Мінерал

МІНЕРА́Л (від пізньолат. minera — руда) — природна хімічна сполука кристалічної будови, що утворюється внаслідок геологічних процесів. Це визначення охоплює тільки типові (класичні) об’єкти мінералогії геол. походження, які є складовою частиною гірських порід і руд. Водночас серед М. є нетипові, ускладнені та сумнівні об’єкти: мінералоїди (напр., опал — твердий колоїд з елементами кристалічності); метаміктні (аморфні) продукти, які виникають унаслідок опромінення кристаліч. індивідів; лід — М., проте є об’єктом не мінералогії, а гляціології; рідка ртуть, навпаки, є об’єктом мінералогії, хоча не має кристаліч. будови. Дискусійними є хім. сполуки кристаліч. будови, які або одержують штучно (синтетично), або ж вони формуються в процесі техногенезу чи в живих організмах. Їх вважають другоряд. об’єктами мінералогії й називають, відповідно, мінерали штучні, техногенні мінерали, біомінерали.

Поняття про М. виникло давно. На початк. етапі розвитку мінералогії воно було синонімом слова копалина й охоплювало власне М. (у сучас. розумінні), гірські породи, руди та скам’янілості. Наприкінці 19 — на поч. 20 ст. В. Вернадський зачислив до М. кристалічні, аморфні, рідкі й газоподібні утворення. У сучас. мінералогії таке широке трактування поняття «М.» не прийнятне (його притримувався рос. геолог і мінералог В. Барабанов), оскільки суттєвою ознакою М. є кристаліч. стан.

