О свойствах минералов.
Плотность минералов варьирует в широком диапазоне. Самый легкий минерал — лед (0,917); среди других минералов наименьшую плотность имеют: натрон — природная сода (1,46), сассолин — природная борная кислота (1,48), мирабилит — глауберова соль (1,49), нашатырь (1,5), бишофит, карналлит, индигирит — водный основной карбонат Mg и А! (1,6). Многие органические соединения, относимые к минералам или минералоидам, имеют плотность в пределах от 1,09+0,02 (янтарь-сукцинит) до 1,64— 1,65 (меллит). В целом к числу наиболее легких минералов принадлежат некоторые водные и основные карбонаты, бораты, сульфаты, хлориды и органические вещества.
Самым тяжелым минералом является платинистый иридий (до 22,84). Вообще группу минералов с максимальной плотностью (от ~7,0 и выше) составляют в основном самородные металлы, сплавы и интерметаллиды платины и платиноидов, золота и серебра, ртути, свинца и висмута, а также их арсениды, сульфиды, селениды и тел-луриды: сперрилит PtAs2 (10,6); аргентит и акантит Ag2S (7,3); гессит Ag2Te (8,0); калаверит АиТе2 (9,3); креннерит АиТе2 (8,6); сильванит (Аи, Ag)2Te4 (8,1); петцит Ag3AuTe2 (8,7—9,0); алтаит РЬТе (8,3), тетрадимит Bi2TeS (7,2); гале-' нит PbS (7,6); киноварь HgS (8,0—8,2); висмутин Bi2S3 (6,7-7,2); айкинит PbCuBiS3 (7,1); клаусталит PbSe (8,3); тиманнит HgSe (8,3) и т.д. В ту же группу "сверхтяжелых" минералов входят арсениды никеля и кобальта: никелин NiAs (7,6—7,8); саффлорит CoAs2 (7,3); раммельсбергит NiAs2 (7,0—7,2); и др.; сульфиды вольфрама и таллия — тунгстенит WS2 (7,7) и (очень редкий) карлинит T12S (8,6); оксиды ртути, тантала, вольфрама, олова, свинца, урана, тория, висмута: матроидит HgO (11,0); танталит (Мп, Fe)Ta2O6 (7,9—8,1); воджинит (Та, Nb,Sn, Mn, Fe)16OJ2 (7,7); вольфрамит (Fe, Mn)WO4 (7,1—7,5); касситерит SnO2 (7,0); сурик РЬ3О4 (8,9); глёт и массикот РЬО (9,3-9,6); уранинит UO2 (10,9); торианит ТпО2 (9,7); бисмит Bi2O3 (9,4); оксикарбонат висмута бисмутит В12(СО3)О2 (8,3) и его же оксихлорид бисмоклит BiOCl (7,7); вольфрамат свинца — штольцит PbWO4 (8,3), его же молибдат — вульфенит РЬМоО4 (7,0) и фосфат — пироморфитРЬ5(РО4)3С1 — (6,7-7,2), арсенат - миметит Pb5(As04)Cl (7,3), ванадат — ванадинит Pb5(VO4)3Cl (6,8—7,1) и некоторые другие минералы вышеназванных металлов.
Довольно большая группа легких минералов разных классов имеет плотность в интервале 1,7—2,5; среди них — ряд силикатов и особенно алюмосиликатов натрия, калия, лития (многие цеолиты, петалит LiAISi4O10 и др.); водные бораты натрия, калия, магния, отчасти кальция; хлориды, сульфаты, нитраты щелочных металлов и магния; водные карбонаты натрия — трона Na3(CO3)(HCO3) • 2Н2О, термо-натрит Na2CO3 • Н2О и алюминия — давсонит NaAl(CO3)(OH)2; гидроксиды магния — брусит Mg(OH)2 и бериллия — бехоит Ве(ОН)2, отчасти алюминия — гиббсит А1(ОН)3; аморфные минералы (минералоиды) кремнезема и глинозема, богатые водой: опал SiO2*nH2O и аллофан — водный силикат алюминия переменного состава; также ряд других, менее распространенных минералов.
Но громадное большинство минералов имеют плотность в диапазоне от 2,5—2,6 до 6,5—7,0. Нижние значения типичны, в частности, для многих каркасных алюмосиликатов (например, для щелочных полевых шпатов), а в верхнем конце интервала (начиная с 5,0—5,5) располагается большинство сульфидов тяжелых металлов; высокие значения плотности характеризуют и минералы других классов, содержащие свинец — англезит PbSO4, церуссит РЬСО3, крокоит РЬСгО4, редкий барисилит PbgMn(Si207)3, хлориды ртути — каломель Hg2Cl2 и серебра — хлораргирит AgCl, оксиды тантала — микролит NaCaTa2O6F, тапиолит FeTa2O6 и др. Стоит заметить, что нормальной величины образец минерала кажется тяжелым, когда его берут в руки, уже начиная со значений плотности порядка 4,5 (такова, например, плотность "тяжелого шпата" — барита BaSO4). Часто различают минералы низкой (менее 3,0), средней (3,0—5,0) и высокой (более 5,0) плотности — соответственно легкие, средние и тяжелые.
