Какими физическими свойствами обладают минералы

Не следует путать с минеральными добавками (биологически значимые элементы, биологически активные добавки).

Минера́л (нем. Мineral или фр. minéral, от позднелат. (аеs) minerale — руда[1]) — однородная по составу и строению часть горных пород, руд, метеоритов, являющаяся естественным продуктом геологических процессов и представляющая собой химическое соединение или химический элемент; минерал может находиться в любом агрегатном состоянии, при этом большинство минералов — твёрдые тела.

Минералы подразделяют на имеющие кристаллическую структуру, аморфные и минералы, имеющие внешнюю форму кристаллов, но находящиеся в аморфном состоянии (метамиктные минералы).[2][3] Горная порода может состоять из нескольких породообразующих минералов разного вида (полиминеральная порода), или из единственного породообразующего минерала (мономинеральная порода). В литературе применяется также словосочетание — Минеральный материал.

Термин и описание[править | править код]

Термин «минерал» используют для обозначения минеральных индивида, вида и разновидности[4]. Минерал как минеральный вид — это природное химическое соединение, имеющее определённый химический состав и кристаллическую структуру. Если различия в химическом составе при структурной идентичности не очень велики, то по окраске, морфологическим или другим особенностям выделяют минеральные разновидности — например горный хрусталь, аметист, цитрин, халцедон являются разновидностями кварца. Минеральные индивиды — минеральные тела, между которыми имеются поверхности раздела, например, кристаллы и зёрна[3].

Изучением минералов занимается наука минералогия. Происхождение минералов выясняет генетическая минералогия, а изучением минеральных видов занимается филогения минералов.

С 1950-х годов факт открытия нового минерала и его название утверждает Комиссия по новым минералам и названиям минералов Международной минералогической ассоциации (ММА)[5]. В настоящее время установлено более 5336[6] минеральных видов и ежегодно комиссией утверждается несколько десятков новых, однако лишь 100—150 минералов широко распространены.

Минералами считаются также некоторые природные вещества, представляющие собой в атмосферных условиях жидкости (например, самородная ртуть, которая приходит к кристаллическому состоянию при более низкой температуре). Воду, напротив, к минералам не относят, рассматривая её как жидкое состояние (расплав) минерала лёд. Некоторые минералы находятся в аморфном состоянии и не имеют кристаллической структуры. Это относится главным образом к так называемым метамиктным минералам, имеющим внешнюю форму кристаллов, но находящимся в аморфном, стеклоподобном состоянии вследствие разрушения их изначальной кристаллической решётки под действием жёсткого радиоактивного излучения, входящих в их собственный состав радиоактивных элементов (уран, торий и так далее). Различают минералы явно кристаллические, аморфные — метаколлоиды (например, опал, лешательерит и другие) и метамиктные минералы, имеющие внешнюю форму кристаллов, но находящиеся в аморфном, стеклоподобном состоянии.

Физические свойства минералов[править | править код]

Физические свойства минералов обусловлены их кристаллической структурой и химическим составом. Различают скалярные физические свойства минералов и векторные, значения которых зависят от кристаллографического направления. Примером скалярного свойства может служить плотность, векторными являются твёрдость, кристаллооптические свойства и др. Физические свойства подразделяют на механические, оптические, люминесцентные, магнитные, электрические, термические свойства, радиоактивность[3].

Габитус кристаллов выясняется при визуальном осмотре, для рассматривания мелких образцов используется лупа. Помимо внешней формы кристаллов и других выделений, важное значение при описании и визуальной диагностике минералов, особенно в полевых условиях, имеют цвет, блеск, спайность и отдельность, твёрдость, хрупкость и излом[7]. При диагностике некоторых минералов имеют значение также ковкость, гибкость (сопротивление излому) и упругость.

