Физические свойства минералов: Плотность

ЭкоЦентр "Экосистема" разработал более 140 методических материалов по изучению природы:


Полевые определители для смартфонов и планшетов в магазинах RuStore, RuMarket, Google Play и App Store

Определители растений и животных для PC Windows

Определители
для PC

Сборники MP3 записей голосов птиц в природе

Голоса
птиц

Методики полевых экологических исследований

Методики
исследований

Учебные
видеофильмы

Определительные
таблицы

Карманные
определители

Всё это можно приобрести в нашем некоммерческом Интернет-магазине

ГЛАВНАЯ >>> ПРИРОДА РОССИИ и СССР >>> МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Главная
English
Биологический кружок ВООП
Гостю кружка
Планы кружка
Экспедиции и выезды
Исследовательская работа
Программа "Parus"
История кружка
Контакты кружка
Полевой центр
Фотогалерея
Летопись биостанции
Статьи о биостанции
Исследовательские работы
Учебные программы
Полевые практикумы
Методические семинары
Вебинары
Исследовательская работа
Проектная деятельность
Экспедиции и лагеря
Экологические тропы
Экологические игры
Публикации (статьи)
Методические материалы
Наглядные определители
Карманные определители
Определительные таблицы
Энциклопедии природы России
Компьютерные определители
Мобильные определители
Учебные фильмы
Методические пособия
Полевой практикум
Природа России
Минералы и горные породы
Почвы
Грибы
Лишайники
Водоросли
Мохообразные
Травянистые растения
Деревья и кустарники
Ягоды и сочные плоды
Насекомые-вредители
Водные беспозвоночные
Дневные бабочки
Рыбы
Амфибии
Рептилии
Птицы, гнезда и голоса
Млекопитающие и следы
Фото растений и животных
Систематический каталог
Алфавитный каталог
Географический каталог
Поиск по названию
Галерея
Природные ландшафты мира
Физическая география России
Физическая география мира
Европа
Азия
Африка
Северная Америка
Южная Америка
Австралия и Новая Зеландия
Антарктика
Рефераты о природе
География
Геология и почвоведение
Микология
Ботаника
Культурные растения
Зоология беспозвоночных
Зоология позвоночных
Водная экология
Цитология, анатомия, медицина
Общая экология
Охрана природы
Заповедники России
Экологическое образование
Экологический словарь
Географический словарь
Художественная литература
Международные программы
Общая информация
Полевые центры (Великобритания)
Международные экспедиции (США)
Курс полевого образования (США)
Международные контакты
Интернет-магазин
Карманные определители
Цветные таблицы
Компьютерные определители
Энциклопедии природы
Методические пособия
Учебные фильмы
Комплекты материалов
Контакты
Гостевая книга
Ссылки
Партнеры
Наши баннеры
Карта сайта

Если Вам понравился и пригодился наш сайт - кликните по иконке "своей" социальной сети:

Объявления:

Здесь может быть бесплатно размещено Ваше объявление о проводимом Всероссийском конкурсе, Слёте, Олимпиаде, любом другом важном мероприятии, связанном с экологическим образованием детей или охраной и изучением природы. Подробнее >>>

Мы публикуем на нашем сайте авторские образовательные программы, статьи по экологическому образованию детей в природе, детские исследовательские работы (проекты), основанные на полевом изучении природы. Подробнее >>>

[ sp ] : ml об : { lf }

Пожалуйста, ставьте гиперссылку на сайт www.ecosystema.ru если Вы копируете материалы с этой страницы! Во избежание недоразумений ознакомьтесь с правилами использования и копирования материалов с сайта www.есоsystеmа.ru
Пригодилась эта страница? Поделитесь ею в своих социальных сетях:

Минералы и горные породы России и СССР

<<< Физические свойства минералов | Содержание | Хрупкость и ковкость >>>

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МИНЕРАЛОВ
Физические свойства минералов

Плотность

Плотность — масса единицы объема вещества. Обозначения — D или р. Прежнее, устаревшее название — удельный вес; его еще можно встретить в минералогических учебниках и справочниках, изданных вплоть до начала 1970-х годов, но ныне удельным весом у называется другая величина — не масса, а вес единицы объема вещества.

