, в воде прозрачный; гиалит (стеклянный опал), образующий сталактиты или шаровидные выделения.

Кроме группы кварца в природе довольно широко представлены окислы и гидроокислы железа, алюминия, марганца, титана, хрома, встречаются минералы меди и других элементов (табл. 2.16). Фотографии некоторых из них представлены на рис. 2.56-2.61.

Распространенные в природе окислы и гидроокислы

Таблица 2.16

Классификационное

подразделение

Минералы

Окислы

Минералы кремнезема - кварц и халцедон Si02, опал Si02xfl(H20); гематит БегОз, магнетит Fe2+Fe3+204 (Гез04), корунд AI2O3, шпинель MgAl204, пиролюзит М11О2, браунит Мп2+Мп4+Оз (МП2О3), рутил ТЮ2, ильменит РеТЮз, перовскит СаТЮз, хромшпинелиды с общей формулой (Mg,Fe)(Cr,Al,Fe)204, касситерит Sn02, куприт С112О, тенорит СиО, цинкит ZnO, уранинит UO2

Гидроокислы

Лимонит РегОзхпГГО, гетит FeO[OH], гидрогетит FeOfOHJx/iFTO, гиббсит (гидраргиллит) А1[ОН]з, бёмит А10[0Н], диаспор А10[0Н], манганит Мп2+Мп4+02[0Н]2, псиломелан МпОхМпОгХяГГО, брусит Mg[OH]2

Горный хрусталь [85] - друза кристаллов прозрачного бесцветного кварца

Рис. 2.56. Горный хрусталь [85] - друза кристаллов прозрачного бесцветного кварца

Лимонит [73] - агрегат трудноразличимых окислов и гидроокислов железа оолитового строения

Рис. 2.57. Лимонит [73] - агрегат трудноразличимых окислов и гидроокислов железа оолитового строения

Дендриты окислов марганца (темное) в халцедоне (светлое) - полированный срез минерала [85]. Подобные образцы используют в ювелирном и поделочном деле, обозначая их терминами «пейзажный (моховой) агат»

Рис. 2.58. Дендриты окислов марганца (темное) в халцедоне (светлое) - полированный срез минерала [85]. Подобные образцы используют в ювелирном и поделочном деле, обозначая их терминами «пейзажный (моховой) агат»

Опал [85] - полированный срез минерала

Рис. 2.59. Опал [85] - полированный срез минерала

Боксит оолитового строения [89]

Рис. 2.60. Боксит оолитового строения [89]

Псиломелан [71] - агрегат трудноразличимых окислов и гидроокислов марганца

Рис. 2.61. Псиломелан [71] - агрегат трудноразличимых окислов и гидроокислов марганца

Минералы класса представляют значительный интерес как объекты экономики. Это месторождения железа, алюминия, марганца, формирующиеся при осадочном минералообразовании и в корах выветривания; скопления эндогенных окислов в минерализованных полостях и россыпях - ювелирные и поделочные камни и многое другое.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>