• Твёрдость. Определяется по шкале Мооса. По этой шкале, самым твёрдым эталонным минералом является алмаз (10 по шкале Мооса, с абсолютной твёрдостью 1600), а самым мягким является тальк (1 по шкале Мооса, с абсолютной твёрдостью 1, царапается ногтем). Твёрдость минерала не всегда одинакова со всех сторон кристалла, что является производным от его кристаллической структуры — в одних направлениях кристаллическая решётка может быть упакована плотнее, чем в других. Например, кианит имеет твёрдость 5.5 по шкале Мооса в одном направлении и 7 в другом.
• Спайность — способность минерала раскалываться по определённым кристаллографическим направлениям.
• Излом — специфика поверхности минерала на свежем не спайном сколе.
• Побежалость — тонкая цветная или разноцветная плёнка, которая образуется на выветрелой поверхности некоторых минералов за счёт окисления.
• Хрупкость — прочность минеральных зёрен (кристаллов), обнаруживающаяся при механическом раскалывании. Хрупкость иногда увязывают или путают с твёрдостью, что неверно. Иные очень твёрдые минералы могут с лёгкостью раскалываться, то есть быть хрупкими (например, алмаз)
• Плотность — масса единицы объёма вещества, выражается в г/см3. Прежнее, устаревшее название — удельный вес; его ещё можно встретить в старых минералогических учебниках. Удельная плотность — характеристика, используемая для определения единичной массы минерала, представляет собой отношение плотности (массы на единицу объёма) минерала к плотности воды. Удельная плотность может служить диагностическим признаком для некоторых классов минералов. Среди часто встречающихся минералов более высокую удельную плотность имеют оксиды и сульфиды, поскольку они включают в себя элементы с высокой атомной массой. Наиболее высокой удельной плотностью обладают самородные металлы и интерметаллиды. Камасит (никелистое метеоритное железо) имеет удельную плотность 7.9[8], а плотность самородного золота достигает 19.3 г/см3.

Оптические свойства[править | править код]

• Блеск — световой эффект, вызываемый отражением части светового потока, падающего на минерал. Зависит от отражательной способности минерала.
• Цвет — признак, с определённостью характеризующий одни минералы (зелёный малахит, синий лазурит, красная киноварь), и очень обманчивый у ряда других минералов, окраска которых может варьировать в широком диапазоне в зависимости от наличия примесей элементов-хромофоров либо специфических дефектов в кристаллической структуре (флюориты, кварцы, турмалины).
  • Цвет черты — цвет минерала в тонком порошке, обычно определяемый царапанием по шершавой поверхности фарфорового бисквита.
• Преломление, дисперсия и поляризация характеризуют их оптические константы: показатель преломления, угол между оптическими осями, оптический знак кристалла, ориентация оптической индикатрисы и др.

Магнитные свойства[править | править код]

Магнитность зависит от содержания главным образом двухвалентного железа, обнаруживается при помощи обычного магнита.

Нахождение минералов в природе[править | править код]

По распространённости минералы можно разделить на:

• породообразующие — составляющие основу большинства горных пород;
• акцессорные — часто присутствующие в горных породах, но редко слагающие больше 5 % породы;
• редкие минералы — находки которых единичны или немногочисленны;
• рудные — содержащие в своём составе промышленно ценные компоненты и образующие значительные скопления в рудных месторождениях.

По форме нахождения минералов различают

• Минеральные индивиды — составные части минеральных агрегатов. Это отдельные кристаллы, зерна и сферические или близкие к сферическим выделения минералов, отделенные друг от друга физическими поверхностями раздела и представляющие собой форму нахождения минеральных видов в природе. Минеральный индивид — исходное понятие минералогии, означающее зерна и идиоморфные кристаллы, в виде которых в природе представлены минеральные виды; индивиды могут быть зернами — «монокристаллами» или сферокристаллами, из которых строятся простые минеральные агрегаты (Ю. М. Дымков, 1966)
• Минеральные агрегаты — срастания минеральных индивидов одного и того же или разных минералов. Они могут быть одно- и многоэтапными. Минеральный агрегат — исходное понятие минералогии. На уровне организации вещества, следующем за понятием «индивид», агрегат — это скопление индивидов, не обладающее при идеальном развитии чёткими признаками симметричных фигур (это принципиальное отличие от индивидов — по Ю. М. Дымкову, 1966).
• Минеральные тела — скопления минеральных агрегатов, обладающие естественными границами. Размеры их варьируют от микроскопических до очень крупных, соизмеримых с масштабом геологических объектов.

