Введение.

Всякие превращения вещества, связанные с изменением его состава, называются химическими реакциями. В земной коре, морях и озерах постоянно и непрерывно происходят такие превращения помимо воли и какого бы то ни было участия человека; эти реакции можно назвать естественными или природными.

Всякий продукт естественных реакций, вполне или приблизительно однородный физически и химически, называется минералом.

Большинство минералов существует в природе в твердом состоянии, но среди них есть жидкие, как например нефть, а исходя из приведенного определения, минералом можно назвать и всякий газ, образующийся в результате природных химических процессов.

В природе почти не встречается минералов абсолютно однородных. Эта неполная однородность их и некоторое непостоянство состава происходят в результате внешних условий, при которых минералы образуются, или являются следствием особых свойств химических элементов и минералов.

При своем образовании минералы захватывают частицы посторонних веществ, с которыми находятся в соприкосновении в момент образования. Эти посторонние, чуждые минералу вещества и оказываются примешанными к нему в переменном, случайном количестве, чисто механически. Иногда механическая примесь посторонних веществ к какому-нибудь минералу может количественно даже преобладать над веществом его и все-таки не изменяет характеристических свойств самого минерала.

Совершенно отлична от этой неоднородность минералов, происходящая от особых свойств вещества.

Свойства эти следующие:

1. Способность давать твёрдые, жидкие растворы;

2. Способность образовывать соединения переменного состава и

3. Способность химических элементов и их групп изоморфно замещать друг друга.

Эти явления гораздо глубже. Они имеют уже не случайный, механический, а физико-химический характер и подробнее будут описываться ниже.

В настоящее время известно около 2000 минералов, но далеко не все они имеют одинаковое значение как в природе, так и в жизни человека.

Всестороннее изучение минералов есть предмет минералогии

Минералогия принадлежит к циклу геологических наук, т. е. наук, изучающих неорганическую часть земного шара. Возраст минералогии, как науки, определяется периодом около двух тысяч лет. Таков возраст древнейшего , дошедшего до нас минералогического трактата Феофраста, ученика Аристотеля.

Вспомогательными для минералогии науками являются химия, физика, кристаллография и геология; сама же минералогия служит основой для петрографии и учения о полезных ископаемых.

Возникновением своим минералогия обязана горному делу. Для того чтобы найти минерал и затем использовать его, надо знать во-первых, что он собою представляет, как выглядит, какими обладает свойствами и в каких условиях образуется и находится.

Дальше надо уметь отделить, следовательно прежде всего отличить полезный минерал от бесполезного или даже вредного. Затем надо уметь обработать минерал с тем, чтобы извлечь из него полезную составную часть.

Минералогия по своему содержанию делится на две большие части: описательную и теоретическую. Описательная минералогия, как ясно из названия, занимается исследованием и описанием минералов и всех их свойств. Теоретическая минералогия стремится систематизировать данные минералогии описательной, найти закономерность тех или иных явлений в

минералах, объяснить их; она изучает и разрабатывает самые методы исследования минералов.

Как описательная, так и теоретическая минералогия изучают следующие свойства минералов:

1) морфологию (формы),

2)физические свойства,

3) химические свойства,

4) геология минералов ,

5)экономику их.

Из всех свойств минералов выделим физические и химические. К физическим относятся оптические, механические, электрические, магнитные, теплофизические свойства и плотность. К химическим свойствам отнесём степень реакционной способности минералов, особенности их взаимодействия с различными реагентами, растворимость. Есть и такие свойства минералов, которые можно назвать физико-химическими.

На различиях плотности, электрических и магнитных свойств основаны геофизические методы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых. Характер механических свойств определяет выбор способов измельчения минералов при обработке их руд. Физико-химические свойства поверхности зёрен и кристаллов влияют на поведение минералов при их флотации. Термодинамические и химические свойства проявляют в процессах минералообразования.