Соотношение плотности и удельного веса: у = pg, где g — ускорение силы тяжести, значение которого, как известно, меняется в зависимости от места измерения. Поэтому, в отличие от плотности, удельный вес (в современном понимании) не является числовым выражением физического свойства вещества. В системе СГС единица измерения плотности — г/см³ (традиционно принятая в минералогии), в Международной системе СИ — кг/м³ (в минералогии практически не вошла в употребление); соответственно для удельного веса — дин/см³ и Н/м³ (Н — ньютон; дина и ньютон — единицы силы, а не массы).

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 Аl (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 теллуриды: сперрилит PtAs₂ (10,6); аргентит и акантит Ag₂S (7,3); гессит Ag₂Te (8,0); калаверит AuТе₂ (9,3); креннерит AuТе₂ (8,6); сильванит (Аu,Ag)₂Te₄ (8,1); петцит Ag₃AuTe₂ (8,7-9,0); алтаит TbTe (8,3), тетрадимит Bi₂TeS (7,2); галенит 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 Tl₂S (8,6); оксиды ртути, тантала, вольфрама, олова, свинца, урана, тория, висмута: матроидит HgO (11,0); танталит (Мn, Fe)Ta₂O₆ (7,9-8,1); воджинит (Та, Nb, Sn, Mn, Fe), BiOCl (7,7); вольфрамит (Fe, Mn)WO₄ (7,1-7,5); касситерит SnO₂ (7,0); сурик Рb₃O₄ (8,9); глёт и массикот РbО (9,3-9,6); уранинит UO₂ (10,9); торианит ТnO₂ (9,7); бисмит Bi₂O₃ (9,4); оксикарбонат висмута бисмутит Вi₂(СO₃)O₂ (8,3) и его же оксихлорид бисмоклит BiOCl (7,7); вольфрамат свинца — штольцит PbWO₄ (8,3), его же молибдат — вульфенит РbМоO₄ (7,0) и фосфат — пироморфит Рb₅(РO₄)₃Сl — (6,7-7,2), арсенат — миметит Pb₅(AsO₄)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 LiAlSi₄O₁₀ и др.); водные бораты натрия, калия, магния, отчасти кальция; хлориды, сульфаты, нитраты щелочных металлов и магния; водные карбонаты натрия — трона Na₃(CO₃)(HCO₃) • 2H₂О, термо-натрит Na₂CO₃ • H₂О и алюминия — давсонит NaAl(CO₃)(OH)₂; гидроксиды магния — брусит Mg(OH)₂ и бериллия — бехоит Ве(ОН)₂, отчасти алюминия — гиббсит Al(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 РbСO₃, крокоит РbCrO₄, редкий барисилит Pb₈Mn(Si₂O₇)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 (H₂О). Аналогичное влияние оказывает вхождение Сl 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 NaCl равна 2,16-2,17, а сильвина КСl — 1,98-1,99; калиевые полевые шпаты ортоклаз и микроклин KAlSi₃O₈ имеют плотность 2,55-2,56, а альбит NaAlSi₃O₈ — 2,61-2,62. Кальцит СаСO₃ (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 Cl^-, 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 3,50-3,17): селлаит заметно легче, вопреки тому, что периклаз относится к структурному типу галита, а селлаит имеет более плотную структуру типа рутила, причем размеры ионов O^2- и F^- близки, а атомная масса фтора даже несколько больше (F — 9, О — 16). Причина кроется в том, что в структуре селлаита только половина октаэдрических пустот плотной упаковки анионов занята катионами Mg²⁺, тогда как в структуре периклаза 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 КЧ_Al = 4 (алюминий в тетраэдрах), — более "рыхлые" по сравнению со структурами, где КЧ_Al = 6 (или значительная доля атомов алюминия имеет КЧ = 6). 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 KЧ_Ti = 6, и соответственно различия в плотности не очень резкие.

Плотность оксигидроксидов алюминия AlO(ОН) — бёмита и диаспора — равна соответственно 3,0-3,1 и 3,3-3,5. При одинаковом в октаэдрах Al(О,ОН)₆ — диаспор имеет довольно плотную цепную (точнее, ленточную) структуру, а бёмит — более "рыхлую" слоистую (точнее, слоисто-молекулярную), с ослабленными связями между слоями-молекулами; отсюда и различия в плотности.

