Магнитные свойства

Магнитные свойства минералов определяются магнитными свойствами, составляющих их атомов и магнитной структурой минералов (расположение атомов). По существу, все минералы являются магнитиками, но наиболее существенными. Эта способность проявляется у минералов, содержащих атомы с собственным магнитным полиатомы обусловленные наличием не спаренных электронов. Это:  Fe ²⁺, Mn²⁺, Fe³⁺, Mn³⁺, Mn⁴⁺, Sr²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, TR³⁺, U⁴⁺.

Степень намагниченности характеризуется вектором намагниченности.

 

H=I/H, где Н – напряжение магнитного поля, Н – магнитная восприимчивость магнитного свойства минерала, I – магнитные единицы объема вещества.

Минералы делятся:

1.     диамагнитные;

2.     парамагнитные;

3.     ферримагнитные;

4.     антиферромагнитные.

Диамагнитные – атомы неимеют собственного магнитного момента.

Н – небольшая и отражательная. Например, галит, самородный Cu.

Парамагнитные – небольшое количество элементов, собственный магнитный момент.

Н – небольшая и                    Например: пирит, сфалерит.

Ферромагнитные – большое количество атомов с собственным магматическим моментом.

Н – большая и              Создают вокруг себя собственное магнитное поле. Например: калианит.

Антиферромагнитные – атомы с собственным магматическим моментом.

Например: пирротин, гематит.

Формы нахождения воды в минералах

 

Вода – существенная составная часть многих минералов. Кроме этого процессы минералообразования происходят непасредственно в водной среде. Крисраллизация многих минералов осуществляется из разнотемпературных растворов, в которых вода является растворителем и переносчиком минеральных веществ в ионном и коллоидном виде.

 

Вода в минералах может быть кристаллизационной, адсорбированной и цеолитной.

(конституционная, координационная)

вода содержащая в минералах в виде Н2О явдяется следствием их гидротации. Минералы содержащие кристаллизационную воду, принято называть кристаллогидратами. В соответствующих формулах вода фигутитует целыми молекулами, Н2О.

прочность связи кристаллизацинной воды в отдельных кристаллогидратах весьма различна. В большинстве случаев выделение кристаллизационной воды происходит при температуре до 300 С

особенности: 1) строгое положение в кристаллической решетке.

1)     строгое количество молекул Н2О в формуле минерала.

 

 

Выделение кристаллизационной воды сопровождается разрушением кристаллической решетки с образованием безводного соединения или кристаллогидрата с лишним соденжанием воды.

 

2. цеолиная вода – имеет место в так называемых цеолитах – минералах класса силикатах, которые имеют ячеисто – каркасное строение кристаллической воды. В пустотах этого каркаса и распологаются молекулы Н2О. при нагревании эта вода чходит из карниза, при этом структура решетки не разрушается благодоря тому, что молекулы воды не принимают непосредственного участия в построении структуры минерала.

Удаленная цеолитная вода, в силу своей структуры, может быть легко восстановленя минералом.

3. адсорбционная вода представляет собой молекулы Н2О, которые благодаря влиянию поверхностной энергии механически притягиваются к поверхности минерала.

Содержание адсорбционной воды постоянно изменяется. Она удаляется из минералов, главным образом до темпиратуры 110 С.

Различают следующие типы адсорбционной воды:

А) межплоскостная вода характерна для силикатов со слоитым строением кристаллической решетки.

Каждый пакет слоистой структуры миеет небольшую мощность и значительное протяжение вдоль слоя. Такой двухмерный слой адеорбирует воду всей поверхностью, и в структуре минерала его слои чередуются со слоями адсорбированной воды. В результате адсорбции воды или ее потери решетки минерала разбухает или сжимается но не разрушается. Например: монтмориллонит – (AL, Mg)2*(OH)2[SilO10]*H2O; увеличение расстояния между слоями в периоде Со – в 3 раза (от (9,6 до 28,9А).

Б) вода включений – захороненные остатки минералообразующей среды в различного рода пустотах. По подсчетам В.И. Вернадский, на долю воды находящейся во включениях в минералах, приходится около 0,1 всей массы воды океанов. Эта вода по сушеству является механически вклбченной в минералы, но в состоянии от обычной адсорционной воды может быть выделена только при более высоких темпиратурах, так как она выполняет ультрамискропические пустоты и при этом разрушается структура минералов.

