лабораторная работа инженерные изыскания. ИИ РГР для заочников. Методические указания для проведения лабораторных работ и организации самостоятельной работы по дисциплине инженерные изыскания
 Скачать 1.13 Mb.
|
|
Оксиды и гидроксиды Соединения металлов (≈ 200 минералов) и полуметаллов (металлоидов) с кислородом, с гидроксильной группой или водой. Всего около 430 минералов. Широко распространены в природе. Образованы примерно 30-ю химическими элементами. Чаще всего в природе встречаются оксиды кремния, железа, алюминия, титана, олова. Многие оксиды и гидроксиды являются важными рудами на Fe, Al, Mn, Cr, Sn, U, Cu и др. Почти все оксиды имеют кристаллическую структуру. В гидроксидах помимо кислорода присутствует вода. Оксиды и гидроксиды широко распространены в природе, составляют примерно 17% земной коры. Самым широким распространением пользуются оксид кремния. Кроме кристаллической структуры существуют и аморфные соединения. Класс 1. Оксиды. Различают простые и сложные, соответственно, соединения одного элемента с кислородом (диоксид кремния (SiO 2 ) – кварц) и соединения с кислородом двух или более металлов (оксид железа и титана (FeO·TiO 2 или FeTiO 3 ) - ильменит или титанистый железняк). Для сложных оксидов характерен изоморфизм. Кварц является одним из наиболее распространённых минералов и одним из главных породообразующих минералов. Класс 2. Гидроксиды – соединения гидроксильной группы (ОН - ) или воды с различными элементами. Например, лимонит или бурый железняк (Fe 2 O 3 ∙ nH 2 O). Особенность гидрооксидов – снижение значений физических свойств по сравнению с оксидной формой того же атома металла (табл.3). Таблица 3. Физические свойства оксидов и гидроксидов Минерал Твёрдость Плотность, г/см 3 Блеск Корунд Al 2 O 3 9 4 алмазный Бёмит Al 2 O 3 ∙ОН 3,5 - 4 3 матовый Кварц SiO 2 7 2,65 – 2,7 стеклянный Халцедон SiO 2 6,5 – 7 2,6 матовый Опал SiO 2 ∙ nН 2 О 5 – 6,5 1,8 – 2,3 матовый 19 Один из самых распространённых минералов - оксид кремния, который в природе существует в виде кварца и его разновидностей. По химическому составу – оксид; по структуре – подкласс каркасных силикатов. Поэтому кварц иногда рассматриваются в классе силикатов. Один из наиболее распространённых минералов – кварц в природе может быть в кристаллическом состоянии (горный хрусталь, цитрин, аметист и др.); скрытокристаллическом (халцедон и его разновидности – сердолик (розово- красный), сапфирин (голубой), хризопраз (яблочно-зелёный), агат (полосчатый), гелиотроп (зелёный кранными пятнышками); аморфная (опал, содержащий до 25% воды). Разновидности кварца: полиморфные - кристобалит (при высокой температуре), коэсит (при высоких давлениях) стишовит (при высоких температуре и давлении); цветные – раухтопаз (коричневый), аметист (фиолетовый), морион (чёрный) и др.; скрытокристаллические – халцедон (оранжево-красный – сердолик; зелёный – плазма; яблочно-зелёный – хризопраз, красновато-бурый или коричневый – сардер; полосчатый – агаты и агатовые ониксы); обусловленные примесями – яшма (примесь других минералов), кремень (примесь песка и глины); псевдоморфозы – тигровый глаз, соколиный глаз, бычий глаз (замещение кварцем амфиболов); в аморфном состоянии – опал (гидрат диоксида кремния). Общие свойства. Большинство – твёрдые, устойчивы в природе. Происхождение. Представляют собой продукты экзогенных процессов, протекающих в самых верхних частях земной коры при непосредственном участии свободного кислорода атмосферы. В глубинных условиях образуются разнообразные оксиды Fe, Ti, Ta, Nb, Al, Cr, Be, Sn, U и др. Происхождение некоторых оксидов и гидроксидов связано с гидротермальным процессом минералообразования. Ряд минералов возникают в результате метаморфических и метасоматических процессов. Применение: являются практически единственными источниками чёрных металлов. Для получения железа - оксиды и гидроксиды железа (гематит: FeO 3 ; магнетит или магнитный железняк Fe 3 O 4 ; лимонит или бурый железняк: Fe 2 O 3 ∙ nН 2 О); марганца – диоксид марганца (пиролюзит MnO 2 ); алюминия – гидроксид алюминия (бокситы Al(ОН) 3 ) и др. Цветные кристаллические разновидности корунда: сапфир (синий) и рубин (красный), а также кварца: аметист (фиолетовый), горный хрусталь (прозрачный), морион (чёрный) и др. используются в ювелирном деле. Соли кислородсодержащих кислот Карбонаты - неорганические соединения углерода в природе. Известно около 240 минералов, большая часть из которых относится к солям угольной кислоты. Очень широко распространены в верхней части литосферы, среднее 20 их содержание в земной коре составляет 1,5 %. Входят в состав мраморов, известняков, скарнов. Среди карбонатов выделяют: безводные – кальцит (известковый шпат) СаСО 3 ; магнезит MgСО 3 ; доломит СаМg(СО3) 2; сидерит (железный шпат) FeСО 3 ; с гидроксильной группой (ОН) - малахит Cu 2 CO 3 (OH) 2 ; азурит Cu 3 (CO 3 ) 2 (OH) 2 ; водные - сода Na 2 [CO 3 ] ∙10H 2 O. Общие свойства карбонатов: цвет, в основном, белый; при вхождении в структуру ионов- хромофоров может быть зеленым или синим (присутствие меди); желтым (урана); коричневатым (железа); двойное лучепреломление- следствие наличия в структуре плоских групп [CO 3 ] 2- ; средняя твердость (3 – 5); удельный весменяется в зависимости от химического состава (самый легкий – карбонат натрия; самые тяжёлые - карбонаты висмута и свинца); большинство относительно хорошо растворяются в водебогатой свободной углекислотой по схеме СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3 ) 2 ; некоторые интенсивно вскипают в разбавленной (10%) соляной кислоте. Происхождение. В большинстве случаев образуются в гипергенных процессах. Происхождение некоторых карбонатов, например, кальцита в известняках, связано с жизнедеятельностью организмов. Гидротермальные карбонаты распространены в жилах, контактово-метасоматических зонах, в отложениях минеральных источников, в миндалинах вулканических пород. Значение карбонатов: являются породообразующими минералами осадочных (известняки, доломиты и др.) и метаморфических (мрамор, скарны) горных пород; как удобрения (агромел для регуляции кислотности почвы); используются как поделочный камень (малахит); являются рудами на железо, цинк, свинец и медь; скопления магнезита и сидерита – источник получения магния и железа; плотные массивные карбонатные горные породы (известняки, мраморы, доломиты) используются в качестве строительного материала. Сульфаты – соли серной кислоты, известно около 300 минералов- сульфатов. Наиболее распространены и известны сульфаты кальция - гипс или лёгкий шпат (CaSO 4 2H 2 O); бария - барит или тяжёлый шпат(BaSO 4 ). Различают: водные (гипс - CaSO 4 2H 2 O); безводные (ангидрит - CaSO 4 ) . Общие свойства сульфатов: небольшая твердость (меньше 3,5); светлая окраска; стеклянный блеск; совершенная спайность; гигроскопичность; 21 растворимость в воде. Происхождение. Образуются в условиях повышенной концентрации кислорода, необходимой для перевода серы в высшую степень окисления (S 6+ ) и при относительно низких температурах. Такие условия вблизи поверхности земной коры, где и встречается основная масса сульфатов. Некоторые сульфаты (барит, целестин) имеют гидротермальный генезис. Применение: в строительстве – алебастр (зернистая разновидность гипса, полуводный сульфат кальция - CaSO 4 ·0,5H 2 O); в сельском хозяйстве - удобрения (сульфат калия - К 2 SO 4 ; сульфат аммония – (NH 4 ) 2 SO 4 ); ядохимикаты (сульфат железа или железный купорос (FeSO 4 · 7H 2 O); в медицине (гипс), в пищевой промышленности (пищевая добавка Е517- сульфат аммония); в химической промышленности поделки – селенит (волокнистая разновидность гипса). Фосфаты – соли ортофосфорной кислоты, в природе обнаружено 230 минералов. Различают: водные (бирюза CuAl 6 (PO 4 ) 4 (OH) 8 ·5Н 2 О); безводные (апатит Са 5 (РО 4 ) 3 (ОН,Сl,F)). Общие свойства фосфатов: бесцветные или сильно окрашенные кристаллы синих оттенков; черта белая; блеск неметаллический; средняя твёрдость (3 – 5); плотность 1,5 – 7 г/см 3 ; характерна люминесценция (свечение под действием ультрафиолетового облучения); не реагируют с кислотами. Происхождение: магматическое (апатит), поверхностное (фосфорит). Применение. В сельском хозяйстве – фосфорные удобрения; в химической промышленности (моющие средства); в системах водоподготовки; в фармацевтике, в пищевой промышленности. Силикаты и алюмосиликаты. Насчитывается до 800 видов, что составляет не менее 75% всей земной коры (в основном полевые шпаты). Если учитывать и кварц с похожей кристаллической