7.Przykłady skał i minerałów

1.Pierwiastki rodzime

Grupa ta obejmuje minerały będące wolnymi pierwiastkami chemicznymi. Pierwiastki rodzime stanowią mniej niż 0.1 % masy skorupy ziemskiej, z tym że większość z nich to gazy atmosferyczne, nie zaś minerały.

Pierwiastki tworzące naturalne kryształy to te, które trudno reagują z innymi pierwiastkami. Glin, który jest pierwiastkiem łatwo wchodzącym w związki, nie występuje jako metal rodzimy, mimo wysokiej zawartości procentowej w skorupie ziemskiej.

Stwierdzono występowanie w przyrodzie około 20 pierwiastków rodzimych (jeśli uwzględnimy odmiany polimorficzne i izomorficzne, ich liczba przekroczy 50), z których większość jest bardzo mało rozpowszechniona.

Metale dzielą się pod względem strukturalnym na następujące grupy: grupa złota, która obejmuje złoto, srebro, miedź i ołów; platynowce, do których należą platyna, iryd i osm; oraz grupa żelaza obejmująca żelazo i żelozonikiel. W stanie rodzimym znaleziono również tantal, cynę, cynk i rtęć.

Półmetale dzielą się na dwie grupy: grupę arsenu (arsen, antymon i bizmut) i grupę selenu (selen i tellur).

Do niemetali zalicza się siarkę i węgiel w dwóch odmianach polimorficznych.

2.Siarczki

Siarczki to minerały, które pod względem chemicznym są związkami atomów siarki z atomami metali. Grupa ta obejmuje również minerały (bardzo rzadkie), w których siarka zastąpiona została przez selen, tellur, arsen, antymon lub bizmut. Są to substancje o złożonej strukturze: jedne mają wiązania jonowe, inne, przynajmniej częściowo, metaliczne lub kowalencyjne.

Minerały z tej grupy mają następujące cechy: metaliczny wygląd (z tego powodu były wykorzystywane już od czasów starożytnych), duży ciężar właściwy, który zawdzięczają obecności pierwiastków o dużym ciężarze atomowym (dzięki temu można je oddzielić systemem flotacyjnym od skał płonnych), na ogół dobrze przewodzą elektryczność i ciepło oraz prawie wszystkie są nieprzezroczyste.

Siarczki mają duże znaczenie gospodarcze; wiele z nich to rudy metali o szerokim zastosowaniu. Niektóre są cenne dlatego, że zawierają - wprawdzie w ilościach śladowych - takie pierwiastki, jak srebro i złoto.

Chociaż budowa sieciowa wielu siarczków jest doskonale znana, wydaje się problematyczne wykorzystanie jej jako podstawy podziału tej grupy.

3.Tlenki i wodorotlenki

Do tej klasy należą minerały, których skład chemiczny stanowi kombinację jednego lub kilku metali z tlenem (tlenki) lub grupami OH (wodorotlenki).

Tlenki mają silne wiązania jonowe, co określa niektóre ich właściwości, na przykład dużą stabilność chemiczną, niską rozpuszczalność, dużą twardość oraz wysoką temperaturę topnienia. Wiele z nich to rudy o dużym znaczeniu gospodarczym ze względu na obfite występowanie w przyrodzie i łatwą obróbkę (wystarczy jeden proces redukcji).

Wodorotlenki zazwyczaj powstają na powierzchni, w wyniku przemian minerałów już istniejących. Składają się z warstw zespolonych wiązaniami jonowymi i złączonych wzajemnie słabymi wiązaniami van der Waalsa, co tłumaczy ich wyraźną łupliwość dwuścienną. Niektóre wodorotlenki również mają duże znaczenie dla gospodarki. Jako przykład może tu posłużyć boksyt, który jest jedyną rudą glinu.

4.Halogenki

Grupa ta obejmuje minerały będące solami chlorowców. Gdy kation jest metalem o niskiej liczbie elektronów (metal lekki), jego mała zdolność do polaryzacji nie pozwala mu tworzyć wiązań kowalencyjnych, łączy się więc przez wiązania jonowe. Strukturę taką ma najliczniejsza grupa halogenków, włącznie z najważniejszymi. Są to minerały allochromatyczne (swoje zabarwienie zawdzięczają zanieczyszczeniom), rozpuszczalne w wodzie, o umiarkowanej lub wysokiej temperaturze topnienia oraz o małej twardości i małym ciężarze właściwym.

