- Строение и химизм минералов

Строение и химизм минералов.

I. Кристаллические структуры минералов.

Эта часть должна быть в основном восстановлена в вашей памяти по материалам курсов кристаллографии и химии. Мы отметим сейчас лишь самое основное.

1. Когда делалось определение, что такое - минерал, речь шла о том, что одной из важнейших характеристик в этом понятии является его структура - т.е. строение кристаллической решетки минерала. Вспомним, что в кристаллической решетке выделяются узлы - т.е. точки, в которых располагаются материальные частицы - атомы, ионы, иногда группа частиц; узлы соединяются в ряды - совокупность материальных точек на прямой линии; и в плоские сетки - совокупность тех же точек на плоскости.

Как на кристалле? Вершина - узел, ребро - ряд, грань - плоская сетка.

Чем характеризуется каждая кристаллическая структура? Параметрами элементарной ячейки - т.е. той наименьшей единицы решетки, повторяемость которой дает возможность построить всю решетку. В зависимости от симметрии кристалла параметры ячейки будут различны - в кубической сингонии достаточно одного, в сингониях средних категорий - двух (а и с), в ромбической --трех, а в низших - еще надо учитывать и углы между осями.

Теперь - важнейший момент, который необходимо помнить, - что реальная структура минерала - это совокупность не математических точек, а реальных частиц, имеющих объем, и потому размещение их в пространстве непременно это учитывает. Как располагаются частицы, так и определяются типы кристаллических структур минералов.

Первое, с чем мы столкнулись, когда начали смотреть минералы, - это плотнейшая упаковка частиц. Вспомним, что ПУ возможна для частиц одинакового размера, что возможны два способа упаковки - ПКУ и ПГУ (пример - самородные металлы).

При ПУ заполненным оказывается 3/4 объема, а 1/4 объема приходится на пустоты, которые бывают двух сортов - тетраэдрические и октаэдрические. Соотношение этих пустот выражается так: при общем числе шаров в упаковке n - окт. пустот будет тоже n, а тетр. - 2n. В соединениях с мотивом ПУ в этих пустотах могут располагаться маленькие частицы, диаметр которых позволяет им там «поселиться». При этом, конечно, эти маленькие частицы будут полярны по знаку крупным, образующим упаковку, так, чтобы в целом структура была электронейтральной. В минералах такими крупными частицами обычно являются анионы, а маленькими, заполняющими пустоты - катионы, - исходя из представления об объеме заряженных ионов (в классическом выражении).

Рекомендуемые материалы

Очень важным является при таком заселении число ближайших соседей противоположного знака - то, что называют координационным числом - КЧ. При заселении тетраэдрической пустоты маленький ион будет иметь 4 больших ближайших соседа - следовательно, КЧ=4. Для октаэдрической пустоты - КЧ=6. В металлах - КЧ=12. В NaCl все окт. пустоты заселены, соотношение Na:Cl=1, значит, КЧ_(Na)=6, КЧ_(Cl)=6.

Возможны более сложные случаи заполнения пространства в кристаллической структуре, и поэтому КЧ могут быть равны 8, а иногда - 3, и даже 2.

В реальных случаях число заселяемых пустот - и какие именно пустоты - будет зависеть не только от размеров частиц, но и определяться типом соединения, характером связи, которую они могут образовать, и, кроме того, зависит от термодинамических условий. Как зависит?

Влияние Т. Повышение Т ведет к расширению, разрыхлению вещества. Значит, если вещество - одно и то же! - способно образовывать различные структуры - полиморфные модификации, - то при больших Т оно будет давать структуры с меньшим КЧ.

Когда речь шла о парагенезисе, мы рисовали диаграмму для соединения Al₂SiO₅ (общий состав) - андалузит-силлиманит-кианит.

Так вот. Минерал андалузит, образующийся при более низких Т и Р, чем другие, будет иметь формулу Al^VAl^VI[SiO₄]O.

Более высокотемпературный силлиманит будет иметь формулу Al^VI[Al^IVSiO₅] - понижение координации части Al с 5 до 4!

А что будет с увеличением давления? Влияние давления будет обратным по сравнению с влиянием температуры: увеличение давления повышает КЧ (!). Кианит - минерал, образующийся при высоких Р, содержит Al весь с КЧ=VI: Al^VI₂[SiO₄]O.

