Підручник з Природничих наук. 2 частина. 10 клас. Гільберг - Нова програма

ХІМІЯ Й ФІЗИКА КАМЕНІВ

Будь-який мінерал має певний хімічний склад і характерну для нього внутрішню будову, від чого залежать його зовнішня форма, хімічні та фізичні властивості. Усю різноманітність мінералів ділять на групи, які об’єднують за спільними ознаками.

Класифікацію найпоширеніших породотвірних мінералів за хімічним складом наведено в таблиці 5.1.

Таблиця 5.1.

Класифікація мінералів

Продовження таблиці 5.1.

Залежно від кількості складників тверді тіла можна поділити на прості (однокомпонентні) і складні (багатокомпонентні). Складні можуть бути хімічною сполукою (неорганічною чи органічною) або твердими розчинами різного типу.

Залежно від характеру зв’язків окремих зерен розрізняють такі типи гірських порід:

• пухкі (роздільно-зернисті) — механічні суміші різних мінералів або зерен одного мінералу, не сполучених між собою, наприклад, пісок, гравій, галька;

• зв’язні (глинисті) — гірські породи з водно-колоїдними зв’язками частинок між собою, наприклад, глини, суглинки, боксити; їхня особливість — висока пластичність за насичення водою;

• тверді (скельні та напівскельні) — із жорсткими та пружними зв’язками, що мають фізико-хімічну природу, наприклад, пісковики, граніти, діабази, ґнейси.

Як об’єкт гірничих розробок гірські породи поділяють на скельні, напівскельні, щільні, м’які, сипкі, зруйновані. За текстурою — на однорідні й неоднорідні. За типом упорядкування атомів розрізняють кристалічні (кристали) й аморфні тверді тіла. Кристали класифікують за типом та формою кристалічних ґраток (мал. 5.5).

Мал. 5.5. Кристалічні ґратки

З такою будовою кристалічних тіл пов’язана анізотропія їхніх властивостей, тобто неоднаковість фізичних властивостей у різних напрямках. Це явище характерне для показника заломлення світла, теплопровідності, магнітних властивостей кристалів, проникності порід тощо. Пригадуєте, ми розглядали властивість кристалу турмаліну поляризувати світло? Поляризація світла відбувається, якщо воно поширюється вздовж відповідних граней. Яскравим прикладом анізотропії механічного характеру є властивості осадових гірських порід (сланців, глин тощо) — їхня міцність упоперек нашарування в кілька разів вища, ніж уздовж його. Ще кристалічним тілам притаманна фіксована температура плавлення. Під час нагрівання кристалічного тіла інтенсивність коливального руху атомів, молекул, йонів у кристалі підвищується, а з досягненням температури плавлення коливання стають такими інтенсивними, що атоми, молекули, йони вже не можуть утриматися у вузлах кристалічних ґраток. Останні руйнуються, і відбувається плавлення. Кожне кристалічне тіло має певну температуру плавлення.

Атоми аморфних твердих тіл коливаються поблизу невпорядковано розміщених точок. У них немає анізотропії та фіксованої температури плавлення. У процесі плавлення (або тверднення) температура аморфних тіл безперервно змінюється (мал. 5.6).

Мал. 5.6. Як плавляться кристали й аморфні тіла

Для твердих тіл виокремлюють п’ять типів зв’язку між структурними частинками (мал. 5.7):

• міжмолекулярний зв’язок (наприклад, І2, CO2, СН4) у кристалі, утвореному з молекул, які зв’язані між собою слабкими ван-дер-ваальсовими силами;

• водневий зв’язок (наприклад, лід Н2О) — слабкий зв’язок між атомом H, зв’язаним хімічним зв’язком з електронегативним атомом, та іншим електронегативним атомом;

• йонний зв’язок (наприклад, NaCl) за рахунок сил електростатичного притягання між катіонами й аніонами;

• ковалентний (наприклад, алмаз С, Ge, Si) за рахунок усуспільнення атомами неметалічних елементів пар електронів, що зумовлює їхнє взаємне притягання;

• металічний (наприклад, Cu, Al) між атомами металічних елементів за рахунок усуспільнення їхніх валентних електронів.

