Минералы и горные породы России и СССР

<<< Минералоиды | Содержание | Политипия >>>

Часть 1. Минералы. Что такое минералы

Полиморфы

Самостоятельными минеральными видами издавна считаются так называемые полиморфные модификации (полиморфы) природных кристаллических веществ. Здесь нам придется сказать несколько слов о том, что такое полиморфизм (от греческого "полиморфос" — многообразный).

Явление полиморфизма заключается в способности некоторых кристаллических веществ, в том числе и минералов, сохраняя постоянный состав, изменять под влиянием внешних факторов — прежде всего температуры, а также давления и отчасти состава кристаллообразующей среды — свою кристаллическую структуру, а тем самым — и симметрию, и зачастую внешнюю форму выделений (последнее происходит не всегда, так как вещество с изменившейся структурой может и сохранить прежнюю внешнюю форму кристалла). Особенно важную роль в полиморфизме играет температура, повышение или понижение которой приводит к перестройке кристаллической структуры, стремящейся приспособиться к изменившимся внешним условиям.

Для очень многих веществ, в том числе и минералов, известно от двух до нескольких полиморфов, устойчивых выше или ниже определенных температурных границ.

Если имеются только две модификации — говорят о диморфизме, при трех модификациях — о триморфизме. Обозначаются полиморфы буквами греческого алфавита: а (альфа), б (бета), у (гамма) и т.д. (в сторону повышения температуры превращения). Например, низкотемпературный альфа-кварц SiO₂ при 573°С переходит в высокотемпературный бета-кварц, тот при 870°С — в тридимит, который при 1070° С превращается в кристобалит; в свою очередь, тридимит и кристобалит имеют по 2-3 полиморфа. Увеличение давления несколько повышает температуру «альфа-бета» перехода кварца. Высокотемпературные полиморфные модификации обычно имеют более "рыхлую" структуру, более высокую симметрию и пониженную плотность.

Давление, изменяющееся в широком диапазоне, тоже вызывает полиморфные превращения, направленные в целом в обратную сторону, т.е. увеличение давления придает кристаллическим структурам большую компактность, что сопровождается повышением плотности минералов. Это в частности относится к высокобарическим полиморфам кремнезема — коэситу и стишовиту, образующимся при очень больших давлениях. Любопытно, что вначале оба они были получены искусственно, в лабораторных условиях, и минералами не считались, пока не были обнаружены в природной обстановке — в метеоритных кратерах (астроблемах), возникших при падении крупных метеоритов на поверхность Земли.

Метеоритные удары вызывают кратковременное, но очень резкое повышение давления и температуры, обусловливающее ударный, или импактный метаморфизм горных пород, локализованный в пределах кратера (где, однако, дело порой доходит до расплавления и остеклования пород). В результате ударного сжатия происходят также полиморфные превращения типа графит-алмаз (полиморфы углерода), марказит-пирит (полиморфы дисульфида железа FeS₂), кальцит-арагонит (полиморфы карбоната кальция СаСO₃). Помимо импактных алмазов (обычно очень мелких) в метеоритных кратерах установлены и другие минералы — высокобарические полиморфы углерода: чаоит и лонсдэлеит.

Полиморфные преобразования бывают обратимыми (энантиотропными) и необратимыми (монотропными); последние легко идут только в одном направлении — в сторону образования более устойчивой модификации.

Пример энантиотропного полиморфизма — переход а-кварца в б-кварц выше 573°С и обратный переход б-кварца в а-кварц при охлаждении до температуры ниже 573°С. Энантиотропен и диморфизм ZnS (сфалерит => вюртцит) или Ag₂S (аргентит => акантит: аргентит устойчив только выше 177°С, а ниже этой температуры переходит в акантит, стабильный при нормальных условиях, но при нагревании до 177°С вновь превращающийся в аргентит).

В свою очередь, диморфизм FeS₂ монотропен: из двух его модификаций — пирит и марказит — более устойчив пирит, и потому в твердом состоянии может реализоваться только переход марказит => пирит. Другой пример — триморфизм СаСO₃: в нормальных условиях переход фатерит => арагонит => кальцит (в морских бассейнах) или фатерит => кальцит (на воздухе) монотропен. Необратим также переход фатерит => кальцит при нагревании до 440°С.

В одних случаях полиморфные превращения проявляются в резкой перестройке кристаллической структуры, в других — общий характер структуры сохраняется, происходит лишь ее постепенное упорядочение, т.е. катионы, первоначально (при высоких температурах) распределенные в структуре беспорядочно, статистически, стремятся сосредоточиться в каких-то строго определенных позициях (отвечающих минимуму потенциальной энергии, т.е. энергетически наиболее выгодных).

