Графит С

Сера S

Класс самородных элементов, или простых веществ

Классификация минералов и их характеристика

Особые свойства

Для некоторых минералов характерны особые, только им присущие свойства — вкус, запах, магнитность, двойное лучепреломление, реакция с соляной кислотой, иризация и некоторые другие. Особыми свойствами обладают далеко не все минералы, но их наличие облегчает решение диагностических задач.

Вкус.

Соленым вкусом обладает галит (каменная соль), горько-соленым — сильвин. Кроме того, эти минералы легко растворяются в воде и обладают гигроскопичностью — способностью поглощать воду.

Запах.

Специфическим запахом, «запахом чертовщины», обладает сера, особенно если двумя образцами постучать друг о друга. Выделения арсенопирита при трении издают запах чеснока.

Магнитностьустанавливается по способности минерала отклонять магнитную стрелку, например компаса. Магнитностью обладают магнетит, пирротин и некоторые другие минералы.

Двойное лучепреломление — раздвоение световых лучей при прохождении через анизотропные кристаллы. Это свойство присуще ряду минералов, но особенно хорошо оно выражено у прозрачных разностей кальцита, называемых исландским шпатом. Если через исландский шпат рассматривать, например, печатный текст, то возникает двойное изображение. Все буквы как будто раздваиваются.

Реакция с соляной кислотой.

Некоторые минералы класса карбонатов вступают в реакцию с соляной кислотой, сопровождающуюся выделением углекислого газа. Для кальцита, например, эта реакция проходит весьма бурно. Говорят, что минерал «вскипает»: СаСО₃ + 2НСl = СаС1₂ + Н₂О + СО₂.

У некоторых минералов, например Лабрадора, в зависимости от условий освещения на поверхности могут возникать разноцветные радужные блики. Такое свойство минералов получило название иризации (от греч. iridos — радуга). Оно обусловлено интерференцией световых волн при прохождении сквозь микроскопические параллельно ориентированные пластинки или трещины.

При макроскопическом определении минералов необходимо учитывать и анализировать весь комплекс свойств. Описание целесообразно вести последовательно, определяя все указанные выше характеристики, начав с формы выделения исследуемого минерала в описываемом образце. В конце описания уместно сформулировать выводы, в которых подчёркиваются основные диагностические свойства изучаемого минерала, позволяющие отнести его к тому или иному виду. Желательно указать происхождение минерала и области его применения.

В основу современной классификации минералов положены кристаллохимические принципы, учитывающие химический состав и кристаллическую структуру минералов.

Единицей такой классификации является минеральный вид. Сходные по составу и структуре минеральные виды объединяют в группы, подклассы и классы.

Крупнейшим систематическим подразделением является тип. Всего в царстве минералов выделяют пять типов: простые вещества, сульфиды и их аналоги, оксиды и гидроксиды, соли кислородных кислот и галогениды. Тип простых веществ делится на металлы и неметаллы, тип сульфидов — на собственно сульфиды, теллуриды и арсениды. Наибольшее число классов насчитывается в типе солей кислородных кислот. Минералы этого типа классифицируются по комплексным анионам. Выделяются классы силикатов, боратов, карбонатов, сульфатов и др. Более детальное подразделение внутри классов обычно проводят по структурным особенностям минералов.

В курсе «Общая геология» рассматриваются представители девяти классов. Это — самородные элементы, сульфиды, оксиды и гидроксиды, галогениды, карбонаты, сульфаты, фосфаты, силикаты и алюмосиликаты.

В настоящее время известно около 3500 минералов, а вместе с их разновидностями — более 5000. Однако широкое распространение в пределах литосферы Земли имеют всего 400 минералов.

Наиболее часто встречающиеся из них, называемые главными породообразующим минералами, и будут рассмотрены нами.

 

Минералы, относимые к классу самородных элементов, сложены атомами одинаковых или близких по строению и свойствам химических элементов. На сегодняшний день в природе известно более 30 элементов, находящихся в самородном состоянии. Самородные элементы, образующие минералы, могут быть представлены металлами, полуметаллами и неметаллами.

Самородное состояние характерно для благородных металлов, а также для меди. Широко известно метеоритное самородное железо и его сплавы с никелем и кобальтом (железные и железокаменные метеориты). Самородные металлы в чистом виде довольно редки. Чаще всего они встречаются в виде твёрдых растворов, которые можно рассматривать как сплавы природного происхождения.

Из неметаллических элементов наиболее обычны сера и углерод. Реже встречаются так называемые полуметаллы — мышьяк, сурьма, висмут.

