Страницы Список страниц 3 4 5 6 7 · · ·  42                    

При невозможности пользоваться крупными кристаллами обычно применяется «метод порошков» (метод Дебая-Шерера). Громадное преимущество этого метода в том, что для него не требуется крупных кристаллов. Перед исследованием испытуемое вещество в тонко измельченном состоянии обычно спрессовывается в небольшой столбик. Этим методом можно исследовать не только спрессованные порошки, но и вести работу над готовыми образцами металлов в виде проволоки, если кристаллики их достаточно мелки.

При наличии большого количества кристаллов отражение может произойти от любой грани каждого кристалла. Поэтому на рентгенограмме, полученной по «методу порошков», обычно получается ряд линий, дающих характеристику исследуемого вещества.

Благодаря применению рентгеновских лучей для исследования кристаллов, наконец, была получена возможность проникнуть в область действительного расположения молекул, ионов и атомов внутри кристаллов и определить не только форму атомной решетки, но и расстояния между частицами, ее составляющими.

Изучение структуры кристаллов при помощи рентгеновских лучей позволило определить кажущиеся размеры ионов, входящих в состав данного кристалла. Метод определения величины радиуса иона или, как обычно говорят, ионного радиуса будет ясен из следующего примера. Исследование такого рода кристаллов как MgO, MgS и MgSe, с одной стороны, и MnO, MnS и MnSe, с другой, дало следующие межионные расстояния:

Для

MgO —2,10 Å МnО — 2,24 Å

MgS — 2,60 Å и MnS — 2,59 Å

MgSe — 2,73 Å MnSa — 2,73 Å,

где Å—обозначает величину „ангстрем», равную одной десятимиллионной миллиметра.

Сравнение приведенных величин показывает, что для межионного расстояния в соединениях MgO и МnО размеры ионов Mg и Мn Играют некоторую роль. В других же соединениях видно, что расстояния между ионами S и Se не зависит от входящего в соединения другого иона, и ионы S и Se соприкасаются между собою, создавая плотнейшую упаковку ионов.

Рентгенограмма кристалла кальцита

Рис. 24. Рентгенограмма кристалла кальцита на оси 3-го порядка

Вычисление дает для S-2 ионный радиус, равный 1,84 Å,

а для Se-2— 1,93 Å. Зная ионные радиусы S-2 и Se-2, можно вычислить и ионные радиусы других ионов. Так О 2имеет ионный

радиус, равный 1,32Å. F-1 — 1,33Å, Na+l —0,98Å, Са+2 — 1,06,

К+1— 1,33, Mg+2—0,78Å, Аl+3 —0,57Å, Si+4 — 0,39Å и т. д. Величина ионного радиуса играет большую роль в вопросах изоморфизма и полиморфизма, что и будет рассмотрено в соответствующих разделах.

Рентгеноструктурное изучение минералов сильно продвинуло вперед современную минералогию, как в вопросах понимания строения минералов, так и связи их строения и состава с другими важными свойствами, как спайность, показатель преломления и др. Значение исследования минералов рентгеновскими лучами прекрасно выражается следующей фразой: «Если кристаллографы познавали минерал в той мере, в какой можно изучить здание, осматривая его снаружи, а химики пытались познать это здание, разрушив его и затем изучая в отдельности входившие в его состав материалы, то рентгеноструктурный анализ впервые позволил нам войти в здание и обозревать его внутреннее расположение и убранство».

II. МИНЕРАЛОГИЯ

§ 1. ВВЕДЕНИЕ

Руды и другие нерудные, часто красиво окрашенные, минералы, а также естественные минеральные агрегаты, называемые теперь горными породами были известны и практически использовались человеком еще с глубокой древности. Так, в древнем Египте и Китае умели весьма искусно обрабатывать сиенит, мрамор, гранит и другие орнаментовочные камни и выплавлять золото, медь, серебро и железо. От древних в минералогии сохранилось несколько названий, как, например, гипс, сапфир, аметист, асбест и др., и ряд описаний форм минералов.

В древнем Риме и Греции о свойствах минералов знали немало, но еще больше приписывали им фантастических свойств; очень многие минералы служили лекарственными или волшебными средствами.

