Мінерал

МІНЕРА́Л (від пізньолат. minera — руда) — природна хімічна сполука кри­сталічної будови, що утворюється внаслідок геологічних процесів. Це ви­значе­н­ня охоплює тільки типові (класичні) обʼєкти мінералогії геол. походже­н­ня, які є складовою частиною гірських порід і руд. Водночас серед М. є нетипові, ускладнені та сумнівні обʼєкти: мінералоїди (напр., опал — твердий колоїд з елементами кри­сталічності); метаміктні (аморфні) продукти, які виникають унаслідок опроміне­н­ня кри­сталіч. індивідів; лід — М., проте є обʼєктом не мінералогії, а гляціології; рідка ртуть, навпаки, є обʼєктом 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. обʼєктами 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 скамʼянілості. 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. звʼязок 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 повʼязані 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 обʼємні. Серед них найбільше поширені вакансії та між­вузл. атоми, а також домішк. атоми й електрон­но-діркові центри. Хім. склад М. і повʼязане 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, повʼязані 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 повʼязані 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 повʼязаний 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 повʼязані 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, повʼяза-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 пʼєзо­електр. 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 повʼязані 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., повʼязані 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. звʼязку 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 обʼ­єд­нано 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 звʼязку, напів­провід­ників і пʼєзо-елементів.

Фотоілюстрації

×

❮ ❯

Завантажити статтю