Gdy kation jest metalem ciężkim, tworzą się struktury o wiązaniu kowalencyjnym. Minerały te są idiochromatyczne, rozpuszczalne lub słabo rozpuszczalne w wodzie, o dużym ciężarze właściwym.

Spośród minerałów tej grupy najliczniej występują w przyrodzie chlorki. Na drugim miejscu znajdują się fluorki, na trzecim jodki, a na końcu bromki, których jedynym przedstawicielem jest bardzo rzadko spotykany bromargiryt.

5.Węglany, azotany i borany

Aniony wszystkich minerałów należących do tej grupy tworzą trzy atomy tlenu wchodzące w związek z pierwiastkami trójwartościowymi (bor w wypadku boranów), czterowartościowymi (węgiel w wypadku węglanów) lub pięciowartościowymi (azot w wypadku azotanów). Aniony łączą się z kationami poprzez wiązania jonowe.

Węglany:

Grupa ta obejmuje znaczną liczbę minerałów. Wiele z nich jest bardzo rozpowszechnionych w przyrodzie. Niektóre stanowią główny składnik skał o dużym znaczeniu gospodarczym, takich jak wapienie, marmury i dolomity.

W węglanach węgiel znajduje się w środku trójkąta utworzonego przez trzy atomy tlenu. Powstaje w ten sposób grupa dwuwartościowa, która jest podstawą struktury tych minerałów. Anion CO₃^-2 łączy się poprzez wiązania jonowe z kationami metali, które określają większość właściwości tych minerałów (ciężar właściwy, barwę i inne).

W przyrodzie istnieje około 70 różnych węglanów, które mogą być bezwodne lub uwodnione, z jednym lub kilkoma kationami oraz grupą OH^- oprócz jonu węglanowego. Pod względem strukturalnym węglany dzielą się na trzy grupy:

-grupa kalcytu (węglany trygonalne),

-grupa aragonitu (węglany rombowe),

-grupa azurytu (węglany jednoskośne).

Dwie pierwsze grupy mają kationy metaliczne. Od rozmiaru kationu zależy, czy będą krystalizować w układzie trygonalnym (przy małym promieniu jonowym), czy też rombowym (duży promień jonowy).

Wapń ma pośredni promień jonowy, dzięki czemu może występować w obydwu sieciach krystalicznych. Dlatego też węglan wapnia wykazuje polimorfizm, czyli występuje w dwóch odmianach: jako kalcyt (układ trygonalny) i jako aragonit (układ rombowy).

W minerałach grupy azurytu rodnik węglanowy łączy się z kationami metali i z grupą OH^-.

Traktowane kwasem chlorowodorowym wszystkie węglany rozpuszczają się burzliwie, co stanowi ich ważną cechę rozpoznawczą. Z wyjątkiem odmian zawierających miedź i kobalt, węglany są bezbarwne, białe lub o bladym zabarwieniu. Wszystkie mają małą twardość.

Azotany:

Azotany naturalne są solami kwasu azotowego. Występują w złożach solnych i są bardzo słabo rozpowszechnione. Rozpuszczalne w wodzie, budową przypominają węglany.

Borany:

Grupa boranów różni się strukturalnie od węglanów i azotanów. Jon boru, który ma mały promień, otacza się trzema atomami tlenu, ale siła jego wiązania jest słaba, gdyż jako trójwartościowy (+3) musi równoważyć wszystkie trzy atomy tlenu (-6). Dzięki temu grupy (BO₃)^3-, które mają kształt trójkąta, łączą się ze sobą tak, że dwa atomu boru mają wspólny jeden atom tlenu. W ten sposób powstają łańcuchy grup (BO₂)^-, które łączą się jonowo z metalami.