Физические свойства минералов

Хотя главные характеристики минералов (химический состав и внутренняя кристаллическая структура) устанавливаются на основе химических анализов и рентгеноструктурного метода, косвенно они отражаются в свойствах, которые легко наблюдаются или измеряются. Для диагностики большинства минералов достаточно определить их блеск, цвет, спайность, твердость, плотность.

Физические свойства минералов имеют большое практическое значение (радиоактивность, люминисценция, магнитность, твёрдость, оптические свойства и др.) и очень важны для их диагностики. Они зависят от химического состава и типа кристаллической структуры. Например, радиоактивные свойства минералов зависят от химического состава – наличие радиоактивных элементов, спайность минералов зависит от особенностей их кристаллической структуры, плотность - от химического состава и от типа кристаллической структуры. Физические свойства могут представлять скалярную величину (независимы от направления) , например плотность, или быть векторными (зависящими от направления) , например твёрдость, спайность, оптические свойства.

Блеск – качественная характеристика отраженного минералом света. Некоторые непрозрачные минералы сильно отражают свет и имеют металлический блеск. Это характерно для рудных минералов, например, галенита (минерал свинца), халькопирита и борнита (минералы меди), аргентита и акантита (минералы серебра). Большинство минералов поглощают или пропускают значительную часть падающего на них света и обладают неметаллическим блеском. Некоторые минералы имеют блеск, переходный от металлического к неметаллическому, который называется полуметаллическим.

Минералы с неметаллическим блеском обычно светлоокрашенные, некоторые из них прозрачны. Часто бывают прозрачными кварц, гипс и светлая слюда. Другие минералы (например, молочно-белый кварц), пропускающие свет, но сквозь которые нельзя четко различить предметы, называют просвечивающими. Минералы, содержащие металлы, отличаются от прочих по светопропусканию. Если свет проходит сквозь минерал, хотя бы в самых тонких краях зерен, то он, как правило, нерудный; если же свет не проходит, то он – рудный. Бывают, впрочем, и исключения: например, светлоокрашенный сфалерит (минерал цинка) или киноварь (минерал ртути) нередко прозрачны или просвечивают.

Минералы различаются по качественным характеристикам неметаллического блеска. Глина имеет тусклый землистый блеск. Кварц на гранях кристаллов или на поверхностях излома – стеклянный, тальк, разделяющийся на тонкие листочки по плоскостям спайности, – перламутровый. Яркий, сверкающий, как у алмаза, блеск называется алмазным.

Когда свет падает на минерал с неметаллическим блеском, то он частично отражается от поверхности минерала, а частично преломляется на этой границе. Каждое вещество характеризуется определенным показателем преломления. Поскольку этот показатель может быть измерен с высокой точностью, он является весьма полезным диагностическим признаком минералов.

Характер блеска зависит от показателя преломления, а оба они – от химического состава и кристаллической структуры минерала. В общем случае прозрачные минералы, содержащие атомы тяжелых металлов, отличаются сильным блеском и высоким показателем преломления. К этой группе относятся такие распространенные минералы, как англезит (сульфат свинца), касситерит (оксид олова) и титанит, или сфен (силикат кальция и титана). Минералы, состоящие из относительно легких элементов, также могут иметь сильный блеск и высокий показатель преломления, если их атомы плотно упакованы и удерживаются сильными химическими связями. Ярким примером является алмаз, состоящий только из одного легкого элемента углерода. В меньшей степени это справедливо и для минерала корунда (Al₂O₃), прозрачные цветные разновидности которого – рубин и сапфиры – являются драгоценными камнями. Хотя корунд состоит из легких атомов алюминия и кислорода, они так крепко связаны между собой, что минерал имеет довольно сильный блеск и относительно высокий показатель преломления.

Некоторые блески (жирный, восковой, матовый, шелковистый и др.) зависят от состояния поверхности минерала или от строения минерального агрегата; смоляной блеск характерен для многих аморфных веществ (в том числе минералов, содержащих радиоактивные элементы уран или торий).

