Самородные элементы
и сульфиды (вопросы 18–23)
Факты — в KB/03.md, Q&A — в
KB/00-exam.md. Здесь — логика класса и связи. Вопросы
билета: 18–23.
18. Систематика минералов
(Q18)
Минералогия пользуется несколькими классификациями: генетической (по
происхождению), технологической (растворимость, магнитность — для
обогащения), геммологической (драгоценные/поделочные) и
химической — основной.
Химическая классификация делиит всё на 5 типов
соединений:
- простые вещества (самородные);
- сульфиды и аналоги (S, Se, Te, As, Sb, Bi как анионы);
- оксиды и гидроксиды;
- галогениды;
- соли кислородсодержащих кислот (карбонаты, сульфаты, фосфаты,
бораты, вольфраматы, силикаты...).
Внутри типов — подклассы по структуре:
координационные, островные, цепочечные, слоистые, каркасные. Смотри:
классификация структуры из кристаллографии (мотивы, Q5) встроена прямо в
систематику. Это не случайно — систематика минералов = химия ×
структура.
Контекст распространённости: кора состоит из O (49,4%) и Si (27,6%) +
Al (7,45%) + Fe (5%). Отсюда порядок классов по массе: силикаты
≫ карбонаты > оксиды > ... > самородные (0,1%).
Поэтому курс систематики — это прежде всего курс силикатов (Q35–49 —
половина билетов).
19. Самородные элементы (Q19)
~80 элементов встречаются самородными, но масса класса — 0,1% коры.
Логика самородности — инертность:
- Группы Гольдшмидта (сродство к Fe / S / O /
атмосфере): сидерофильные элементы (Au, Pt, платиноиды) тяготеют к
металлической связи и самородному состоянию; халькофильные (Cu, Ag) — к
сульфидам; литофильные (Si, Al, Ca) — к оксидам и силикатам, самородными
почти не бывают.
- Ряд напряжений — та же идея количественно:
самородными обычны металлы правее водорода (Cu, Hg, Ag, Pt, Au) — их не
«съедает» ни кислород, ни кислоты. Левее Zn самородных почти нет; Zn и
Al спасает только пассивирующая оксидная плёнка.
Ключевой факт: самородные металлы — часто природные
сплавы (твёрдые растворы по изоморфизму Q8): Au–Ag (электрум
при ≥50% Ag), Pt–Fe.
Представители (одна строка на каждого — это база
диагностики):
| Минерал |
Тв. |
Диагностика |
Генезис |
| Золото Au |
3 |
золотистый цвет, жёлтая черта, ковкость,
инертность |
гидротермальный (кварцевые жилы) → россыпи |
| Медь Cu |
2,5–3 |
медно-красная свежая поверхность; вторичные зелёно-голубые корки
(малахит/азурит) |
зона окисления сульфидов, низкотемпературные гидротермы |
| Серебро Ag |
2,5–3 |
серебристо-белый; чернеет (Ag₂S от H₂S) |
гидротермальный, зоны окисления |
| Платина Pt |
4–4,5 |
серебристо-белый, тяжелее и твёрже Ag |
ультраосновные магматические породы → россыпи |
| Сера S |
1,5–2 |
жёлтая, хрупкая, стеклянный блеск, островная (кольца S₈) |
биохимическая (серноносные толщи), вулканическая |
Нюансы, которые ценят на экзамене:
- Золото: пробность выше вдали от коренных источников (в россыпях Ag
выщелачивается); самородки до 70 кг; 1 г золота вытягивается в проволоку
5 км — ковкость металлической связи.
- Медь в свежем сколе красная, но на воздухе быстро окисляется —
сравни с золотом, у которого «нет продуктов окисления» (диагностический
критерий!).
- Сера: единственный из пятёрки неметалл → островная структура,
хрупкость, диэлектрик. Хрустит в руках от теплового расширения.