Конституция минералов.

 

Под конституцией минералов понимают химический состав и внутреннее строение   (структуру), которая взаимосвязаны между собой и являются важнейшими характеристиками минералов.

1. конституция минералов определяется состовляющими минералы структурными единицами( атомами, ионами, радикалами и в меньшей степени молекулами).

При образовании минералов его структурные единицы стремятся к симмеричному расположению и определенной координации, что приводит к формированию трехмерных периодических структур, вырвженные в виде пространственных кристаллических решеток.

Пространственная решетка состоит из элементарных ячеек со свойственными им постоянными решетки -                   .

Элементарная ячейка для твердого минерала является типичной и из нее закономерно путем периодического повторения можно построить весь кристалл минерала с его внешними формами и свойствами.

2. кроме структурных единиц для конституции минералов определяющими являются также характер связи между ними, их размера и координации, поляризационные свойства.

 Количество структурных единиц в минералах  и их качественный состав могут быть совершенно разными: от промтых соединений (S,C и др.) и бинарных                  до весьма сложных, например: турмалин                                             .

 

 

Химический состав, химические свойства и формулы минералов.

 

В состав минералов входят почти все химические элементы таблицы Менделеева, однако их участия в составе минералов неодинековое. Наряду с главными элементами, определяюшими самостоятельность минерального вида, имеются элементы, входящие в минерал лишь в качестве примесей. Так, кремний образует более 400 минералов, примесями могут бытьСа,                       .

В настоящий момент не известны минералы образованные рубидием и гафнием.

Атомы химических элементов, за счет соединения которых образуются минералы, в различных условиях минералообразования ведут себя по разному.

1. в случае образования минерала из одного химического элемента они называются гомоатомные. К ним относятся минералы типа простых веществ и самородных элементов. Например золото, серебро, платины, алмаз, и т.п. эти минералы имеют спицифические свойства, как то, 1) инертность в отношении химического взаимодействия с другими элементами. Они как правило химически устойчивые в условиях (  )   поверхности земной коры. 2) практически всегда имеют примеси, хоть в небольших количествах (доли %).

3) в структурном отношении они в большинстве своем имеют кубическую сингонию. (   ).

2. в результате соединения нескольких химических элементов образуются минералы различного состава, среда которых особенно развиты простые, комплексные и двойные соли.

1) простые соли в своем большенстве представляют бинарные соединениями, т.е. соединения в состав которых входят только два элемента (катион и анион). Катионы в них могут образовывать соединения с различными анионами.

Например: с серой – сульфиды (   ) с хлором – хлориды   , с фтором – фториды  .

Среди них встречаются такие у которых несколько катионов соединены с определенным анионом (халькопирит -      , перовскит -    ).

Эти соединения также рассматриваются как бинарные: у которых сумма (+) в строгом соответствии к (-).

2) комплексные соединения – наиболее распросраненный в природе минералов. Они характеризуются определенными радикалами т.е. группами атомов, которые учавствуют в химических реакциях как одно целое. Главными радикалами являются:       обр. силикаты() фосфаты карбонаты (кальцит), сульфаты ангидрит, нитраты натриевая силитра.

 

Радикалы являются комплексными анионами и присоединяют при образовании минералов количество катионов, необходимое для компенсации отрицательной валентности. В комплексных анионах малыми высоковалентными катионами, окружены большими муковолентными анионами. Например:                               - очень мелкие окружены крупными атомами О.

Комплексные анионы представляют собой в кристаллической решетке самостоятельные анионы группы с небольшим координационным числом центрального катиона. Прочность валентной связи между центральным Катином комплекса и окружающими его анионами больше, чем между этими анионами и катионами, между всего комплекса.

Например: для кальцита       внутри группы       заряд углерода равен ,а , прочность связи между углеродом и кислородом , в то время как вне комплекса жаряд кальция =2, а координационное число = 6, т.е. прочность связи между Са и О =     .

Внутри комплекса прочность связи всегда больше единицы, чем и объясняется прочность комплексного аниона.