Химия минералов[править | править код]

Распространённость минералов на Земле является прямым следствием их химического состава, который, в свою очередь, зависит от распространённости различных химических элементов. Большинство наблюдаемых минералов добываются из земной коры. Большинство минералов имеют в своём основном составе всего 8 элементов, наиболее распространённых в земной коре: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий (по степени убывания). Вместе эти восемь элементов составляют до 98 % от веса земной коры. Из этих восьми особое значение имеют кислород, составляющий 46,6 % от веса земной коры, и кремний, составляющий 27,7 %[9].

Химический состав минералов, как правило, близок по своему составу той породе, из которой они сформировались. Так из магмы, богатой железом и магнием, сформируется оливин, а магма, богатая силикатами, кристаллизуется в богатый силикатами минерал — как, например, кварц. В известняке, богатом кальцием и карбонатами, формируются кальциты.

Химический состав может изменяться между членами ряда минералов. Например, плагиоклазы, входящие в группу каркасных алюмосиликатов — полевых шпатов, по химическому составу представляют собой непрерывный изоморфный ряд натриево-кальциевых алюмосиликатов — альбита и анортита с неограниченной смесимостью. Имеются 4 опознанные разновидности между богатым натрием альбитом и богатым кальцием анортитом — олигоклаз, андезин, лабрадор и битовнит[10][11]. Другие примеры подобных рядов включают в себя оливиновый ряд от богатого магнием форстерита до богатого железом фаялита[12] и вольфрамитовый ряд от богатого марганцем гюбнерита до богатого железом ферберита[13].

Наличие минеральных рядов объясняется химической субституцией. В природе минералы не являются чистыми материалами. В них присутствуют примеси, состоящие из любых элементов, находящихся в данной химической системе. В результате иногда определённый элемент подменяется другим[14]. Такая подмена обычно происходит между ионами похожих размеров и одинаковых зарядов. Например, K+ не может подменить Si4+ из-за химической и структурной несовместимости, вызванной большим различием в размерах и в заряде, а подмена Si4+ на Al3+ происходит достаточно часто, так как они близки по размеру, заряду и распространённости в земной коре, что мы и наблюдаем на примере плагиоклазов.

Изменения температуры, давления и химического состава влияют на минералогический состав данной породы. Изменения химического состава могут быть вызваны такими процессами, как эрозия почвы и выветривание, а также метасоматизмом. Изменения температуры и давления происходят, когда материнская порода проходит тектонический или магматический сдвиг в иной физический режим. Изменения в термодинамических условиях благоприятно влияют на возможность реакции между уже сформировавшимися минералами с получением новых минералов[15].

Классификация минералов[править | править код]

Современные классификации минералов проводятся на структурно-химической основе[16]. Классификация, утверждённая Международной минералогической ассоциацией (IMA) в 2009 году, периодически обновляется и утверждается заново.

Неорганические минералы[править | править код]

Самородные элементы и интерметаллические соединения[править | править код]

Карбиды, нитриды, фосфиды[править | править код]

Сульфиды, сульфосоли и подобные[править | править код]

1. класс Селениды, Теллуриды, арсениды и подобные
2. класс Сульфосоли

Галоидные соединения (галогениды) и галогеносоли[править | править код]

1. класс Фториды, алюмофториды
2. класс Хлориды, бромиды и иодиды

Окислы и гидроокислы[править | править код]

1. класс Простые и сложные окислы
2. класс Гидроокислы

Кислородные соли (оксисоли)[править | править код]