Другой пример: при повышении давления альбит Na[Al^IVSi₃O₈] становится неустойчивым и переходит в жадеит NaAl^VI[Si₂O₆], координация Al меняется с 4 до 6.

Теперь об изображении структур. Возможно изображение в виде шариковых моделей - каждая материальная частица - в виде шарика, расстояния между ними увеличены (т.е. дается без учета объемных соотношений), а кроме того возможно полиэдрическое изображение - центры материальных частиц принимаются за точки, которые при их соединении образуют полиэдр - тетраэдр, куб, октаэдр, треугольник, более сложные с КЧ=7 - трехгранная призма с полуоктаэдром, КЧ=12 - кубоктаэдр.

Какие возможны типы кристаллических структур? Заполнение кристаллического пространства может быть различным, и структуры могут быть очень разные, но среди них мы будем различать 5 основных типов.

I. Координационные структуры - представляют собой ПУ либо одинаковых частиц, либо крупных анионов с мелкими катионами в пустотах. В них распределение частиц определяется целиком координацией их друг с другом в зависимости от размеров и знака, и нет каких-либо обособленных элементов структуры, или каких-либо преимущественных направлений при формировании структуры. С чем это связано? Характер связи между элементами структуры одинаковый. Сюда будет относиться большинство минералов с преобладанием ионного типа связи.

II. Структуры островные - можно выделить обособленные элементы структуры, «острова». Например, замкнутые молекулы серы S₈. Такие структуры характеризуются различной связью между структурными единицами внутри «островов» и между «островами» . В сере самородной внутри молекул связь ковалентная, а между молекулами - остаточная. Бывают «острова» очень сложно построенные: в силикатах они нередко имеют вид тройных, четверных, шестерных колец из кремнекислородных тетраэдров SiO₄. Например, берилл с островом в виде шестерного кольца [Si₆O₁₈].

III. Цепочечные и ленточные структуры - составляющие их элементы бесконечно повторяются в одном направлении. Пример: пироксены, амфиболы.

IV. Слоистые структуры - характеризуются двухмерной повторяемостью мотивов с образованием слоя. Пример: графит, молибденит, слюды.

V. Каркасные структуры - в этих структурах повторяющиеся элементы связаны между собой так, что получается очень сложная трехмерная постройка - каркас. Пример: полевые шпаты, кварц.

Для чего нам все эти типы структур нужны? Для понимания свойств, поскольку они обязательно в свойствах проявляются, и вместо запоминания будет понимание, почему минерал обладает теми или иными свойствами, и каких свойств от него можно ожидать.

Как типы структур проявляются в свойствах?

Морфология.

Минералы со слоистой структурой - кристаллы пластинчатого, уплощенного облика.

С цепочечной и ленточной структурой - удлиненный облик. Это понятно.

Однако, какую будут иметь форму минералы со структурой I типа? Очевидно, скорее всего изометричного облика для структур с ПКУ (ромб. или куб. сингонии) и кристаллы призматические, но тоже большей частью изометричные для структур с ПГУ (триг. или гекс. сингонии).

Минералы с островной и каркасной структурами тоже дают более-менее изометричные кристаллы ромбической или кубической сингоний.

С типами структуры будут связаны и такие свойства как спайность и плотность. Это очень наглядно для структур цепочечных, ленточных и слоистых - спайность будет проходить вдоль этих элементов структур. А с плотностью дело обстоит так - если сравнивать минералы, близкие по химическому составу, то более плотными окажутся те, что имеют структуру I типа - координационную, или наиболее близкую к нему - островную; наименее плотны минералы с каркасной структурой.

Пример: Альбит Na[Al^IVSi₃O₈] каркасн., d=2.6 ® жадеит NaAl^VI[Si₂O₆] цепочечн., d=3.3.

Далее, необходимо познакомиться (или вспомнить) еще несколько понятий, необходимых для понимания курса и связанных со структурами и химизмом минералов.

1. Полиморфизм и политипия: полиморфизм - способность веществ одного химического состава кристаллизоваться с образованием разных кристаллических структур, с различными полями устойчивости.

В чем могут проявляться различия структур?

1) В изменении КЧ одной и той же структурной единицы в зависимости от РТ условий (см. пример с дистеном-силлиманитом-андалузитом).