Кристалохімія мінералів. Її осн. елементами є атоми хім. елементів (їхня будова й форма), хім. зв’язок між ними (іонний, ковалент., донорно-акцептор., металіч., молекуляр.), розмір (атом. та іонний радіус), ефектив. заряд, координац. число та координац. поліедри, щільна упаковка. Атоми хім. елементів формують кристалічну структуру М. — сукупність регулярно (закономірно) розташованих у просторі структур. одиниць: атомів, іонів, молекул; структури зображають у вигляді моделей — розріджених (куль), щільно упакованих та поліедричних. За структур. особливостями розрізняють ізодесмічні (гомодесмічні) та анізодесмічні (гетеродесмічні) М. Серед ізодесмічних виділяють М. з координац. (галіт, флюорит, сфалерит) і каркас. (мікроклін, шабазит) мотивами, серед анізодесмічних — з острів. (олівін, циркон, кальцит, монацит), кільцевим (берил), ланцюжк. (кіновар, піроксени), стрічк. (амфіболи, антимоніт) і шаруватим (каолініт, молібденіт) мотивами. Характерні кристалохім. явища: морфотропія, поліморфізм, політипія, порядок і непорядок, дефектність. Вони притаманні М. однакового хім. складу й тісно пов’язані з сукуп. дією внутр. (електронна взаємодія атомів) та зовн. (температура, тиск, концентрація) чинників. Мор­фотропія — відмінність у кристаліч. структурі в закономір. ряду М. зі сталим кількіс. співвідношенням структур. одиниць, напр., зміна кальцит. структури (тригонал. сингонія) на арагонітову (ромбічна сингонія). Поліморфізм — здатність твердих речовин існувати у двох або декількох формах з різною кристаліч. структурою і властивостями за однакового хім. складу. Такі М. називають поліморф. модифікаціями, або поліморф. формами. Вони належать до різних сингоній, мають різні морфол. й фіз. властивості та походження, власні назви (С — алмаз і графіт, Fe[S₂] — пірит і марказит, ТіО₂ — рутил, анатаз і брукіт, Са[СО₃] — кальцит і арагоніт), іноді їх позначають грец. буквами (α-кварц, β-кварц). Найбільше поліморф. модифікацій має SiO₂: кварц, тридиміт, кристобаліт, коесит, стишовіт та ін. Політипія — здатність речовини кристалізуватися в декількох різних модифікаціях так, що два параметри елементар. комірки однакові, а третій — змінний. Утворені в такий спосіб кристалічні речовини називають політипними. Найбільше політип. модифікацій характерно для SiC (~ 50), вони досить поширені в слюдах (1М, 2М₁, 3Т, 2О, 2М₂, 6Н), типові для змішаношаруватих М., молібденіту, сфалериту. Явище порядку–непорядку особливо притаманне польовим шпатам і шаруватим силікатам, у яких його добре вивчено. У лужних польових шпатах важливим є впорядкування Al і Si, виявлене у т. зв. рентґенів. триклінності Δр (ступінь відхилення структури від моноклін. симетрії); її визначають за ступенем розщеплення на дифракто­грамах рефлексів 131–13̅1, 130–13̅0. У шаруватих силікатах порядок–непорядок найбільше притаманний змішаношаруватим М., у структурі яких з тим чи ін. ступенем порядку чергуються шари різного типу. Дефекти в структурі М. бувають точкові, лінійні, площинні та об’ємні. Серед них найбільше поширені вакансії та міжвузл. атоми, а також домішк. атоми й електронно-діркові центри. Хім. склад М. і пов’язане з ним явище ізоморфізму. У хім. складі М. наявні майже всі хім. елементи період. системи. У земній корі переважає 10 порівняно легких елементів — О, Si, Al, Fe, Са, Nа, К, Mg, Ti, Н, які становлять 99,63 %, на решту елементів припадає до 1 %. Усі елементи в складі М. поділяють на 4 групи: головні (визначають мінерал. вид); елементи-домішки (з різних причин входять у кристалічну ґратку М.-господаря); ізотопи хім. елементів; елементи, пов’язані з мех. домішками чи забрудненням. Гол. значення мають елементи першої–третьої груп. За кількістю влас. М. серед елементів домінують О і Н, які містяться у складі, відповідно, 2802 та 1877 мінерал. видів. Дуже мало М. утворюють Rb, Hf, Re, Br, Sc, Ga, Cd, Ru, Rh. Причиною обмежень кількості мінерал. видів є явище ізоморфізму — взаємне заміщення атомів (або їхніх груп) хім. елементів в еквівалент. позиціях кристаліч. структури без порушення її будови. Унаслідок цього формуються М. змін. складу, які ще називають ізоморф. сумішами, змішаними кристалами, твердими розчинами. Розрізняють ізоморфізм трьох типів: ізовалентний (Mg²⁺–Fe²⁺, Mn²⁺–Fe²⁺, Mn²⁺–Са²⁺, Со²⁺–Ni²⁺, Аl³⁺–Fe³⁺, Та⁵⁺–Nb⁵⁺, (ОН)^––F^–), ге­­теровалентний (2Fe³⁺↔Fe²⁺+Ті⁴+, Na⁺Si⁴⁺↔Са²⁺Al³⁺, 3Mg²⁺⇠2Al³⁺+Cl^–, Si⁴⁺⇠Al³⁺+[Li⁺] або [Na⁺]) та аномальний, або ізоморфізм особ­ливого роду (передбачає заміщення таких структур. елементів, як ланцюжки, шари, блоки, унаслідок чого виникають змішаноланцюжк., змішаношаруваті та змішаноблок. структури). Розроблено певні правила й закони ізоморфізму в М.: розмірне емпіричне 15-відсотк. правило Ґольдшмідта, правило полярності Ґольдшмідта–Ферсмана, закон діагонал. рядів Ферсмана, правило збільшення ізоморф. змішуваності з підвищенням температури і збільшення структур. одиниці твердого розчину та ін. За розмір. критерієм розрізняють ізоморфізм дуже досконалий, досконалий, обмежений, недосконалий і дуже недосконалий.

Водень у складі М. представлений у 4-х гол. формах: Н⁺, (ОН)^–, Н₂О і (Н₃О)+. Розрізняють такі типи води в М.: конституційна, яка входить у кристалічну ґратку у вигляді (ОН)^– (тальк Mg₃(ОН)₂[Si₄О₁₀]); кристалізаційна, або кристалогідратна вода Н₂О (гіпс СаSO₄∙2Н₂О); цеолітна вода Н₂О, яка міститься у великих порожнинах і каналах, легко виділяється під час нагрівання і вбирається на повітрі; адсорбційна — молекули Н₂О, сорбовані силою поверхн. енергії М., і міжплощинна, яка виділяється за низької температури (до 110 °С); вода оксонію (Н₃О)⁺ у структурі М. є аналогом К⁺, рідше Na⁺, часто заміщує їх ізоморфно (алуніт, уранові слюдки, шаруваті й каркасні силікати). Конституц. і кристалізац. вода виділяється з М. під час нагрівання за достатньо високої температури, що супроводжується руйнуванням його кристаліч. ґратки. Радіоакт. елементи або формують власні М. (уранініт UO₂, торит ThO₂), або входять до складу М. ізоморфно. З ними пов’язані явища радіоактивності й радіоактив. розпаду, що їх використовують для визначення ізотоп. (абсолют.) віку М. Нині особливу увагу приділяють ізотоп. складу елементів у М., оскільки він має важливе значення в генет. мінералогії. Найдетальніше досліджено ізотоп. склад Н, С, S й О. Хім. склад М. виражають кристалохім. формулою, яка найчастіше охоплює такі характеристики: ізоморфні заміщення, валентність, координац. число, структур. мотив, дефективність структури, політипна модифікація. Формулу обчислюють за результатами хім. аналізу декількома методами, які детально описано в спец. працях і підручниках.