1. класс Иодаты
2. класс Нитраты
3. класс Карбонаты
4. класс Сульфаты и селенаты
5. класс Хроматы
6. Класс Вольфраматы и молибдаты
7. Класс Фосфаты, арсенаты и ванадаты
8. Класс Бораты
9. Класс Силикаты и алюмосиликаты (бериллосиликаты, боросиликаты)
   1. Островные силикаты с изолированными тетраэдрами SiO4
   2. Цепочечные силикаты с изолированными группами тетраэдров SiO4
   3. Ленточные силикаты с непрерывными цепочками и лентами тетраэдров SiO4
   4. Слоистые силикаты с непрерывными слоями тетраэдров SiO4
   5. Каркасные силикаты с непрерывными трёхмерными каркасами тетраэдров SiO4 и Al04

Органические минералы[править | править код]

Согласно современной номенклатуре минералов, утверждённой ММА, в числе минералов рассматриваются некоторые из природных солеподобных органических соединений (оксалаты, меллитаты, ацетаты и др), объединяемые в класс органические вещества. При этом в общей систематике минералов высокомолекулярные органические образования типа древесных смол и битумов, не отвечающие в большинстве случаев требованиям кристалличности и однородности, в число минералов не включаются.
Некоторые органические вещества — нефть, асфальты, битумы раньше ошибочно относили к минералам. Они лишены кристаллической структуры и не могут быть охарактеризованы с кристаллохимической точки зрения. Природные органические продукты в большинстве случаев относятся либо к горным породам (антрацит, шунгит и др.), либо к природным углеводородам группы нефти (озокерит, битумы), либо к ископаемым смолам (янтарь, копал), либо к биогенным образованиям, содержащим в своём составе тот или иной минерал (жемчуг и перламутр, в строении которых участвует минерал арагонит).

Природные формиаты (формикаит Ca(HCOO)2, дашковаит Mg(HCOO)2•2H2O и др.) и оксалаты (степановит и др.) в минералогии относят к классу Органические вещества.

Использование минералов[править | править код]

Минералы, наряду с органическими материалами, находят широкое применение.

Человек использовал минералы с древнейших времён. Долгое время основным полезным ископаемым был кремень — тонкозернистая разновидность кварца, его отщепы с острыми краями первобытные люди использовали ещё в древнем каменном веке. Кроме него применялись и другие минералы, например, вишневый гематит, желто-коричневый гётит и черные оксиды марганца — как краски, а янтарь, нефрит, самородное золото и др. — как материал для украшений и т. п. В доисторическом Египте (5000—3000 до н. э.) из самородной меди, золота и серебра делали украшения. Позже стали использовать бронзу для изготовления оружия и орудий труда[7]. Сейчас из минералов получают металлы и другие химические элементы и соединения[4], они являются сырьём для производства строительных материалов (цемент, стекло и др.) и для химической промышленности. Минералы могут использоваться в качестве красителей[7], абразивных и огнеупорных материалов, они находят применение в керамике, оптике, радиоэлектронике, электротехнике и радиотехнике. Драгоценные камни тоже являются минералами[4].

Минералы используются в пищу, как источник сырья, в качестве валюты, как предметы искусства и роскоши и как компоненты высоких технологий. Одним из видов шарлатанства является литотерапия — лечение минералами путём их ношения, прикладывания, вступления в астральные контакты с якобы заключёнными в камнях и кристаллах сверхъестественными энергиями и магическими силами. Приверженцы литотерапии утверждают, что каждый кристаллический объект обладает свойствами излучения и поглощения неведомых энергий и полей, которые при «правильном» приложении к биологическому телу способны восстанавливать нарушенный энергетический баланс организма. Литотерапия не имеет под собой клинически доказанных обоснований и научной базы[17].

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Земятченский П. А. Минерал // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Минерал // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Минерал // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
• Минералы и минералогия // Энциклопедия Кольера (рус.). — 2000.
• Р.А. Виноградова. Минерал // Химическая энциклопедия / ред.Кнунянц И.Л.. — Большая российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 86-88.
• Бетехтин А. Г. Курс минералогии. — 3-е, исправленное и дополненное. — М: Кн. дом Университет, 2014.
• Ю. Гончаров, М. Малькова, В. Шамшуров, А. Шамшуров. Геология, минералогия, петрография. — С