Блеск	Пределы лучепреломления	Пределы отражательной способности, %	Характерные минералы	n	R
Стеклянный	1,3-1,9	2-10	Лед Флюорит Кварц Корунд Гранаты	1,309 1,434 1,544 1,763 1,763-1,895	2 3,1 4,5 7,8 7,6-9,5
Алмазный	1,9-2,5	10-19	Циркон Касситерит Сфалерит Алмаз	1,95 2,00 2,37 2,419	10,2 11,7 16,5 17,2
Полуметаллический	2,5-3,0	19-25	Колумбит Гематит	2,45 3,00	17,4 25,0
Металлический	>3,0	>25	Антимонит Молибденит	4,046 4,7	36,0 42,0

Цвет – простой и удобный диагностический признак.

Минералы могут иметь самые различные цвета и оттенки. Цвет минералов зависит от их внутренней структуры, от механических примесей и главным образом от присутствия элементов-хромофоров, т.е. носителей окраски. Известны многие элементы-хромофоры, таковы Cr, V, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, U, Mo и некоторые другие. Эти элементы могут быть в минерале главными, или могут быть в виде примесей.

В качестве примеров можно привести латунно-желтый пирит (FeS₂), свинцово-серый галенит (PbS) и серебристо-белый арсенопирит (FeAsS₂). У других рудных минералов с металлическим или полуметаллическим блеском характерный цвет может быть замаскирован игрой света в тонкой поверхностной пленке (побежалостью). Это свойственно большинству минералов меди, особенно борниту, который называют «павлиньей рудой» из-за его радужной сине-зеленой побежалости, быстро возникающей на свежем изломе. Однако другие медные минералы окрашены в хорошо всем знакомые цвета: малахит – в зеленый, азурит – в синий.

Некоторые неметаллические минералы безошибочно узнаются по цвету, обусловленному главным химическим элементом (желтому – серы и черному – темно-серому – графита и др.). Многие неметаллические минералы состоят из элементов, которые не обеспечивают им специфической окраски, но у них известны окрашенные разновидности, цвет которых обусловлен присутствием примесей химических элементов в малых количествах, не сопоставимых с интенсивностью вызываемой ими окраски. Такие элементы называют хромофорами; их ионы отличаются избирательным поглощением света. Например, густо-фиолетовый аметист обязан своей окраской ничтожной примеси железа в кварце, а густой зеленый цвет изумруда связан с небольшим содержанием хрома в берилле. Окраска обычно бесцветных минералов может появляться вследствие дефектов кристаллической структуры (обусловленных незаполненными позициями атомов в решетке или вхождением посторонних ионов), которые могут вызвать селективное поглощение некоторых длин волн в спектре белого света. Тогда минералы окрашиваются в дополнительные цвета. Рубины, сапфиры и александриты обязаны своей окраской именно таким световым эффектам.

Бесцветные минералы могут быть окрашены механическими включениями. Так, тонкая рассеянная вкрапленность гематита придает кварцу красный цвет, хлорита – зеленый. Молочный кварц замутнен газово-жидкими включениями. Хотя цвет минералов – одно из самых легко определяемых свойств при диагностике минералов, его надо использовать с осторожностью, так как он зависит от многих факторов.

Несмотря на изменчивость окраски многих минералов, цвет порошка минерала весьма постоянен, а потому является важным диагностическим признаком. Обычно цвет порошка минерала устанавливают по черте (т.н. «цвету черты»), которую оставляет минерал, если им провести по неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквиту). Например, минерал флюорит бывает окрашен в разные цвета, но черта у него всегда белая.