Мал. 5.7. Типи зв’язків між структурними частинками речовини

Основними хімічними властивостями мінералів є їхня розчинність у воді та взаємодія з кислотами (найчастіше — з хлоридною HCl).

Хімічний аналіз мінералів

Водорозчинних мінералів порівняно небагато. Окрім хлоридів — мінералів соляних родовищ — розчинними є нашатир NH4Cl, бішофіт MgCl2 • 6H2O, низка сульфатів (тенардит Na2SO4, мірабіліт Na2SO4 • 10Н2О, полігаліт K2Ca2Mg[SO4]4 • 2H2O тощо), карбонатів (трона Na2CO3 • NaHCO3 • 2H2O, натрон Na2CO3 • 10H2O, термонатрит Na2CO3 • H2O) і нітратів (селітри), деякі борати. Більшість мінералів, що добре розчиняються у воді, тією чи тією мірою гігроскопічні й на вологому повітрі розпливаються.

Багато які з мінералів реагують із сильними кислотами й лугами. Більшість мінералів лужних і лужноземельних елементів стійкі до дії лугів, натомість легко реагують з кислотами.

Під дією води мінерал може розкластися, утворивши нові мінерали. Наприклад, унаслідок розчинення полігаліту K2Ca2Mg[SO4]4 • 2H2O у воді утворюються гіпс CaSO4 • 2Н2O та сингеніт K2Ca(SO4)2 • H2O.

Унаслідок нагрівання речовин у полум’ї пальника можна спостерігати різні характерні явища: сублімацію, випаровування, плавлення, зміну кольору, забарвлення полум’я тощо. Усі ці явища використовують у якісному хімічному аналізі для попередніх випробувань речовини.

Іноді за допомогою пірохімічних (від грец. πυρός — вогонь) реакцій удається підвищити вибірковість і чутливість визначення. Пірохімічні реакції застосовують для аналізу мінералів у польових умовах. Після введення в полум’я розчину солі металічного елемента відбувається низка складних процесів: випаровування, утворення твердих аерозолів, дисоціація, йонізація, взаємодія з киснем, збудження атомів, йонів і молекул. Результатом цих процесів є аналітично використовуваний ефект — забарвлення полум’я (мал. 5.8). Пірохімічний аналіз застосовують для виявлення металічних елементів у складі хлоридів, нітратів, карбонатів. Нелеткі солі (борати, силікати, фосфати) змочують перед унесенням їх у полум’я концентрованою хлоридною кислотою для переведення в леткі хлориди.

Мал. 5.8. Пірохімічні реакції

Для діагностики мінералів з класу карбонатів або гірських порід карбонатного складу (вапняк, крейда, мармур) використовують хлоридну кислоту. Катіони Гідрогену у водному розчині гідроген хлориду є реактивом на карбонат-аніони, зовнішній ефект реакції полягає у виділенні Карбон(IV) оксиду, що зумовлює спінення рідини (мал. 5.9):

Мал. 5.9. Визначення карбонатів

Не всі мінерали цього класу й гірські породи, що їх містять, взаємодіють з кислотою однаково. Так, кальцит, арагоніт, малахіт і азурит взаємодіють з 10 %-ю хлоридною кислотою, доломіт необхідно попередньо розтовкти на порошок, а в разі магнезиту — не лише розтовкти мінерал, а й нагріти кислоту (пригадайте чинники, які впливають на швидкість хімічних реакцій і поясніть чому).

Для визначення сульфатів, наприклад, мірабіліту Na2SO4 • 10Н2O, використовують катіони Барію. Аналітичним ефектом реакції є утворення дрібнокристалічного білого осаду барій сульфату (мал. 5.10):

Мал. 5.10. Визначення сульфатів

Розчинні галогеніди, наприклад, галіт NaCI, можна визначити за допомогою катіонів Аргентуму(І). Унаслідок реакції утворюється білий сирнистий осад:

Cl- + Ag+ —> AgCl↓.

Йодид-аніон утворює з катіонами Аргентуму(І) жовтий, а бромід-аніон — світло- жовтий осади (мал. 5.11).

