Общая характеристика самородных неметаллов. Сравнительная характеристика алмаза и графита.

Из неметаллических элементов водород в свободном состоянии с примесью других газов довольно часто устанавливается в некоторых горных породах и месторождениях полезных ископаемых. Азот и кислород в значительных количествах входят в состав атмосферы. Для углерода характерно нахождение его в двух различных по кристаллическому строению модификациях. Самородная сера в главной своей массе возникает путем частичного окисления H2S, реже при восстановлении SO2, а также некоторых сернокислых и органических соединений, богатых серой. Твердые при нормальных условиях неметаллы по кристаллическим структурам и связанным с ними свойствам совершенно не похожи на типичные металлы.

В природе встречаются самородные неметаллы - N2 и O2 (в воздухе), сера (в земной коре), но чаще неметаллы в природе находятся в химически связанном виде. Это вода и растворенные в ней соли, затем - минералы и горные породы (например, различные силикаты, алюмосиликаты, фосфаты, бораты, сульфаты и карбонаты). Гораздо богаче у неметаллов и спектр цветов: красный – у фосфора, красно-бурый – у брома, желтый – у серы, желто-зеленый – у хлора, фиолетовый – у паров йода. Ковкость отсутствует. Блеска нет. Теплопроводность (только графит). Цвет разнообразный: желтый, желтовато-зеленый, красно-бурый. Электропроводность (только графит и черный Фосфор). Агрегатное состояние: газообразное (H2, O2, Cl2 ,F2, O3) твердое (Р, С) жидкое (Br2). Неметаллы в химических реакциях могут быть восстановителями и окислителями (кроме фтора, кислорода.).

К классу самородных неметаллов относятся резко противоположные по своим физическим свойствам полиморфные модификации углерода — алмаз и графит и самородная сера. По типу кристаллической структуры алмаз относится к подклассу с координационным строением, графит — к подклассу слоистых минералов, а самородная сера — к кольцевым минералам.

Группа углерода. Относящиеся сюда минералы также занимают особое положение среди самородных элементов. Эта группа представлена двумя резко различными по физическим свойствам полиморфными модификациями углерода: алмазом и графитом.Кристаллическая структура алмаза характеризуется решеткой гранецентрированного куба, но атомы углерода располагаются нетолько в вершинах и на гранях куба, но также в центрах половинногочисла малых кубов (октантов), чередующихся с пустыми малыми кубами.Атомы углерода в кристаллической структуре алмаза соединены друг с другом исключительно ковалентными жесткими связями по направлениям, соединяющим центр тетраэдра с его вершинами. Алмаз является типичным диэлектриком, что обусловливает ряд таких специфических свойств, как бесцветность и прозрачность, низкая электропроводность, необычайно высокая твердость, весьма высокая устойчивость при широких колебаниях температуры и давления (в частности, при нагреве до температуры 2500 °С в отсутствие кислорода не обнаруживает никаких изменений), очень высокая устойчивость по отношению к кислотам и щелочам. Структура графита весьма существенно отличается от структуры алмаза. Ионы углерода в графите лежат слоями, представленными плоскими гексагональными сетками. Каждый ион в плоской сетке окружен тремя соседними ионами. Состояние атомов углерода в графите таково, что каждый из них способен образовать лишь три ковалентные связи. Отсюда становится понятным ряд свойств графита: его значительно меньший удельный вес по сравнению с алмазом, чрезвычайно легкая расщепляемость на тонкие чешуйки и резко выраженная оптическая анизотропия. Налицо также анизотропия твердости, которую удается установить при очень точных тонких исследованиях (перпендикулярно плоскости спайности 5,5 по Моосу, но в то же время благодаря очень слабому сцеплению слоев графит настолько мягок, что мажет бумагу и пальцы). Этим же объясняется неоднородность поглощения света, чем и обусловлен серый цвет минерала. Таким образом, тип связи атомов в графите в отличие от алмаза в какой-то мере носит металлический характер, т. е. в связях участвуют также «металлические» электроны. С этим вполне увязываются такие свойства, как полуметаллический блеск, высокая электропроводность. Но по химической и термической стойкости графит все же близок к алмазу. В кристаллах алмаза спайность средняя по {111}, тогда как в графите — по {0001} совершенная.