Комплексные анионы по сравнению с простыми ионами ваделяются большой величиной своих радиусов, что видно из следующих                

 

Радиус иона кислорода (О)=1,32А.

В минералогии в качестве комплексных ионов встрячаются почти исключительно радикалы простых кислородных кислот.

3) двойные соли пользуются широким развитием в минеральном мире. Они представляют собсй соединения, содержащие два или несколько типов катионов, занимающих в кристаллической решетке особые места.

Обычно кислородный радикал у обеих солей бывает одинаков, например            доломит, но также бывают двойные соли с различными кислотными радикалами: каинит            .

Наиболее склонными к образованию двойных солей оказываются, Катины, обладающие наибольшей основностью, уменьшающейся с увеличением заряда и уменьшением размера ионного ряда соли в породе их основности. Наиболее основные катионы обладающие наибольшим ВЭКом (  ).

Формулы минералов.

Состав минерала обозначается химической формулой, которая условно отражает качественную и количественную характеристику слагающих минерал элементов.

Формулы минералов могут быть эмпитрическими и структурными.

Эмпитрически выражают количественный состав минералов и не дают представления о сочетаниях и связи составных элементов друг с другом.

Структурные формулы не только дают представление о химическом составе, но и позволяют судить о типе химического соединения и о взаимных связях между отдельными элементами.

Формулы минералов составляются по данным валового химического анализа (%).

При сопряженном написании структурных формул близко связанные друг с другом атомы выделяют в группы посредством круглых скобок, и радикалы – прямые скобки. Например: формула фосфорита              , каолинита          .

Моликулы воды в кристаллогидратах пишутся в конце формулы и соединяются с ней через точку(гипс          ). Если в формуле есть дополнительные анионы ОН,  и др. они ставятся перед радикалом (топаз -    ).

Изоморфные группы заключаются вместе в круглые скобки и отделяются друг от друга запятыми, причем элементы присутствуют в большом количестве пишутся впереди.

Например: сфалерит (Zn, Fe, Mg, Cu, Ge, Yn, Tl, S).

Координация и координационные структуры.

По степени однородности связей в структурах все минералы могут быть разделены на два типа: гомодесмаческие и гетеродесмические.

1. гомодесмические минералы гомос-одинаковый, демос- связка.

Характеризуются структурами, в которых присутствуют связи только одного типа и они одинаковы по всем направлениям. В подобных минералах атомы или ионы растределены в структуре равномерно. Построенные таким образом структуры получили название координационных.

Характерной их чертой является равномерная распределений связей в трех измерениях, в результате чего координационные полиэдры имеют значительлное число обших граней, ребер и вершин.среди минералов с существенно ионной связью относятся: галит         , галенит       , периклаз  , флюорит.

Из минералов с существенно ковалентной связью выделяют: алмаз  , сфалерит  ,

В самородных металлах преобладает металлическая связь. Медь имеет            .

2. гетеродисмические минералы гетерос- другой, различный.

Характеризуются тем, что в разных частях и в разных направлениях связи в них неодинаковы. Одни группы атомов соединены друг с другом при помощи одного типа связи, а соединение между группами осуществляется при помощи других.

В гетеродесмических минералах наблюдаются обособленные группы атомов. В зависимости от структуры соединения все минералы подразделяются: островные, кольцевые, цепочечные, слоистые, каркасные. 

Кристаллохимическая структура минералов.

 

Структурными единицами минералов являются атомы, ионы, молекулы.

Электроны вращающиеся вокруг ядра, их свойства и энергетические  состояние, обуславливают способность атомов вступать в соединение, т.е. образовывать минералы.

1. каждое состояние электронов в атоме определяется 4 мя квантовыми числами:                            .  – имеет значение 1, 2, 4, 4, 5, 6, 7, которые отвечают 7 электронным оболочкам:      ; в каждой оболочке число       определяется выражением 2   , где    - номер оболочки.

  - при разных – будет иметь значение от 0 до6, т.е. в электронной оболочке может быть да 6 подгрупп (при  =1), - электроны (при  =0), р-электроны (при  =1), - электроны (при =0), р-электроны (при =1), - электроны (при = 2), - электроны (при =3).