Мал. 5.11. Визначення йодид-, бромід- і хлорид-аніонів за допомогою катіонів Аргентуму

Для визначення каситериту SnO2 його зерна поміщають на цинкову пластинку або гранулу й добавляють кілька крапель хлоридної кислоти (1 : 1). Атомарний Гідроген, що виділився внаслідок реакції, є сильним відновником, тому зерна каситериту вкриваються тонким шаром відновленого олова:

Zn + НСІ —>... +...↑;

SnO2 + H2 —> ... + ... .

Шар олова можна видалити з поверхні каситириту, зануривши його зерна в концентровану хлоридну кислоту:

олово + хлоридна кислота —> станум(ІІ) хлорид + водень↑.

Для визначення кіноварі HgS кілька кристаликів соди (натрій карбонату) розплавляють у вушку платинового дроту й утвореною розжареною кулькою торкаються кристала кіноварі. Мінерал руйнується з утворенням дрібнесеньких крапельок ртуті, які спостерігають крізь збільшувальний прилад.

Самородне срібло Ag розчиняють у кількох краплях концентрованої нітратної кислоти, добавляють 2-3 краплі води та краплю розбавленої хлоридної кислоти. Спостерігають утворення білого сирнистого осаду:

срібло + нітратна кислота (конц.) —>

—> аргентум(І) нітрат + нітроген(І\/) оксид + вода;

аргентум(І) нітрат + НСІ

Перетворіть наведені схеми реакцій на хімічні рівняння, класифікуйте їх, проаналізуйте з погляду електролітичної дисоціації та окиснення-відновлення, складіть електронний баланс.

Як фізичні тіла, гірські породи характеризують щільнісними, механічними (пружними, міцнісними), тепловими, електричними, магнітними, радіаційними та іншими властивостями, які залежать від їхнього мінерального складу та макробудови (структурно-текстурних ознак).

За домінувальними механічними властивостями в умовах деформування під навантаженням виокремлюють пружні, пластичні, в’язкі та крихкі тверді тіла.

Дослідження поведінки твердого тіла під зовнішніми механічними навантаженнями та під час нагрівання досить важливі в практичному використанні матеріалів з різною метою.

Мал. 5.12. Діаграма розтягу

Фізичною величиною, що характеризує дію внутрішніх сил, які виникають у деформованому тілі, є механічна напруга σ. Механічна напруга дорівнює відношенню модуля сили пружності Fпр до площі S поперечного перерізу тіла:

Розгляньмо діаграму розтягу (мал. 5.12). Ділянка ОА відповідає пружній деформації — тіло повністю відновлює свої розміри після зняття зовнішнього навантаження. σпроп — межа пропорційності — максимальне значення механічної напруги, для якого виконується закон Гука: у межах пропорційності механічна напруга σ прямо пропорційна відносному видовженню. На ділянці АВ закон Гука (Роберт Гук, 1635 - 1703, Велика Британія) не виконується, але деформація ще залишається пружною. Максимальну напругу, за якої ще не виникає помітна залишкова деформація, називають межею пружності σпр. Якщо продовжувати розтягувати тіло, то в ньому виникає залишкова деформація (ділянка ВС) — деформація, у результаті якої тіло залишається деформованим після припинення дії зовнішньої сили. Таку деформацію ще називають пластичною. Подальше видовження тіла відбуватиметься майже без збільшення напруги в ньому, тому кажуть, що «матеріал тече». Ділянка CD — текучість матеріалу. Зі збільшенням деформації крива напруг починає трохи підніматися й досягає максимуму в точці Е. Потім напруга швидко спадає, й тіло руйнується (точка K). Отже, розрив настає після того, як напруга досягне максимального значення σм.м, що називають межею міцності.