20. Алмаз и графит (Q20)
Классический полиморфный паспорт (и главный пример «структура →
свойства»):
|
Алмаз |
Графит |
| Структура |
координационная, sp³-тетраэдры |
слоистая, sp²-слои + ВдВ |
| Сингония |
кубическая |
гексагональная |
| Твёрдость |
10 |
1 |
| Спайность |
совершенная |
весьма совершенная |
| Плотность |
3,51 |
2,2 |
| Блеск |
алмазный |
металлический, пачкает |
| Генезис |
магматический (кимберлиты) |
метаморфический |
Объяснение через структуру смотри в
01-Кристаллография.md (Q5–6) и 02-... (Q9).
Здесь добавь прикладное:
- Алмаз: октаэдрические кристаллы; разновидности —
борт (светлые сростки), карбонадо
(чёрные пористые сростки с включениями графита), баллас
(шары радиально-лучистого строения). Генезис — кимберлитовые трубки
(ультраосновные щелочные породы, P ≈ 45–60 кбар, глубины 150–200 км),
ассоциация пироп + ильменит + оливин + флогопит — эта
«кимберлитовая четвёрка» сама по себе поисковый признак. Устойчив на
поверхности → россыпи. Применение: камень 1-го класса + абразив (тв.
10).
- График: никогда не химически чист (H₂O, газы,
органика); С–С 1,42 Å в слое против 3,44 Å между слоями — отсюда
спайность и мягкость. Генезис — метаморфизм углистого вещества осадочных
пород (сланцы, мраморы). Применение: карандаши, смазки, атомная
промышленность (замедлитель нейтронов), электротехника
(проводник!).
21. Сульфиды и
аналоги: общий портрет класса (Q21)
Состав: металлы + анионы из S/Se/Te/As/Sb/Bi.
Разнообразие анионных форм — фирменная черта класса:
- одиночные S²⁻ — моносульфиды (галенит, сфалерит,
киноварь);
- пары [S₂]²⁻-«гантельки» — дисульфиды (пирит,
марказит, арсенопирит [AsS]³⁻);
- радикалы [AsS₃]³⁻ — сульфосоли (блеклые руды).
Свойства объясняются
ковалентно-металлической связью: металлический блеск,
электропроводность/полупроводниковость, серо-жёлто-бронзовые цвета. И
твёрдость выстраивается по мотиву (это сквозная мысль курса):
- слоистые/цепочечные → 1–2,5 (молибденит, аурипигмент,
антимонит);
- координационные моносульфиды → 2–4 (галенит, сфалерит);
- дисульфиды → 6–6,5 (пирит, арсенопирит — рост ковалентности
[S₂]-гантелек).
Существенно ковалентные моносульфиды (сфалерит, киноварь,
аурипигмент, реальгар) — особая ветка: алмазный блеск, полупрозрачность,
яркие окраски (киноварь — алый!) — не «типично рудный» вид.
Числа: >250 видов, но ~4/5 массы всех сульфидов —
пирит + пирротин. В коре всего 0,15% S — но вся цветная металлургия
стоит на этом классе (Cu, Pb, Zn, Ni, Co, Hg, Mo, Ag).
Генезис — прежде всего
гидротермальный; также магматический (ликвация
сульфидов — Cu-Ni руды), скарновый, осадочный (чёрные сланцы, марказит в
угленосных толщах). Метаморфизм сульфидам не характерен (легко
перераспределяются/улетучивается S). На поверхности почти все
окисляются: сульфид → сульфат (химия пирита: 2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O → 2FeSO₄
+ 2H₂SO₄) → вторичные карбонаты/оксиды/самородные металлы. Это запускает
зону окисления и вторичное сульфидное обогащение — подробности в разделе
III.
Изоморфизм и полиморфизм класса: сфалерит вмещает
Fe²⁺, Mn²⁺, Cd, In, Ga (гетеровалентно 2Zn²⁺=Ag⁺+Ga³⁺); галенит —
2Pb²⁺=Ag⁺+Sb³⁺ (отсюда Ag в галените); полиморфные пары ZnS
(сфалерит/вюртцит), FeS₂ (пирит/марказит), HgS
(киноварь/метациннабарит).