АЛМАЗ — С. Сингония кубическая; гексатетраэдрический в. с. Облик кристаллов октаэдрический, иногда с треугольными скульптурами антискелетного роста на гранях, менее обычен додекаэдрический; редко кубический и изредка тетраэдрический. Наблюдаются двойники срастания по (111), реже по (100). Цвет. Бесцветный водяно-прозрачный или окрашенный в голубой, синий, желтый, розовый, бурый и черный цвета. Блеск сильный алмазный. Твердость 10. Абсолютная твердость в 1000 раз превышает твердость кварца и в 150 раз — корунда. Хрупок. Спайность средняя по {111}. Уд. вес 3,47–3,56. Электропроводность слабая, полупроводникового типа, а у беспримесных разностей вовсе отсутствует. Происхождение. Коренные месторождения генетически связаны с ультраосновными глубинными изверженными породами повышенной щелочности: кимберлитами, лампроитами и отчасти с перидотитами. В этих породах кристаллизация алмаза происходит, очевидно, в верхней мантии, на больших глубинах в условиях высоких температур и давления, в восстановительной обстановке, при высоких давлениях углеводородного по составу флюида. Кимберлиты, по всей вероятности, служат лишь «средством доставки» алмазов из области их стабильной генерации к поверхности Земли. Необходимо отметить, что подъем материала из области стабильности алмаза к поверхности должен быть быстрым настолько, чтобы алмаз не успел графитизироваться, а остался бы в метастабильном состоянии. Их образование может происходить и вне области стабильности (метастабильное зарождение и рост), в том числе и из флюидной (газовой) фазы. Это указывает на возможность роста кристаллов алмаза в кимберлитах в период извержения. В ассоциациях с алмазом наблюдались: графит, оливин (Mg,Fe)2[SiO4], хромшпинелиды (Fe,Mg)(Cr,Al,Fe)2O4, ильменит (FeTiO3), пироп (красный магнезиальный гранат), магнетит (FeFe2O4), гематит (Fе2О3).

ГРАФИТ — С. Сингония гексагональная; дигексагонально-дипирамидальный в. с. Облик кристаллов. Хорошо образованные кристаллы встречаются крайне редко. Они имеют вид шестиугольных пластинок или табличек, иногда с треугольными штрихами на грани (0001). Агрегаты часто тонкочешуйчатые. Реже распространены шестоватые или волокнистые массы. Цвет графита железно-черный до стально-серого. Черта черная блестящая. Блеск сильный металловидный; скрытокристаллические агрегаты матовые. В тончайших листочках просвечивает серым цветом.Твердость 1. В тонких листочках гибок. Жирен на ощупь. Мажет бумагу и пальцы. Спайность совершенная по {0001}. Уд. вес 2,09–2,23 (изменяется в зависимости от степени дисперсности и наличия тончайших пор), у шунгита 1,84–1,98. Прочие свойства. Обладает высокой электропроводностью. Происхождение. В природе графит образуется при восстановительных процессах в условиях высоких температур. Встречается иногда среди магматических горных пород разнообразного состава, преимущественно щелочных. Источником углерода во многих случаях являются вмещающие углеродсодержащие горные породы. Известны случаи находок графита в пегматитах. Встречаются метасоматические месторождения на контактах известняков с изверженными породами, а также жильные месторождения крупнолистоватого графита. Широко распространены метаморфические месторождения графита, возникшие за счет каменных углей или битуминозных отложений в условиях регионального метаморфизма или под влиянием интрузий магмы.