авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |
-- [ Страница 1 ] --

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А. Г. БУЛ АХ

Рекомендовано Учебно-методическим

объединением

университетов России

в качестве учебника для студентов университетов,

обучающихся по направлению «Геология»

ИЗДАТЕЛЬСТВО С.-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

1999

http://geoschool.web.ru/

У Д К 549.2/8:548

Б Б К 26.303

Б90

Рецензенты: кафедра минералогии, кристаллографии, петрографии С П б Г Г И (зав.

кафедрой проф. Ю- Б. Марин), академик Р А Н И. П. Юшкин (Сыктывкар­ ский горный ин-т) Печатается по постановлению Редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного университета Б у л а х А.Г.

Б90 Общая минералогия. Изд. второе, испр. и перераб.: Учебник.— С П б. : И з д - в о С. - П е т е р б. ун-та, 1999. 356 с.

I S B N 5-288-01757- Изложены основы учения о кристаллографических особенностях минералов.

Описаны'физические свойства минералов, их диагностические признаки. Рас­ смотрены главнейшие типы минеральных месторождений, начала прикладной и поисковой минералогии и главные области промышленного использования ми­ нералов. Приведен краткий обзор методов минералогических исследований, ис­ пользуемых при поисках, разведке и разработке месторождений полезных иско­ паемых.

Д л я студентов геологических специальностей университетов, политехниче­ ских и горных институтов.

Т е м. п л а н 1999 г., № 138 Б Б К 26. © А. Г. Булах, © Издательство С.-Петербургского I S B N 5-288-01757-3 университета, К СТУДЕНТАМ В ваших руках учебник минералогии, а впереди первые трудные профессиональные испытания. Они будут связаны с проверкой ва­ шей памяти и наблюдательности. Дело в том, что на первом и втором курсах минералогия преподается лишь как азбука, без ко­ торой нельзя сложить слов знания по другим геологическим пред­ метам Только букв в этой азбуке очень много. Вы познакомитесь почти с двумястами минералами, и у каждого из них своя хими­ ческая формула, свои свойства и минералы-спутники, свои условия образования. Хорошо, если вы уверены в выборе своей специально­ сти и что-то знаете о ней, а если нет? Частокол разобщенных и порой логически не взаимосвязанных сведений о минералах, внеш­ няя схожесть многих из них, сложность их распознавания при отсутствии навыков, — все это может превратиться для вас в ту преграду, за которой вы так и не увидите широких горизон­ тов своей специальности. И все же в любом случае минералогия наградит вас встречами с прекрасным. Горный хрусталь, сверкаю­ щие зернистые массы свинцовых руд, совершенные кристаллы раз­ ных минералов, самоцветы... Такие соприкосновения с волшебным миром камня будут наградой вам в вашем практическом знаком­ стве с минералами по учебным коллекциям, в музеях и в ваших собственных поездках и экспедициях.

В учебнике изложен только самый необходимый материал, на­ писан он с максимально возможным упрощением и освобождением от специальных и особенно от сорных терминов и латинизирован­ ных словоизощрений. Однако автору хотелось бы узнать от вас, студентов, ваши замечания и пожелания по улучшению его содер­ жания.

Итак, впереди трудный путь. И чтобы его успешно преодолеть, необходимы упорство, самоорганизованность и любознательность.

ПРЕДИСЛОВИЕ Первый р а з этот учебник б ы л издан в 1989 г. под названием " М и н е р а л о г и я с осно­ вами к р и с т а л л о г р а ф и и ". Он сразу з а в о е в а л популярность среди студентов и т у т ж е п р е в р а т и л с я в библиографическую редкость. Теперь книга дополнена и исправлена, она ориентирована на подготовку б а к а л а в р о в геологии. Н о все особенности первого издания сохранены без изменений. Во-первых, это наличие обзорных р а з д е л о в по к р и с т а л л о г р а ф и и. Во-вторых, состав минералов т р а к т у е т с я с современных позиций учения о и з о м о р ф и з м е. В-третьих, в отличие от того, ч т о в с т а р ы х учебниках по минералогии всегда приводилась всеобъемлющая х а р а к т е р и с т и к а м и н е р а л о в справоч­ ного х а р а к т е р а, здесь и з л о ж е н л и ш ь учебный м а т е р и а л. В новом издании более полно показаны в о з м о ж н о с т и п р и к л а д н о й м и н е р а л о г и и — п о и с к о в о й, технологической, тех­ нической, медицинской, введены р а з д е л ы о микромире минералов, увеличено с учетом советов и п о ж е л а н и й студентов число иллюстраций.

Автор с т р е м и л с я и з л о ж и т ь м а т е р и а л наиболее просто и т а к и м образом, чтобы по­ з в о л и т ь студенту любой специальности исключить из ч т е н и я любой р а з д е л, не ка­ сающийся п р о г р а м м ы к у р с а минералогии в его институте или университете, а пре­ п о д а в а т е л ю — д а т ь в о з м о ж н о с т ь легко д о п о л н я т ь этот учебник своим о р и г и н а л ь н ы м материалом.

Автор учёл з а м е ч а н и я и советы Н. Б. А б а к у м о в о й, А. Э. Г л и к и н а, Д. П. Г р и г о р ь ­ ева, А. А. З о л о т а р ё в а, В. Г. К р и в о в и ч е в а, Д. Ю. П а в л о в а, Б. И. П и р о г о в а, Ю. О. Пуни на, Н. С. Рудашевского, Г. М. СаранчиноЙ, Е. Б. Трейвуса, А. В. Уханова, В. Ю. Эшки на и искренне благодарен им. А в т о р ы оригинальных р и с у н к о в — Д. В. Доливо-Доб­ ровольский, Г. Ю. И в а н ю к, А. А. З о л о т а р ё в, М. А. И в а н о в, В. В. Г о р д и е н к о, ф о т о г р а ­ ф и й — А. Р. Нестеров, Н И. К р а с н о в а, И. М. П и с к и ж о в, Ю. О. Пунин. Все ф о т о г р а ф и и сделаны с образцов м у з е я к а ф е д р ы минералогии Санкт-Петербургского университета (в этой связи рекомендуем студентам интересные книги Г. Ф. Анастасенко (СПб., 1993) и Г. Ф. Анастасенко и В. Г. К р и в о в и ч е в а (СПб., 1998) об этой минералогической кол­ лекции). К о м п ь ю т е р н а я г р а ф и к а подготовлена А. А. З о л о т а р ё в ы м, к о м п ь ю т е р н ы й на­ бор рукописи выполнен А. А. З о л о т а р ё в ы м и В. Н. Гулием. А в т о р глубоко благодарен им з а этот творческий в к л а д в создание учебника. С большой п р и з н а т е л ь н о с т ь ю з а помощь и высокий профессионализм в работе автор н а з ы в а е т т а к ж е и м я р е д а к т о р а книги Л. П. М а к а р е н к о в о й. Автор не м о ж е т не вспомнить здесь Д м и т р и я Андреевича Минеева, сделавшего р е а л ь н ы м первое издание учебника, и не о т м е т и т ь действенную помощь Д. В. Г р и ч у к а н а трудном и долгом пути автора к второму изданию книги.

Все з а м е ч а н и я и советы автор просит н а п р а в л я т ь по адресу: 199034. С.-Петербург, Университетская наб., д. 7/9, Университет, геологический ф а к у л ь т е т, к а ф е д р а мине­ ралогии.

Глава ПРЕДМЕТ И ИСТОРИЯ МИНЕРАЛОГИИ ОБЪЕКТЫ И СОДЕРЖАНИЕ МИНЕРАЛОГИИ И з к у р с а общей геологии известно, что горные породы и руды состоят из мине­ р а л о в. Н а п р и м е р, м и н е р а л ы м и к р о к л и н, биотит, альбит, к в а р ц я в л я ю т с я г л а в н ы м и составными ч а с т я м и гранитов, гематит, м а г н е т и т — г л а в н ы м и м и н е р а л а м и н е к о т о р ы х ж е л е з н ы х руд. Ч т о ж е т а к о е минералогия и что я в л я е т с я объектом ее изучения?

Л ю б а я н а у к а находится в постоянном развитии, м е н я ю т с я ее цели, о б ъ е к т ы, ме­ тоды. Ч а с т ь т р а д и ц и о н н ы х объектов исследования отходит в область д р у г и х наук, вза­ мен п о я в л я ю т с я новые. П о н я т и е " м и н е р а л " и содержание науки минералогии т а к ж е м е н я ю т с я во времени. Поэтому существуют р а з л и ч н ы е определения п о н я т и я " м и н е ­ р а л ", отвечающие р а з н ы м подходам и тенденциям р а з в и т и я науки. М ы ж е будем от­ носить к м и н е р а л а м природные химические соединения к р и с т а л л и ч е с к о й с т р у к т у р ы, например к в а р ц, о р т о к л а з, гематит. И х около 3500-4000, и все они я в л я ю т с я п р я ­ м ы м и, о б я з а т е л ь н ы м и и простыми по сути определения м и н е р а л а о б ъ е к т а м и минера­ логии. Но это не единственный предмет изучения в минералогии. Т а к ж е к п р я м ы м, но у с л о ж н е н н ы м ее о б ъ е к т а м следует отнести к а п е л ь к и ж и д к о й р т у т и, иногда находи­ м ы е в м е с т о р о ж д е н и я х киновари;

газовые, ж и д к и е, смешанные в к л ю ч е н и я, образую­ щиеся в природных к р и с т а л л а х минералов во в р е м я их роста;

а м о р ф н ы е или ч а с т и ч н о а м о р ф н ы е п р о д у к т ы радиогенного с а м о р а с п а д а некоторых м и н е р а л о в у р а н а и т о р и я ;

опал к а к ф о р м у существования в виде твердого коллоидного р а с т в о р а д в у х минера­ лов (кристобалита и т р и д и м и т а ), — все это закономерные п р о д у к т ы ж и з н и м и н е р а л о в.

Х о т я они не о б я з а т е л ь н о имеют к р и с т а л л и ч е с к о е строение и не всегда я в л я ю т с я ин­ д и в и д у а л ь н ы м и химическими веществами, они не могут б ы т ь и с к л ю ч е н ы из рассмо­ т р е н и я явлений минералообразования и и з ъ я т ы из минералогии. Т а к ж е к п р я м ы м, но д о п о л н я ю щ и м о б ъ е к т а м минералогии о т н о с я т с я горные породы, р у д ы, м и н е р а л ь н ы е м е с т о р о ж д е н и я и другие геологические о б ъ е к т ы, т а к к а к вне с в я з и с ними минерало­ гия не т о л ь к о т е р я е т с м ы с л геологической науки, но г л а в н о е — л и ш а е т с я начального источника и н ф о р м а ц и и об условиях образования минералов в природе. Все э т о обяза­ т е л ь н ы е о б ъ е к т ы минералогии.

В то ж е в р е м я л е д (минерал, по нашему определению) я в л я е т с я о б ъ е к т о м гляцио­ логии и грунтоведения;

о к с а л а т ы, ф о с ф а т ы, у р а т ы, слагающие к а м н и в п о ч к а х чело­ в е к а, — о б ъ е к т ы изучения к а к в медицине, т а к и в особой ветви минералогии, называ­ емой биоминералогией, т. е. это общие сейчас о б ъ е к т ы р а з н ы х наук.