22. Слоистые сульфиды (Q22)
Оба представителя — «мягкие сульфиды» со слоистым мотивом (ВдВ-швы
между слоями → спайность, мягкость, чешуйчатость):
Аурипигмент As₂S₃ («золотая краска»):
- лимонно-жёлтый, черта светло-жёлтая, блеск алмазный/перламутровый на
спайности;
- тв. 1,5–2, вязкий, режется ножом, листочки гибкие, но не
упругие (отличие от слюд!);
- выцветает на свету, окисляется → арсенолит As₂O₃;
- генезис: низкотемпературные гидротермы и фумаролы, в ассоциации
реальгар + киноварь + антимонит — эта четвёрка —
индикатор низких температур.
Молибденит MoS₂:
- свинцово-серый, жирный, пачкает руки, тв. 1, гибкий неупругий —
структурный «двойник графита» (полезно уметь отличать в поле: графит
чёрный, молибденит с голубоватым отливом и по ассоциации);
- генезис: граниты, грейзены, кварцевые жилы,
пегматиты — главный Mo-минерал высокотемпературного континентального
ряда;
- применение: руда Mo (попутно Re!), полупроводниковые детекторы;
технический анекдот, который любят спрашивать: MoS₂ — сверхтвёрдая
смазка для герметичных узлов (ШРУСы), но в присутствии воды и O₂
окисляется до абразивного MoO₃ — смазка становится
наждачкой.
23. Дисульфиды и их аналоги
(Q23)
|
Пирит FeS₂ |
Марказит FeS₂ |
Арсенопирит FeAsS |
| Сингония |
кубическая |
ромбическая |
моноклинная |
| Твёрдость |
6–6,5 |
5,5–6 |
5,5–6 |
| Спайность |
нет |
нет |
средняя по призме |
| Цвет |
соломенно-жёлтый |
латунно-жёлтый |
оловянно-белый |
| Морфология |
кубы со взаимно перпендикулярной штриховкой |
гребёнчатые, почковидные, конкреции |
призматические кристаллы, лучистые агрегаты |
| Генезис |
широкий: гидротермы (колчеданные залежи), магма, осадок,
метаморфизм |
экзогенный (осадочный, угленосные толщи, зоны
окисления), низкотемпературные гидротермы |
высокотемпературные гидротермы (кварц, касситерит, вольфрамит),
скарны |
Диагностические стержни:
- Пирит vs халькопирит: тв. 6–6,5 против 3,5–4 (нож не берёт пирит),
соломенный против латунного цвета. Пирит — FeS₂, меди в нём
нет (руда на серу → H₂SO₄, попутно Ni, Co).
- Марказит от пирита отличается только формой
выделения (полиморфы!) — гребёнки и конкреции vs кубы.
Генетическая подсказка: марказит = кислые низкотемпературные/осадочные
условия.
- Арсенопирит: «чесночный» запах при истирании (мышьяк!),
оловянно-белый; при окислении даёт скородит
Fe[AsO₄]·2H₂O — арсенаты в зоне окисления. Главный источник As.
Логика тройки: один и тот же состав FeS₂ — и разная сингония
(полиморфизм Q9), разная морфология, разные генетические диапазоны.
Дисульфиды — эталон того, как полиморфизм работает как генетический
индикатор.
Связи с общей картиной
- Гольдшмидт (Q19) — фундамент, к которому ты возвращаешься в каждом
классе: почему Cu-минералы халькофильны, а Sn (литофил) живёт в оксиде
касситерите.
- Мотив → твёрдость (Q21–22) — прямое продолжение Q5/Q17; проверь
себя: почему киноварь мягкая при координационной структуре? (большие
ионы Hg²⁺ плохо сшивают каркас.)
- Окисление сульфидов (Q21) — двигатель зоны окисления: сульфаты,
карбонаты, «железные шляпы», самородные Cu и Ag. Вернётся в Q56 и
Q60–61.
- Дисульфиды (Q23) — практический экземпляр полиморфизма Q9.
- Слоистые сульфиды (Q22) — перекличка со слюдами (гибкие неупругие vs
упругие) и с графитом (структурный двойник молибденита).