 |
Структурные мотивы самородных элементов
|
|
|
|
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время исследования в кристаллографии и минералогии уже вышли за пределы планеты Земля. Поэтому в завершающем пособие параграфе приведем некоторые интересные факты из этой области знания.
Метеориты. Исследован минеральный состав ~ 2800 таких объектов. Обнаружено около 100 минералов, из которых наиболее часто встречаются оливин, пироксены, плагиоклазы, тэнит, камасит, троилит, графит и очень редкий на нашей планете шрейберзит (рабдит) (Fe,Ni)3P. Кроме того специфические, не обнаруженные в земных условиях – карлсбергит CrN, осборнит TiN, баррингерит (Fe,Ni)2Р, добрелит FeCr2S4, ольдгамит CaS, брецианит O3S4, синоит Si2N2O3, лавренсит (Fe,Ni)Cl2, космохлор (юриит) NaCr(Si2O6) и некоторые другие более редкие. Следует четко понимать, что состав падающих случайным образом на Землю метеоритов (выборка) может не отражать истинного распределения вещества в этих объектах (генеральная совокупность). Поэтому полученные сведения – ориентировочные.
Генеральная совокупность – совокупность всех возможных объектов данного вида или совокупность результатов наблюдений, проводимых в неизменных условиях над одной из величин, связанных с данным видом объектов.
Выборка – часть объектов, отобранных из генеральной совокупности.
Луна. Доставленные на Землю образцы взяты с восьми участков этой планеты на глубине 5–30 сантиметров (выборка) и поэтому не могут адекватно отражать весь состав лунных пород (генеральная совокупность). Обнаружено ~ 90 минералов, из которых наиболее часто встречаются плагиоклазы, пироксены, оливин, а также характерный только для Луны армолколит (Mg,Fe)Ti2O5. Второстепенные (5–10 % в пробах) – ильменит и хромово-железистая шпинель. Прочие минералы – акцессорные (менее 1 % в пробах).
|
|
|
Внутренние (земная группа) и внешние планеты Солнечной системы. Имеются только косвенные данные – спектры отражения от поверхности планет и их спутников, полученные от космических аппаратов «Венера», «Викинг», «Вега», «Вояджер», «Пионер». Судя по этим спектрам для планет земной группы с большой долей вероятности можно предположить наличие на их поверхности главных породообразующих минералов ультраосновных и основных магматических пород (прилож. 1.1). Для внешних планет и их спутников – находящиеся в кристаллическом состоянии S и SO3 (Ио), H2O (кристаллическая) – поверхность Европы, Ганимеда, Каллисто, Ариэля и кольца Сатурна, CH4 – поверхность Плутона.
Класс минералов «Самородные элементы»
Самородные элементы – класс минералов, представляющих собой не связанные в химические соединения элементы таблицы Д.И. Менделеева. Выделяют самородные металлы, полуметаллы и неметаллы. Среди первых в природе отмечены (перечисление согласно порядковому номеру в таблице элементов) Al, Fe, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, In, Sn, Ta, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Pb, Bi. Наиболее часто встречаются Cu, Au, Ag, Pt; реже Bi, Sn, Hg; весьма редки Pb, Zn, In; находки остальных единичны. Состав самородных металлов как правило не однороден. Это обусловлено вхождением примесей, образованием продуктов распада твердых растворов и интерметаллических соединений – металлов друг с другом. Например, минерал электрум – смесь Au и Ag; поликсен – Fe и Pt и т. д.
К самородным полуметаллам* относят As, Se, Sb, Te. Встречаются редко.
*В современной литературе (например [9] ), термин «полуметаллы» трактуют как «вещества близкие по свойствам к типичным металлам, но обладающие в 102–105 раз меньшей электропроводностью».