2) В изменении типа плотнейшей упаковки: при одном и том же КЧ - сфалерит ПКУ и вюртцит ПГУ.

3) Может меняться угол поворота некоторых структурных групп: кварц-b Si-O-Si=160^o, кристобалит-b Si-O-Si=180^o.

Структурная перестройка может происходить при сохранении внешней формы первоначальной модификации, в этом случае возникают параморфозы. Пример: тот же кварц - параморфоза тригонального a-кварца по высокотемпературному гексагональному b-кварцу.

Говоря о полиморфизме, вспомним, что переходы - или полиморфные превращения - могут быть энантиотропными, когда переход возможен в обе стороны при соответствующем изменении температуры, и монотропными - однонаправленными. Это обычно связано с энергией решетки, потому что всякая перестройка решетки - это энергетические затраты. Такая перестройка тем легче, чем слабее связи в перестраиваемой структуре. Здесь снова придется вспомнить про метастабильное состояние, когда скорости перехода так малы, что вещество длительное время сохраняется в прежней структуре в условиях, неравновесных для этой структуры.

И, наконец, с полиморфизмом тесно связано понятие «политипия ». Что это такое, в чем сущность? В некоторых случаях энергетические различия между структурами оказываются так малы, что переход одной структуры в другую происходит не скачком, а постепенно, и при одних и тех же Т и Р могут сосуществовать несколько структурных разновидностей одного состава.

Такие явления наиболее типичны для минералов со слоистой структурой - в них различие будет выражаться лишь небольшим сдвигом слоев относительно друг друга. Т.Е. у них два параметра ячейки будут одинаковы, а третий будет очень незначительно отличаться. Мы уже сталкивались с этим явлением у графита - два политипа:

1) с чередованием слоев типа АВ/АВ - гексагональный тип 2H, чередование через слой, период повторяемости 2;

2) с чередованием слоев типа АВС/АВС - ромбоэдрический политип 3R, чередование, когда лишь четвертый слой окажется под первым.

Следующее понятие уже будет касаться не столько структуры минералов, сколько их химизма. Это понятие об изоморфизме.

2. Изоморфизм - замещение ионами, атомами или молекулами друг друга в кристаллической решетке с сохранением исходной кристаллической структуры. Это понятие было введено в 1819г. Э. Митчерлихом.

В тех случаях, когда замена одного сорта частиц в структуре на другие частицы может идти неограниченно, говорят о полном (совершенном) изоморфизме: наблюдается полный переход от одного члена изоморфной смеси к другому. У нас уже был такой пример - золото и серебро. Они способны смешиваться в любых пропорциях, и это отлично выражается графически непрерывной линией:

Au                                                  Ag

Промежуточное вещество с различным соотношением исходных членов называют изоморфной смесью или твердым раствором. При этом разница ионных радиусов, как правило, не должна превышать 15%.

Гораздо больше случаев, когда полный изоморфизм невозможен. Тогда говорят об ограниченном (неполном, несовершенном) изоморфизме. Пример: изоморфное вхождение Fe в сфалерит ZnS. Нет непрерывного ряда ZnS-FeS, лишь какое-то, и при том незначительное, количество железа может безболезненно для структуры сфалерита входить в него, а дальше - нельзя, у исходных членов разная структура, и дальнейшее вхождение Fe будет «ломать» структуру сфалерита. Если структуры различны, говорят о направленности (полярности) изоморфизма. Так, железо в сфалерит входит, а загнать цинк в структуру троилита или пирротина - этого в природе не случается.

2. Изоморфизм - замещение ионами, атомами или молекулами друг друга в кристаллической решетке с сохранением исходной кристаллической структуры. Это понятие было введено в 1819г. Э. Митчерлихом.

В тех случаях, когда замена одного сорта частиц в структуре на другие частицы может идти неограниченно, говорят о полном (совершенном) изоморфизме: наблюдается полный переход от одного члена изоморфной смеси к другому. У нас уже был такой пример - золото и серебро. Они способны смешиваться в любых пропорциях, и это отлично выражается графически непрерывной линией:

Au                                                  Ag

Промежуточное вещество с различным соотношением исходных членов называют изоморфной смесью или твердым раствором. При этом разница ионных радиусов, как правило, не должна превышать 15%.