Еще менее определенно п о л о ж е н и е тех природных химических соединений к р и с т а л ­ лической с т р у к т у р ы, к о т о р ы е искусственно получены человеком и л и ф о р м и р у ю т с я в результате явлений самопроизвольного преобразования в естественных у с л о в и я х р а з ­ л и ч н ы х техногенных продуктов, н а п р и м е р в ходе самовозгорания т е р р и к о н о в, хими­ ческих превращений захороненных отходов производства, взаимодействия ф и л ь т р а т о в сточных вод с грунтами. Большинство исследователей не считают э т и процессы гео­ логическими и не относят э т и вещества к м и н е р а л а м — э т о н е о б я з а т е л ь н ы е (спорные) о б ъ е к т ы минералогии. "Спорность" здесь, однако, не у к а з ы в а е т н а н е н у ж н о с т ь их исследования. З а г а д к а многих природных процессов м и н е р а л о о б р а з о в а н и я решается при изучении этих объектов, просто они у ж е н а х о д я т с я в области п е р е к р ы т и я инте­ ресов минералогии с другими науками, где последние порой играют ведущую р о л ь. В этом учебнике они не р а с с м а т р и в а ю т с я.

У ч и т ы в а я все условности границ, м ы будем считать м и н е р а л а м и т о л ь к о т е при­ родные химические соединения кристаллической с т р у к т у р ы, к о т о р ы е образовались в ходе геологических процессов н а З е м л е и л и сходных процессов н а д р у г и х космических телах, понимая в т о ж е в р е м я условность и того, что надо относить к геологическим процессам. Здесь м ы подробно охарактеризуем т о л ь к о м и н е р а л ы — составные части горных пород и руд.

Минералогия з а н и м а е т с я изучением свойств и состава м и н е р а л о в, в ы я в л е н и е м гео­ логических условий и физико-химической обстановки образования минералов, иссле­ дованием минералов к а к ф о р м ы концентрации одних и рассеивания д р у г и х химиче­ ских элементов, в с к р ы т и е м механизмов з а р о ж д е н и я, роста и р а з р у ш е н и я минералов, разработкой минералогических критериев поиска рудного и нерудного с ы р ь я. Мине­ р а л о г д о л ж е н з н а т ь м и н е р а л ы, у м е т ь их искать и и з у ч а т ь. В т а к о м широком объеме минералогия к а к одна из главнейших в цикле геолого-минералогических наук пред­ стает в учебниках П. Ниггли (1924, 1927), А. Г. Бетехтина, А. К. Б о л д ы р е в а и д р. (1936), Н. М. Федоровского (1930), в американской "Минералогической энциклопедии" (1985) и научных п у б л и к а ц и я х отечественных минералогов В. Ф. Б а р а б а н о в а, К. А. В л а с о в а, В. И. Г е р а с и м о в с к о г о, А. И. Г и н з б у р г а, М. Н. Г о д л е в с к о г о, А. А. К у х а р е н к о, Е. К. Л а з а ренко, В. Д. Н и к и т и н а, Д. В. Р у н д к в и с т а, С. С. С м и р н о в а, В. С. С о б о л е в а, А. С. У к л о н ского, А. Е. Ферсмана, Н. П. Ю ш к и н а.

" М и н е р а л о г и я во всем пространстве сего слова", — т а к о в д е в и з научной д е я т е л ь н о ­ сти исследователей, объединяемых Всероссийским минералогическим обществом при Российской А к а д е м и и наук. Вместе с т е м, т а к широко т р а к т у е м а я м и н е р а л о г и я пе­ р е к р ы в а е т с я во многом, и э т о естественно, с другими о т р а с л я м и геологических зна­ н и й — учением о м е с т о р о ж д е н и я х полезных ископаемых, п е т р о г р а ф и е й, литологией, геохимией. К а ж д а я из этих наук, и м е я в общем сходные п р а к т и ч е с к и е цели, решает их своими методами и использует свои объекты природы. М и н е р а л о г ж е — э т о п р е ж д е всего з н а т о к минералов, их тонких особенностей и методов их в ы я в л е н и я.

Я в л я я с ь наукой о природных химических соединениях к р и с т а л л и ч е с к о й с т р у к т у р ы, минералогия тесно с в я з а н а с к р и с т а л л о г р а ф и е й, ф и з и к о й, химией. П о сути, мине­ р а л ы я в л я ю т с я ч а с т н ы м и объектами этих трех наук. И з них м и н е р а л о г и я черпает основные представления о внутреннем строении минералов, з а к о н а х роста и огране ния к р и с т а л л о в, химических реакциях, в о з м о ж н ы х при минералообразовании. О т них она заимствует методы исследования свойств и состава минералов.

МИНЕРАЛЫ В ОБЫДЕННОЙ ЖИЗНИ П р а к т и ч е с к о е значение минералогии к а к науки о м и н е р а л а х, умении их и с к а т ь и использовать несомненно. Оно б ы л о велико всегда и я в л я л о с ь одной и з основ ма­ териального р а з в и т и я общества во все времена. Не приводя э ф ф е к т н ы х примеров невозможности создания атомной энергетики и самолетостроения без освоения мине­ р а л о в урана, т и т а н а, циркония, б е р и л л и я и д р., возьмем с л у ч а й из обыденной ж и з н и :

студент в о з в р а щ а е т с я домой После з а н я т и й в институте.

П е р в а я встреча с р е з у л ь т а т о м хорошего з н а н и я и умения использовать м и н е р а л ы — это р у ч к а входной двери, э м а л е в ы й номер к в а р т и р ы, з е р к а л о в п р и х о ж е й. Р у ч к а сде л а н а из ж е л е з а, а оно получено из минералов — природных оксидов и гидроксидов этого м е т а л л а. Э м а л ь номера приготовлена из сплавленной порошковой м а с с ы — смеси полевого шпата, к в а р ц а, к р и о л и т а — с добавлением искусственных соедине­ н и й — буры и борной к и с л о т ы, а бор д л я них о п я т ь - т а к и получен из м и н е р а л о в да толита, гидроборацита и д р. С ы р ь е м д л я изготовления з е р к а л ь н о г о с т е к л а б ы л особо чистый к в а р ц е в ы й песок, алюминий д л я тонкой о т р а ж а т е л ь н о й пленки з е р к а л а полу­ чен из м и н е р а л о в — н е ф е л и н а или гидроксидов а л ю м и н и я. В т у а л е т н ы х помещениях, на кухне, в столовой ничего н е л ь з я было бы сделать без минералов. Вся сантехниче­ с к а я к е р а м и к а создана из о б о ж ж е н н о й минеральной м а с с ы — т о н к о п е р е т е р т о й смеси полевого шпата, к а о л и н а, к в а р ц а. Водопроводный к р а н — л а т у н н ы й (из с п л а в а меди и цинка), э л е к т р и ч е с к и е провода — медные или алюминиевые, волосок з а ж ж е н н о й элек­ трической л а м п о ч к и — в о л ь ф р а м о в ы й, и все эти м е т а л л ы извлечены из минералов:

медь — из сернистых соединений (халькопирита, борнита, х а л ь к о з и н а и д р. ), цинк — из его с у л ь ф и д а (минерал с ф а л е р и т ), в о л ь ф р а м — из в о л ь ф р а м и т а и шеелита. Н е будем теперь говорить о газовой или э л е к т р о п л и т е, об эмалированной, алюминиевой, грубой керамической, ф а р ф о р о в о й или стеклянной посуде. И з чего они с д е л а н ы — у ж е сказано, а возьмем кухонный н о ж и столовый прибор из мельхиора. Н о ж сделан из не­ р ж а в е ю щ е й стали, р а з н ы е её сорта с о д е р ж а т д о 20-25% хрома, д о 10-11% н и к е л я ;

пер­ вый д о б ы в а е т с я из м и н е р а л а хромита, второй — из р а з н ы х м и н е р а л о в (пентландита, гарниерита и др.)- М е л ь х и о р — э т о с п л а в меди и н и к е л я, о п я т ь - т а к и и з в л е ч е н н ы х из минералов.

Кинескоп включенного т е л е в и з о р а светится з а счет люминесценции тонкого с л о я солей к а д м и я и ц и н к а в потоке электронов;

оба м е т а л л а и з в л е к а ю т с я из м и н е р а л а с ф а л е р и т а. А з а э к р а н о м, внутри телевизора, а ж у р н о е сплетение проводов и дета­ л е й — производные м и н е р а л о в и с а м и м и н е р а л ы с л ю д а и к в а р ц. Высококачественная, ч и с т а я слюда, расщепленная н а п л а с т и н к и, и теперь входит в устройство н е к о т о р ы х деталей, кварцевые пьезоэлементы р о ж д а ю т звук.

Студент з а письменным столом с листом бумаги и к а р а н д а ш о м готовится к за­ н я т и я м завтрашнего д н я. В бумагу помимо основного м а т е р и а л а — в о л о к о н ц е л л ю ­ л о з ы — входят наполнители, это м и н е р а л ы каолинит, к а л ь ц и т (мел), барит. Г р и ф е л ь к а р а н д а ш а состоит из спрессованного порошка м и н е р а л а г р а ф и т а с добавлением д л я его прочности м о н т м о р и л л о н и т а или других глинистых минералов, а г р и ф е л ь цвет­ ного к а р а н д а ш а — из смеси красителей с т а л ь к о м, каолинитом и м о н т м о р и л л о н и т о м.

Т е п е р ь ясно, что представить себе наш быт без минералов просто н е в о з м о ж н о.

По оценкам Н. П. Ю ш к и н а, д л я обеспечения ж и з н и т о л ь к о одного ч е л о в е к а расходу­ ется около 25 вагонов минерального с ы р ь я. Л и ш ь одной соли человек з а свою ж и з н ь потребляет около полу тонны.

ИСТОРИЯ СТАНОВЛЕНИЯ МИНЕРАЛОГИИ КАК САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ НАУКИ З н а н и я о минералах, условиях их н а х о ж д е н и я и представления об их происхожде­ нии н а к а п л и в а л и с ь человеком с древних времен. Его орудия труда, с т р о и т е л ь н ы е ма­ т е р и а л ы, гончарное д е л о, р о ж д е н и е м е т а л л у р г и и, соляной промысел, к р а с к и, с к у л ь ­ птурный к а м е н ь, у к р а ш е н и я, врачевание, — все это связано с использованием мине­ р а л о в и д а в а л о человеку первые з н а н и я о к а м н я х, р у д а х и их составных ч а с т я х — минералах. Приводимый н и ж е список (по А. К. Б о л д ы р е в у, 1944) с о д е р ж и т перечень минералов, известных д р е в н и м л ю д я м :

Люди каменного века 45. Сапфир 1. Вода и л е д По Теофрасту 2. В о з д у х 46. Киноварь 3. Нефрит 47. Хризоколла 4. Ж а д е и т (хлоромеланит) 48. Ртуть 5. Серпентин 6. Красный железняк (краска) По Диоскориду 7. Кварц и горный хрусталь 49. Селенит 8. Кальцит 50. Халькантит 9. Янтарь По Волосу Шумеро-аккады и ассиро-вавилоняне 51. Табашир ("табазис", "сардиос", 10. Асбест "кархедониос") 11. Золото 52. Гранат — рубин 12. Серебро 53. Галмей 13. Электрум 14. Медь Древние греки 15. Железо 54. Халцедон (?) (этот минерал упоми­ 16. Аргентит (?) нается Плинием;

судя по названию, 17. Халькопирит (?) он был известен древним грекам) 18. Халькозин (?) 55. Плазма (?) 19. Пирит (?) 56. Хризопраз (?) 20. Галенит (?) 57. Гелиотроп (?) 21. Стибнит (?) 58. Празем (?) 22. Куприт 59. Магнезит (?) 23. Рубин 60. Каламин (?) — стибнит (см. 21) 24. Гематит (руда и краска) 61. Молибденит 25. Магнетит 62. Гипс 26. Лимонит По Плинию 27. Аметист 28. Сердолик 63. Альмандин (у Плиния — "алабанд 29. Агат (и оникс) екая венисса") 30. Касситерит 64. Церуссит 31. Малахит (медная зелень) 65. Сера 32. А з у р и т (медная синь) 66. Аурипигмент 33. И з у м р у д — гранат (см. 52) 67. Р у т и л (?) 34. Асфальт 68. С л ю д а 35. Нефть Древние персы 36. Ляпис-лазурь 69. Берилл (персидское название "бе Египтяне (они, конечно, знали и почти лур") все предыдущие и часть последующих 70. Циркон (гиацинт) минералов. Галит, вероятно, употреблял­ 71. Сурьма ся в пищу еще первобытными л ю д ь м и ) Сингалезы 37. Б и р ю з а — л а з у р и т (см. 36) 72. Турмалин 38. Бура 39. Галит Древние китайцы Индусы, древние евреи 73. Каолин 40. А л м а з 74. Агальматолит (пагодит) (?) 41. Опал (это название, впрочем, древ­ Древние индусы нее Б и б л и и ) 75. Корунд 42. Оникс 76. Шпинель 43. Топаз (?) 77. Перидот (оливин) 44. Хризолит (?) К а к о в ы ж е б ы л и п р е д с т а в л е н и я о м и н е р а л а х и их природе в т е д а л е к и е в р е м е н а ?