Для більшості порід межа міцності на розтягнення не перевищує 20 МПа. З породотвірних мінералів найміцнішим є кварц. У нього межа міцності на стискання перевищує 500 МПа, у польових шпатів, піроксенів, авгіту, рогової обманки, олівіну тощо — залізисто-магнезійних мінералів σм.м = 200-500 МПа, у кальциту — близько 20 МПа. У полікристалічних гірських порід міцність переважно визначають сили взаємного зчеплення безпосередньо дотичних між собою зерен і насамперед залежить від їхньої міцності, а також будови. Найбільші значення межі міцності під час стиснення мають щільні дрібнозернисті кварцити та нефрити (500-600 МПа). Значну міцність (понад 350 МПа) мають щільні дрібнозернисті граніти, трохи меншу — габро, діабази та грубозернисті граніти. Міцність вугілля за стиснення змінюється залежно від ступеня його метаморфізму та зольності від 1 МПа (коксівне вугілля) до 35 МПа (антрацити).

З-поміж промислових матеріалів найбільша міцність у сталі. Тому сталь — основний конструкційний матеріал. Під час проектування будь-яких конструкцій (мал. 5.13) ураховують межу міцності, а можливі напруги мають бути в кілька разів (зазвичай у 10) меншими від неї. У прикладній науці є спеціальний розділ — опір матеріалів. Його вивчають у всіх технічних закладах вищої освіти, де готують фахівців з конструювання та експлуатування машин і механізмів. Усі машини та механічні конструкції — вежі, мости, арочні конструкції — розраховують так, щоб напруги в жодному місці конструкції не перевищували межі пружності.

Мал. 5.13. Конструкції

Цікаво відзначити, що сталевий дріт, підвішений за один кінець, розтягується під дією власної ваги. Обрив унаслідок цього відбудеться, якщо довжина сталевого дроту перевищуватиме 4,2 км. Дріт зі свинцю обірветься під дією власної ваги за довжини всього 120 м.

Під час нагрівання, як відомо, збільшується швидкість теплового руху молекул і їхня середня кінетична енергія. Це приводить до збільшення середньої відстані між молекулами. Отже, речовини під час нагрівання розширюються. Ступінь теплового розширення тіла залежить від речовини, з якої його виготовлено. Так, тіла, виготовлені з різних речовин, під час нагрівання на 1 °С розширюються не однаково. Є фізичні величини, які характеризують об’ємне та лінійне розширення тіл. Наприклад, коефіцієнт лінійного розширення сталі становить 0,000012 1/°С. Це означає, що нагрівання сталевого стержня завдовжки 1 м на 1 °С приведе до його видовження на 0,000012 м. Тобто внаслідок такого нагрівання довжина стержня стане 1,000012 м. На перший погляд здається, що таке незначне видовження особливо ні на що не впливає. Та якщо інженери й будівельники не врахують теплового розширення, то будівлі, мости, лінії електропередач, колії залізниці зазнають руйнування (мал. 5.14).

Мал. 5.14. Потрібно враховувати, що тіла розширяються від нагрівання

Можливо, ви спостерігали розтріскування скляної банки, коли в неї наливають окріп. Це зумовлено тим, що стінки посудини досить товсті й прогріваються не одразу по всій товщині. Спочатку — внутрішня частина стінки, яка внаслідок підвищення температури розширюється. Зовнішня частина, яка ще не встигла прогрітися, «протидіє» цьому — скло тріскається. Але на уроках хімії вам, мабуть, уже доводилося спостерігати, як у скляних колбах кип’ятять воду на пальнику.

Як ви вважаєте, чому не тріскається хімічна колба? Товсті чи тонкі в неї стінки?

У природі розширення твердих тіл можна побачити на прикладі прогрівання гірських порід. Оскільки ступінь розширення залежить як від температури, так і від виду гірської породи, то розширення й стиснення відбуваються нерівномірно. Це призводить до руйнування гір й утворення тріщин (мал. 5.15).

Мал. 5.15. Тріщини в гірських породах

До механічних властивостей твердого тіла належить також його здатність поширювати повздовжні й поперечні механічні хвилі, зокрема звук, що є повздовжньою хвилею. Виявами теплових властивостей тіл є теплопровідність, розширення під час нагрівання, плавлення. Електричні, магнітні та деякі інші властивості твердих тіл зумовлені переважно характером руху валентних електронів їхніх атомів. За електричними властивостями тверді тіла класифікують на провідники, діелектрики й напівпровідники (мал. 5.16).