В ряду полиморфов Al₂SiO₅ андалузит (плотность 3,1- 3,2) — силлиманит (3,2) — кианит (3,5-3,6) половина атомов Al в структуре всегда имеет КЧ=6; в кианите и у второй половины их тоже КЧ=6, но в андалузите оно равно 5, а в алюмосиликате силлиманите Al(AlSiO₅) — 4. Этим объясняется заметно более высокая плотность кианита по сравнению с двумя другими полиморфами.

Если рассмотреть структуру всех трех минералов на основе единой плотнейшей кубической упаковки атомов кислорода, то в ряду кианит-андалузит-силлиманит в ней будет наблюдаться увеличение числа свободных вакансий, связанное с частичным изменением КЧ_Alи отражающее разуплотнение структуры, что непосредственно сказывается на плотности минералов.

Кварц SiO₂ (его низкотемпературная модификация, тригональный а-кварц) при одновременном воздействии высоких давлений (что особенно существенно) и температур переходит в моноклинный коэсит, имеющий так же, как и кварц, каркасную структуру с KЧ_Si = 4, но несколько уплотненную за счет лучшей упаковки (кладки) кремнекислородных тетраэдров SiO₄; соответственно плотность возрастает от 2,65 у a-кварца до 2,91-2,93 у коэсита. Дальнейшее повышение давления (до весьма больших значений) и температуры вызывает резкое изменение и уплотнение структуры SiO₂ с переходом в тетрагональный стишовит, относящийся уже к структурному типу рутила; в нем KЧ_Si=6 и соответственно его плотность — 4,28-4,35.

Полученные вначале искусственно, оба минерала — коэсит и стишовит — были затем найдены в природе — в метеоритных кратерах, или астроблемах, возникших от удара метеоритов о земную поверхность, при котором горные породы испытывают ударный метаморфизм — кратковременное воздействие очень высоких давлений и температур.

Влияние координационного числа на плотность минералов наглядно иллюстрируется двумя парами минералов: сульфидами сфалерит ZnS — троилит FeS и галогенидами бромаргирит AgBr — йодаргирит AgI. Хотя размеры ионов Zn²⁺ и Fe²⁺ близки, а атомная масса Zn намного больше, чем Fe, и структурный мотив обоих минералов одинаков (координационный), плотность сфалерита (4,0) значительно ниже, чем троилита (4,8), поскольку в структурном типе сфалерита KЧ_Zn=4, а в структуре троилита KЧ_Fe=6 (структурный тип никелина). Пример второй пары демонстрирует существенное влияние КЧ (в данном случае и катионов, и анионов) на плотность даже таких тяжелых минералов как галогениды серебра. Плотность бромаргирита — 6,4, йодаргирита — 5,7, несмотря на то, что по атомной массе йод гораздо тяжелее брома (правда, ион I- крупнее, чем Br-); структурный мотив в обоих случаях координационный, но бромаргирит относится к структурному типу галита с KЧ_Ag=KЧ_Br=6, тогда как йодаргирит — к структурному типу вюртцита с KЧ_Ag=KЧ_I=4.

А вот плотность двух полиморфных модификаций ZnS — кубической (сфалерита) и гексагональной (вюртцита) практически одинакова, хотя они принадлежат разным структурным типам: в основе структурного типа сфалерита — кубическая плотнейшая упаковка атомов серы, в основе структурного типа вюртцита — гексагональная. Но в обоих структурных типах KЧ_Zn=KЧ_S=4, чем и обусловлено постоянство плотности. Число подобных примеров легко умножить, но и приведенных достаточно.

Еще один фактор, оказывающий существенное влияние на плотность, — переход минералов (как правило, под воздействием радиоактивности) в метамиктное состояние. Плотность метамиктных (рентгеноаморфных) минералов, в том числе большинства минералов, содержащих уран и/или торий, оказывается значительно ниже плотности их кристаллических аналогов (и ниже теоретической, расчетной). Вероятно, гидратация (сорбция воды), обычно сопровождающая метамиктизацию минералов, вносит весомый вклад в уменьшение плотности, но и само по себе разрушение кристаллической структуры под воздействием ионизирующего излучения, т.е. собственно переход в метамиктное состояние, играет важную роль, действуя в том же направлении.