Для самородных элементов характерен полиморфизм. Например, углерод может выделяться в виде графита и алмаза. Сера также имеет две модификации. Известны полиморфные модификации самородного железа.

По происхождению самородные элементы связаны в основном с эндогенными процессами — магматическим, гидротермальным, метаморфическим. Самородные серебро и медь иногда образуются в зонах окисления рудных сульфидных месторождений.

Промышленные месторождения благородных самородных металлов (золото, платина) могут возникать при формировании россыпей.

Роль самородных элементов в строении литосферы невелика. Они составляют немногим более 0,1 % общей массы земной коры и не являются главными породообразующими минералами. Однако некоторые из них имеют практическое значение. Наиболее распространены в самородном виде благородные металлы — платина, золото, серебро.

Происхождение названия неясно. Часто содержит примеси As, Se, Те.

Форма выделения — кристаллы дипирамидальной формы. Дипирамиды часто усечены и образуют красивые друзы и щётки. Часто находится в мелкокристаллических скоплениях и землистых массах, а также в виде натёков и налётов. Также сера в больших количествах содержится в природном газе в газообразном состоянии (в виде сероводорода, сернистого ангидрида).

Цвет — лимонно-жёлтый, колеблется от жёлтого, зеленовато-жёлтого, коричневато-жёлтого до бурого и чёрного (от органических примесей).

Черта — светло-жёлтая, иногда чуть более тёмная в зависимости от окраски конкретного минерального индивида.

Блеск — от стеклянного на гранях кристаллов до алмазного. На изломе — жирный, смолистый. В натёчных и землистых агрегатах — восковой.

Прозрачность — от прозрачных чистых до просвечивающих по тонкому краю кристаллов.

Спайность — несовершенная или отсутствует.

Излом — неровный, часто раковистый. Минерал очень хрупкий.

Твёрдость — 1,5 — 2.

Плотность — 2 — 2,1 г/см³.

Главные диагностические признаки — цвет, блеск.

Свойства

В воде сера нерастворима, некоторые её модификации растворяются в органических растворителях, например в сероуглероде, скипидаре. Плавление серы сопровождается заметным увеличением объёма (примерно 15 %). Расплавленная сера представляет собой жёлтую легкоподвижную жидкость, которая выше 160 °C превращается в очень вязкую тёмно-коричневую массу.

На воздухе сера горит, образуя сернистый ангидрид — бесцветный газ с резким запахом.

Тонкоизмельчённая сера склонна к химическому самовозгоранию в присутствии влаги, при контакте с окислителями, а также в смеси с углём, жирами, маслами. Сера образует взрывчатые смеси с нитратами, хлоратами и перхлоратами. Самовозгорается при контакте с хлорной известью.

Средства тушения: распылённая вода, воздушно-механическая пена.

Происхождение — чаще всего эндогенное пневматолитовое, образуется из паров и газов, выделяющихся при или после вулканических извержений. Встречается в свободном (самородном) состоянии и связанном виде. Может возникать в результате разложения сульфидов и гипса, а также может иметь осадочное биохимическое происхождение — образовываться благодаря жизнедеятельности серных бактерий.

Большие скопления самородной серы встречаются не так уж часто. Чаще она присутствует в некоторых рудах. Руда самородной серы — это порода с вкраплениями чистой серы. Месторождения осадочной серы в России расположены в Поволжье (Алексеевское). Крупнейшее месторождение самородной серы вулканического происхождения находится на острове Итуруп (Сахалинская область России, Южно-Курильский округ) с запасами категории A+B+C₁ — 4227 тыс. тонн и категории C₂ — 895 тыс. тонн. Пневматолитовые месторождения широко распространены на Курильских островах.

 

 

Сера самородная

Важнейшие природные минералы серы: FeS₂ — железный колчедан или пирит, ZnS — цинковая обманка или сфалерит (вюрцит), PbS — свинцовый блеск или галенит, HgS — киноварь, Sb₂S₃ — антимонит. Кроме того, сера присутствует в нефти, природном угле, природных газах и сланцах. Сера — шестой элемент по содержанию в природных водах, встречается в основном в виде сульфат-иона и обуславливает «постоянную» жёсткость пресной воды.

Применение — для производства серной кислоты; для получения сульфат-целлюлозы; в резиновой (вулканизация каучука), текстильной промышленности сера (для производства красок), взрывчатых веществ, в строительстве в качестве заместителя портландцемента — для получения серобетона и сероасфальта, ядохимикатов для борьбы с вредителями сельского хозяйства, лекарственных препаратов и пр.