решёткой, то их количество достигает 90%. По химическому составу силикаты рассматривают как соли различных гипотетических кремниевых и алюмокремниевых кислот. Основой кристаллической решётки силикатов является кремнекислородный тетраэдр [SiO 4 ] -4 . Ион кремния Si^ +4 располагается в центре тетраэдра и окружён четырьмя ионами кислорода О^ -2 , расположенными в вершинах тетраэдра. Часть кремния в тетраэдрах может замещаться Аl, тогда минералы относятся к 22 алюмосиликатам. В кристаллической решётке алюмосиликатов особую роль играет Аl^ +3 как бы частично замещающий ион кремния внутри тетраэдра. Сочетания тетраэдров определяют внутреннюю структуру силикатов (рис.1): А. Островные (сложены изолированными тетраэдрами) и кольцевые (тетраэдры соединены в замкнутые кольца). Среди островных силикатов самый распространённый – оливин или перидот (магнезиально-железистый силикат - (Mg,Fe) 2 [SiO 4 ]). Оливин является породообразующим минералов для интрузивных ультраосновных пород – перидотита (70% оливина и 30% пироксенов), пироксенита (70% пироксенов и 30% оливина), дунита. Кольцевые силикаты встречаются редко (берилл и турмалин). Берилл (Al 2 [Be 3 (Si 6 O 18 )]), от «brille и brilliant» - блестеть (сине-зелёный - цвета морской воды). Рис. 1. Соединения кремнекислородных тетраэдров 1–2 – не имеют общих вершин (общих ионов кислорода) и удерживаются в решётке ионами других элементов; 3–4 – группы из шести и четырех тетраэдров, связанных в кольцо; 5 – цепочка тетраэдров; 6 – лента тетраэдров; 7 – слой (лист) тетраэдров Б. Цепочечные (тетраэдры соединены в непрерывные цепочки кремнекислородных тетраэдров, между которыми находятся катионы Mg 2+ , Fe 3+ , Мn 2+ , Са 2+ ) - группа пироксенов (изоморфный ряд, в котором самый распространённый – авгит (Са(Mg,Fe,Al)[(Si,Аl) 2 O 6 ])). Входят в состав магматических и самых глубинных метаморфических горных пород, скарнов. 23 В. Ленточные (содержат соединенные в обособленные ленты тетраэдры). Наиболее распространены минералы группы амфиболов (изоморфный ряд, в котором чаще всего встречается породообразующий минерал роговая обманка - сложный алюмосиликат кальция, магния и железа: Ca 2 (Mg,Fe,Al) 5 (Al,Si) 8 O 22 (OH) 2 ). Амфиболы являются более поздними, чем пироксены, продуктами магматической кристаллизации и более ранними минералами метаморфизма. Роговая обманка, тремолит, актинолит — типичные минералы скарнов (на контакте магмы с карбонатными горными породами). У амфиболов много общего с пироксенами (цвет, твёрдость, плотность), но отличаются шелковистым блеском, более совершенной спайностью, формой кристаллов (вытянутые столбчатые, игольчатые). Г. Слоевые (листовые) и алюмосиликаты - представляют собой непрерывные слои, где тетраэдры связаны ионами кислорода, а между слоями связь осуществляется через катионы, поэтому у них общий радикал в формуле - [Si4O10] 4- . Эта группа объединяет породообразующие минералы – слюды (чёрный биотит, бесцветный мусковит и его мелкочешуйчатая разновидность серицит). Общее количество слюд в породах земной коры – около 4%. Они обладают весьма совершенной спайностью в одном направлении. Могут быть метаморфического происхождения (серпентин (змеевик), тальк и непостоянного состава хлориты), а также при воздействии на ультраосновные породы горячих растворов и газов или в результате гипергенеза (выветривание содержащих полевые шпаты и слюды магматических и метаморфических пород) – глинистые минералы и гидрослюды. Д. Каркасные, алюмосиликаты и бериллосиликаты - наиболее сложная структура, представляет бесконечные трёхмерные решётки или каркасы, состоящие из связанных между собой тетраэдров, через кислороды всех своих четырёх вершин (рис.2). Важнейшие породообразующие минералы, 60% массы земной коры. Образуются в результате магматических и метаморфических, в меньшей степени гидротермальных процессов минералообразования. В поверхностных условиях разлагаются, гидратируются с образованием слюд, гидрослюд и глинистых минералов Рис. 2. Каркасные силикаты По составу подразделяются на: 24 полевые шпаты (50% земной коры), составляющие изоморфный ряд - калиево-натриевые (ортоклаз и микроклин) и кальциево–натриевые или плагиоклазы (альбит, олигоклаз, андезин, лабрадор, битовнит, анортит); фельдшпатиды по