- •I. 51.01.01 «Геология и разведка месторождений
- •28 Октября 2005 г., протокол №
- •Предисловие
- •Лекция 1
- •Объекты и содержание минералогии
- •Значение минералов для человека
- •История развития минералогии
- •История развития минералогии в России
- •Лекция 2
- •Минералы в строении вселенной Минералы метеоритов
- •Строение земной коры и минералогическая зональность
- •Химическая связь
- •Кристаллическая структура минералов
- •Лекция 3
- •Полиморфизм и полиморфные модификации
- •Псевдоморфозы (ложные кристаллы)
- •Явление изоморфизма
- •Типы изоморфизма
- •Изоструктурные минералы
- •Твердые растворы
- •Лекция 4
- •Химический состав минералов
- •Химические анализы
- •Расчет формул минералов
- •Расчет формулы сфалерит
- •Расчет формулы граната
- •Причины кристаллизации минералов
- •Аморфные и скрытокристаллические минералы
- •Лекция 5
- •Морфология кристаллов Закон постоянства гранных углов
- •Двойниковые сростки кристаллов
- •Микрорельеф поверхности кристаллов
- •Пирамиды и зоны роста кристаллов
- •Расщепленные кристаллы, скелетные кристаллы и дендриты, метасомы, пойкилосомы
- •Включения в кристаллах
- •Облик и габитус кристаллов
- •Морфология кристаллических агрегатов
- •Лекция 6
- •Физические и химические свойства минералов
- •Анизотропия свойств кристаллов
- •Физические свойства изоморфных смесей
- •Оптические свойства
- •Отражение и преломление света
- •Поляризация и двойное лучепреломление
- •Светопроницаемость (прозрачность)
- •Лекция 7
- •Окраска минералов
- •Собственные окраски минералов Окраска за счет избирательного светопоглощения
- •Анизотропия окраски
- •Игра и переливы цвета
- •Чужеродные окраски
- •Лекция 8
- •Цвет черты
- •Люминесценция
- •Плотность
- •Механические свойства
- •Твердость
- •Спайность, излом
- •Лекция 9
- •Прочность минералов
- •Магнитные свойства минералов
- •Электрические свойства
- •Пьезоэлектричество
- •Пироэлектричество
- •Радиоактивность
- •Лекция 10
- •Определение и описание минералов
- •Макроскопическая идентификация минералов
- •Физические свойства минералов
- •Морфология кристаллов
- •Цвет и черта
- •Твердость
- •Плотность и методы ее определения
- •Лекция 11
- •Спайность, отдельность и излом
- •Прочность
- •Специальные физические тесты
- •Люминесценция
- •Магнетизм
- •Электрические свойства
- •Радиоактивность
- •Минеральные ассоциации
- •Химические тесты при изучении минералов
- •Растворимость
- •Вкус и запах
- •Лекция 12
- •Лабораторные методы определения минералов
- •Устройство микроскопа
- •Оптические методы определения минералов
- •Изучение прозрачности
- •Изучение формы зерен
- •Исследование включений
- •Определение оптического класса
- •Определение показателя преломления
- •Изучение окраски минерала и плеохроизма
- •Определение силы двупреломления
- •Угол погасания
- •Изучение минералов в сходящемся свете
- •Лекция 13
- •Основные методы определения ювелирных минералов
- •Рефрактометр. Определение показателя преломления
- •Полярископ
- •Рефлектометр
- •Определение окраски ювелирных камней
- •Цветной фильтр Челси
- •Дихроизм и дихроскоп
- •Спектроскоп
- •Лекция 14
- •Методы исследования структуры минералов
- •Дифракция рентгеновских лучей
- •Виды дифракционных исследований
- •Порошковый метод рентгенографии
- •Монокристалльный метод рентгенографии
- •Дифракция нейтронов
- •Дифракция электронов и электронный микроскоп
- •Методы исследования химического состава минералов
- •Электронно-зондовый микроанализ
- •Рентгеновский флуоресцентный анализ
- •Лекция 15
- •Генетическая минералогия
- •Среды минералообразования
- •Причины и способы минералообразования
- •Типы минеральных месторождений
- •Лекция 16
- •Эндогенное минералообразование
- •Магматический этап минералообразования (магматические минеральные месторождения)
- •Лекция 17
- •Минеральные ассоциации пегматитов
- •Гидротермальное минералообразование
- •Полезные ископаемые гидротермальных образований
- •Контактово-метасоматическое минералообразования
- •Скарны и грейзены
- •Полезные ископаемые скарнов
- •Полезные ископаемые грейзенов
- •Метаморфическое минералообразование
- •Минеральные ассоциации метаморфизованных месторождений
- •Минеральные ассоциации метаморфических месторождений
- •Лекция 18
- •Экзогенное минералообразование Минералы коры выветривания
- •Минералы осадочных пород
- •Обломочные осадочные месторождения
- •Хемогенные осадочные месторождения
- •Биогенные осадочные месторождения
- •Диагенетическое минералообразование
- •Заключение
- •Литература
- •Дополнительная
- •Оглавление
Химическая связь
Кристаллы построены из материальных частиц – ионов, атомов или молекул, геометрически правильно расположенных в пространстве. Эти частицы для простоты представляют в виде точек, поэтому возникло представление о пространственной кристаллической решетке. В ней выделяют узлы (отдельные точки, центры тяжести атомов и ионов), ряды (ряд – совокупность узлов, лежащих на одной прямой) и плоские сетки (плоскости, проходящие через любые три узла).
Основными единицами структуры кристалла служат атомы или ионы, т. е. те же атомы, несущие электрические заряды. Атом, отдавший один или несколько своих электронов, называют катионом и обозначают положительным индексом (например, Zn2+); атом, присоединивший к себе дополнительные электроны или электрон, именуют анионом и снабжают отрицательным индексом (например,S2–). Любой из атомов может либо быть самостоятельным, либо образовывать группировку с другими атомами, которая ведет себя как одно целое, например (CO3)2–, называют их радикалами или анионными группами. Условно предполагают, что атомы ведут себя как несжимаемые сферы, хотя это не так. Такое предположение облегчает понимание структур минералов, поэтому мы им также будем пользоваться.
Атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, окруженного одной или несколькими электронными оболочками. В целом его можно представить как сферу с величиной радиуса в 0,1 нм. Радиус зависит не только от типа химического элемента, но и от характера взаимосвязи с соседними атомами. Такие связи между близкорасположенными атомами называются химическими. При рассмотрении кристаллических структур главное значение имеют четыре типа связи: металлическая, ковалентная, ионная и вандерваальсова. Эти связи не исключают одна другую; в частности, во многих минералах могут одновременно осуществляться более чем один тип связи, например, ионно-ковалентная, ионно-ковалентно-металическая и др.
Металлическая связь характерна для меди, золота и других типичных металлов. Их атомы, как известно, имеют в изолированном состоянии крупные размеры (золота 1,44 нм, меди 1,28 нм), а внешние электроны слабо связаны с ядром. В кристаллической решетке металлов внешние электроны свободно перемещаются в пространстве между атомами (они образуют так называемый электронный газ). Характерные свойства минералов с такой связью – высокие электро- и теплопроводность, хорошая ковкость, металлический блеск.
Ковалентная связь типична для инертных газов, для которых характерно почти полное отсутствие способности к химическим реакциям. В молекулах газов типа Cl2связь осуществляется за счет обобществления внешних электронов у электронейтральных атомов. Нейтральный атом хлора (в третьем периоде под номером 17), имеет семь внешних электронов (распределение электронов по орбиталям: 1s22s22p63s23p5). Ближайший к нему инертный газ аргон имеет максимально устойчивую для элементов третьего периода внешнюю оболочку из восьми электронов(3s23p6). Поэтому на рисунке видно, что каждый атом хлора в молекулы Сl2 становится обладателем восьми внешних электронов, т. е. молекула становится стабильной, ковалентная связь обеспечивает ее прочность. Наиболее ярким примером минерала с ковалентной связью может служить алмаз, где каждый атом углерода окружен четырьмя другими атомами углерода, каждый из которых делит по одному своему электрону с центральным атомом. Этот мотив повторяется во всей структуре, и каждый кристалл представляет собой единую гигантскую молекулу.
Ионная связь образуется за счет электростатического (кулоновского) притяжения противоположно заряженных ионов, например электроположительного Na+и электроотрицательногоCl–вNaCl, ионов Са2+иF–в СаF2. Сила электростатического притяжения ионов и стабильность таких молекул зависят от заряда ионов и их размеров: чем больше заряд и меньше ион, тем прочнее он связан со своим соседом. Это очень важный тип связи, который играет большую роль в структурах минералов.
Вандерваальсова (остаточная) химическая связь наиболее характерна для кристаллических структур, образуемых затвердевшими (замороженными) инертными газами (гелием, аргоном, неоном и др.). Эту связь легко объяснить с позиций квантовой физики, а не с классических позиций. Поэтому, мы скажем только, что вандерваальсовы силы возникают в результате электрического дисбаланса, связанного со смещением положительного заряда ядра из центра окружающего это ядро отрицательно заряженной оболочки. Эти силы играют сравнительно небольшую роль в минералах, которая сводится, главным образом, к ослаблению прочности структур отдельных минералов.
Рассмотренные идеализированные простейшие схемы лежат в основе представлений о реальных химических связях между атомами в бесконечном пространстве кристаллической решетки минералов. В ней все атомы взаимодействуют со своими соседями, а те, в свою очередь, со своими соседями. В результате возникает общее кристаллическое пространство взаимодействующих атомов, коротко его называют кристаллическим полем.