Мал. 5.16. Щоб бути провідником, потрібно мати вільні електрони

За магнітними властивостями виокремлюють діамагнетики, парамагнетики та магнітовпорядковані тверді тіла (феро-, антиферо- й феромагнетики).

До оптичних властивостей належать прозорість (мал. 5.17), блиск, відбивна здатність, здатність до поляризації тощо.

Мал. 5.17. Прозорі, непрозорі й напівпрозорі кристали: кварц (а, б), сфалерит (в), смарагд (г), кальцит (д, е)

У мінералогії використовують запропоновану в 1811 р. натуралістом Ф. Моосом (Карл Фрідріх Крістіан Моос, 1773 - 1839, Німеччина) відносну шкалу твердості, у якій кожний наступний мінерал дряпає попередній. Усі мінерали було поділено в такий спосіб на 10 груп. Далі наведено таблицю 5.2 з найхарактернішими представниками цієї шкали.

Таблиця 5.2.

Шкала твердості мінералів

Назва мінералу

Твердість за Моосом

Характеристика твердості

Тальк

1

Легко подряпати нігтем

Гіпс

2

Можна подряпати нігтем

Кальцит

3

Легко подряпати сталевим лезом ножа

Флюорит

4

Важко подряпати сталевим лезом ножа

Апатит

5

Сталеве лезо ножа не залишає подряпин

Ортоклаз

6

Залишає подряпину на склі, сталі

Кварц

7

Легко дряпає сталь, скло

Топаз

8

Дряпає скло, гірський кришталь

Корунд

9

Легко дряпає всі мінерали, окрім алмазу

Алмаз

10

Ріже скло

Використайте знання іноземної мови й порівняйте інформацію, наведену в таблиці 5.2 та на малюнку 5.18. Чи збігається вона?

Мінерали є середовищем, у якому й за рахунок якого розвивається основна маса організмів. Вони споживають хімічні елементи в складі мінералів у процесі або після їхнього руйнування. Тому в доступності хімічних елементів для організмів велике значення має не лише склад мінералів, а їхня міцність і, особливо, розчинність. Зміну й перетворення гірських порід і мінералів під дією зовнішніх кліматичних чинників та макро- й мікроорганізмів, як ми вже знаємо, називають вивітрюванням (див. В.4).

Мал. 5.18. Moh’s-table-of-precious-gems-hardness

Цікаві факти про мінерали

Вони не такі вже й нерухомі, якими видаються

Кожна кристалічна гірська порода складається з тих чи інших мінералів. Дуже часто в них одні мінеральні види заміщують інші. Це означає, що в каменях також постійно відбувається перерозподіл речовини. У геології такі процеси називають вторинними змінами. Вони відбуваються в будь-якому камені, відмінність у тому, що в деяких умовах такі зміни відбуваються дуже незначно та довго, в інших — активно й порівняно швидко. Тобто певною мірою вони подібні до організмів, у яких постійно вмирають одні, а народжуються інші клітини. Так само й у каменях відбувається процес «народження» одних і «смерть» інших мінеральних індивідів, однак значно повільніше.

Мінерали не вічні

Камінь, які все на Землі, невічний, хоча зовні видається таким. Та камінь також зазнає своєрідного «гниття» й «розпаду». У геології цей процес називають вивітрюванням.

Вони можуть... текти

Заведено вважати, що плинними є лише рідини й подекуди — газуваті речовини, а камені течуть тільки в розплавленому стані. Та давно доведено, що ця якість властива й твердим мінералам. Наприклад, льоду та кам’яній солі. Особливо помітно це в льодовиках гірських ущелин. З плином часу нижня частина скупчення льоду без будь-якого впливу, окрім сили тяжіння, переміщається схилом долу.

Деякі з них їдять

Причому, один з мінералів ми їмо щодня й досить інтенсивно. Це галіт, який у побуті називаємо кухонною сіллю. Деякі інші мінерали придатні не тільки для їжі, їх також використовують у медицині для вживання всередину.