Излом - вид или характер поверхности, получающийся при раскалывании минералов. Минералы обладающие совершенной спайностью в 1-2 направлениях дают ровный излом; если число направлений совершенной спайности возрастает до 3 и более, то излом может быть ступенчатым. Для минералов с несовершенной или весьма несовершенной спайностью часто наблюдается раковистый или неровный излом. Минералы волокнистого сложения характеризуются занозистым изломом. Самородные металлы (медь, железо) обнаруживают крючковатый излом.

Спайность. Характерным свойством минералов является их поведение при раскалывании. Например, кварц и турмалин, поверхность излома которых напоминает скол стекла, имеют раковистый излом. У других минералов излом может быть описан как шероховатый, неровный или занозистый. Для многих минералов характеристикой служит не излом, а спайность. Это означает, что они раскалываются по гладким плоскостям, непосредственно связанным с их кристаллической структурой. Силы связи между плоскостями кристаллической решетки могут быть различными в зависимости от кристаллографического направления. Если в каких-то направлениях они гораздо больше, чем в других, то минерал будет раскалываться поперек самой слабой связи. Так как спайность всегда параллельна атомным плоскостям, она может быть обозначена с указанием кристаллографических направлений. Например, галит (NaCl) имеет спайность по кубу, т.е. три взаимоперпендикулярных направления возможного раскола. Спайность характеризуется также легкостью проявления и качеством возникающей спайной поверхности. Слюда обладает весьма совершенной спайностью в одном направлении, т.е. легко расщепляется на очень тонкие листочки с гладкой блестящей поверхностью. У топаза спайность совершенная в одном направлении. Минералы могут иметь два, три, четыре или шесть направлений спайности, по которым они одинаково легко раскалываются, либо несколько направлений спайности разной степени. У некоторых минералов спайность вообще отсутствует. Поскольку спайность как проявление внутренней структуры минералов является их неизменным свойством, она служит важным диагностическим признаком.

Для оценки спайности существует следующая шкала:

1. Спайность весьма совершенная - кристалл колется на тончайшие

пластинки с зеркальной поверхностью (слюда, гипс).

2. Спайность совершенная кристалл в любом месте колется по определённым направлениям, образуя ровные поверхности; неправильный излом получается крайне редко (кальцит, галит, галенит) .

3. Спайность средняя - при расколе образуются как ровные спайные

поверхности, так и неровные поверхности излома (полевые шпаты, роговая обманка).

4. Спайность несовершенная ровные спайные поверхности редки, при изломе большей частью образуется неправильный излом (берил, апатит).

5. Спайность весьма несовершенная - практически нет спайности, кристаллы имеют неровные поверхности излома при расколе (кварц, касситерит).

В различных направлениях спайность кристалла может быть одинаковой или разной по степени совершенства.

Прозрачность. Под этим термином подразумевается способность вещества пропускать свет. В зависимости от степени прозрачности все минералы подразделяются на прозрачные (горный хрусталь, исландский шпат), полупрозрачные (сфалерит, киноварь) и непрозрачные (пирит, галенит). Некоторые непрозрачные минералы, например, скрытокристаллическая разновидность кварца, получившая название халцедон, просвечивается в краях - в тонких обломках. Некоторые прозрачные минералы, например, исландский шпат, обнаруживают эффект двулучепреломления: просматривающиеся через исландский шпат буквы или штриховые рисунки удваиваются.

Хрупкость. Хрупкие минералы от удара молотком рассыпаются на куски. При царапаньи их получается тонкий порошок.

Отдельность. Кроме спайности, являющейся результатом внутреннего строения кристаллов, минералы нередко бывают разбиты еще трещинами отдельности, являющимися результатом действия внешних причин: давления или изменений температуры. Морфологически трещины отдельности отличаются от спайности тем, что 1) не всегда, даже редко, являются строго плоскими, 2) не вполне параллельны друг другу, 3) не всегда параллельны (даже приблизительно) какой – либо из граней кристалла, 4) не могут быть воспроизведены искусственно между двумя соседними трещинами, 5) нередко одна и та же трещина переходит из одного кристалла или зерна в соседнее. Иногда же отдельность бывает совершенно точно ориентирована, как например по пинакоиду у корунда (Al₂O₃) .