Гораздо больше случаев, когда полный изоморфизм невозможен. Тогда говорят об ограниченном (неполном, несовершенном) изоморфизме. Пример: изоморфное вхождение Fe в сфалерит ZnS. Нет непрерывного ряда ZnS-FeS, лишь какое-то, и при том незначительное, количество железа может безболезненно для структуры сфалерита входить в него, а дальше - нельзя, у исходных членов разная структура, и дальнейшее вхождение Fe будет «ломать» структуру сфалерита. Если структуры различны, говорят о направленности (полярности) изоморфизма. Так, железо в сфалерит входит, а загнать цинк в структуру троилита или пирротина - этого в природе не случается.

Далее, различают изоморфизм изовалентный - когда замещающие друг друга ионы одинаковой валентности (те же Zn и Fe в сфалерите), и гетеровалентный - когда замещающие друг друга ионы различны по валентности. Вот тут появляются разные возможности, чтобы сохранялась общая электронейтральность.

1) Парный изоморфизм. Замена одного иона другим ведет к параллельной замене пары других ионов, с тем, что общий заряд сохраняется. Пример: ряд Ab-An (см. в ряду Боуэна) - Na[AlSi₃O₈] (Na⁺Si⁺⁴) « Ca[Al₂Si₂O₈] (Ca⁺²Al⁺³).

2) Твердые растворы вычитания. Возможна замена частиц не одна на одну, а в иной пропорции. Пример: В галенит иногда входит Bi. Как идет замена? По схеме 2Bi⁺³®3Pb⁺² - т.е. вместо трех узлов решетки, занятых Pb⁺², оказываются заняты лишь 2 узла решетки, но трехвалентным Bi. Т.е. в структуре оказываются не все места заняты, не всё пространство заполнено. Поэтому - тв. р-ы вычитания (!).

3) Твердые растворы внедрения. Иногда при этом возможен другой расклад: чтобы более высоковалентный ион, входящий в структуру вместо более низковалентного, компенсировать по заряду, в структуру входят дополнительные частицы противоположного знака. Получается прибавление, более плотное заселение структурного пространства. Пример: флюорит CaF₂. При вхождении Y⁺³®Ca⁺² избыточный заряд компенсируется внедрением дополнительного F. А куда ему внедряться-то? Дело в том, что в структуре CaF₂ крупными являются ионы Са, они образуют структуру типа ПКУ, F находится в тетраэдрах, а при вхождении Y - F занимает и часть октаэдрических позиций.

3) Какие еще есть возможности при изоморфизме? Это замещение не «частица за частицу», а как бы более крупными структурными блоками - тогда говорят о твердых растворах (изоморфных смесях) особого рода.

4) Цепной изоморфизм. Он состоит в том, что две неизоморфные частицы оказываются способными замещать друг друга, если есть еще третие (и четвертые) - так что создается постепенный переход. Пример: CaF₂ иногда оказывается заметно радиоактивен, при том, что Ca и U не образуют изоморфных рядов. А дело в том, что идет целая цепочка изоморфных замещений - Ca⁺²®TR⁺³(Y)®Th⁺⁴®U⁺⁴.

Во-первых, напомню, как изобразить, что два элемента изоморфны друг другу в соединении. В круглых скобках и через запятую: (Mg,Fe)₂[SiO­₄], непрерывный ряд от Mg до Fe, при этом тот, что в скобках на первом месте, того - больше.

Из всех свойств изоморфных смесей прежде всего отметим аддитивность. Это значит, что такие свойства, как показатель преломления, параметры решетки, меняются постепенно в полном соответствии  с концентрацией конечных членов изоморфного ряда. Отсюда - возможности определения состава изоморфных смесей по их физическим константам.

Теперь о факторах, определяющих изоморфизм.

Кристаллохимический фактор изоморфизма. Он нашел свое выражение в правиле Гримма-Гольдшмидта: изоморфная смесимость в значительной мере проявляется, если разница в размерах структурных единиц не превышает 15% от меньшего радиуса при Т не очень близкой к температуре плавления.

Отсюда объяснение и полярности - катионы с меньшим радиусом легче входят в позиции м , но не наоборот (сфалерит - R_Zn=0.83, R_Fe=0.80).

Как влияют РТ-условия?

Повышение Т приводит к расширению границ изоморфной смесимости. Это означает, что многие изоморфные смеси, устойчивые при высоких Т, оказываются неустойчивыми при снижении Т, и это приводит к распаду твердых растворов с образованием характерных закономерных срастаний двух выделившихся компонентов (т.н. структуры распада твердых растворов). Пример: халькопирротины.

Влияние давления более сложно, так как накладываются и полиморфные превращения. Но принцип один - увеличение Р способствует расширению изоморфной смесимости для смесей более плотных и уменьшает изоморфизм в смесях менее плотных. Кроме того, увеличение Р должно способствовать образованию твердых растворов внедрения, т.к. при этом получается более плотное заполнение пространства.

Как влияет химизм?

Очень сильно. Избыточное нахождение изоморфной примеси в минералообразующей среде может привести к принудительному ее вхождению в решетку минерала, и количество ее может оказаться гораздо выше. Точно так же может вести себя изоморфная примесь при низкой концентрации в растворе основного компонента: вхождение Са вместо U в UTi₂O₆ (браннерит) при низком содержании в растворе U.

А что будет, если по кристаллохимическим данным структурные частицы будут сильно отличаться? Очевидно, они не смогут в произвольном количестве и порядке замещать друг друга, но каждая в структуре будет иметь свое собственное место. В этом случае возникают двойные соли: CaMg[Si₂O₆] - сравните с (Mg,Fe)₂[Si₂O₆].

И так далее, по мере усложнения состава системы, будут образовываться более сложные соединения - соли, среди которых можно различать халько-, окси- и галогеносоли, которые можно определить как продукты взаимодействия халько-, окси- и галогенооснований с халько-, окси- и галогеноангидридами. Здесь должен соблюдаться ряд условий.

1) Сила катиона и сила аниона должны быть соразмерны. (Na - сильный катион, Cl - сильный анион).

Если катион сильный, а анион слабый? Надо уравновесить! Как? Призвать на помощь «соглашатели»: при слабом анионе - либо усилить анион, либо ослабить катион.

Примеры:

а) Апофиллит KCa₄[Si₄O₁₀]₂F×8H₂O, жадеит NaAl[Si₂O₆] - ослабление катиона, альбит Na[AlSi₃O₈] - усиление аниона (Al®Si); обратить внимание - особая роль амфотеров!.

б) Дополнительные анионы - F, Cl, O - более сильные (кианит, андалузит).

2) Размеры катиона и аниона должны обеспечивать прочность структуры. Это особенно важно для координационных структур.

Коллоидное состояние.

Для начала давайте определимся в терминологии.

Дисперсная система - это гетерогенная система из двух и более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними.

Дисперсионная среда - это вещество, которое в дисперсной системе образует сплошную фазу.

Дисперсная фаза - это то, что рассеяно в дисперсионной среде в виде частиц, капель или пузырьков.

Дисперсные системы с размером частиц более 100 нм называются взвесями. Системы с частицами меньших размеров (1-100 нм) называются коллоидными.

Коллоидное состояние характерно для многих веществ в природе. Широко распространены коллоидные системы, в которых дисперсионная среда - жидкость, их называют золями, или коллоидными растворами. Для нас прежде всего важны водные золи. (Примеры: студенистые осадки Al(OH)₃, Fe(OH)₃ - возникают при взаимодействии растворов солей с основаниями). Коллоидные частицы несут на себе заряд, что обусловливает притяжение к ним диполей воды. Вследствие взаимодействия с водой на поверхности частиц образуется гидратная оболочка.

Коллоидная частица состоит из ядра, адсорбирующего из окружающей среды ионы одного вида (зарядообразующие ионы). Пример: золь - Fe(OH)₃, ядро коллоидной частицы - mFe(OH)₃, зарядообразующие ионы - Fe⁺³, Fe(OH)⁺², Fe(OH)₂⁺.

 Ядро с адсорбированными ионами притягивает из среды ионы противоположного знака, или противоионы. Весь этот комплекс перемещается в воде как единое целое, это и есть коллоидная частица. Противоионы, входящие в состав частицы, называют связанными, а те, которые находятся в жидкой фазе, называются свободными. Они дают заряд дисперсионной среде. Все сочетание, состоящее из коллоидной частицы и эквивалентной ей части дисперсионной среды, называют мицеллой. Мицелла - структурная единица коллоидного раствора.