Наряду с этим в течение всей древности и средних веков медленно накапливались те точные факты, которые должны лежать в основе всякого научного знания.

Эти факты, с одной стороны, брались из векового опыта практиков — рудокопов, рудоискателей и металлургов, а с другой, — являлись результатом научной работы, сознательно направляемой в серьезно поставленном опыте или наблюдении.

С пробуждением научной мысли начинается изучение формы, блеска, цвета минералов, вообще их физических свойств; количество известных минералов довольно быстро возрастает. С течением времени были открыты новые свойства некоторых минералов, например, двойное лучепреломление исландского шпата (в 1670 г.).

Но научная минералогия зародилась позже. Только с начала XVIII в. начал накапливаться обильный материал, относящийся к познанию как внешних свойств, так и химического состава минералов.

Начало изучения минералов в России положил наш великий ученый М. В. Ломоносов. Он ясно представлял себе огромное

значение, которое имеют минералы для развития металлургии. Им был составлен в 1761 г. «Проект собирания минералов»; в 1763 г. появилось известие о сочиняемой «Российской минералогии». Усиленное развитие металлургической промышленности в конце XVIII и начале XIX в. обусловило расширение интереса к минералам, их познанию и поискам. В пергой половине XIX в. Кокшаров опубликовал «Материалы по минералогии России», а затем в трудах целого ряда ученых: П. В. Еремеева, В. И. Вернадского, Е. А. Ферсмана, А. К. Болдырева и др. русская минералогия приняла свой современный характер.

Долгое время среди ученых Запада шли споры, какие свойства — внешние — физические или химические (т. е. состав) следует считать главными признаками минералов. Правильными были замечания одного исследователя, что минералогия есть естественная история минералов и должна давать характеристику всех их свойств (в том числе и химических) как весьма важных и с научной и с прикладной стороны; но увлечение лишь одной химической природой минерала так же ошибочно, как и отрицание ее важности: такой исследователь уподобляется человеку, который в статуе видит только кусок мрамора.

Приведенные замечания характерны для того периода минералогии, когда шло накопление фактического материала.

Только в XX в. развилась и оформилась генетическая школа, диалектически подходящая к вопросам минералогии. Генетическая школа считает минералы прежде всего продуктами природных химических процессов, происходивших или идущих в настоящее время в земной коре. Она рассматривает минерал в связи с окружающей его средой — температурой, давлением, концентрацией веществ и теми горными породами, в которых данный минерал находится. Минерал не образуется «сам по себе». Для его образования необходимы определенные условия: высокотемпературные расплавы, газы или пары, горячие водные растворы, высыхающие водные бассейны и т. п. Все процессы минералообразования контролируются законами физической химии и должны рассматриваться под этим углом зрения.

«Минералогия представляет собой химию земной коры. Она имеет задачей изучение как продуктов природных химических процессов, так называемых минералов, так и самих процессов. Она изучает изменение продуктов и процессов во времени и в различных естественных областях земной коры. Она исследует взаимные естественные ассоциации минералов (их парагенезис) и законности в их образовании».

Такое определение минералогии, ее целям и задачам дал руководитель и создатель генетической школы В. И. Вернадский. Это определение вполне отвечает современному состоянию науки и лежит в основании настоящего курса.

§ 2. ПОНЯТИЕ ТЕРМИНА МИНЕРАЛ

Раньше чем перейти к рассмотрению минералов, следует попытаться дать определение, что такое минерал.

Существует много попыток точно охарактеризовать это понятие, но все они в различной степени страдают неточностью или неопределенностью.

Минералом следует называть природное химическое соединение или элементарное вещество, возникшее в результате тех или иных физико-химических процессов, протекающих в земной коре, в водной оболочке или атмосфере, а также в результате взаимодействия между ними. Минералы в огромном большинстве случаев являются веществами твердыми. Значительно реже встречаются жидкие (самородная ртуть) и газообразные вещества, которые лишь условно можно назвать минералами, так как они, как правило, не представляют собой индивидуальные химические вещества, а являются смесями, что четко проявляется при превращении их в твердое состояние. В этом отношении они скорее похожи на вулканические стекла (обсидиан), и их теперь уже никто не относит к минералам. Иногда минералами называют и искусстве н н о получаемые соединения, что объясняется их кристаллическим состоянием, часто тождественностью свойств и состава с природными веществами и сходством метода их исследования. Такими искусственными минералами являются, например, кристаллы в шлаках, цементе, стекле, синтетические корунды, шпинели, слюды и т. п.