Таким образом, главным фактором, определяющим большую плотность минералов, является высокое содержание в них одного или нескольких тяжелых химических элементов, главным образом, металлов, располагающихся в нижней части таблицы Менделеева: платины и платиноидов, золота, серебра, ртути, свинца, висмута, урана, тория, таллия, тантала, вольфрама, олова, отчасти теллура. В равной мере малые значения плотности характеризуют большинство минералов натрия, калия, лития, бериллия, магния, бора, некоторые минералы кальция, алюминия, кремния, — т.е. преимущественно элементов верхней части той же таблицы. Уменьшению плотности минералов способствует также присутствие (тем более высокое содержание) в них воды как в виде гидроксила (ОН), так и в молекулярной форме (Н2О). Аналогичное влияние оказывает вхождение С1 и других крупных добавочных ионов. В целом, как уже было сказано, плотность минералов зависит в первую очередь от их химического состава.
Тем не менее, и структурный фактор тоже сказывается на плотности минералов. Во-первых, имеют значение относительные размеры атомов (ионов), входящих в кристаллическую структуру, причем этот фактор подчас оказывается более "весомым", нежели атомная масса. Так, ион К+ несколько тяжелее, чем ион Na+, но зато он и значительно крупнее, вследствие чего замена натрия на калий в составе минерала (при неизменности структурного мотива) обычно ведет к некоторому снижению плотности. Например, при одинаковом структурном типе плотность галита NaCI равна 2,16—2,17, а сильвина КС1 — 1,98—1,99; калиевые полевые шпаты ортоклаз и микроклин KAlSbQg имеют плотность 2,55—2,56, а альбит NaAlSi3O8 — 2,61—2,62. Кальцит СаСО3 (плотность 2,71—2,72) легче магнезита MgCO3 (2,9— 3,1), так как ион Са , хотя и тяжелее Mg2+, но вместе с тем много крупнее (оба минерала имеют одинаковую структуру). То же самое можно сказать о замене хлора на фтор: например, виллиомит NaF, имеющий структуру типа галита, гораздо тяжелее последнего, его плотность —2,79: хотя ион F~ легче, чем СГ~, но ион хлора гораздо крупнее, а вхождение крупных ионов (катионов или анионов) при неизменном заряде ослабляет, "разрыхляет" структуру, делает ее менее компактной.
Анионы, как правило, крупнее катионов; вследствие этого замена аниона с низким зарядом на анион с более высоким зарядом, вызывающая соответствующее уменьшение общего числа анионов и относительное увеличение роли катионов в структуре, даже при близости размеров тех и других и сохранении либо сходстве структурного типа, ведет к заметному увеличению плотности минерала. Хороший пример — минералы с координационной структурой периклаз MgO (плотность 3,56—3,68) и селлаит MgF2 (плотность 350—3,17): селлаит заметно легче, вопреки тому, что периклаз относится к структурному типу галита, а селлаит имеет более плотную структуру типа рутила, причем размеры ионов О2~ и F~ близки, а атомная масса фтора даже несколько больше (F — 19, 0—16). Причина кроется в том, что в структуре селлаита только половина октаэдрических пустот плотной упаковки анионов занята катионами Mg2+, тогда как в структуре пе-риклаза они занимают все пустоты.
Во-вторых, на плотность минералов оказывают определенное влияние структурный мотив и структурный тип их кристаллов. При близком составе минералы с каркасным структурным мотивом обычно легче минералов, имеющих координационные или другие структурные мотивы. Так, в классе силикатов каркасные алюмосиликаты — в целом самые легкие: каркасные структуры, в которых координационное число алюминия КЧд,=4 (алюминий в тетраэдрах), — более "рыхлые" по сравнению со структурами, где КЧ^—б (или значительная доля атомов алюминия имеет КЧ=б). Вообще увеличение КЧ обычно ведет к уплотнению структуры и соответственно повышает плотность минералов. Этим, в частности, объясняются различия плотности полиморфных модификаций одного и того же вещества, т.е. минералов неизменного состава, но с разной структурой. Проследим на примерах, влияние структурного мотива и координационного числа на плотность полиморфных модификаций (или, как часто говорят, полиморфов).
Среди полиморфов TiO2 — рутила, брукита и анатаза — самым тяжелым является рутил с очень плотной цепной структурой (плотность 4,2—4,3), за ним следует брукит со слоистым структурным мотивом (плотность 4,14) и легче всех — анатаз со структурой, близкой к каркасной (плотность 3,9). Во всех трех минералах K4Ti=6, и соответственно различия в плотности не очень резкие.
<1> <2> <3> <4> <5> <6> <7> <8> <9> <10> <11> <12> <13> <14> <15> <16> <17> <18> <19> <20> <21> <22> <23> <24> <25> <26> <27>