Различают гидрофильные и гидрофобные коллоидные растворы. Гидрофильными, как правило, являются золи органического происхождения, а гидрофобными - неорганические золи. Однако, соль кремниевой кислоты носит промежуточный характер.

{[(mSiO₂ × lH₂O) nSiO₃^-22(n-x) H⁺× yH₂O]^-2x + 2xH⁺ × zH₂O}^o.

Агрегативная устойчивость гидрофильных золей очень велика.

При длительном существовании золи переходят в особое студнеобразное коллоидное состояние. В таком виде их называют гелями. Структура геля такова, что мицеллы не разрушаются, а просто связываются друг с другом, образуя своеобразные ячейки, внутри которых сохраняется среда H₂O. Гель можно высушить, превратив его в твердый коллоид. Процессы золь Û гель Û твердый коллоид обратимы. Сохранение во всех состояниях мицеллярной структуры связано с высокой устойчивостью гидрофильной коллоидной системы.

Устойчивость золя можно нарушить, устранив одноименный заряд коллоидных частиц и защитную гидратную оболочку.

На границе раздела частица-среда устанавливаются два равновесия: противоионы в частице Û противоионы в среде, и вода в частице Û вода в среде. При некоторых условиях число противоионов в частице может стать таким, что их заряд полностью нейтрализует заряд зарядообразующих ионов.

Нейтрализованные частицы начинают слипаться, укрупняться - происходит их коагуляция. Если выпадает осадок нейтрализованных частиц, мы называем это седиментацией. Если же укрупнение происходит за счет налипания большого количества молекул воды, то выпадают гидрогели. Поскольку частицы очень мелкие, суммарная поверхность их может быть очень большой, и воды будет налипать много.

Пример: куб с ребром 1 см имеет поверхность 1см³. Поделим его на 8 кубов, поверхность станет 12 см³. И т.д. x=6/y, где x - суммарная поверхность частиц, y - длина ребра кубиков. При y=0.1 см - x=60 см³; y=1 ммк - x=6000 м³, при этом кубиков будет 10²¹ штук, а V=1 см³.

При высыхании гелей такая вода удаляется, меняется объем, и возникают характерные трещины усыхания (поверхность глинистого дна при высыхании луж - потрескавшаяся корка).

Для минералога основное значение имеют коллоидные системы, в которых дисперстная фаза твердая, а дисперсионная среда - водный раствор или твердое тело. Такие системы называются соответственно гидрозолями, гидрогелями и кристаллозолями, кристаллогелями.

В природных условиях коллоидные системы могут образовываться различными путями -

1. Истирание и дезинтеграция минералов.

2. Химические реакции с образованием тонкодисперсных частиц.

3. Выщелачивание катионов из силикатов и алюмосиликатов, остается каркас - силикагель.

1 и 3 - характерны для поверхностных процессов. Следствие - появление коллоидов в зонах окисления, корах выветривания, почвах.

В гидротермальных месторождениях - при резкой смене физико-химических параметров могут образовываться гидрогели SiO₂, SnO₂, UO₂, ZnS, PbS и др. При этом они могут образовываться из истинных растворов.

Почему не видим коллоидов? Потому что сразу раскристаллизовываются, так как неустойчивы с точки зрения термодинамики из-за большой свободной поверхностной энергии.

От коллоидов - постепенный переход к скрытокристаллическому состоянию, когда вещество рентгеноаморфно, хотя отдельные частицы имеют кристаллическое строение. Агрегаты, имеющие скрытокристаллическое строение (некоторые минералы семейства кремнезема, глинистые минералы, многие слюды), могут быть от землистых до плотных фарфоровидных.

Коллоидные системы дают колломорфные, почковидные агрегаты и т.д.

Могут содержать много адсорбированных примесей.

Метамиктное состояние.

Некоторые минералы в силу разных причин в кристаллическом состоянии могут существовать ограниченное время. Почему так - чуть ниже; они образуются нормальной кристаллизацией, имеют нормальную кристаллическую решетку, а потом эта решетка начинает разрушаться. Иногда частично, а иногда - полностью, так, что такой минерал не дает дифракционной картины в рентгеновских лучах.