  - магнитный момент, возникающий при движении электрона на орбите.  Значение может меняться от -   до  .

- магнитное спиновое число (спин), характеризует вращение электрона вокруг своей собственной оси. Имеют два значения: -  или   , где   , а  - постоянная Плана.

В каждой ячейке может быть либо один (неспаренный) электрон, либо два (спаренных) со спинами разного знака. Обозначение:  (углерод).

В минералогии важное значение имеют внешние подгруппы   , постедством которых происходит соединения атомов в химическое вещество с определенной структурой кристаллической решетки, т.е. в минералах.

Образуя соединения, атомы изменяют свое электронное строение, обретая при этом валентное состояние.

 Электронные оболочки являются энергетическими уровнями атомов. При образовании минералов происходит расщепление отдельных энергетических уровней атомов с образованием различных энергетических зон.

Во внешней зоне, заполненной частично, возможны различные перемешения электронов. Она получила название зоны проводимости.

2. орбиты по которым движутся  ,называется стационарными. Если    находится на стационарной орбите, то атом не излучает и не поглощает энергии. Это происходит при переходе  с одного энергетического уровня на другой. Поглощение – переход  на более высокие уровни, излучение- переход  на более низкие уровни.

3. эффективный радиус – радиус сферы действия данного структурного компонента на его окружение. Он определяет размер структурных единиц. Ионный радиус, его величина зависит от величины и знака заряда: чем больше положительный заряд, тем меньше его радиус; чем больше отрицательный заряд тем больше его радиус. Ионные радиусы катионов     радиусов анионов. Например:  

последние исследования по проблеме радиусов ионов позволили установить различие  у элементов в различных соединениях.

Типы химических связей в минералах.

 

Химическая связь является результатом движения электронов внешних (валентных) оболочек в пространстве между ядрами взаимодействия атомов.

Главнейшими типами связей, присутствующими в минералах является: ионная, ковалентная, металлическая, молекульрная, донорно- акцепторная.

1. ионная связь возникает в результате того, что при взаимодействии атомов один из них протягивает в сферу своего ядра один или несколько  и становится отрицательно зараженным ионом- анионом, а другой – отдавая  - становится катионом.

Между разнозарядными ионами появляется электростатическое взаимидействие. Атомы стремятся приобрести наиболее устойчивою оболочку с полным числом   во внешнем слое. Например:  галит  - 

Ионная связь наблюдается в тех минералах, которые представляют собой соединение атомов имеющих внешние   со спинами разного знака.

При ионной связи атомы стремятся приобрести наиболее устойчивую оболочку с полным числом  во внешнем слое.

Ионная связь не имеет пространство направленности, благодоря чему ион стремится окружить себя максимальным количеством противоположно заряженных ионов.

2. ковалентная связь возникает при образовании пар   которые движутся в          ядер двух взаимодействущих анионов, причем в состав каждой пары входит по одному электрону от каждого атома.

Связь эта возникает когда взаимодействующими атомы имеют неспаренные    с противоположными ориентированными спинами, происходит спаривание   .

Причиной ковалентной связи является стремление атомов к устойчивости 8 ми электронной оболочки, путем заполнения до полного числа  и  - электронов не внешних орбитах.

Ковалентный тип связи характерен для гомоатомных минералов, но распространен и среди гетероотомных. Количество ковалентных связей равняется количеству неспаренных электронов атома в свободном или в возбужденном состоянии.

Имеется в виду, что атомы при взаимодействии могут возбуждать друг друга и призводить распаривание , т.е. переведить один из спаренных  в свободную ячейку на незанятый энергетический уровень.

Например углерод (алмаз)

Все 4  сместились со своих орбит и находятся на смешанных или гибридных орбитах – являние гибридизации S и P- электронов.

3. металлическая связь в наиболее чистом виде наблюдается между атомами одного и того же элемента- металла (  ), рассматриваемого как совокупность положительно заряженных ионов – атомных остовов между которыми свободно перемещаются  в виде электронного газа.

Притяжение между положительно заряженными ионами и электронным газом не имеет направленности и количественного огриничения связей, поэтому каждый ион стремится окружить себя мах числом соседей.

В минералах с металлической связью для   имеются широкие энергетические зоны образованные расширением электродных уровней соединившихся атомов. Многочисленность уровней и близость их к друг к другу обуславливабт подвижность электронов. Ионы каждые из электронов отдавая на   получают 18  электронную оболочку.

4. молекулярная (остаточная, Ван-дер-ваальсовская) связь проявляется в результате взаимодействия между собой нейтральных молекул, внутри которых характер связи уже другой. Она определяется тремя эффектами, которой свойственны молекулам: 1) дисперсионным; 2) отиентационных и 3) наведенным (индукционным).

Дисперсионный эффект – результат движения электронов, которое создает мгновенные диполи, вызывающие притежение между молекулами. Ориентационный момент является результатом полярности молекул, которые могут иметь различный собственный дипольный момент. Наведенный эффект связан с поляризующим действием электронных полей соседних молекул.

Молекулярная связь наиболее характерна для органических соединений, но наблюдается также в некоторых самотодных элементах (сера, теллур), окислах (лед, бруснит, слюдистых силикатах).

Донорно – акцепторная связь -  возникает в результате того , что два спаренных электрона одного атома используются в свободной ячейке другого атома, становясь общими для того и другого. Атом дающий пару  - донар, принимающий свободную ячейку – акцептором.

В отличие от ионной связи в этом типе передача  совершается на время, в результате чего  часть времени находятся в оболочке одного из соединяющихся атомов, а часть времени – в оболочке другого, осушествляя связь между атомами. донорно-акцепторная связь особенно характерна для некоторых сульфидов и их аналогов. Например: пирит.

Изоморфизм.

Среди минералов нет химически чистых веществ. В их структуру входят различные химические примеси. В одних минералах количество таких примесей незначительлно, (доли %) – это минералы постоянного состава ( ).

В других – большое количество химическое примесей () – также минерылы называются минералы с переменным составом. Главная причина – явление изоморфизма. Изоморфизм – явление взаимного замещения атомов и ионов в узлах кристаллической решетки минерала без нарушения ее строения.

Термин изоморфизм ввел в литературу немецкий химик Э. Митчерлих в 1919 г. Минералы с перемешанным химическим составом называется как твердыми растворами. Формула минералов с изоморфными замещениями пишится так      .

А.Е.Ферман объяснял образование изоморфных смесей с током зрения общего закона энтропии (при высоких Т), а именно, такие соединения энарготически выгодны при кристаллизоции магмитических расплавов и    растворов.

При изоморфизме должны соблюдаться следующие условия:

1.близость радиусов участвующих в этом явлении атомов (разность    не превышает 15% от размера   ).

2. сохдство химических свойств замещающих друг друга  элементов.

3. сохранение электроцентральности кристаллической структуры минерала.

Типы изоморфизма.

1. по степени совершерства: а) неограниченный (совершенный) – когда возможна полная замена одних атомов другими (могут существовать два крайних и все промежуточные по составу минералы. Например: форстерит    , фаалит    . б) ограниченный (несовершенный) – когда количество изоморфный примеси не может привышать какого – либо предела и могут образовываться совершенно новые минералы., соденжание  в корунде не сожер превышать 1,5 – 2,0%; в) направленный изоморфизм -    входит в состав     20%, а соденжание изоморфных примесей   в    не более 2-3% (Ф

2. по характеру компкнсации валентности: а) изовалентностью и проходит обязательная компенсация зарядов – т.е. сохранения электронейтральность  кристаллической структуры минерала: ряд плагоклазов -   полевая  - альбит   - анортит    , изоморфим проходит по схеме-

3) по числу атомов: а) двухатомный – рубин    б) многоатомный – в плагиоклазах

 

 

генетический факторы изоморфизма.

1) химический состав минералообразования среды: от концентрации элементов в среде зависит содержание его в минерал. Например: ряд оливина    - в нем может присутствовать до 0,6 %  - это обусловлено

Процессы минералообразования

 

Под процессом минералообразования понимается способ и условия образования  минералов в природе. Среди них  различают следующие типы:

-         Эндогенный;

-         Экзогенный;

-         Метаморфогенный.

Деление основано на видах энергии под в действием, которых происходят процессы минералообразования.