химическому составу сходны с полевыми шпатами, но беднее кремнекислотой (замещают полевые шпаты в горных породах, бедных кремнекислотой): альбиту соответствует нефелин, ортоклазу и микроклину соответствует лейцит; цеолиты - водные алюмосиликаты кальция и натрия (натролит, гейландит, ломонтит и др.). Сложный химический состав и разнообразие кристаллической структуры дают большой разброс показателей физических свойств: широчайший спектр цветов и оттенков, поэтому часто группируют по окраске - темноокрашенные, светлоокрашенные; твёрдость: от 1 до 9; спайность: от весьма совершенной до несовершенной; внутри каждой структурной группы имеется какой-то один или два признака, по которым можно определить минерал. Например, слюды определяют по спайности и низкой твердости. Происхождение Силикаты образуются, в основном, при формировании магматических и метаморфических пород в эндогенных процессах. Большая группа глинистых минералов (каолинит и др.) образуется в экзогенных условиях при выветривании силикатных горных пород. Среди силикатов полевые шпаты составляют 57%; амфиболы и пироксены - 13%; кварц - 11% ; слюды - 11%; оливин - 3%. Силикаты являются: породообразующими минералами; полезными ископаемыми; строительными и облицовочными материалами; поделочными и драгоценными камнями (топаз, гранаты, изумруд, турмалин и др.); рудами металлов (Ве , Zr , Al ) и неметаллов (В), редких элементов; применяются в резиновой и бумажной промышленностях. Галогениды (рождающие соль) Соли галогеноводородных кислот по участвующему в соединении галогену подразделяются на: фториды; хлориды; бромиды (бромид серебра AgBr); иодиды (иодид калия КI). Всего около 100 минералов. Наиболее распространены: Класс 1. Хлориды — соли соляной кислоты (HСl), насчитывается до 25 минералов: галит (NaCl), сильвин (KCl), карналлит KCl·MgCl 2 ·6H 2 O (водный хлорид калия и магния). Класс 2. Фториды – соли плавиковой кислоты (НF), насчитывается около 20 минералов на основе Мg. Ca K Na. Представитель: флюорит или плавиковый шпат (СаF 2 ). 25 Общие свойства: широкая цветовая гамма; прозрачность; низкая твердость (1 – 3,5 по шкале Мооса); средняя плотность (1,5 – 8 г/см 3 ); совершенная спайность; хрупкие; легко растворяются в воде; вкус солёный (галит) и горько-солёный (сильвин); гигроскопичность (интенсивно поглощают влагу из воздуха и расплываются в густое желе); кристаллизация в кубической сингонии. Происхождение у фторидов и хлоридов различное. Флюорит - продукт эндогенных процессов (гидротермальный), а галит и сильвин образуются в экзогенных условиях за счет осаждения при испарении в водоемах. Использование. Флюорит используется в оптике, в металлургической промышленности как флюс, для получения плавиковой кислоты; галит и сильвин - в химической и пищевой промышленности, в медицине, сельском хозяйстве, фотоделе. 4. Минералы Крыма Изучением минералов Крыма занимались К. Габлиц, П. Паллас, С.П. Попов, П.А. Двойченко, В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, Ю.И. Полканов, А.И. Тищенко и др. В 1938 г. - учёный-минеролог и геохимик Попов С.П. (1872 – 1946 гг.) дал описание 139-ти минералов Крыма. В 1971 г. В.А. Супрычёв и И.Г. Губанов опубликовали список минералов (185 видов). Пик геологических исследований в Крыму приходится на 1970-80-е годы. В настоящее время на полуострове отмечено 421 минеральный вид [2; 5; 7; 15; 16]. Среди минералов Крыма встречаются: самоцветные (например, аметист); эндемики (например, саккит). Некоторые минералы названы в честь исследователей Крыма: ферсманит в честь А.Е. Ферсамана; вернадит - В.И. Вернадского; полкановит - Ю.А. Полканова; обручевит - В.А. Обручева. В некоторых названиях минералов содержится место их находки – алуштит (тосудит), кеффекелит (монтмориллонит), саккит, босфорит, керченит (санта-барбараит), камышбурунит, курцит, митридатит, босфорит, крымскит. Самородные минералы. В Крыму редки или мало распространены (кроме самородной серы) и известны в микроскопических выделениях или зернах размером до 3 мм. Имеют значение с точки зрения минералогии. Крупные скопления самородной серы были обнаружены на Керченском полуострове (Чекур-Кояшское месторождение). Интересно отметить, что находки самородных металлов могут иметь техногенное происхождение. Например, |