В первом случае мы имеем дело с так называемыми фазовыми переходами I рода, когда при некоторой температуре и/или давлении происходит скачкообразное изменение внутренней энергии вещества и его физических свойств, сопровождающееся выделением или поглощением тепла. Все перечисленные выше примеры полиморфных превращений относятся именно к этому типу; к ним можно добавить еще такие распространенные случаи, как полиморфизм ТiO₂ (рутил => анатаз => брукит), Al₂SiO5 (андалузит => кианит => силлиманит), Fe₂O₃ • H₂O (гётит => лепидокрокит и другие полиморфы, более редкие) или Al₂O₃ • H₂О (гиббсит => диаспор => бёмит).

Ко второму типу — фазовым переходам II рода — относится полиморфизм (упорядочение) щелочных (K-Na-) полевых шпатов (санидин-ортоклаз-микроклин); в этом случае скачкообразно меняется только удельная теплоемкость минералов, в остальном же переход совершается медленно и постепенно, в течение длительного времени, в широком интервале понижающихся температур, без резкого изменения большинства физических свойств.

Необходимо подчеркнуть, что очень часто полиморфные превращения, в том числе даже некоторые энантиотропные фазовые переходы I рода, характеризуются весьма низким энергетическим эффектом, а потому протекают очень вяло, с настолько малой скоростью, что, скажем, высокотемпературные и высокобарические полиморфы, которые теоретически должны были бы при понижении температуры и/или давления перейти в более устойчивые при изменившихся условиях модификации, в действительности продолжают — в силу вышеотмеченных чисто кинетических факторов — вполне комфортно себя чувствовать в поле устойчивости соответствующих низкотемпературных и низкобарических полиморфов и могут существовать так весьма длительное, практически почти неограниченное время, не обнаруживая никаких видимых проявлений метастабильности, т.е. никакой тенденции к превращению в устойчивые полиморфы.

Характерный пример — взаимоотношения полиморфных модификаций Al₂SiO5. А вот к а-б-переходу кварца, равно как и к преобразованию аргентита в акантит, сказанное ни в коей мере не относится (кстати, переход а-кварца в б-кварц может быть вызван не только нагреванием, но и радиоактивным облучением).

Полиморфизм химических элементов, например, минералов углерода, самородной серы или самородных металлов, носит название аллотропии. Наоборот, морфотропное повышение симметрии структуры имеет место в титанатах Са и Sr, т.е. при переходе от перовскита СаТiO₃ к таусониту SrTiO₃.

В отличие от полиморфизма, при котором химический состав минералов не меняется, изменение их кристаллической структуры, а соответственно симметрии и свойств, сопряженное с изменением химического состава, получило название морфотропии.

Классический пример морфотропии — изменение типа структуры, сопровождающееся понижением симметрии, в ряду карбонатов щелочноземельных металлов при замене более мелкого катиона Mg²⁺ на все более крупные; в ряду магнезит MgCO₃ — арагонит и кальцит СаСO₃ — стронцианит SrCO₃ — витерит ВаСO₃, магнезит имеет структуру типа арагонита, а карбонат кальция триморфен.

Третья, неустойчивая модификация СаСO₃ — фатерит — имеет преимущественно биогенное происхождение; постепенно переходит в арагонит и кальцит.

<<< Минералоиды | Содержание | Политипия >>>

Познакомиться с изображениями и описаниями других объектов природы России и сопредельных стран - минералов и горных пород, почв, грибов, водорослей, лишайников, листостебельных мхов, деревьев, кустарников, кустарничков и лиан, травянистых растений (цветов), ягод и других дикорастущих сочных плодов, водных беспозвоночных животных, насекомых-вредителей леса, дневных бабочек, пресноводных и проходных рыб, земноводных (амфибий), пресмыкающихся (рептилий), птиц, птичьих гнезд, их яиц и голосов, а также млекопитающих (зверей), - можно в разделе Природа России нашего сайта.

В разделе Природа в фотографиях размещены также тысячи научных фотографий грибов, лишайников, растений и животных России и стран бывшего СССР, а в разделе Природные ландшафты мира - фотографии природы Европы, Азии, Северной и Южной Америки, Африки, Австралии и Новой Зеландии и Антарктики.

В разделе Методические материалы Вы также можете познакомиться с описаниями разработанных экологическим центром "Экосистема" печатных определителей растений средней полосы, карманных определителей объектов природы средней полосы, определительных таблиц "Грибы, растения и животные России", компьютерных (электронных) определителей природных объектов, полевых определителей для смартфонов и планшетов, методических пособий по организации проектной деятельности школьников и полевых экологических исследований (включая книгу для педагогов "Как организовать полевой экологический практикум"), а также учебно-методических фильмов по организации проектной исследовательской деятельности школьников в природе. Приобрести все эти материалы можно в нашем некоммерческом Интернет-магазине. Там же можно приобрести mp3-диски Голоса птиц средней полосы России и Голоса птиц России, ч.1: Европейская часть, Урал, Сибирь.

на сайте www.eсоsystеmа.ru Панорамный фильм по экологии (VR-360) на нашем Youtube канале Поделиться/Share: