Химический состав минералов

Как наука минералогическая химия сформировалась в самом начале 19 в. Ее становление теснейшим образом связано с тремя научными событиями: 1) установлением Ж. Л. Прустом (1754–1826) закона постоянства составов; 2) разработкой Дж. Дальтоном (1766–1844) атомной теории строения вещества (1805 г.); 3) развитием точных методов количественного химического анализа.

Потом минералогическая химия превратилась в геохимию – одну из отраслей геологических наук. Она включает в себя термодинамику, исследование фазовых равновесий, синтез минералов, методы и методики химических исследований минералов. Химическая минералогия также является основой кристаллохимии.

Химические анализы

В основе химии минералов лежит знание об их составе, поэтому рассмотрим возможности и ограничения химических методов исследования.

Количественный химический анализ независимо от способа его проведения нужен для того, чтобы определить присутствующие в нем элементы и их количественные соотношения. Поэтому химический анализ должен быть полным, т.е. определены все присутствующие в нем элементы, и их содержание должно отвечать реально присутствующим в минерале. Точность определения зависит от метода и профессионального уровня аналитика.

Количества присутствующих элементов обычно выражаются в весовых процентах, количество которых при полном анализе должно быть 100 %. Как правило, точность хороших анализов может колебаться от 99,5 до 100,5 %.

Интерпретация результатов. Давая определение минерала, мы говорили о том, что для него характерен определенный химический состав. Этот состав можно выразить формулой, которая отражает как качественный состав элементов, так и их количественные соотношения в минерале. Например, химический состав галита выражается формулой NaCl, которая означает, что в нем содержатся равные количества ионов натрия и хлора. Состав другого минерала – брусита выражается формулой Mg(OH)₂; таким образом, он представляет соединение, в котором на один ион магния приходится два иона гидроксила.

Формулы могут быть простыми и сложными в зависимости от числа присутствующих элементов и количественных соотношений, в которых эти элементы комбинируются в минерале. Основными данными для написания правильной формулы минерала служат результаты его химических анализов. Однако в ряде случаев этого недостаточно. Химический анализ указывает лишь на присутствие того или иного элемента и его содержание, но не дает сведений о связи элементов между собой в структуре минерала.

Расчет формул минералов

В минералогии важно суметь рассчитать формулу минерала по результатам его химических анализов. Результаты химических анализов выражают в массовых (весовых) процентах . В случае сульфидных минералов расчет формулы по данным таких анализов представляет собой простую арифметическую задачу. В качестве первого шага следует разделить содержание каждого элемента в массовых процентах на его атомное количество для получения мольной доли этого элемента (табл. 1). Структурная формула железосодержащего сфалерита выглядит как (Fe,Zn)S, и поэтому, чтобы результаты имели правильные соотношения, необходимо привести к единице либо сумму мольных долей Zn и Fe, либо мольную долю S. Рассчитанные обоими способами формулы должны совпадать. Так, приводя S к единице и округляя значения до второго знака, получаем формулу (Zn_0,86Fe_0,14)_1,00S.

Расчет формулы сфалерит

                                                                                                     Таблица 1

Большинство минералов имеет не постоянный, а характерный состав, что и выражается их формулой. Например, сфалерит в одних случаях может представлять почти чистый сульфид цинка, а в других содержать значительные примеси железа и незначительные кадмия и магния. Однако для всех разновидностей сфалерита атомные количества серы и катионов (цинка, железа и др.) будут составлять 1:1, что соответствует формуле ZnS или (Zn,Fe)S, где атомные количества Zn+Fe = 1 и атомные количества серы также равны 1.

Результаты анализов породообразующих минералов обычно выражают в массовых процентах оксидов (табл. 2). Сначала рассчитывают число молей каждого оксида путем деления его массового процента на молекулярную массу, что дает относительное содержание оксидных молекул (столбец 2). Далее рассчитывают атомные количества кислорода. Для этого каждое значение столбца 2 умножается на число атомов кислорода в соответствующих оксидах (столбец 3). В нижней части столбца приведено общее число атомов кислорода (2,7133). Если надо получить формулу граната на основе 12 атомов кислорода, то необходимо пересчитать соотношения кислородных атомов таким образом, чтобы их общее число равнялось 12. для этого цифры столбца 3 для каждого оксида умножаются на 12/Т, где Т – общее количество кислорода из столбца 3. Результаты приведены в столбце 4. Далее надо рассчитать соотношения атомов для различных катионов. С этой целью числа столбца 4 нужно умножить или разделить на значения этих соотношений, определяемые стехиометрией. Так, например, у SiO₂ имеется один кремний на два кислорода. Поэтому соответствующее число столбца 4 делится на 2. У Al₂O₃ на каждые три атома кислорода приходится два атома алюминия, и в этом случае число столбца 4 умножается на 2/3. Для двухвалентных катионов числа в столбцах 4 и 5 совпадают.

Расчет формулы граната

Таблица 2

Количества катионов в формуле, соответствующие установленному числу атомов кислорода (12) и приведенные в столбце 5, могут быть сгруппированы, как это показано в таблице, в соответствии со структурной формулой граната A₃B₂[(Si,Al)O₄]₃, где А – двухвалентные катионы (Ca, Mg, Fe, Mn), а В – трехвалентные катионы (Al, Cr), а также Ti⁴⁺. Дефицит Si компенсируется за счет Al, который берется в таком количестве, чтобы целиком заполнить тетраэдрические позиции. Оставшиеся атомы алюминия относятся к позиции В.

Чтобы быстро оценить правильность расчетов, можно просуммировать положительные и отрицательные заряды, проверив баланс валентностей.