История открытия

Сера в самородном состоянии, а также в виде сернистых соединений известна с древнейших времён. С запахом горящей серы, удушающим действием сернистого газа и отвратительным запахом сероводорода человек познакомился, вероятно, ещё в доисторические времена. Очень давно сера стала применяться в составе различных горючих смесей для военных целей. Уже у Гомера описаны «сернистые испарения», смертельное действие выделений горящей серы. Около VIII в. китайцы стали использовать её в пиротехнических смесях, в частности, в смеси типа пороха. Горючесть серы, лёгкость, с которой она соединяется с металлами с образованием сульфидов (например, на поверхности кусков металла), объясняют то, что её считали «принципом горючести» и обязательной составной частью металлических руд.

Элементарную природу серы установил Лавуазье в своих опытах по сжиганию. С введением пороха в Европе началось развитие добычи природной серы, а также разработка способа получения серы из пиритов. Впервые в литературе этот способ описан у Агриколы.

 

 

Кристаллы серы среди щёток арагонита

Добыча

В настоящее время серу получают главным образом путём выплавки самородной серы непосредственно в местах её залегания под землёй. Серные руды добывают разными способами — в зависимости от условий залегания. Залежам серы почти всегда сопутствуют скопления ядовитых газов — соединений серы. К тому же нельзя забывать о возможности её самовозгорания.

При добыче руды открытым способом экскаваторами снимают пласты пород, под которыми залегает руда. Взрывами рудный пласт дробят, после чего глыбы руды отправляют на сероплавильный завод, где из концентрата извлекают серу.

Сравнительно невысокая (113 °C) температура плавления серы позволила плавить серу под землёй и через скважины, подобные нефтяным, выкачивать её на поверхность.

Известно несколько методов получения серы из серных руд: пароводяные, фильтрационные, термические, центрифугальные и экстракционные.

При добыче она откладывается на стенках труб и оборудования, выводя их из строя. Поэтому её улавливают из газа как можно быстрее после добычи.

 

 

Природный сросток кристаллов самородной серы

Название произошло от греч. grapho — пишу.

Форма выделения — чаще всего мелкие шестиугольные кристаллики, слагающие плотные чешуйчатые, пластинчатые или землистые массы. Известна аморфная форма углерода — шунгит, образующаяся при метаморфизме каменного угля.

Цвет — железо-чёрный, тёмный стально-серый, мокрого асфальта.

Черта — чёрная или темно-серая, жирная, блестящая; минерал пачкает руки, пишет на бумаге.

Блеск — металловидный.

Прозрачность — непрозрачный.

Излом — ровный по спайности или ступенчатый в направлении, перпендикулярном спайности.

Спайность — весьма совершенная в одном направлении; обусловливает хорошие смазочные свойства графита (графитовые смазки).

Твердость — 1.

Плотность — 2,2 г/см³.

Главные диагностические признаки — цвет, цвет черты, низкая твёрдость, жирный (скользкий) на ощупь.

Свойства

Хорошо проводит электрический ток. После воздействия высоких температур становится немного твёрже, и становится очень хрупким. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. В кислотах не растворяется. Природный графит содержит 10—12 % примесей глин и окислов железа. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах).

Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном — в сотни раз меньше. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.

Происхождение — эндогенное, метаморфическое и контактово-метаморфическое. Графит может образовываться в результате процессов регионального метаморфизма и встречаться в мраморах, гнейсах, кристаллических сланцах, а также при метаморфизме углей и пород, содержащих органическое вещество, на контакте с магматическими телами. Залежи образуются в результате пиролиза каменного угля. Иногда графит встречается в магматических породах и в метеоритах. Наиболее крупные месторождения в России находятся в Восточном Саяне (Ботогольское), в Каракалпакии (Тас-Казган), в низовьях Енисея (Ногинское и Курейское).

Сопутствующие минералы: пирит, гранаты, шпинель. Образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко распространён в метаморфических породах — кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах.

Производство

Для производства искусственного графита используют в основном нефтяной кокс, как наполнитель и каменноугольный пек, как связующее. Для конструкционных марок графита в качестве добавок к наполнителю применяют природный графит и сажу.

Применение

Для производства литейных тиглей и футеровочных плит в металлургической промышленности; для производства электродов в электротехнической промышленности; как замедлитель и отражатель нейтронов в атомной промышленности; как смазочный материал; для производства карандашей, красок; наполнитель пластмасс; для получения синтетических алмазов; в резиновой промышленности.