§ 3. ОБЩИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

а) ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

Твердость. Одним из весьма характерных свойств минералов, издавна служившим одним из наиболее доступных диагностических признаков твердых минералов, является его твердость. Обычно, в минералогии, под этим подразумевается способность данного минерала противостоять царапающему действию какого-либо острия. Это свойство, очевидно, связано с характером сил сцепления в данном веществе, что в свою очередь связано с характером связей в кристаллической решетке исследуемого кристалла. Чем сильнее энергетическая связь между частицами, слагающими кристалл, тем больше его твердость. Так атомная связь у алмаза обусловливает его максимальную твердость. Валентные (ионные) связи также могут создавать весьма прочные связи (корунд — Аl2О3). Так как строение кристаллов отличается в различных направлениях, то и твердость имеет, вообще говоря, разное значение в разных направлениях.

Классическим примером является разница в твердости минерала кианита или дистена («двухтвердого») состава Al2SiО5.

Этот минерал резко отличается по твердости в направлении своей длинной и короткой сторон. Вдоль кристалла она равна 4 по шкале Мооса (см. ниже), а поперек — 6 по той же шкале.

По твердости минералы условно разделяются на 10 основных групп, расположенных в таком порядке, что каждый минерал предыдущей группы чертится минералом последующей группы, причем получается углубленная черта, не исчезающая при легком стирании пальцем. Твердость возрастает от 1 до 10 и обозначается номером шкалы твердости, установленной Моосом еще в начале XIX в.

Шкала твердости Мооса

1. Тальк 

2. Гипс 

3. Известковый шпат (кальцит) 

4. Плавиковый шпат (флюорит) 

5. Апатит 

6. Ортоклаз (полевой шпат)

7. Кварц

8. Топаз

9. Корунд

10. Алмаз

Алмаз является самым твердым минералом, не имеющим себе подобного. Корунд также практически единственный минерал, имеющий твердость 9.

В технике широко используется искусственный «минерал» — карборунд, имеющий состав SiC (карбид кремния). Он обладает твердостью, большей чем корунд, и используется для шлифования, резания и точки таких твердых веществ, как горные породы, кварц, сталь и пр.

Практически при полевом определении твердости минералов редко пользуются всеми членами шкалы твердости, довольствуясь стальным ножом, лезвие которого имеет твердость около 5,5. Нож будет давать углубленную черту на минералах, имеющих твердость 5 и меньше, причем глубина этой черты указывает на большую или меньшую твердость минерала. Минералы, имеющие твердость 6 и выше, дают углубленную черту на ноже. Минералы, имеющие твердость 1, жирны на ощупь; минералы с твердостью 2 и меньше легко чертятся ногтем.

При определении твердости на испытуемом минерале выбирают небольшую гладкую плоскость, проводят по ней, слегка надавливая, острым углом другого минерала и наблюдают полученную черту. При этом для минералов, вкрапленных в породу, очень важно следить, чтобы испытанию подвергся самый минерал, а не порода, что легко может случиться при невнимательной работе.

При неясной черте необходимо повторить испытание и для контроля определить твердость обоих испытуемых минералов на ноже.

Определение твердости руд для начинающего представляет особую трудность, в особенности для сложных полиметаллических руд, компоненты которых имеют различную твердость, и для руд со включениями кварца, зерна которого при испытании на ноже могут дать ясную углубленную черту, тогда как сама рудa имеет твердость значительно меньшую 5,5, т. е. твердости ножа

Твердость, характеризуемая шкалой Мооса, относительна и неточна, но совершенно достаточна для минеролога-практика, и ее испытание является важным подспорьем при определении минералов по внешнему виду.

5

4 6