6.Siarczany i chromiany

Siarczany stanowią najliczniejszą i najbardziej znaną grupą, która zawiera prawie 200 minerałów, wśród których znajdują się gips i baryt o dużym znaczeniu gospodarczym. Siarczany powstają w środowiskach bogatych w tlen i przy niskim ciśnieniu, a więc w warunkach przypowierzchniowych. Często stanowią produkt przemiany innych minerałów. Prawie wszystkie są łatwo rozpuszczalne. Żaden nie ma wyglądu metalicznego.

Chromiany są natomiast grupą nieliczną, jednakże wśród tworzących ją minerałów jest jeden bardzo ceniony przez kolekcjonerów - krokoit.

7.Wolframiany i molibdeniany

Wolfram i molibden, tworząc sole są, podobnie jak siarka, sześciowartościowe i łączą się również z czterema atomami tlenu. Jednakże w odróżnieniu od siarki, te dwa jony mają bardzo duży promień, dzięki czemu skoordynowane z nimi cztery atomy tlenu nie tworzą regularnego czworościanu, lecz czworościan spłaszczony o zarysie czworokąta. Rozmiary jonów tych dwóch pierwiastków są bardzo podobne, dlatego też mogą się one wzajemnie zastępować. Ze względu jednak na różne pochodzenie wolframu i molibdenu, ich izomorfizm nie ma większego znaczenia w złożach pierwotnych; częściej występuje w utworach wtórnych powstałych na skutek przemian chemicznych. Grupa ta liczy niewiele minerałów, które mają jednak duże znaczenie, gdyż są jedynymi znanymi rudami wolframu.

8.Fosforany, arseniany i wanadany

Fosfor, arsen i wanad, wchodząc w skład powyższych soli są pięciowartościowe, mają podobne promienie jonowe i łączą się z czterema atomami tlenu, które obsadzają wierzchołki czworościanu. Powstaje w ten sposób trójwartościowa grupa anionowa. Fosfor, arsen i wanad zajmują środek czworościanu i dzięki podobieństwu swych promieni jonowych mogą się zastępować izomorficznie.

W przyrodzie istnieje wiele minerałów z grupy fosforanów (około 250), ale większość z nich występuje bardzo rzadko i nie ma znaczenia gospodarczego. Fosforany wydobywa się ze złóż organicznych utworzonych przez szczątki żywych organizmów. Większość minerałów z tej grupy pochodzi ze złóż wtórnych.

9.Krzemiany

Skały tworzące skorupę ziemską zbudowane są w ponad 90% z krzemianów (60% to skalenie, 12% kwarc, 15% oliwin, pirokseny i amfibole, a 3% - miki; inne krzemiany to minerały poboczne, występujące w niewielkich ilościach). Pozostałe 10% stanowi reszta minerałów, przeważnie tlenki (4%) oraz węglany (3%). Z tego względu główne pierwiastki wchodzące w skład tych minerałów, a więc krzem, tlen i glin, są najbardziej rozpowszechnione (57% to tlen, 28% krzem i 8% glin); pozostałe pierwiastki układu okresowego znajdują się w skorupie ziemskiej w niewielkich ilościach.

W przyrodzie występuje około 500 rodzajów krzemianów, z których 40 to minerały bardzo pospolite. Pozostałe spotykamy rzadko (krzemiany stanowią około 25% wszystkich znanych rodzajów minerałów). Głównym motywem strukturalnym krzemianów są czworościany zbudowane z krzemu, znajdującego się w środku i otoczonego czterema atomami tlenu umieszczonymi na wierzchołkach. Tworzy się w ten sposób grupa (SiO₄)^4-, o silnych wiązaniach, co daje jej dużą stabilność. Aby zneutralizować cztery ładunki elektryczne, grupa łączy się poprzez wiązania jonowe z innymi pierwiastkami. Glin, dzięki swemu promieniowi jonowemu, może zastępować izomorficznie krzem w środku czworościanu, a zarazem, zachowując się jak kation, łączyć się z wiązaniami jonowymi tak jak inne metale.

Czworościany utworzone przez grupę (SiO₄)^4- mogą łączyć się narożami, mając jeden, dwa, trzy lub cztery wspólne atomy tlenu zależnie od tego, czy łączą się z jednym, dwoma, trzema czy czterema czworościanami (w taki sposób, że dwie grupy mają wspólny tylko jeden atom tlenu). Powstają w ten sposób łańcuchy, które wiążą kationy metali przez zneutralizowanie ładunków elektrycznych. Z kolei kationy, w zależności od rozmiarów jonów, mają zdolność wzajemnego zastępowania się, tworząc szeregi izomorficzne.

Złożoność struktur tetraedrycznych zależy głównie od temperatury, w jakiej powstaje minerał: w wysokiej temperaturze tworzą się izolowane czworościany (oliwin) lub krótkie łańcuchy. W miarę spadku temperatury układ tetraedrów komplikuje się, tworząc w końcu trójwymiarowy szkielet (kwarc).

Klasyfikacja krzemianów oparta jest na sposobie łączenia się ze sobą czworościanów. Przed odkryciem promieni Rentgena traktowano krzemiany jako sole różnych kwasów, pochodzących od hipotetycznego kwasu ortokrzemowego (H₄SiO₄).

Zbadanie budowy krzemianów za pomocą promieni Rentgena pozwoliła podzielić je na sześć grup.

Krzemiany wyspowe:

Czworościany utworzone przez grupę (SiO₄)^4- są izolowane i łączą się wiązaniami jonowymi z kationami metali (dwu- lub trójwartościowymi). Połączenie czworościanów dokonuje się poprzez wiązania tlen - kation - tlen. Ogólna formuła krzemianów tej grupy jest następująca: X₃Y₂(SiO₄)₃, gdzie X i Y są dwu- i trójwartościowymi kationami metali. Minerały należące do tej grupy powstają w bardzo wysokiej temperaturze.

Krzemiany grupowe:

Dwa czworościany stykają się ze sobą wierzchołkiem, mając wspólny jeden atom tlenu. Tworzy się grupa (SiO₂O₇)^10-. Dziesięć ładunków ujemnych neutralizuje się przez połączenie jonowe szeregu kationów metali i wodorotlenowych (OH^-).

Krzemiany pierścieniowe:

Czworościany stykające się narożami, mając jeden wspólny atom tlenu, tworzą pierścienie. Pierścienie te mogą się składać z trzech czworościanów (Si₃O₉)^6- albo z czterech lub sześciu czworościanów (Si₄O₁₂)^8-, które układają się w równoległe warstwy mocno połączone jonami metali (w wypadku berylu metalami tymi są glin i beryl). Stąd niedoskonała łupliwość tych minerałów w kierunku podstawy słupa.

Krzemiany łańcuchowe:

Czworościany tworzą łańcuchy w taki sposób, że każdy czworościan łączy się z dwoma innymi. Odpowiadają ogólnemu wzorowi X, Y (Si₂O₆), gdzie X i Y są kationami metali. Minerały z tej grupy tworzące pojedyncze łańcuchy to pirokseny; łańcuchy podwójne są charakterystyczne dla amfiboli.

Pirokseny:

Jest to grupa minerałów mających strukturę łańcuchową. Czworościany stykające się narożami tworzą łańcuchy, które z kolei łączą się ze sobą poprzez kationy metali o wiązaniach jonowych. Dzięki ułożeniu czworościanów grupa ta wykazuje łupliwość słupową w dwóch wyraźnych kierunkach, tworzących kąty 87^o i 93^o. Jest to cecha rozpoznawcza piroksenów (kiedy występują jako minerały skałotwórcze, ten typ łupliwości odróżnia je od amfiboli).

Ogólny wzór piroksenów to XYSi₂O₆, gdzie X i Y to kationy metali. Gdy obydwa kationy są niewielkie, piroksen krystalizuje w układzie rombowym; jeśli jeden jest duży, a drugi mały - w układzie jednoskośnym; a gdy obydwa są duże - w układzie trójskośnym. Pirokseny należą do głównych minerałów skałotwórczych.