Неметаллы представлены преимущественно полиморфными модификациями углерода (графит, алмаз) и серы (главным образом ромбическая сера). Встречаются довольно часто.
|
|
|
Электронные оболочки минералов класса не являются завершенными. Например, у углерода на внешней p –орбитали находится два электрона (завершенное состояние этой орбитали – шесть электронов); у серы на такой же орбитали четыре электрона и т. д. Инертность элементов объясняют устойчивостью их электронных оболочек. Здесь следует четко понимать, что такая устойчивость возможна только в узких границах параметров процессов минералообразования. При выходе за эти условия элементы образуют химические соединения. Лишь для металлов, называемых благородными – Au, Ag, а также Pt и платиноиды – Pd, Os, Ir, самородное состояние наиболее часто встречается в природе. Инертность других элементов возможна за счет образования на поверхности самородных минералов защитной пленки, препятствующей их реакции с окружающей средой.
Структурные мотивы наиболее часто встречаемых минералов класса представлены в табл. 2.21.
Таблица 2.21
Структурные мотивы самородных элементов
| Структурный мотив | Минералы |
| Координационный | Железо, медь, серебро, платина, золото, ртуть, алмаз |
| Кольцевой | Сера ромбической сингонии |
| Слоистый | Графит гексагональной сингонии |
Минералы класса могут образовываться как в эндогенных – преимущественно магматическая кристаллизация и гидротермы, так и экзогенных процессах – Au, Ag, Hg, Cu – зона окисления сульфидных месторождений. Сера обычна при эксгаляционном минералообразовании; кроме того – в экзогенных условиях при взаимодействии сульфатных осадочных пород с углеводородами (УВ). Здесь самородная сера – поисковый критерий, свидетельствующий о наличии УВ [40]. Алмаз связан с кимберлитами – эксплозивные ультраосновные магматические породы, образующие тела, называемые трубки взрыва. Кроме того – в астроблемах (греч. буквально – звездная рана) – место падения на Землю космического тела; алмазы очень мелкие, не ювелирные. Графит обычен при метаморфизме пород, обогащенных органическим веществом. Самородное железо в земных условиях встречается крайне редко (метаморфизм богатых Fe пород), но часто – в метеоритах. Здесь оно образует минералы камасит (до 6 % Ni) и тэнит (до 24 % Ni). Золото, платина, платиноиды, алмазы накапливаются в россыпях.
|
|
|
Физические свойства самородных металлов обусловлены наличием в кристаллоструктурной связи значительной доли металлической компоненты. Они обладают металлическим блеском, хорошей электрической проводимостью, ковки, пластичны. Плотность большая, отклонения от табличных значений (периодическая система элементов) обусловлены вхождением в состав минералов примесей и образованием интерметаллических соединений. Твердость 2,5–4,5; спайность либо отсутствует, либо несовершенная или весьма несовершенная.
Кристаллоструктурная связь самородной серы обусловлена слабыми межмолекулярными взаимодействиями (циклически связанные между собой молекулы S8, рис. 2.85). Поэтому минерал хрупок, легко крошится.
Рис. 2.85. Структура ромбической серы. Черным контуром «подняты» ближайшие к наблюдателю молекулы
Алмаз и графит (полиморфные модификации углерода) отличаются по физическим свойствам вследствие различной кристаллической структуры. Алмаз кристаллизуется в кубической сингонии, структурный мотив – координационный (рис. 2.86, а). Графит – гексагональная, слоистый (рис. 2.86, б). Отсюда алмаз – самый твердый минерал (10), графит очень мягок (1); алмаз – диэлектрик, графит – электропроводен и т. д.
Рис. 2.86. Кристаллическая структура алмаза (а) и графита (б)
Формы выделений самородных элементов разнообразны. Это каплевидные зерна (рис. 2.87), идиоморфные кристаллы (рис. 2.88), дендриты (рис. 1.27), которые часто формируются по трещинам или границам с сопутствующими минералами, ксеноморфные (греч. ксенос – чуждый) образования (рис. 2.89) и т. д.
Рис. 2.87. Каплевидные зерна самородной меди (красное вверху)
Рис. 2.88. Кристалл алмаза в кимберлитовой породе
Рис. 2.89. Самородок золота ксеноморфных очертаний
Как объекты экономики представляют интерес скопления самородных золота, серебра, платины, меди, алмаза, графита, серы. Гораздо реже – сурьмы, мышьяка, ртути.
|
|
|
