Химический состав минералов может быть выражен химическими формулами-эмпирическими и структурными.
Состав минералов может быть выражен химическими формулами-эмпирическими и структурными. Эмпирические формулы показывают количественные соотношения элементов, входящих в состав минералла. Например, эмпирическая формула ортоклаза имеет вид K2Al2Si6O16, эмпирическая формула каолинита H4Al2Si2O9.
Эти формулы могут быть даны в виде молекулярных соединений различных оксидов, что удобно при выражении реакций, в которых участвуют минераллы, а именно:
K2Al2Si16O6=K2О·Al2О3·6SiO2 и H4Al2Si2O9=Al2O3·SiO2·H2O.
Эмпирические формулы очень удобны для описания, но не отражают характера взаимной связи элементов в структуре минерала. Это достигается с помощью структурных формул, которые для приведенных выше минераллов соответственно имеют вид:
K[AlSi3O8] Al4[Si4O10]·[OH]8.
По химическому составу принято различать две основные группы минералов:
1) Постоянного химического состава( например, SiO2,FeS2), не представляющие особых затруднений с точки зрения их изучения.
2) Образующие неопределенные соединения, весьма сложные для изучения.
К неопределнным соединениям относятся минераллы, имеющие различные примеси. Наиболее сложные из них могут быть в виде двойных солей, изоморфных смесей, твердых растворов и водных соединений .Примеси могут быть в виде газов, растворов, взвешенных частиц и так далее( в этом случае они называются механическими примесями) и в виде отдельных элементов, входящих в кристаллическую решетку вещества, не нарушая ее целостности ( формы)и закономерности распределения главного элемента-это изоморфные примеси(изоморфизм-равноформие).
Изоморфизм может быть изовалентным и гетеровалентным. при изовалентном ( одновалентном) изоморфизме один атом вещества замещается в кристаллической решетке атомом другого вещества. Например, в сернокислом магнии двухвалентный магний замещается двухвалентным железом или двухвалентным марганцем.Для замены одного атома другим необходимо, чтобы атомы имели одинаковую валентность и один и тот же ионный или атомный радиус или чтобы их ионные радиусы не отличались один от другого более чем на 15%.
При гетеровалентном (разновалентном) изоморфизме происходит замещение одной группы ионов другой группой ионов с разными валентностями и одинаковой суммарной валентностью. Наиболее часто встречающимся примером гетеровалентного изоморфизма являются минераллы группы плагиоклазов, в виде непрерывного ряда изоморфных смесей двух состовляющих альбита Na[AlSi3O8] и анортита Ca[Al2Si2O3] в разных соотношениях. В альбите суммарная валентность ионов натрия и кремния равна пяти, в анорите суммарная валентность ионов кальция и алюминия также равна пяти. Суммы ионных радиусов указанных пар атомов достаточно близки между собой.
В этих условиях происходит образование непрерывного ряда изоморфных смесей из альбитовой и анортитовой молекул.В зависимости от содержания анортитовой составляющей ( от 0 до 100%) минераллы этой группы имеют самостоятельные наименования ( смотри таблицу-1). Из таблицы-1 видно, что в группе плагиоклазов от альбита к анортиту уменьшается содержание кремнезема SiO2 поэтому альбит и олигоклаз называют кислыми плагиоклазами, андезин и лабрадор-средними, а битовнит и анортит -основными.
Таблица-1.Минералы группы плагиоклазов
Группа плагиоклазов является примером совершенного изоморфизма, когда растворение ( или замещение) на глубине может происходить в широком диапазоне температур и давлений.Более распространен в природе несовершенный изоморфизм с ограниченной взаимозаменяемостью компонентов, регулируемой определенными термодинамическими условиями, с образованием минералов типа твердых растворов. Изменение этих условий приводит к распаду смеси на исходные вещества с образованием структуры распада твердых растворов. Твердые растворы -понятие более широкого комплексного растворения различных соединений одного в другом.
В качестве примера образования структуры распада твердого раствора можно привести пертиты, представляющие закономерные срастания различных модификаций калиевого полевого шпата K[AlSi3O8] с альбитом Na[AlSi3O8. Многие минералы при одном и том же химическом составе могут иметь различную структуру и внешний облик кристалов, а следовательно, и различные физические свойства. Такое свойство минералов называется полиморфизмом.Так, углерод в зависимости от условий кристаллизации, образует две полиморфных разновидности -алмаз и графит с различным расположением атомов углерода в пространстве( рисунок-1).
Рисунок-1. Кристаллические решетки:
а-алмаза; б-графита
Вода может входить в состав минерала более или менее прочно, образуя химически связанную воду. По прочности связи такая вода может быть разделена на воду конституционную, кристаллизационную и цеолитную.Цеолитная вода получила свое название от группы минераллов цеолитов, в которых она впервые была изучена. Цеолитная вода встречается в цеолитах, опалах, водных оксидах железа, алюминия марганца и других. Цеолитная вода, по мнению В.И. Вернадского -вода как бы растворенная в данном теле.При этом связь между растворенным телом и твердым растворителем меняется особенно резко при относительно высокой температуре.
При нагревании минералы теряют цеолитную воду и изменяют поэтому некоторые свои свойства ( показатель преломления, структуру).Однако обезвоженный минерал, помещенный в водные пары может восстановить цеолитную воду и связанные с ней свойства.Кристаллизационная вода более прочно связана с кристаллической решеткой минерала.
Присоединение кристаллизационной воды в виде молекул Н2О или ее удаление при высоких температурах заметно отражается на многих физических и химических свойствах минерала.Примером минералов, содержащих и несодержащих кристаллизационную воду, могут служить гипс CaSO4 · 2H2O и ангидрит CaSO4.
Присоединяя воду и переходя в гипс, ангидрит увеличивается в объеме иногда до 60%. Тонкозернистые его массы при переходе в гипс часто образуют таблитчатые или столбчатые кристаллы.Конституционная вода еще прочнее связана с кристаллической решеткой минерала. В этих случаях, как например, в каолините Al(Si4O10) · (OH)8, вода входит в состав кристаллической решетки минералла в виде ионов гидроксида OH.Присоединение конституционной воды означает образование особой формы минерала, а ее удаление разрушает минерал.выделение конституционной воды и следовательно распад минерала возможны только при определенных температурах для каждого минерала.