Amfibole:

Czworościany krzemowe łączą się, tworząc łańcuchy podwójne, które zostawiają wolne przestrzenie (przy sprzężeniu dwóch łańcuchów pojedynczych). W przestrzenie te wchodzą grupy wodorotlenowe, które mogą być zastąpione przez fluor. Ogólny wzór amfiboli: XYSi₄O₁₁OH, gdzie X i Y są dwu- i trójwartościowymi kationami metali; krzem może być również zastąpiony przez glin. Różnią się od piroksenów łupliwością (kąty łupliwości 56^o i 124^o). Podobnie jak pirokseny, krystalizują w układzie rombowym i jednoskośnym. Są składnikami skał powstałych w niższej temperaturze.

Krzemiany warstwowe:

Czworościany połączone ze sobą dwukierunkowo tworzą warstwy. Siły wiązań między warstwami są bardzo słabe, dzięki czemu minerały tej grupy wykazują bardzo wyraźną łupliwość (miki). W strukturze tego typu występują liczne luki międzywarstwowe, pozwalające na przyłączenie grup anionowych i cząsteczek wody, które powodują uwodnienie (minerały ilaste). W tej grupie mają miejsce liczne podstawienia izomorficzne, dzięki czemu powstają różne szeregi. Wzory chemiczne tych minerałów są bardzo skomplikowane i zależą od proporcji, w jakiej glin zastępuje krzem, oraz od ilości luk międzywarstwowych.

Minerały ilaste:

Około 4.2% skał skorupy ziemskiej stanowią iły (dokładniej mówiąc, iłowce) złożone z minerałów ilastych. Ze względu na swój skład chemiczny minerały ilaste są uwodnionymi glinokrzemianami; w niektórych z nich glin zastąpiony został, w mniejszej lub większej proporcji, przez magnez lub żelazo. Pod względem strukturalnym minerały ilaste są dwuwarstwowe, złożone z warstwy czworościanowej (czworościany z krzemem w środku i tlenem lub grupami wodorotlenowymi na wierzchołkach). Sposób połączenia tych dwóch warstw określa strukturę każdego minerału.

Krzemiany szkieletowe:

Czworościany połączone ze sobą trójwymiarowo tworzą szkielet. Jest to struktura bardzo trwała; siła wiązań o dużym ładunku elektrycznym jest zneutralizowana. Ogólny wzór chemiczny: SiO₂ (kwarc). W tej grupie, pozbawionej ładunków elektrycznych, powinien istnieć w zasadzie tylko kwarc. Jednakże możliwe jest podstawienie izomorficzne krzemu przez glin, które, pozostawiając jeden wolny ładunek, pozwala na wprowadzenie kationów, a co za tym idzie, na tworzenie innych minerałów.

Skalenie:

Jest to grupa najbardziej rozpowszechnionych minerałów. Skalenie są głównymi składnikami skał magmowych.

Ich struktura opiera się na szkielecie (rusztowaniu) krzemionkowym, w którym krzem został częściowo zastąpiony izomorficznie przez glin; powstała w ten sposób nierównowaga ładunków elektrycznych (Si4₊,Al₃₊) zostaje zobojętniona przez przyłączenie kationów metali (K, Na, Ca oraz niekiedy Ba. Może zaistnieć również niewielka substytucja Ca przez Fe, Pb, Rb i Cs).

Skalenie dzielą się na dwie grupy: grupę ortoklazu, czyli skaleni potasowych, oraz grupę plagioklazów, czyli skaleni sodowo-wapniowych.

Skaleniowce:

Są to minerały bardzo podobne do skaleni, ale ubogie w krzemionkę (SiO₂), dlatego też nigdy nie występują w skałach zawierających kwarc.

Zeolity:

Minerały z tej grupy budową i składem chemicznym przypominają skalenie (glinokrzemiany sodu i potasu), ale są uwodnione. Łatwo mogą stracić wodę (przy niewielkim wzroście temperatury), co w odróżnieniu od innych minerałów nie powoduje zmiany ich struktury. Luki strukturalne pozostawione przez cząsteczki wody mogą być wypełnione przez inne cząsteczki lub jony. Woda, dostając się lub opuszczając strukturę zeolitu powoduje wymianę jonów zawartych w roztworze na jony minerału. Ze względu na tę właściwość zeolity wytwarza się metodą syntezy i stosuje do uzdatniania wody, gdyż w wodzie twardej powodują wymianę kationu wapnia na sód.

---