В минералогической практике принято подразделять все минералы по плотности на две большие группы, соответствующие двум фракциям, выделяемым при подготовке шлихов и протолочек (дробленых проб горных пород и руд) к минералогическому анализу. Обе фракции получаются путем разделения проб в тяжелых органических жидкостях; чаще всего для этой цели используется бромоформ (трибром-метан) СНВr₃, имеющий при комнатной температуре плотность 2,892 (а с добавками спирта и бензола — 2,88). Минералы с более высокой плотностью тонут в бромоформе, с меньшей — всплывают. Соответственно вторые (с плотностью ниже 2,9) составляют легкую фракцию, первые — тяжелую фракцию.

Большинство светлых породообразующих минералов таких, как кварц, полевые шпаты, нефелин, цеолиты и пр., входят в состав легкой фракции, которая поэтому всегда окрашена в светлые тона. Цветные минералы горных пород — биотит, амфиболы, пироксены, оливин, эпидот, турмалин и др. — оказываются в тяжелой фракции, обычно имеющей темную окраску; туда же попадают в основном акцессорные минералы. В тяжелой фракции концентрируется и большинство рудных минералов.

Дальнейшее, более дробное разделение тяжелой фракции по плотности производится с помощью других, более тяжелых жидкостей, таких, как жидкость Туле (водный раствор тетраиодомеркурата калия К₂ [HgI₄] с плотностью 3,196), дийодметан (прежние названия — йодистый метилен, метиленйодид) СH₂I₂ с плотностью 3,324-3,325 и жидкость Клеричи — водный раствор малоната и формиата таллия СH₂(СООТl)₂ и НСООТl с плотностью 4,25 (возрастающей с повышением температуры)

Особенно удобна самая тяжелая жидкость Клеричи, хорошо смешивающаяся с водой, что позволяет достичь любых желаемых (промежуточных) значений плотности. Однако эта жидкость весьма токсична; впрочем, токсична (хотя и в меньшей степени) также жидкость Туле, а пары бромоформа и дийодметана раздражают дыхательные пути и слизистые оболочки, оказывают наркотическое и снотворное действие. Поэтому оперировать тяжелыми жидкостями следует с большой осторожностью, в хорошо вентилируемых помещениях (лучше всего — под тягой, т.е. в вытяжных шкафах) или на открытом воздухе.

Те же тяжелые жидкости служат и для ориентировочного определения плотности минералов. Более точное ее измерение производится путем гидростатического взвешивания (например, на весах Вестфаля) или с помощью пикнометра; а если в распоряжении исследователя имеется очень малое количество минерала (несколько чисто отобранных мелких зерен), то применяется микрометод Руденко-Василевского: плотность измеряется по скорости падения частиц минерала в мерной бюретке, заполненной жидкостью с известной плотностью и закрепленной на штативе перед горизонтально ориентированным тубусом микроскопа, с помощью которого считываются деления на бюретке; время отсчитывается по часам с секундной стрелкой.

Плотность минералов может быть вычислена теоретически; для этого необходимо иметь рентгеновские данные о параметрах элементарной ячейки минерала, располагать его полным химическим анализом и знать число формульных единиц (Z) в э.я. Надо сказать, что теоретическое (расчетное) и экспериментальное (измеренное) значения плотности, как правило, несколько расходятся, так как в реальных минералах обычно присутствуют различные примеси, микровключения, дефекты, дислокации, отклонения от стехиометрии и прочие проявления микронеоднородности или несовершенства структуры. По той же причине могут варьировать и измеренные значения плотности одного минерального вида, вследствие чего для многих минералов в справочниках приводятся интервальные оценки плотности; интервал обычно составляет n * 10^-2 г/см³ и, как правило, не превышает 0,1-0,2 г/см³, но иногда (преимущественно у минералов переменного состава) достигает 0,5-1,0 г/см³ .

Плотность — очень важная характеристика минералов; она широко используется как диагностический признак (особенно при определении драгоценных камней — с целью отличить их от имитаций), а также при гравитационном обогащении руд.

<<< Физические свойства минералов | Содержание | Хрупкость и ковкость >>>

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.

Поделиться/Share:

: ml :

Порекомендуйте нас в "своих" социальных сетях:

- share this page with your friends!