В о с с т а н о в и т ь их п о к а не у д а л о с ь. О б н а р у ж е н ы л и ш ь о т р ы в о ч н ы е с в е д е н и я, дошедшие д о нас и з р а з н ы х о т д а л е н н ы х д р у г о т д р у г а времен и с т р а н. В первой п о л о в и н е т р е ­ тьего т ы с я ч е л е т и я д о н а ш е й э р ы в Ш у м е р е п р и х р а м а х с у щ е с т в о в а л и ш к о л ы д л я м а л ь ­ ч и к о в, в к о т о р ы х они о б у ч а л и с ь к р о м е ч т е н и я и п и с ь м а ф л о р е, ф а у н е и м и н е р а л а м Месопотамии. Н а росписях гробниц в долине Нила, выполненных почти 5 т ы с. л е т н а з а д, п о к а з а н ы ремесленники з а работой: они взвешивают м а л а х и т и драгоценные м е т а л л ы, п л а в я т м е т а л л и ч е с к и е руды и в ы д е л ы в а ю т искусные геммы и з л я п и с - л а з у р и и изумруда. О к о л о д в у х т ы с я ч е л е т и й д о нашей э р ы в древнем К и т а е б ы л о п о л о ж е н о н а ч а л о к о л л е к т и в н о м у сочинению " Д р е в н и е с к а з а н и я о горах и м о р я х " ("Сан-Хей Д и н " ), в течение более т ы с я ч е л е т и я оно непрерывно пополнялось. Сан-Хей-Дин, по видимому, я в л я е т с я первым письменным п а м я т н и к о м, в котором д а е т с я описание из­ вестных в т о в р е м я 17 минералов, м е т а л л о в и горных п о р о д — з о л о т а, серебра, олова, меди, ж е л е з а, магнетита, азурита, с а п ф и р а, н е ф р и т а и д р., п р и в о д я т с я сведения о м е с т о р о ж д е н и я х э т и х минералов и у к а з ы в а ю т с я их о т л и ч и т е л ь н ы е п р и з н а к и (цвет, твердость и т. д. ). В библиотеке ассирийского ц а р я А ш ш у р б а н а п а л а (669-633 гг. д о н. э.) среди клинописных копий древних текстов, д а т и р у е м ы х примерно 1900 г. д о н. э., имеются ф р а г м е н т ы рецептов д л я получения слоев глазури (эмали) — это первые сви­ д е т е л ь с т в а о стремлении систематизировать полученные н а п р а к т и к е эмпирические д а н н ы е и ф и к с и р о в а т ь их письменно д л я будущих поколений. В т р у д а х А р и с т о т е л я (384-322 гг. д о н. э. ) и его ученика Т е о ф р а с т а (ок. 372-ок. 287 гг. д о н. э. ) сде­ лано разделение ( к л а с с и ф и к а ц и я ) м и н е р а л ь н ы х т е л на к а м н и и руды и в ы с к а з а н о предположение о возникновении р у д из паров и д ы м о в, в ы р в а в ш и х с я и з недр з е м н ы х.

Позднее, в н а ч а л е нашей э р ы, римский н а т у р а л и с т и историк Плиний С т а р ш и й ( или 24-79) написал ч е т ы р е т р а к т а т а о к а м н я х, где собрал все, ч т о б ы л о известно в его в р е м я о свойствах и условиях м е с т о н а х о ж д е н и я минералов, но в этих т р а к т а т а х верные наблюдения еще переплетаются с в ы м ы с л о м и ф а н т а з и е й.

Хорезмский ученый-энциклопедист Абу Рейхан М у х а м м е д ибн Ахмед а л ь - Б и р у н и (973-1048) в " К н и г е сводок д л я познания драгоценностей" привел подробные сведе­ ния (значения твердости, первые измерения удельного веса, м е с т о н а х о ж д е н и я в Сред­ ней Азии, поисковые признаки) более ч е м о 50 минералах, рудах, м е т а л л а х, с п л а в а х.

Т а д ж и к с к и й естествоиспытатель, врач, м а т е м а т и к, поэт и м ы с л и т е л ь ибн-Сина, и л и Авиценна, (980-1037) д а л первую после Т е о ф р а с т а к л а с с и ф и к а ц и ю м и н е р а л о в. Он р а з д е л и л их н а ч е т ы р е г р у п п ы — к а м н и, горючие тела, соли и м е т а л л ы.

П е р в ы м свидетельством о начавшемся ф о р м и ­ ровании минералогии к а к самостоятельной науки я в л я ю т с я работы немецкого врача, м е т а л л у р г а и естествоиспытателя Георга Б а у э р а, и л и А г р и к о л ы, (1494-1555) " О природе и с к о п а е м ы х ", " О горном д е л е и м е т а л л у р г и и ", " О происхождении минера­ лов". С а м о с о д е р ж а н и е наук б ы л о более широким и менее определенным, ч е м сейчас, но в его тру­ д а х впервые ч е т к о р а з д е л е н ы м и н е р а л ы и горные породы, среди первых в ы д е л е н ы з е м л и (старинное название оксидов), соли, драгоценные к а м н и, ме­ т а л л ы и "прочие" м и н е р а л ы, особое внимание при х а р а к т е р и с т и к е м и н е р а л о в уделено их ф о р м а м и диагностическим п р и з н а к а м — ц в е т у, блеску, спай­ ности, твердости и д р. Хорошее описание свойств минералов б ы л о опубликовано в ту ж е пору (в 1502 г.) Л е о н а р д о д а Винчи. В л а п и д а р и и венеци­ анского ф и з и к а К а м и л л а Л е о н а р д а " З е р к а л о к а м - Георг Бауер (Агрикола) ней", опубликованном в т о м ж е 1502 г., с о д е р ж и т с я описание 279 минералов и м и н е р а л ь н ы х веществ. Однако эти сведения все еще я в л я ­ ются л и ш ь ч а с т ь ю общей науки о горах, рудах, к а м н я х и м е т а л л а х.

Термин " м и н е р а л " происходит от позднелатинского слова miner а, т. е. рудный ш т у ф, кусок р у д ы. В X I I I в. его использует, например, немецкий ф и л о с о ф Альберт Великий в своем научном т р а к т а т е " О м е т а л л а х и м и н е р а л а х " ("De rebus metallicis et mineralibus"). Т е р м и н " м и н е р а л о г и я " впервые б ы л употреблен в 1636 г. и т а л ь я н с к и м ученым Б е р н а р д о м Цезием (Цезиусом) применительно к науке о п о л е з н ы х ископае­ мых. К а к видно, о ф о р м л е н и е представлений о м и н е р а л а х в с а м о с т о я т е л ь н у ю о т р а с л ь знаний произошло очень поздно, в средние века, т. е. в т о т период, когда происходил распад всеобщих естествознания и ф и л о с о ф и и на отдельные специальные науки.

Д а л ь н е й ш е е накопление знаний о минералах все более тесно с в я з ы в а е т с я не т о л ь к о с развитием горнорудного д е л а, металлургии и р а з н ы х ремесел, но т а к ж е и с ф и з и к о й, учением о к р и с т а л л а х и в первую очередь с химией. Я р к и м и з н а ч и т е л ь н ы м примером такого переплетения наук было о т к р ы т и е в те времена новых химических элементов при изучении минералов.

В 1735 г. шведский химик и минералог Георг Б р а н д т при исследовании загадки обычной на в и д руды, из которой почему-то не в ы п л а в л я л с я м е т а л л, в ы д е л и л в чи­ стом виде новый э л е м е н т — к о б а л ь т (раньше были известны т о л ь к о его соединения).

В 1751 г. шведский геолог, химик и минералог Аксель К р о н ш т е д т (1722-1765) впер­ вые о т к р ы л в рудах, считавшихся по их цвету медными, н и к е л ь (в составе м и н е р а л а арсенида н и к е л я, к а к о к а з а л о с ь, главного в этих рудах). Ш в е д с к и й химик К а р л Ш е еле (1742-1786) в 1778 г. при изучении минерала молибденита п о л у ч и л т р и о к с и д мо­ либдена и о т к р ы л этот химический элемент, а в 1781 г. в м и н е р а л е тунгстите (ок­ сиде в о л ь ф р а м а ) он ж е о б н а р у ж и л еще один новый химический элемент — в о л ь ф р а м.

Ясно, ч т о эти о т к р ы т и я были не т о л ь к о успехами химии, ими в с к р ы в а л а с ь и хими­ ч е с к а я природа самих минералов. Постепенно, в течение X V I I в., э т о направление химико-минералогических исследований стало одним из г л а в н ы х в науке и привело к ф о р м и р о в а н и ю представлений о м и н е р а л а х к а к индивидуальных химических соедине­ н и я х (работы М. В. Л о м о н о с о в а, А. К р о н ш т е д т а, В. М. С е в е р г и н а, Й. Б е р ц е л и у с а ) и к появлению идей о необходимости химической к л а с с и ф и к а ц и и м и н е р а л о в.

Д р у г о е близкое к химии направление р а з в и т и я представлений о м и н е р а л а х — это быстрое накопление знаний о природе кристаллов, закономерностях их огранения, внутреннего строения и роста. Первое наиболее яркое о т к р ы т и е в этой области — установление в 1669 г. д а т с к и м естествоиспытателем (медиком, геологом и зоологом) Николаусом Стенсеном, известным к а к Н и л ь с Стено (1638-1686), ф а к т а постоянства углов м е ж д у соответственными гранями на р а з н ы х к р и с т а л л а х к в а р ц а и г е м а т и т а не­ зависимо от их размеров, о б л и к а и происхождения. Д а л ь н е й ш е е р а з в и т и е знаний д а л о в о з м о ж н о с т ь в ы я в и т ь и и з у ч и т ь многообразие к р и с т а л л о в известных тогда минералов ( Ж. Роме д е Л иль, Р. Г а ю и, Х. В е й с и др.) и подойти к в ы я в л е н и ю особенностей их роста (А. Л е в е н г у к, Н. Стено и д р. ). Начинают ф о р м и р о в а т ь с я ранние представления о дискретности внутреннего строения к р и с т а л л о в ( М. В. Л о м о н о с о в, Р. Г а ю и и д р. ).