В отдельности иногда можно, кроме ее направления в кристалле, различать также и степень ее совершенства. Под последней можно понимать степень приближения трещин отдельности к плоскости, а также степень их развития в кристаллах: густоту и протяженность. В этом отношении отдельности корунда и диаллага могут быть отнесены к самой высшей категории. Трещины отдельности у них совершенно плоски, взаимно-параллельны, настолько густы и выдержаны, это при первом знакомстве с минералами всегда признаются спайнностью, а для диаллага это смешение понятий и иногда даже встречается в литературе.

Менее совершенны отдельности например у апатита и актинолита. Трещины обычно довольно густо расположены, ориентированы в одном направлении, главным образом поперек удлинения кристаллов, но имеют более или менее извилистый характер. Однако минералы так сильно разбиты ими, что от удара молотком или даже под пальцами крошатся в мелкие обломки, что нередко затрудняет испытание твердости, Руководствуясь этими свойствами отдельности, можно отличать некоторые минералы, например актинолит от игольчатых разностей эпидота.

Штриховатость также относится к числу морфологических свойств кристаллов и представляет следующее. Иногда грани кристаллов бывают неровными, покрытыми мелкими прямолинейными бороздками, как бы штрихами. Это происходит от трех причин.

Штриховатость комбинационная происходит вследствие того, что на большой грани кристалла нарастают другие весьма узкие граньки. Например у эпидота, турмалина; треугольная штриховатость на базопинакоиде корунда.

В других случаях штриховатость является результатом тонкого полисинтетического двойникового сложения минерала. Это штриховатость двойниковая, нередко отчетливо наблюдаемая на зернах плагиоклазов.

Иногда штриховатость возникает от пересечения плоскостей спайности с гранью. Например ромбоэдрическая штриховка на гранях скаленоэдра у кальцита, октаэдрическая штриховка на гранях куба у флюорита.

У разных минералов штриховатость располагается различно: штрихи соседних граней или служат продолжением друг друга, как на гранях призмы кварца или взаимно – перпендикулярны, как на соседних гранях куба пирита или повторяют очертания грани, на которой наблюдаются, как на квадратном пинакоиде везувиана, или присутствуют, например на кубах перосквита, в виде системы пересекающихся штрихов, параллельных ребрам куба. Свойство это столь постоянно, что служит нередко хорошим признаком для определения минерала.

Ковкость. Ковкие минералы от удара молотком закругляются в краях и сплющиваются. При царапаньи их порошка не получается, но остается блестящий след.

Гибкие минералы способны изгибаться без излома, К числу таких принадлежат некоторые чешуйчатые, листоватые и волокнистые минералы: слюды, хлориты, тальк, некоторые разновидности гипса, амфиболовый и хризотиловый асбесты.

Твердость – сопротивление, которое минерал оказывает при царапании. Твердость зависит от кристаллической структуры: чем прочнее связаны между собой атомы в структуре минерала, тем труднее его поцарапать. Тальк и графит – мягкие пластинчатые минералы, построенные из слоев атомов, связанных между собой очень слабыми силами. Они жирные на ощупь: при трении о кожу руки происходит соскальзывание отдельных тончайших слоев. Самый твердый минерал – алмаз, в котором атомы углерода так прочно связаны, что его можно поцарапать только другим алмазом. В начале 19 в. австрийский минералог Ф.Моос расположил 10 минералов в порядке возрастания их твердости. С тех пор они используются как эталоны относительной твердости минералов, т.н. шкала Мооса (табл. 1).

