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.
|