Р а з в и т и е горнорудной Промышленности, успехи химического и к р и с т а л л о г р а ф и ч е ­ ского направлений в изучении минералов, совершенствование методов изучения их свойств привели у ж е в конце X V I I I в. к окончательному о ф о р м л е н и ю минералогии к а к с а м о с т о я т е л ь н о й науки. Ранее она носила, по сути, всеобщий х а р а к т е р, о х в а т ы в а я все науки о З е м л е. П о п р е д л о ж е н и ю немецкого (саксонского) геолога и минералога А б р а а м а Готлоба Вернера (1750-1817) из минералогии (она н а з ы в а л а с ь тогда орикто гнозией) б ы л и в ы д е л е н ы геология, палеонтология и т е к т о н и к а.

С конца X V I I I в. минералогия существует у ж е к а к с а м о с т о я т е л ь н а я н а у к а с совре­ менным ее с о д е р ж а н и е м. Глубокий след в истории этой науки оставили в т о в р е м я работы А. Вернера и В. М. Севергина.

А. В е р н е р — выходец из семьи потомствен­ ных горняков, с ранних л е т интересовался гео­ логией и минералогией. Он у ч и л с я в Фрайберг­ ской горной академии, т о л ь к о ч т о созданной в центре горнорудной промышленности Сред­ ней Европы, а з а т е м р а б о т а л в этой акаде­ мии, обобщая и систематизируя громадный ма­ т е р и а л, накопленный здесь г о р н я к а м и и нату­ р а л и с т а м и к тому времени. А. В е р н е р много сделал в области описательной минерало­ гии, п р е д л о ж и в к л а с с и ф и ц и р о в а т ь м и н е р а л ы на основании внешних п р и з н а к о в — о к р а с к и, об­ щего вида (облик, поверхность, блеск), вну­ треннего вида (излом, ф о р м а обломков), про­ зрачности, цвета ч е р т ы, побежалости, твердо­ сти, запаха, вкуса и т. д. Х о т я п о л у ч и в ш а я с я к л а с с и ф и к а ц и я б ы л а громоздкой, она я в л я ­ л а с ь первой полной систематизацией именно Авраам Готлоб Вернер минералов, причем А. Вернер с т р е м и л с я к а к - т о с в я з а т ь эту к л а с с и ф и к а ц и ю с генезисом мине­ ралов и ростом к р и с т а л л о в. Он в ы д е л и л осо­ бые р а з д е л ы — химическую минералогию, гео­ г р а ф и ч е с к у ю минералогию и экономическую минералогию. Выполненные А. Вернером по­ дробные описания м и н е р а л о в п р о д о л ж и т е л ь ­ ное в р е м я считались классическими, хотя в т р а к т о в к е п р о и с х о ж д е н и я минералов А. В е р ­ нер исходил из ошибочного п р е д п о л о ж е н и я, ч т о образование всех горных пород и р у д обязано процессам осадконакопления и последующего изменения осадков.

З н а ч и т е л ь н о более прогрессивными б ы л и работы русского х и м и к а и минералога В.М.Се вергина (1765-1826). В научной д е я т е л ь н о с т и он б ы л п р о д о л ж а т е л е м трудов М. В. Ломоносо­ ва. В своих минералогических работах и пре­ ж д е всего в к а п и т а л ь н о м двухтомном труде " П е р в ы е основания минералогии" В. М.Север гин особое внимание у д е л я л условиям образо­ вания минералов, знание которых, к а к он ду­ м а л, д о л ж н о б ы т ь п о л о ж е н о в основу поисков рудных месторождений. Э т о нашло о т р а ж е н и е и в определении В. М. Севергиным с о д е р ж а н и я минералогической науки: " М и н е р а л о г и я есть ч а с т ь естественной истории, к о т о р а я научает нас познавать ископаемые тела, т. е. о т л и ч а т ь Василий Михайлович Севергин оные от всех других т е л по существенным их п р и з н а к а м, з н а т ь их свойства, месторо­ ж д е н и я, пользу и отношение их к а к м е ж д у собой, т а к и к д р у г и м т е л а м ".

М и н е р а л ы, по мнению В. М.Севергина, образуются в природе не изолированно, не случайно, а определенными сообществами;

совместное н а х о ж д е н и е м и н е р а л о в в та ких сообществах в м е с т о р о ж д е н и я х он н а з ы в а л " с м е ж н о с т ь ю " (мы н а з ы в а е м сейчас эти естественные сообщества минералов, образующихся совместно, парагенезисами).

В. М. Севергин п р о д о л ж а е т здесь научные традиции М. В. Ломоносова, в и д я в изучении м и н е р а л ь н ы х сообществ не т о л ь к о путь к выяснению условий образования минералов, но и основу д л я научных поисковых прогнозов.

В качестве одной из з а д а ч минералогии В. М.Севергин, к а к и А. В е р н е р, выдвинул изучение практической ценности минералов, выделив "економическую минералогию, научающую р а з л и ч н о м у употреблению ископаемых т е л и познанию т е х свойств, по к о т о р ы м оные д л я нас полезны б ы в а ю т ". В минералогической к л а с с и ф и к а ц и и он выступает сторонником химического направления. Е м у ж е п р и н а д л е ж и т п е р в а я по­ п ы т к а осуществления идей М. В. Ломоносова о создании региональной минералогии — в виде д в у х т о м н о й сводки " О п ы т минералогического землеописания Российского го­ с у д а р с т в а ". Значение ее, по мнению В. М.Севергина, з а к л ю ч а е т с я в т о м, ч т о "познав, какие в к а ж д о й стране н а х о д я т с я м и н е р а л ы, п о б у ж д а т ь с я будем у п о т р е б л я т ь их в настоящую пользу;

сверх того не будем заимствовать из о т д е л ь н ы х мест и притом с и з д е р ж к а м и и з а т р у д н е н и я м и т о, ч т о вблизи нас в недрах з е м л и с к р ы в а е т с я ". Особой заслугой В. М. Севергина перед отечественной наукой я в л я е т с я очищение минералогии от бесчисленных псевдонаучных терминов и терминов, в з я т ы х и з немецкой минерало­ гической ш к о л ы.

Работы А. Вернера и В. М. Севергина легли в основу всех н а п р а в л е н и й дальнейшего р а з в и т и я минералогии в X I X в.

Наиболее з н а ч и т е л ь н ы м прогрессом я в и л и с ь в X I X в. упрочение представлений о минерале к а к химическом соединении (Р.Гаюи, Й. Б е р ц е л и у с, Д. И. С о к о л о в ) и разра­ б о т к а химических основ к л а с с и ф и к а ц и и минералов немецким х и м и к о м Густавом Розе (1852) и а м е р и к а н с к и м геологом и минералогом Д ж. Д э н а (1837);

п о с л е д н я я без прин­ ципиальных изменений существует д о сих пор. Химическое направление исследований в минералогии р а з в и в а л и т а к ж е немецкий химик Э. М и т ч е р л и х, немецкий к р и с т а л л о ­ г р а ф и минералог П. Грот, австрийский минералог Г. Ч е р м а к и многие д р у г и е ученые.

Изучение м о р ф о л о г и и к р и с т а л л о в в X I X в. позволило в ы я в и т ь и исследо­ вать всё их многообразие, составить атла­ сы ч е р т е ж е й э т и х к р и с т а л л о в (работы Н. И. К о к ш а р о в а, П. В. Еремеева, П. Гро­ та). В р а з в и т и и представлений о дискрет­ ности внутреннего строения к р и с т а л л о в з н а ч и т е л ь н ы м и с о б ы т и я м и я в и л и с ь рабо­ ты О.Бравэ, Е.С.Федорова, А.Шенфли са, давших еще в дорентгеновекий период вывод главных з а к о н о в симметрии про­ странственного распределения ч а с т и ц в к р и с т а л л и ч е с к и х р е ш е т к а х минералов.

Обширны и р е з у л ь т а т и в н ы б ы л и в X I X в.

т а к ж е исследования ф и з и ч е с к и х свойств м и н е р а л о в — о п т и ч е с к и х (Г.Сорби, Ф.Цир кель, Г. Розенбу ш, А. А. Иностранцев, А. П. К а р п и н с к и й ), плотности ( Л. И. П а н с нер, А. Б р е й т г а у п т ), твердости (Ф. Моос) Николай Иванович Кокшаров и др.

В X I X в. ш л о интенсивное накопление ф а к т и ч е с к о г о м а т е р и а л а по минералогии ме­ сторождений в пределах о т д е л ь н ы х стран и географических районов. Э т о направление минералогии, названное в свое в р е м я А. Верне ром и В. М. С е в е р г и н ы м географической мине­ ралогией, н а ш л о свое о т р а ж е н и е п р е ж д е всего в работе самого В. М. Севергина " О п ы т мине­ ралогического землеописания Российского го­ сударства" (1809) и в одиннадцатитомном тру­ де Н. И. К о к ш а р о в а (1818-1893) " М а т е р и а л ы д л я минералогии России" (1852-1892). К чи­ слу т а к и х ж е работ о т н о с я т с я книги р а з н ы х л е т по минералогии Великобритании и И р л а н ­ дии (У. Л е т с о м, 1858), С Ш А ( Д ж. Д э н а, 1868 1892), Нового У э л ь с а (А. Л и в е р с и д ж, 1874), Перу (А. Раймонди, 1878), Японии, Франции, Испании и д р у г и х с т р а н. Э т и исследования были особо в а ж н ы д л я воспроизведения об­ щей к а р т и н ы образования минералов, созда­ ния теории генезиса м е с т о р о ж д е н и й и разра­ И о г а н н ф их Авг ст ботки их к л а с с и ф и к а ц и и. Многое в этих гене- Р*ДР У Брейтгаупт тических работах теперь у ж е устарело, многое претерпело з н а ч и т е л ь н у ю т р а н с ф о р ­ мацию, но д о сих п о р сохраняют свою принципиальную ценность, во-первых, разви­ т ы е А. Брейтгауптом (1791-1873) вслед з а В. М. Севергиным представления о параге­ незисе — повторяемости в природе некоторых закономерных ассоциаций одновременно возникающих м и н е р а л о в и, во-вторых, о химических переходах одних м и н е р а л о в в другие при образовании т а к н а з ы в а е м ы х псевдоморфоз. Последние б ы л и д е т а л ь н о исследованы тогда П. В. Е р е м е е в ы м, А. Д е л е с с о м, И. Б л ю м о м, Г. В и н к л е р о м.

В X I X в. свыше 150 ученых работало в области синтеза м и н е р а л о в и моделирова­ ния природных процессов их образования. Д о настоящего времени сохранили свою ценность о п ы т ы Я. В а н т - Г о ф ф а, выполненные и м в 1897-1904 гг., по к р и с т а л л и з а ц и и хлоридов и с у л ь ф а т о в из водных растворов и по порядку в ы д е л е н и я э т и х минера­ лов в морских бассейнах, а т а к ж е изучение м е т а л л у р г и ч е с к и х ш л а к о в И. Фогтом в 1888-1903 гг., показавшее, к а к порядок к р и с т а л л и з а ц и и минералов и з магматического р а с п л а в а зависит от его состава.