Таблица 1. ШКАЛА ТВЕРДОСТИ МООСА
Минерал	Относительная твердость
Тальк	1
Гипс	2
Кальцит	3
Флюорит	4
Апатит	5
Ортоклаз	6
Кварц	7
Топаз	8
Корунд	9
Алмаз	10

Чтобы определить твердость минерала, необходимо выявить самый твердый минерал, который он может поцарапать. Твердость исследуемого минерала будет больше твердости поцарапанного им минерала, но меньше твердости следующего по шкале Мооса минерала. Силы связи могут меняться в зависимости от кристаллографического направления, а поскольку твердость является грубой оценкой этих сил, она может различаться в разных направлениях. Эта разница обычно невелика, исключение составляет кианит, у которого твердость 5 в направлении, параллельном длине кристалла, и 7 – в поперечном направлении. В минералогической практике используется также измерение абсолютных значений твердости (т.н. микротвердости) при помощи прибора склерометра, которая выражается в кг/мм².

Побежалость - пёстрая или радужная окраска приповерхностного слоя. Она объясняется появлением тонких поверхностных плёнок за счёт изменения, например окисления, минералов.

Цвет черты. Минералы, твёрдость которых невелика, оставляют черту на неглазурованной фарфоровой пластинке. Цвет черты, или цвет минерала в порошке может отличаться от цвета самого минерала.

Упругостью обладают в той или иной степени все минералы. Нас интересует грубое проявление этого свойства, когда минерал, будучи изогнут на значительный угол и будучи после этого предоставлен сам себе, принимает прежнюю форму. Этим свойством обладают лишенные кальция слюды, что позволяет отличить их, с одной стороны, от хрупких слюд, ломающихя, но не гнущихся, существенным компонентом которых является кальций, а с другой стороны – от хлоритов, таких же чешуйчатых, гибких, но не упругих.

Из волокнистых некоторые амфиболы и хризотил обладают способностью «трепаться». При растрепывании они дают тончайшее эластичное волокно, поддающееся текстильной обработке. Это свойство вместе с кислотно- и огнеупорностью делает их ценнейшим техническим продуктом. Эти минералы носят технологическое название асбестов.

Удельный вес минералов в учебниках и справочниках дается в обычном виде – цифрой; при определении же минералов оценивается приблизительно взвешиванием в руке. Одно это испытание определяет принадлежность минерала к определенной группе: легких, средних, тяжелых.

Эти условные понятия следует различать для минералов с металлическим блеском – рудных и минералов с неметаллическим блеском – нерудных (чаще). При общем сравнении последние всегда окажутся легкими и в редких случаях попадут в средние.

Плотность. Масса атомов химических элементов меняется от водорода (самый легкий) до урана (самый тяжелый). При прочих равных условиях масса вещества, состоящего из тяжелых атомов, больше, чем у вещества, состоящего из легких атомов. Например, два карбоната – арагонит и церуссит – имеют сходную внутреннюю структуру, но в состав арагонита входят легкие атомы кальция, а в состав церуссита – тяжелые атомы свинца. В результате масса церуссита превышает массу арагонита того же объема. Масса единицы объема минерала зависит также от плотности упаковки атомов. Кальцит, как и арагонит, представляет собой карбонат кальция, но в кальците атомы упакованы менее плотно, потому он имеет меньшую массу единицы объема, чем арагонит. Относительная масса, или плотность, зависит от химического состава и внутренней структуры. Плотность – это отношение массы вещества к массе того же объема воды при 4 С. Так, если масса минерала составляет 4 г, а масса того же объема воды – 1 г, то плотность минерала равна 4. В минералогии принято выражать плотность в г/см³. Плотность – важный диагностический признак минералов, и ее нетрудно измерить. Сначала образец взвешивается в воздушной среде, а затем – в воде. Поскольку на образец, погруженный в воду, действует выталкивающая сила, направленная вверх, его вес там меньше, чем в воздухе. Потеря веса равна весу вытесненной воды. Таким образом, плотность определяется отношением массы образца на воздухе к потере его веса в воде.