Морфологія та анатомія М. М. в природі наявні у вигляді мінерал. індивідів, закономір. зростків і агрегатів. Розрізняють 4 розмірні рівні мінерал. індивідів: мета- (понад 1 м), макро- (1–10^–4 м), мікро- (10^–5–10^–6 м) та наномінерали (10^–7–10^–9 м). Гол. кристаломорфол. характеристиками індивідів є габітус і обрис. Габітус М. визначений переваж. розвитком простих форм на його кристалах (кубіч., пінакоїдал., ромбоедричний тощо). Обрис кристала пов’язаний зі ступенем його розвитку вздовж 3-х взаємно перпендикуляр. напрямів; розрізняють 3 осн. типи обрису: ізометр., видовжений і пластинчастий. Уживають також прикметники зерно-, нитко-, зірко-, списо-, обеліскоподібний, листуватий, лускуватий тощо. Трапляються футляроподібні, розщеплені та скручені кристали. Серед закономір. зростків розрізняють паралел. зростки, двійники та епітаксичні зростки. Найпоширенішими й найрізноманітнішими є двійник. зростки, серед яких наявні двійники зростання (полісинтет. двійники плагіоклазу) та двійники проростання (хрестоподібні двійники ставроліту). Нині у М. виявлено понад тисячу законів двійникування. Серед епітаксич. зростків найтиповіша епітаксія ортоклазу і кварцу, характерна для закономір. кварц-польово­шпат. зрощень у т. зв. письмових гранітах. Надзвичайно різноманітна морфологія мінерал. агрегатів. Серед них розрізняють зернисті агрегати (найбільш поширені), дендрити, друзи, секреції, конкреції, сфероліт., натічні, ооліт., землисті й пухкі агрегати, вицвіти, нальоти. Гол. елементами анатомії кристалів є піраміди росту грані, поверхні росту ребер і лінії росту вершин, зони росту та зональність; їх виявляють структур. травленням, іонізац. опроміненням, оптич. дослідженнями і рентґенів. топографією. Найінформативніше генетичне значення мають включення в М. (тверді, флюїдні, первинні, вторинні та ін.).

Властивості М. тісно пов’язані з їхнім хім. складом і структурою. Найважливішими є такі властивості: світлозаломлення (значення показників заломлення n_g, n_m, n_р, кут між оптич. осями 2V, °); світлопоглинання і прозорість, світловідбиття і блиск (скляний, алмаз., напівметал., метал.); забарвлення (ідіохроматичне, або власне, зумовлене наявністю елементів-хромофорів; алохроматичне, або чуже, зумовлене наявністю йонів перехід. металів (хромофорів) чи мех. домішок ін. забарвлених мінерал. фаз; псевдохроматичне, спричинене колір. ефектами, пов’яза-ними з явищами фіз. оптики (дисперсія показника заломлення, розсіяння світла, іризація, опалесценція); забарвлення М., спричинене структур. й домішк. зарядовими дефектами, електрон. й дірк. центрами); люмінесценція (фото-, рентґено-, катодо-, термолюмінесценція); густина (розрізняють дуже легкі, легкі, середні, важкі та дуже важкі М.); мех. (твердість відносна й абсолютна, крихкість, ковкість, пружність); магнітні (магнітне сприйняття, залишк. магнетизм); електр. (електропровідність, піро- і п’єзоелектр. ефект).