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ М И Н Е Р А Л О Г И И В X X ВЕКЕ В целом успехи химии и ее р о л ь в р а з в и т и и минералогии к концу X I X в. н а с т о л ь к о возросли, ч т о вступление минералогии н а р у б е ж X I X — X X веков в ее новый, современ­ ный этап р а з в и т и я ознаменовалось з а р о ж д е н и е м в ней новой н а у к и — г е о х и м и и, а с а м а минералогия нередко с т а л а т о л к о в а т ь с я к а к х и м и я з е м н ы х процессов. В этом боль­ шую р о л ь с ы г р а л а д е я т е л ь н о с т ь в ы д а ю щ и х с я русских минералогов В. И. Вернадского (1863-1945) и А. Е. Ф е р с м а н а (1883-1945).

А к а д е м и к В. И. Вернадский широко известен к а к р е ф о р м а т о р минералогической на­ уки, основоположник современной генетической минералогии и один и з создателей геохимии.

В. И. В е р н а д с к и й о п р е д е л я л минералогию к а к историю м и н е р а л о в земной к о р ы и к а к химию з е м н ы х процессов. Он п р и д а в а л в а ж н е й ш е е значение исследованию про­ цессов образования минералов и их закономерных ассоциаций (парагенезисов), изуче­ нию зависимости этих процессов от геологической обстановки. Б о л ь ш о е внимание Виктор Мориц Гольдшмидт В л а д и м и р Иванович Вернадский после окончания С.-Петербургского университета В. И. Вернадский у д е л я л вопросам химической конституции минералов, в и д я в ней основу естественной к л а с с и ф и к а ц и и природных соединений. Д л я в а ж н е й ш е г о в зем­ ной коре к л а с с а соединений — силикатов — В. И. В е р н а д с к и й с о з д а л общую теорию химического строения, убедительно д о к а з а в одинаковую химическую р о л ь к р е м н и я и а л ю м и н и я в этой категории минералов. Э т а теория, п о я в и в ш а я с я в р е з у л ь т а т е об­ общения огромного ф а к т и ч е с к о г о м а т е р и а л а, б ы л а в свое в р е м я т р и у м ф о м научной мысли, победившей л о ж н ы е представления о т о м, что все с и л и к а т ы я к о б ы я в л я ю т с я с о л я м и р а з н ы х к р е м н и е в ы х кислот. Еще одним в к л а д о м в минералогию я в и л о с ь д а л ь ­ нейшее развитие представлений об и з о м о р ф и з м е — в ы в о д схем в х о ж д е н и я химических примесей в м и н е р а л ы в р а з н ы х геологических условиях.

Назовем другие я р к и е имена нашего века в развитии минералогии. Немецкий уче­ ный В. Гольдшмидт (1853-1933) внес громадный в к л а д в изучение м о р ф о л о г и и кри­ с т а л л о в, он не т о л ь к о создал д е в я т и т о м н у ю сводку по всем м и н е р а л а м — " А т л а с кри­ сталлов", но выдвинул и р а з в и л идею о т о м, ч т о по ф о р м е к р и с т а л л а, с к у л ь п т у р е его граней, д е т а л я м строения его поверхности м о ж н о судить о его прошлом. Н о р в е ж е ц В. М. Гольдшмидт (1888-1947) р а з в и л химическую минералогию, впервые использовав правило ф а з д л я объяснения закономерностей некоторых физико-химических процес­ сов контактного м е т а м о р ф и з м а и образования роговиков разного минерального со­ става, он ж е р а з р а б о т а л существующую д о сих пор систему р а з м е р о в атомов и ионов в к р и с т а л л и ч е с к и х с т р у к т у р а х минералов. Ученик В. И. В е р н а д с к о г о А. Е. Ф е р с м а н п о л о ж и л н а ч а л о учению о т и п о м о р ф и з м е м и н е р а л о в — з а в и с и м о с т и м о р ф о л о г и и, со­ става, свойств м и н е р а л а и набора его минералов-спутников от условий образования, р а з в и л идею о т о м, ч т о последовательность образования минералов в м е с т о р о ж д е ­ ниях с в я з а н а с энергетикой процесса, п р е д л о ж и л метод приближенного р а с ч е т а энер­ гий к р и с т а л л и ч е с к и х решеток минералов, и з л о ж и л одну из первых теорий о природе окраски минералов, углубил учение о и з о м о р ф и з м е. Велики заслуги А. Е. Ферсмана в развитии регионально-минералогических исследований и в освоении природных ресур­ сов с т р а н ы. П л е я д а ф и з и к о в, химиков, к р и с т а л л о г р а ф о в ( В. Б р э г г — отец, В. Б р э г г — сын, Л. П о л и н г, Ф. М а х а ч к и, В. Т э й л о р, Н. В. Б е л о в и др.) п о л о ж и л а н а ч а л о мощному направлению в минералогии — р а с ш и ф р о в к е к р и с т а л л и ч е с к и х с т р у к т у р минералов.

МЕСТО М И Н Е Р А Л О Г И И СРЕДИ Д Р У Г И Х НАУК И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ З Н А Ч Е Н И Е Исторический обзор р а з в и т и я минералогии в с к р ы в а е т ее с в я з ь с д р у г и м и на­ у к а м и. Э т о одна из старейших и г л а в н ы х наук о горных породах и рудах, о т о м веществе (минералах), из которого состоят объекты исследования геологов, петрогра­ ф о в, литологов, специалистов по м е с т о р о ж д е н и я м полезных ископаемых, геохимиков и геофизиков. И м е ю т с я общие проблемы у минералогии с биологией и палеонтологией.

Минералы входят в состав т в е р д ы х тканей ж и в ы х организмов и растений, слагают окаменелости. Мощные толщи некоторых осадочных горных пород я в л я ю т с я захоро­ ненными скоплениями построенных из минералов раковин, скелетов и д р у г и х остатков ж и в о т н ы х и растений. После полетов р а к е т на Л у н у и Венеру ещё более у п р о ч и л и с ь связи минералогии с космологией — на м а т е р и а л е из Космоса необходимо в ы п о л н я т ь минералогические исследования. П о объектам, кругу з а д а ч и методам исследования минералогия тесно с в я з а н а с к р и с т а л л о г р а ф и е й, во многом — с ф и з и к о й и химией.

П р а к т и ч е с к о е значение минералогии к а к науки о м и н е р а л а х — с о с т а в н ы х ч а с т я х руд и умении их и с п о л ь з о в а т ь — н е с о м н е н н о.

Еще одно практическое значение минералогии — выявление и исследование тех осо­ бенностей минералов ( ф о р м ы и р а з м е р о в к р и с т а л л о в и зерен, их состава, внутреннего строения, степени хрупкости и трещиноватости, твердости, плотности, смачиваемости, электропроводности, магнитной восприимчивости и других свойств), к о т о р ы е в л и я ю т на процесс механического или другого измельчения руд и горных пород, с к а з ы в а ю т с я на х а р а к т е р е п р о т е к а н и я технических процессов по обогащению р у д. Э т а о т р а с л ь практической д е я т е л ь н о с т и минералога п о л у ч и л а название технологической минера­ логии. В ней минералог к а к специалист по диагностике м и н е р а л о в и изучению их морфологии, состава, свойств соединяет свои з н а н и я и н а в ы к и в ы п о л н е н и я лабора­ т о р н ы х исследований с работой инженеров-проектантов, химиков, ф и з и к о в, обогати­ телей. Сходные практические з а д а ч и решают минералоги в л а б о р а т о р и я х проектных и научно-исследовательских организаций в химической, м е т а л л у р г и ч е с к о й, керамиче­ ской, стекольной промышленности, при производстве абразивов, цементного с ы р ь я, огнеупоров, м и н е р а л ь н ы х удобрений, синтезе технических к р и с т а л л о в.

Большое практическое значение имеет минералогия при проведении геолого-поис­ ковых работ н а р а з н ы е полезные ископаемые, так к а к в конечном счете ведется поиск именно скопления минералов в виде руд или горных пород. Н е к о т о р ы е м и н е р а л ы могут с л у ж и т ь критерием поиска этих р у д и горных пород. Я р к и е з е л е н ы е н а л е т ы гидрокарбоната меди (малахита) и его "проводники" в трещинах приведут к з а л е ж а м окисленных медных руд;

н е ж н ы е с н е ж и н к и и иголочки г е м и м о р ф и т а в пустотах бурого ж е л е з н я к а, образовавшегося при поверхностном выветривании руд, д а д у т основание и с к а т ь в их первичных з а л е ж а х м и н е р а л ы цинка, т а к к а к г е м и м о р ф и т — э т о вторич­ ный гидросиликат цинка. Н а х о д к а обломков, с л о ж е н н ы х среднезернистым агрегатом хороших з е л е н ы х или коричневых к р и с т а л л о в г р а н а т а и к а л ь ц и т а с в к р а п л е н и я м и халькопирита, я в л я е т с я признаком рудного м е с т о р о ж д е н и я скарнового типа. Форма к р и с т а л л о в, их цвет, другие свойства, особенности химического состава т а к ж е исполь­ з у ю т с я д л я выработки минералогических критериев поиска м е с т о р о ж д е н и й. Мине­ р а л ь н ы й состав " ч е р н ы х песков" в береговой полосе, в з а п а д и н а х д н а рек и ручьев д а е т ценную и н ф о р м а ц и ю об источниках сноса в е щ е с т в — э т о т прием используется при поиске россыпных месторождений золота, а л м а з о в, оловянных, т и т а н о в ы х и дру­ гих руд. Все эти критерии р а з р а б а т ы в а е т поисковая м и н е р а л о г и я.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В минералогии м о ж н о в ы д е л и т ь несколько основных направлений, иногда они са­ м о с т о я т е л ь н ы, иногда п е р е к р ы в а ю т д р у г друга, часто неотделимы от с м е ж н ы х наук.

Ч а с т ь исследований удобно объединить под названием теоретической минералогии, ч а с т ь — о т н е с т и к прикладной.

Основными н а п р а в л е н и я м и теоретической минералогии в настоящее в р е м я я в л я ­ ются:

1) к р и с т а л л о х и м и я минералов;

2) ф и з и к а минералов;

3) учение о генезисе (происхождении) минералов, в том числе:

— о космологических закономерностях, — о закономерностях образования и распределения м и н е р а л о в в р а з н ы х геологиче­ ских системах, — о закономерностях образования м и н е р а л ь н ы х индивидов и их агрегатов, — о химической среде, д а в л е н и и и температуре минерал ©образования;

4) биоминералогия;

5) учение о т и п о м о р ф и з м е, т. е. о зависимости особенностей с т р у к т у р ы, состава, свойств минералов и ф о р м ы их к р и с т а л л о в от условий образования.

Главные н а п р а в л е н и я в прикладной минералогии сейчас т а к о в ы :

1) д и а г н о с т и к а м и н е р а л о в (определение минерального состава горных пород и руд, установление м о р ф о л о г и и, состава, свойств минералов);

2) поисковая м и н е р а л о г и я ;

3) технологическая минералогия;

4) техническая м и н е р а л о г и я ;

5) минералогическое материаловедение.


Особая о б л а с т ь и с с л е д о в а н и й — э т о э к с п е р и м е н т а л ь н а я м и н е р а л о г и я и синтез тех­ нически ценных к р и с т а л л о в. Еще одна особая область — это исследования по геммоло­ гии. Минералогия и геммология п е р е к р ы в а ю т д р у г друга в области исследования при­ родного камнесамоцветного с ы р ь я, изучения его свойств, в выборе приемов обработки к а м н я, диагностике драгоценных и поделочных камней в сыром виде и в и з д е л и я х.

Но у минералогии и геммологии свой к р у г з а д а ч, свои объекты и цели, выходящие з а пределы этой общей д л я них области.

Перечисленные н а п р а в л е н и я не исчерпывают всего многообразия минералогии. Ак­ тивными ц е н т р а м и многоплановых минералогических исследований я в л я ю т с я Апа­ т и т ы, И р к у т с к, К и е в, С.-Петербург, Л ь в о в, Москва, Новосибирск, Екатеринбург, С ы к ­ т ы в к а р. Созданы специальные институты — минералогии У Н Ц РАН в Миассе, геохи­ мии и ф и з и к и м и н е р а л о в в Киеве, экспериментальной минералогии РАН в г. Ч е р н о ­ головке, синтеза минерального с ы р ь я в г. Александрове. В к а ж д о м т е р р и т о р и а л ь н о м геологическом у ч р е ж д е н и и имеются минералогические отделы и лаборатории. Су­ ществует сеть институтов минерального с ы р ь я и институтов м и н е р а л ь н ы х ресурсов (в Москве, С и м ф е р о п о л е, Алма-Ате, Тбилиси, Новосибирске, И р к у т с к е, Хабаровске), решающих вопросы региональной минералогии и освоения новых видов минерального сырья.

Контрольные вопросы 1. Что такое минерал?

2. Что такое обязательные и необязательные объекты минералогии?

3. С деятельностью каких ученых более всего связано становление минералогии как само­ стоятельной науки?

4. Какую роль сыграли исследования В.И.Вернадского и А.Б.Ферсмана в современной ми­ нералогии?

5. Назовите основные направления исследований в минералогии.

Глава КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА И Х И М И Ч Е С К И Й СОСТАВ М И Н Е Р А Л О В ВВОДНЫЕ ПОНЯТИЯ К а ж д ы й м и н е р а л х а р а к т е р и з у е т с я своей к о н с т и т у ц и е й — т о л ь к о ему присущим определенным единством его кристаллической с т р у к т у р ы и химического состава. Кон­ ституция минерала, по определению Д. П. Григорьева, это его сущность к а к природ­ ного химического соединения. Вещества одного и того ж е состава, но разной струк­ т у р ы имеют, следовательно, р а з н у ю конституцию. В ф и з и к е и химии м ы относим их к р а з н ы м п о л и м о р ф н ы м м о д и ф и к а ц и я м, в минералогии считаем р а з н ы м и минера­ л а м и. Т а к, природный углерод встречается чаще всего в д в у х п о л и м о р ф н ы х моди­ ф и к а ц и я х — в виде а л м а з а и г р а ф и т а. В первом атомы углерода " у п а к о в а н ы " плотно и скреплены с и л ь н ы м и химическими с в я з я м и, во втором атомы р а с п о л а г а ю т с я сло­ я м и, связи с л о ж н ы. Естественно, что м о р ф о л о г и я к р и с т а л л о в и ф и з и ч е с к и е свойства этих д в у х минералов резко о т л и ч а ю т с я. Известно по т р и и более природных поли­ м о р ф н ы х м о д и ф и к а ц и й одного и того ж е химического состава (например, у Т Ю г их три — анатаз, брукит, р у т и л, у S1O2 около д е с я т и — к в а р ц, тридимит, стишовит и д р. ).

К а ж д а я п о л и м о р ф н а я м о д и ф и к а ц и я устойчива при своих з н а ч е н и я х т е м п е р а т у р ы, да­ вления и химической обстановке в среде минералообразования.

Однако есть м и н е р а л ы разного состава, но одинакового с т р у к т у р н о г о типа. М ы будем н а з ы в а т ь их изоструктурными соединениями. Т а к о в ы, н а п р и м е р, ГезОз (гема­ тит) и AI2O3 (корунд), В1г8з (висмутин) и БЬгЗз (стибнит), БпОг (касситерит), МпОг (пиролюзит) и ТЮ2 (рутил), M g A b 0 4 (шпинель) и F e F e f 0 4 (магнетит). Свойства 2+ + и условия образования этих соединений р а з л и ч н ы, но по м о р ф о л о г и и их к р и с т а л л ы часто имеют много сходного м е ж д у собой.

Наконец, среди некоторых и з о с т р у к т у р н ы х минералов имеются соединения разного 2+ промежуточного состава, например шпинель, обогащенная ж е л е з о м ( F e ) з а счет со­ ответствующего недостатка в ней магния, или магнетит с химической примесью алю­ 3+ миния з а счет соответствующего д е ф и ц и т а F e. Т а к и е м и н е р а л ы Я. В а н т - Г о ф ф по первой их аналогии с водными истинными растворами н а з в а л в 1890 г. т в е р д ы м и растворами. В зависимости от количества химических примесей н а х о д я т с я свойства минерала, вид и х а р а к т е р огранки кристаллов, и з м е н я ю т с я его с т р у к т у р н ы е особен­ ности. Р а з н ы е примеси входят в состав м и н е р а л а в р а з н ы х у с л о в и я х его образования.

В з а и м о с в я з ь состава, с т р у к т у р ы, х а р а к т е р а связей в к р и с т а л л а х р а з н ы х веществ, в частности в минералах, изучается в особом разделе к р и с т а л л о г р а ф и и. Э т о т раздел н а з ы в а е т с я кристаллохимией. В настоящей главе и з л о ж е н ы л и ш ь основные п о н я т и я о пространственной решетке, плотнейшей упаковке, координации и р а д и у с а х атомов и ионов в к р и с т а л л а х, з а к о н а х в х о ж д е н и я химических примесей в м и н е р а л ы. М а т е р и а л во и з б е ж а н и е повторений д а н в том объеме, в к а к о м он дополняет общеизвестные поло­ ж е н и я химии и ф и з и к и о к р и с т а л л и ч е с к о м строении вещества и х а р а к т е р е химических связей.

ХАРАКТЕРНЫЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ К р и с т а л л ы построены из м а т е р и а л ь н ы х частиц — ионов, атомов или м о л е к у л, гео­ метрически п р а в и л ь н о р а с п о л о ж е н н ы х в пространстве. Д л я описания п о р я д к а распо­ л о ж е н и я частиц в пространстве их стали о т о ж д е с т в л я т ь с т о ч к а м и. И з такого подхода постепенно с ф о р м и р о в а л о с ь представление о пространственной, или к р и с т а л л и ч е с к о й, решетке к а к о бесконечном трехмерном периодическом образовании (рис. 1). В ней в ы д е л я ю т у з л ы (отдельные т о ч к и, центры т я ж е с т и атомов и ионов), р я д ы ( р я д — совокупность узлов, л е ж а щ и х на одной прямой) и плоские сетки (плоскости, про­ ходящие через любые т р и у з л а ). Т а к и м образом, кристаллическое вещество имеет строго закономерное (решетчатое, или ретикулярное) внутреннее строение (от лат.

reticulum—сеточка).

Одна из главнейших особенностей кри­ сталлических с т р у к т у р — з а к о н о м е р н а я по­ вторяемость в пространстве их узлов, ря­ дов и плоских сеток. Отсюда х а р а к т е р н ы е свойства к р и с т а л л и ч е с к и х веществ: а) од­ нородность строения (однородностью кри­ с т а л л а назовём одинаковость узора взаим­ р ного р а с п о л о ж е н и я атомов во всех ч а с т я х его объема);

б) анизотропия (в изотроп­ ных т е л а х все свойства—теплопроводность, электропроводность, твёрдость ц а р а п а н и я и т. д. — одинаковы в любом направлении, а в анизотропных т е л а х все свойства неоди­ наковы в н е п а р а л л е л ь н ы х направлениях, т. е., например, в одном направлении элек­ трический ток проходит быстрее, в дру­ г о м — медленнее);

в) симметричность (см.

Рис. 1. Кристаллическая решетка галита.

гл. 3, с. 42). В а ж н ы м свойством к р и с т а л л и ­ ческих веществ я в л я е т с я способность само­ о г р а н я т ь с я. П р и свободном росте из растворов к р и с т а л л ы, к а к п р а в и л о, ограничива­ ются плоскими г р а н я м и и п р я м ы м и ребрами, п р и н и м а я многогранную ф о р м у.

Б ы л и исследованы в о з м о ж н ы е простейшие в а р и а н т ы построения к р и с т а л л и ч е с к и х решеток в соответствии с з а к о н а м и их симметрии. О. Б р а в э д о к а з а л, ч т о существует т о л ь к о 14 типов полиэдров (рис. 2), из к о т о р ы х м о ж н о " с о б р а т ь " любую простран­ ственную решетку, а Е. С. Ф е д о р о в установил, что д л я этих решеток имеется 230 сим метрийных законов р а с п о л о ж е н и я частиц. Р а з н ы е количественные соотношения хи­ мических элементов в минералах, 14 типов к р и с т а л л и ч е с к и х решеток и 230 з а к о н о в р а с п о л о ж е н и я частиц, — в с е это д а е т бесконечное число р е а л ь н ы х с т р у к т у р и минера­ лов.

Моноклинная Триклинная Моноклинная а*Ь* с а • с* а (базоцентрированная) р*90° o a*pVy* З с А. I Ромбическая Ромбическая Ромбическая (базоцентрированная) Ромбическая (гранецентрированная) (объемноцентрированная) 8 -Т=~ ^ v —j " -g Ромбоэдрическая _ _ Тетрагональная Гексагональная Ромбоэдрическая афс а=60° 12 11 и* г- Г Кубическая Кубическая (примитивная) Кубическая (гранецентрированная) Тетрагональная (объемноцентрированная) (объемноцентрированная) Рис. 2. Типы решеток Браве.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В МИНЕРАЛАХ.

ТЕОРИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ш к о л ь н ы х учебниках химии природа химической связи традиционно о б ъ я с н я е т с я д л я и д е а л ь н ы х с л у ч а е в н а т а к и х простейших примерах, к а к : а) бинарные м о л е к у л ы т и п а N a C l, CaF2;

б) м о л е к у л ы газов ( С Ь и т. п. ) ;

в) химически ч и с т ы е м е т а л л ы (Си, Аи). Т а к вводится понятие о ионных (в N a C l, С а Р г ), к о в а л е н т н ы х (в м о л е к у л а х т и п а С Ь ) и м е т а л л и ч е с к и х (у С и, Аи) с в я з я х.

Ионная связь образуется з а счет электростатического (кулоновского) п р и т я ж е н и я + противоположно з а р я ж е н н ы х ионов, например э л е к т р о п о л о ж и т е л ь н о г о N a и элек­ и F в CaF2. С и л а электростатического 2+ троотрицательного С1~ в N a C l, ионов С а п р и т я ж е н и я ионов и стабильность т а к и х молекул з а в и с я т от з а р я д а ионов и и х разме­ ров: чем больше з а р я д и меньше ион, т е м прочнее он с в я з а н со своим соседом.


Ковалентная связь в м о л е к у л а х газов т и п а С Ь осуществляется з а счет обобще­ ствления внешних электронов у э л е к т р о н е й т р а л ь н ы х атомов. Это образно показано на схеме : С 1. +.С1 CI : С где т о ч к а м и обозначены внешние э л е к т р о н ы. Х л о р находится в т р е т ь е м периоде та­ блицы химических элементов под номером 17, т. е. в состав его атома в х о д я т 17 элек­ тронов. Д л я нейтрального атома х л о р а запишем распределение э л е к т р о н о в по орбита 2 2 6 2 л я м : l s 2 s 2 p 3 s 3 p, т. е. н е й т р а л ь н ы й атом С1 имеет семь внешних э л е к т р о н о в. Б л и ­ ж а й ш и й к нему инертный газ аргон Аг имеет м а к с и м а л ь н о устойчивую д л я элементов 2 третьего периода внешнюю оболочку из восьми электронов (3s 3p ). Выше, на схеме образования м о л е к у л ы С Ь, видно, ч т о к а ж д ы й атом хлора становится о б л а д а т е л е м восьми внешних электронов, т. е. атом х л о р а в молекуле С Ь находится в устойчивом состоянии. В р е з у л ь т а т е м о л е к у л а С Ь стабильна, к о в а л е н т н а я с в я з ь обеспечивает ее прочность.

Металлическая связь х а р а к т е р н а д л я меди, золота и других т и п и ч н ы х м е т а л л о в.

И х атомы, к а к известно, имеют в изолированном состоянии (в идеальном газе) круп­ ные р а з м е р ы (теоретический радиус атома з о л о т а 0,144 нм, меди 0,128 н м ), а внеш­ ние э л е к т р о н ы слабо с в я з а н ы с я д р о м. В кристаллической решетке м е т а л л о в внеш­ ние э л е к т р о н ы свободно перемещаются в пространстве м е ж д у атомами (они образуют т а к н а з ы в а е м ы й э л е к т р о н н ы й газ), обеспечивая им х а р а к т е р н ы е с в о й с т в а — в ы с о к и е электро- и теплопроводность, хорошую ковкость.

Существует еще один идеализированный тип химической связи, которую н а з ы в а ю т вандерваальсовой (это т а к н а з ы в а е м а я остаточная химическая с в я з ь ). Возьмем такой пример. В с ж и ж е н н о м газе С Ь м е ж д у атомами С1 в молекуле с в я з ь к о в а л е н т н а я, к а ж д а я м о л е к у л а с а м а по себе э л е к т р о н е й т р а л ь н а, но н а очень короткое в р е м я она м о ж е т п р е в р а щ а т ь с я в слабый д и п о л ь з а счет случайного неравномерного распреде­ л е н и я электронов во внешней оболочке м о л е к у л ы С Ь - Т о г д а соседние д и п о л и С Ь в ж и д к о с т и будут взаимодействовать д р у г с другом. Э т и с л у ч а й н ы е (остаточные) с и л ы и носят название в а н д е р в а а л ь с о в ы х с и л. Они очень м а л ы. Поэтому ж и д к и й х л о р м о ж е т существовать т о л ь к о при температуре н и ж е — 102°С.

Рассмотренные выше идеализированные и простейшие схемы л е ж а т в основе пред­ ставлений о р е а л ь н ы х химических с в я з я х м е ж д у атомами в бесконечном пространстве кристаллической решетки минералов. В ней все атомы взаимодействуют со своими соседями, а т е, в свою очередь, со своими собственными соседями. В р е з у л ь т а т е воз­ никает общее кристаллическое пространство взаимодействующих атомов, к о р о т к о его н а з ы в а ю т к р и с т а л л и ч е с к и м полем.

Теория кристаллического поля все в р е м я р а з в и в а е т с я, но д а ж е она не м о ж е т объяс­ нить до конца ясно и точно все особенности химической связи в м и н е р а л а х и происте­ кающих из нее свойств. Начнем с идеальной модели ионной химической связи в г а л и т е.

С ч и т а е т с я, ч т о в этом минерале ионная с в я з ь п р о я в л я е т с я в наиболее чистом виде. В кристаллической с т р у к т у р е м и н е р а л а к а ж д ы й атом н а т р и я п р е д с т а в л я е т собой с ф е р у (шар), на ее поверхности равномерно распределен один п о л о ж и т е л ь н ы й з а р я д ;

точно так ж е к а ж д ы й атом х л о р а я в л я е т с я сферой, на ее поверхности распределен один от­ рицательный з а р я д. В принципе одна с ф е р а м о ж е т приблизиться к другой в любом месте, в любом направлении. И о н н а я х и м и ч е с к а я с в я з ь не я в л я е т с я направленной, но ионы н а т р и я и х л о р а чередуются в объеме к р и с т а л л а в строгом п о р я д к е, к о т о р ы й подчиняется геометрическим з а к о н а м плотнейшей упаковки атомов в к р и с т а л л а х (они будут описаны н и ж е, с. 24-27).

Is-орбиталь + p + Py + p - орбитали = четыре гибридизованные x z орбитали Рис. 3. Конфигурация орбиталей электронов в структуре ал­ маза.

К о в а л е н т н а я с в я з ь п р о я в л я е т с я в а л м а з е. Но здесь к а р т и н а с л о ж н е е, чем в иде­ альной модели д л я м о л е к у л ы газа С Ь - В периодической таблице элементов углерод находится во втором периоде. Он имеет 6 электронов, к о т о р ы е распределены по ор 2 2 б и т а л я м т а к : ls 2s 2p (рис. 3, а). Но в к р и с т а л л а х а л м а з а один э л е к т р о н в к а ж д о м атоме углерода переходит в возбужденное с о с т о я н и е — с s-орбитали н а р-орбиталь, и 2 1 распределение э л е к т р о н о в будет другим: l s 2 s 2 p (рис. 3, б). Э т о означает, ч т о ка­ ж д ы й атом углерода в а л м а з е имеет 4 ковалеЛгные связи, обозначим их к а к Ct'rTT.

Здесь орбитали s-электронов и р-электронов смешиваются и п е р е к р ы в а ю т д р у г друга.

Э л е к т р о н н ы е о б л а к а все вместе образуют очень с л о ж н у ю поверхность (рис. 3, в), с ч е т ы р ь м я " в ы с т у п а м и ". Поэтому химическая с в я з ь я в л я е т с я направленной, соседние а т о м ы углерода р а с п о л а г а ю т с я строго по направлению этих " в ы с т у п о в ". Они пере­ к р ы в а ю т д р у г друга, э л е к т р о н ы н а них обобществляются. В р е з у л ь т а т е к а ж д ы й атом углерода о к р у ж е н ч е т ы р ь м я соседями, в свою очередь к а ж д ы й сосед о к р у ж е н своими ч е т ы р ь м и соседями. Т а к п о л у ч а е т с я бесконечная пространственная р е ш е т к а а л м а з а, в его к р и с т а л л и ч е с к о м поле атомы углерода скреплены д р у г с д р у г о м т о л ь к о кова лентными связями:

t t t 4- С С п и и •± - С с С и tt и 4- С С С 1 1 Т е ж е атомы углерода в к а л ь ц и т е С а С О з и других карбонатах с в я з а н ы в к о м п л е к с ы 2 ( С О з ) иным способом. Здесь атом углерода т е р я е т один э л е к т р о н, к о т о р ы й перехо д и т к кислороду. В р е з у л ь т а т е э л е к т р о н ы р а с п р е д е л я ю т с я следующим образом:

2 Is 2s 2р и t t t V Общая валентность атома углерода 4, но т р и связи ковалентные, а одна — ионная.

тт+ Условно изобразим это т а к : С ^. К и с л о р о д в кристаллическом поле к а л ь ц и т а т а к ж е т х а р а к т е р и з у е т с я смешанными химическими с в я з я м и : О ~. С в я з и внутри комплекс­ 2- ттт+ 2 ного аниона ( С О з ) т о ж е смешанные — ионно-ковалентные: ( С О з ~ ). С а м ком­ 2 плексный анион ( С О з ) с в я з а н с к а л ь ц и е м ионной химической с в я з ь ю. Подобно угле­ роду кремний в р а з н ы х м и н е р а л а х всегда имеет валентность 4, но у него х а р а к т е р 14 ++ связей р а з н ы й : S i * * ", S i * *, Si****. Н а п р и м е р, в кварце Si02 т а к а я схема связей:

+ mT tt++ t- ф о р с т е р и т е M g S i 0 — иная: M g ^ ( S i O j " ).

Si 0 ) в 2 П р и м е р ы с углеродом и кремнием очень упрощены и схематизированы нами. Н а них м ы п ы т а л и с ь д а т ь самую первую картину р е а л ь н ы х химических связей в кри­ с т а л л и ч е с к о м поле минералов и п о к а з а т ь неодинаковость этих связей м е ж д у р а з н ы м и атомами и группировками атомов в одном и том ж е к р и с т а л л е. В действительности к а р т и н а связей в к р и с т а л л а х еще с л о ж н е е из-за взаимного в л и я н и я атомов д р у г н а друга. Это взаимное в л и я н и е атомов в ы р а ж а е т с я в том, что в к р и с т а л л е э л е к т р о н ы могут и м е т ь р а з н у ю энергию связи с я д р о м, д а ж е если они р а с п о л а г а ю т с я н а одних и т е х ж е о р б и т а л я х. Согласно классической квантовой механике, в изолированном атоме д л я к а ж д о г о э л е к т р о н а х а р а к т е р е н свой уровень энергии. В к р и с т а л л и ч е с к о м поле м и н е р а л а этот энергетической уровень к а к бы р а с п а д а е т с я (расщепляется) н а не­ сколько р а з н ы х подуровней. И х число и значения энергий о к а з ы в а ю т с я р а з н ы м и д л я одного и того ж е атома в р а з н ы х к р и с т а л л и ч е с к и х решетках и в р а з н о м о к р у ж е н и и атома его соседями. Вариантов много, к а ж д ы й в а р и а н т по-своему в л и я е т н а х а р а к т е р и силу связей. Проще всего это п о к а з а т ь н а примере переходных м е т а л л о в четвертого периода т а б л и ц ы химических элементов (Sc — Zn).

У элементов о т Sc д о Z n имеются Зс?-орбитали. И х п я т ь, а м а к с и м а л ь н о е число электронов, которое м о ж е т н а них находиться, равно 10. Н а п р и м е р, э л е к т р о н ы в атомах т и т а н а и ж е л е з а распределены следующим образом:

2 2 Is 2s 2р 2 6 2 3s Зр 3d 4s иииииии и 14 t t Ti 6 4s и 3d 2 2s 2р з* 26р п\ и и и и \и и п и и \n t t t е t К а к видим, в химической связи у т и т а н а и ж е л е з а могут у ч а с т в о в а т ь d-электроны.

В к р и с т а л л а х э л е к т р о н ы н а d-орбиталях т а к ж е о б л а д а ю т разной энергией: один энер­ гетический уровень р а с щ е п л я е т с я н а несколько (рис. 4). Энергия с в я з и з а счет р а з н ы х d-электронов будет разной.

Очень своеобразна к а р т и н а химической связи в реальгаре AsS и сере S. В к р и ­ сталлической с т р у к т у р е первого м и н е р а л а имеются н е й т р а л ь н ы е м о л е к у л я р н ы е груп­ пировки ( A S 4 S 4 ), во втором — (Se) - М о л е к у л ы с в я з а н ы м е ж д у собой остаточными (вандерваальсовыми) с в я з я м и. Они очень слабые, поэтому к р и с т а л л ы э т и х минера­ лов хрупкие, нетвердые, а сера легко п л а в и т с я и горит.