Останнім часом постійно зростає потреба людства в мінералах. Люди навчилися створювати штучні мінерали, які можуть мати природні аналоги чи відрізнятися від природних сполук. Докладніше про штучні мінерали ми поговоримо наступного навчального року, а зараз ви можете самостійно підготувати повідомлення або навчальний проект про штучні кристали.

ПОДУМАЙТЕ Й ВІДПОВІДАЙТЕ

1. Схарактеризуйте основні фізичні властивості мінералів.

2. Поясніть, що таке кристалічні ґратки. Назвіть форми мінералів, які трапляються в природі.

3. Назвіть основні типи структурних зв’язків у породотвірних мінералах.

4. Поясніть, за якими ознаками класифікують осадові гірські породи.

5. Розгляньте малюнок 5.19, на якому зображено тверді тіла та схематичні зображення їхньої будови. Запропонуйте ознаки, за якими ви б їх класифікували, та ознаки, за якими ви би скласифікували кристалічні речовини. Визначте, чи є поміж речовин, зображених на малюнку, такі, що не відповідають жодній з класифікацій. Назвіть ці речовини.

Мал. 5.19. Склад і будова деяких речовин

ПОДУМАЙТЕ Й ВІДПОВІДАЙТЕ

6. Визначте, про який мінерал ідеться, якщо під час пірохімічного аналізу водного розчину мінералу, утвореного двома хімічними елементами, полум’я набуло жовтого кольору, а внаслідок дії на його розчин розчину аргентум(І) нітрату утворився білий сирнистий осад.

7. Запропонуйте спосіб ідентифікації мінералу трони.

8. Дізнайтеся про походження назв мінералів, наведених у тексті.

9. Поміркуйте й зробіть висновок, аморфною чи кристалічною речовиною є бурштин.

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

1. Дослідження властивостей твердих тіл (мінералів).

Робота в групах: кожна досліджує певні властивості (механічні, теплові, електричні, магнітні, хімічні).

2. Вирощування кристалів у домашніх умовах (мал. 5.20). Приготуйте кухонну сіль, склянку або іншу скляну посудину, нитку, скріпку та олівець. Процес вирощування кристала проходить у кілька етапів. Наповніть склянку холодною водою (краще взяти дистильовану воду) і помістіть у ємність із теплою водою (50-60 °С). Добавте побільше кухонної солі (за приблизними підрахунками, потрібна кухонна сіль масою 195 г або мідний купорос масою 150-200 г та вода об’ємом 0,5 л). Упродовж 5-7 хв сіль має розчинитися. У процесі можна трохи підігрівати воду й добавляти ще солі (поміркуйте, для чого). Суміш солі й води ретельно перемішуйте. Щоб домогтися насиченого розчину, добавляйте сіль доти, доки не помітите осад на дні склянки. Це сигнал, що розчин досяг потрібної консистенції (злийте його в іншу ємність, щоби позбутися осаду). Зробіть «затравку». Для цього виберіть великий кристалик солі та покладіть його на дно склянки. Можна закріпити його на нитці в центрі, так щоб кристалик не торкався стінок і дна. Для цього можна прив’язати нитку до олівця й покласти його зверху. Як «затравку» можна використати прив’язану до кінця нитки скріпку (поясніть, чому недоцільно використовувати сталеву скріпку, якщо збираєтеся виростити кристал мідного купоросу). Склянку потрібно зберігати за кімнатної температури. Щоб захистити її від пилу, покладіть зверху серветку. Без потреби склянку краще не переміщати. Процес росту кристала почнеться відразу, а через кілька днів уже стане помітним. Подбайте про збереження готового кристала. Можна покрити його прозорим лаком для нігтів. Це захистить кристал від випаровування води й не дасть йому розсипатися. Можна спробувати виростити кристал не тільки кухонної солі, а й мідного купоросу, цукру та інших речовин.

Мал. 5.20. Вирощуємо кристали

ЗАХИСТ НАВЧАЛЬНИХ ПРОЕКТІВ

• Мінералогія — хімія земної кори.

• Штучні кристали.

• Рідкі кристали.