Генезис М. охоплює такі явища: власне утворення — зародження, ріст, зміни та руйнування М.; спосіб утворення — фіз.-хім. (вільна кристалізація, метасомат. заміщення, перекристалізація, поліморфне перетворення, розпад твердого розчину тощо); геол. процеси мінералоутворення — магматич., пневматоліт., гідротермал., осад., метаморфічний. Генезис мінерал. індивідів і агрегатів називають онтогенією, а генезис мінерал. видів і парагенезисів — філогенією. Парагенезис М. — мінерал. асоціація, чл. якої пов’язані спільністю утворення. Геол. процеси, під час яких формуються мінерал. комплекси гірських порід і руд, за джерелом енергії й особливостями утворення М. поділяють на 3 великі групи: ендогенну, яка охоплює магматич., пегматит. і післямагматич. (пневматоліт., гідротермал. і метасоматич.) процеси, екзогенну, у якій розрізняють гіперген. (звітрювання) та осад. процеси, і метаморфогенну, яка охоплює власне метаморфіч. процес та ударно-метаморфіч. (імпактний).

Поширення М., їхні назви та класифікація. Відомо понад 5 тис. мінерал. видів, з них в Україні виявлено бл. 1 тис. До найпоширеніших належать силікати, оксиди й гідроксиди, сульфіди та їхні аналоги. Кожний мінерал. вид чи різновид має свою назву. Більшість назв М. утворена від грец. слів з додаванням закінчення -іт (-ит). Достатньо поширені назви М., пов’язані з їхнім хім. складом (кальцит, манганіт), фіз. властивостями (лейцит, ортоклаз), іменами учених і відомих людей (вернадськіт, гетит), місцем знаходження (ільменіт, андалузит) тощо. У впорядкуванні термінології й номенклатури М. важливе значення мало видання «Мінералогічного словника» Є. Лазаренка, О. Ви-нар (К., 1975), у якому наведено назви відомих на той час М. укр., рос. та англ. мовами. Класифікації М. та їхні принципи змінювалися у процесі розвитку мінералогії. У сучас. мінералогії в основу класифікації покладено кристалохім. принцип, у якому взято до уваги хім. характер М., тип хім. зв’язку між структур. елементами, їхню координацію, тип упаковки, тип структури. Таку класифікацію наведено у підручнику Є. Лазаренка «Курс мінералогії» (1958–61, 1963, 1970–71). Виділено 5 типів М.: І — прості речовини; ІІ — сульфіди і близькі до них мінерали; ІІІ — кисневі сполуки; ІV — галоїди; V — М.-орган. сполуки. У ме­жах типів М. згруповано в класи; класи поділяють на підкласи (в окремих випадках) та групи, у які об’єднано М. подіб. складу і структури. Нині у світі найуживаніша класифікація нім. мінералога Г. Штрунца.

Значення М. важко переоцінити, будь-яка галузь господарства використовує їх у природ. або близькому до нього вигляді завдяки специфіч. і цінним властивостям. Такими є коштовне й напівкоштовне каміння (алмаз, берил, топаз, турмалін, родоніт), М. з особливими пластич. й адсорбц. властивостями (каолініт, монтморилоніт), тепло- і звукоізоляц. властивостями (слюди, вермикуліт). Багато М. — носії різноманіт. корис. компонентів (М. благород., кольор. і чорних металів, рідкіснометал., рідкісноземел. та радіоактив. елементів). Значну кількість М. використовують як у природ. вигляді, так і як носії цінних елементів. Напр., гематит Fe₂О₃ — це, передусім, руда заліза, а його порошкуваті відміни слугують для виготовлення червоної фарби й червоних олівців; флюорит СаF₂ застосовують у металургії, для виробництва плавикової кислоти, прозорі й безбарвні кристали — в оптиці, гарно забарвлені індивіди — як коштовне каміння. М. традиційно використовують у с. госп-ві, металург. і метало­об­роб., лазер., кисневій, мікробіол., атом. пром-стях, ракетобудуванні, для виробництва засобів зв’язку, напівпровідників і п’єзо-елементів.

Рекомендована література

1. Булах А. Г. Общая минералогия: Учеб. С.-Петербург, 2002;
   Google Scholar Internet
2. Матковський О. І., Пирогов Б. І. Прикладна мінералогія: Навч. посіб. Л., 2002;
   Google Scholar Internet
3. Павлишин В. І., Довгий С. О. Мінералогія: Підруч. К., 2008.
   Google Scholar Internet

Фотоілюстрації

×

❮ ❯

Завантажити статтю