М е т а л л и ч е с к а я с в я з ь в ее классическом виде п р о я в л я е т с я в м и н е р а л а х, я в л я ю ­ щихся самородными м е т а л л а м и. Это медь, золото, серебро и д р. С т р у к т у р а к а ж д о г о V-y d, * т ху sА У i_ " а XZ а Рыс. ^. Схематическое изо­ i о бражение энергетических уров­ At cc со ней пяти d-орбиталей иона пе­ I л реходного металла в свободном с;

со состоянии (а), а также помещен­ S ного в сферическое (5), октаэдри X ческое (в) и тетраэдрическое (г) о XZ окружение отрицательных заря­ t о дов (BIoss, 1971).

с из них к а к бы с л о ж е н а из одинаковых по размеру с ф е р (шаров), м е ж д у ними свободно перемещаются э л е к т р о н ы.

С р а в н и в а я м е ж д у собой и в ы н у ж д е н н о идеализируя химические связи в минералах, м о ж н о д а т ь их следующую к р а т к у ю характеристику.

1. М е т а л л и ч е с к а я с в я з ь : сильное сближение (соприкосновение) атомов, в ы с о к а я с и м м е т р и я к р и с т а л л о в — самородные м е т а л л ы.

2. В а н д е р в а а л ь с о в а с в я з ь : д а л ь н е е взаимодействие э л е к т р о н е й т р а л ь н ы х частей в с т р у к т у р е минералов — сера, р е а л ь г а р.

3. К о в а л е н т н а я с в я з ь : сильное, направленное взаимодействие атомов з а счет пере­ к р ы в а н и я орбиталей — а л м а з.

4. Ионная с в я з ь : отрицательные и п о л о ж и т е л ь н ы е ионы, электростатическое взаи­ модействие, п о л я р и з а ц и я к р у п н ы х ионов под действием в ы с о к о з а р я д н ы х м е л к и х ио­ н о в — галит, ф л ю о р и т.

ПРИНЦИП ПЛОТНЕИШЕИ УПАКОВКИ АТОМОВ И ИОНОВ Д л я объяснения природы к р и с т а л л и ч е с к и х с т р у к т у р веществ в к р и с т а л л о г р а ф и и используется принцип плотнейшей упаковки атомов и ионов в к р и с т а л л а х, согласно которому принимается, что, во-первых, ф о р м а всех атомов и ионов с ф е р и ч е с к а я и, во вторых, весь объем к р и с т а л л а и л и отдельных его с т р у к т у р н ы х блоков заполнен плотно соприкасающимися атомами и ионами (рис. 5). Н а основе этого принципа удалось просто и геометрически образно охарактеризо­ вать многие особенности к р и с т а л л и ч е с к о г о стро­ ения минералов.

Рассмотрим д л я н а ч а л а в о з м о ж н ы е способы плотнейшей у к л а д к и шаров равного д и а м е т р а.

П о л о ж и м д р у г н а д р у г а д в а с л о я плотно сопри­ касающихся шаров, обозначив н и ж н и й слой бу­ квой А, в е р х н и й — б у к в о й В. Т р е т и й слой м о ж н о п о л о ж и т ь н а слой В по-разному (рис. 6): в од­ ном случае ш а р ы третьего с л о я точно повторяют положение шаров в слое А, а в д р у г о м — ш а р ы третьего слоя з а й м у т неповторяемую позицию С, их затем м о ж н о п е р е к р ы т ь ч е т в е р т ы м слоем ша­ ров, который повторит п о л о ж е н и е с л о я А. У п а Рис. 5. Иллюстрация принципа плотнейшеи упаковки атомов„. мо «. „ на. к о в к а первого типа х аг а к т ег и зjу е т с я повторяемо р р r * дели структуры галенита. стью АВ А В А В..., ее н а з ы в а ю т двухслойной " Рис. 6. Двухслойная (а) и трехслойная (б) плотнейшие упа­ ковки шаров.

(а по х а р а к т е р у с и м м е т р и и — г е к с а г о ­ нальной) (рис.7). Д л я упаковок вто­ рого т и п а х а р а к т е р н а повторяемость A B C A B C A B C..., ее н а з ы в а ю т трех­ слойной (рис.6) или кубической (рис.8).

Имеется много других п о р я д к о в повто­ ряемости слоев в плотнейшей у к л а д к е шаров, но все они будут я в л я т ь с я вари­ антами этих д в у х упаковок.

Плотно у л о ж е н н ы е ш а р ы з а н и м а ю т л и ш ь 74% заполняемого ими объема, а 26% приходится на пустоты м е ж д у ша­ рами. И х д в а типа. Одни пустоты, меньшие по размеру, р а с п о л а г а ю т с я ме­ ж д у ч е т ы р ь м я ш а р а м и (рис.9, б), и их н а з ы в а ю т тетраэдрическими. Д р у г и е, большие по р а з м е р у пустоты ограни­ чены шестью ш а р а м и (рис.9, а), и их н а з ы в а ю т октаэдрическими. В беско­ нечной кристаллической постройке н а п шаров приходится 2п тетраэдриче ских и п октаэдрических пустот.

Примером построения к р и с т а л л и ч е ­ ской с т р у к т у р ы вещества почти точно по принципу плотнейшей упаковки м о ж е т я в л я т ь с я к о р у н д AI2O3. В нем Рис. 7. Соответствие между моделью двухслойной (гексагональной) плотнейшей упаковки и кристаллической решеткой той же симметрии.

крупные ионы кислорода (радиус 0,132 нм, по В. Гольдщмидту) образуют двухслойную плотнейшую упаковку, 2/3 октаэдрических пустот з а н я т о ионами а л ю м и н и я (радиус 0,057 нм, по В. Гольдшмидту), тетраэдрические позиции свободны.

Рис. 8. Соответствие между моделью трехслойной (кубической) плотнейшей упаковки и кристаллической решеткой той же симметрии (Берри и д р., 1987).

Если считать, ч т о кристаллические вещества построены по принципу идеальной плотнейшей упаковки, то все многообразие с т р у к т у р минералов д о л ж н о о п р е д е л я т ь с я т р е м я ф а к т о р а м и : 1) типом плотнейшей упаковки, р а з м е р о м и валентностью ато­ мов, образующих эту упаковку;

2) набором атомов, з а п о л н я ю щ и х пустоты плотнейшей упаковки;

3) узором з а с е л е н и я пустот. Многообразие сочетаний этих ф а к т о р о в оче­ видно. Однако число м и н е р а л о в с иде­ альной плотнейшей упаковкой атомов от­ носительно невелико. Э т о о б ъ я с н я е т с я в первую очередь тем, что т а к и е к р и с т а л л и ­ ческие постройки в о з м о ж н ы д л я минера­ лов с ненаправленными химическими свя­ з я м и — металлической или ионной. Дей­ ствительно, к примеру, самородные метал­ л ы (золото, медь, серебро) имеют струк­ т у р ы с трехслойной (кубической) плотней Рис. 9. Октаэдрическая (а) и тетра- Шей упакОВКОЙ, самородные ириДИЙ И едрическая (6) пустоты в плотнейшей ЦИНК — С ДВУХСЛОЙНОЙ (гексагональной) упаковке шаров.

упаковкой. Н а п р о т и в, к р и с т а л л и ч е с к а я с т р у к т у р а самородной серы д а л е к а от плот­ нейшей упаковки. В сере п р о я в л е н ы направленные (ковалентные) химические связи, при этом образуются восьмиатомные с л о ж н ы е по конфигурации м о л е к у л ы с нулевым с у м м а р н ы м з а р я д о м 5 |, они соединяются остаточными (вандерваальсовыми) с в я з я м и в разноориентированные колонки.

И з распространенных в природе веществ плотнейшая у п а к о в к а х а р а к т е р н а д л я не­ многих минералов, например д л я к о р у н д а AI2O3. П о к а з а т е л ь н о, что при м а л о й моле­ к у л я р н о й массе это вещество обладает относительно высокой плотностью. Д о в о л ь н о близки к плотнейшей упаковке структуры, некоторых о р т о с и л и к а т о в — о л и в и н о в, Гра­ натов и д р. Б о л ь ш и н с т в о ж е минералов имеет с л о ж н ы е к р и с т а л л и ч е с к и е постройки, в них л и ш ь строение о т д е л ь н ы х блоков отвечает принципу идеальной плотнейшей упа­ ковки атомов. Т а к что этот п р и н ц и п — л и ш ь модель, помогающая интерпретировать реальность.

КООРДИНАЦИОННЫЕ ЧИСЛА Координационным числом данного атома в с т р у к т у р е м и н е р а л а н а з ы в а е т с я число б л и ж а й ш и х от него соседних атомов. Т а к, в с т р у к т у р е самородного з о л о т а координа­ ционное число к а ж д о г о атома равно 12. В галите (см. рис. 1) координационное число н а т р и я — б (вокруг него р а с п о л о ж е н о шесть атомов х л о р а ), координационное число х л о р а — т а к ж е 6 ( к а ж д ы й атом х л о р а о к р у ж е н шестью атомами н а т р и я ).

В и д е а л ь н ы х плотнейших у п а к о в к а х координационное число зависит от соотноше­ ния размеров атомов, ее составляющих: если один вид атомов слагает упаковку, то от р а з м е р а атомов другого вида зависит, в к а к у ю пустоту (тетраэдрическую или ок таэдрическую) они могут поместиться. Ясно, что р а з м е р ы пустот о п р е д е л я ю т с я р а з ­ мерами атомов (шаров), ф о р м и р у ю щ и х плотнейшую упаковку, а о п т и м а л ь н о е соотно­ шение радиуса этих атомов и радиуса атома в пустоте всегда одно и то ж е (рис. 10).

Д л я октаэдрической координации оно равно 0,41, д л я тетраэдрической — 0,22. Т а к ж е плотно м о ж н о р а з м е с т и т ь атом м е ж д у т р е м я, восемью, д в е н а д ц а т ь ю соседними (рис. 11). И т а к, д л я т а к и х с т р у к т у р в о з м о ж н ы координационные ч и с л а 3, 4, 6, 8, 12.

Однако и д е а л ь н ы е плотнейшие упа­ Координа­ ционное ковки атомов в о з м о ж н ы т о л ь к о в струк­ число т у р а х минералов с н е н а п р а в л е н н ы м и, т. е.

полностью ионными или металлически­ ми, химическими с в я з я м и м е ж д у атома­ о—•—о г оо ми. В м и н е р а л а х с к о в а л е н т н ы м и свя­ з я м и соединение атомов в к р и с т а л л и ч е ­ скую постройку о с у щ е с т в л я е т с я з а счет обобществления э л е к т р о н о в н а о р б и т а л я х 0J р, d, f. Н а п р и м е р, в самородной сере атомы S объединены в м о л е к у л у Ss, при этом э л е к т р о н ы внешних орбиталей р (у серы их шесть) о б ъ е д и н я ю т с я т а к, что у к а ж д о г о атома о к а з ы в а е т с я устойчивая 0, восьмиэлектронная в н е ш н я я оболочка.

Т а к ж е з а счет обобществления электро­ нов орбиталей р и s соединяются атомы углерода в с т р у к т у р е а л м а з а, в резуль­ 0,41 тате чего к а ж д ы й атом д о с т р а и в а е т внеш­ нюю оболочку до восьмиэлектронной, т. е.

наиболее устойчивой оболочки. В а ж н о понимать, что ф о р м а орбиталей р, d, f не шаровая, а более с л о ж н а я и со строго определенной ориентацией в пространст­ OJd ве направлений, по к о т о р ы м могут свя­ з а т ь с я соседние а т о м ы. Поэтому в ми­ н е р а л а х с ковалентной с в я з ь ю коорди­ национное число зависит от д в у х ф а к ­ торов: а) от соотношения р а з м е р о в ато­ мов;



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.