Вот это явление разрушения кристаллической решетки принято называть метамиктным распадом или метамиктизацией. Про минерал с частично или полностью разрушенной решеткой говорят, что он находится в метамиктном состоянии.

Это не значит, что минерал весь разрушается и перестает существовать как физическое тело - нет, метамиктные минералы иногда сохраняют форму кристаллов, но прежней непрерывной структуры уже не будет - в лучшем случае будут оставаться ее обрывки, островки, а иногда происходит и перегруппировка частиц, слагавших структуру; т.е. на месте прежней структуры возникает смесь - ее реликтов и новообразований.

Весь этот процесс нередко сопровождается поглощением адсорбционной воды, и это приводит к увеличению объема - иногда до 30%. Это вызывает изменение формы - грани вспучиваются, или наоборот - проваливаются; минерал растрескивается, растрескиваются и окружающие его минералы.

Метамиктизация приводит, естественно, и к изменению свойств: появляется характерный смоляной блеск, возникает раковистый излом, падает твердость. А что из этого следует? Затруднения при диагностике!

Пример: пирохлор NaCaNb₂O₆F - H=5.5 ® 4.5-4; блеск алмазный ® смолистый, искривление октаэдрических кристаллов, помутнение.

Чем же вызывается метамиктизация? Когда она происходит?

1) Метамиктному распаду подвержены минералы, у которых слабые связи в решетке и большое количество примесей, часто со сложным характером изоморфизма, что ведет к разрушению решетки.

2) Очень часто метамиктный распад вызывается вхождением в минерал радиоактивных элементов. Постоянная «бомбардировка» решетки при радиоактивном распаде приводит в конце концов к ее разрушению. При этом иногда радиоактивные элементы могут быть даже не в самих минералах, подвергшихся метамиктному распаду, а в соседствующих.

Роль воды в минералах, типы воды.

I. Вода - как универсальный растворитель.

Об этом говорить долго не будем в виду очевидности.

II. Вода как составная часть минералов.

Ряд минералов при нагревании выделяет воду. Количество ее и Т, при которой она выделяется - важные характеристики. Изучение - термический анализ (фиксация температуры выделения воды на кривых нагревания)  + термовесовые исследования (потери веса, количество воды, теряемое при определенной Т).

Чтобы выяснить природу воды - рентгенографическое исследование до и после нагревания, определение плотности, показателя преломления и др.

Типы воды в минералах:

1) Вода конституционная - входит непосредственно в структуру в виде существенных ее составляющих.

а) Вода в виде H⁺ ионов (Н₃О⁺) - NaH(CO₃) - нахколит (сем. Содовых минералов). Причем кислых солей (с Н⁺) крайне мало.

б) Вода в виде группы (ОН)^- - слюды, амфиболы, хлориты, эпидот, гидроокислы типа AlO(OH). Основные соли распространены чрезвычайно широко.

2) Вода кристаллизационная. × nН₂О.

Тоже входит в состав минерала, но в виде дипольной молекулы Н₂О, и расположение этих молекул бывает разное.

а) Кристаллизационная вода катионного и анионного типа или кристаллогидратная вода. Пример: катионный подтип - бишофит MgCl₂×6H₂O, где каждый ион Mg²⁺ окружен 6 молекулами Н₂О (образует комплексный ион).

Анионный подтип такого характерного строения не имеет, однако основная черта - связь молекулы воды с несколькими анионами (большинство природных боратов и сода).

Рекомендация для Вас - 1. Этапы развития эргономики.

Иногда в соединениях присутствуют оба подтипа, например - CuSO₄*5H₂O, где четыре воды свяданы с сульфат-ионом, а одна - с катионом меди.

б) Кристаллизационная вода цеолитного типа - в каналах. Особенность - если во всех предыдущих случаях вода удаляется из структуры с разрушением ее, то цеолитную воду можно удалять нагреванием без разрушения структуры - она будет испаряться через полости каркаса.

3) Несвязанная (адсорбционная) вода - очень слабо связана с минералом.

а) гигроскопичная,

б) коллоидная,

в) межслоевая (межплоскостная) - переходная между кристаллизационной и адсорбционной. Каждый слой кристаллической структуры слоистого алюмосиликата становится как бы двухмерной коллоидной частицей.