Густина хімічних елементів і мінералів

Густина хімічно чистих простих твердих речовин характеризується постійним, чітко визначеним значенням, і змінюється в межах 500 кг/м³ (літій) – 22500 кг/м³ (осмій та іридій). Більша частина маси атомів (99,95-99,97 %) зосереджена в ядрах (маси протонів і нейтронів рівні 1,672×10^-27 кг і 1,675×10^-27 кг при масі електронів 9,109×10^-31 кг. Радіуси атомів елементів складають 10^-10 м; радіуси ядер значно менші – 10^-15¼10^-14 м. Тому густина ядра атома є дуже значною, і приблизно дорівнює 1,16*10¹⁷ кг/м³, при вкрай малій густині електронної хмари, яка оточує ядро), що визначає дуже велику залежність густини від об’єму атомів та іонів.

Густина мінералів визначається масою складових їхніх елементів і будовою електронних оболонок атомів, що обумовлюють кристаллохімічні особливості структур. При цьому густина мінералів тим вища, чим більше вони містять атомів значної відносної атомної маси і чим щільніше атоми упаковані в одиниці об’єму. Упаковка визначається атомними (іонними) радіусами, валентністю і типом зв’язку часток. Оскільки великі іони (наприклад, O^2-, S^2-, Cl^-) багатьох мінералів утворюють надщільні упаковки, катіони меншого радіусу розташовуються між ними, причому катіонів між аніонами може бути тим більше (а отже і вища густина мінералу), чим менша їхня валентність і вища валентність аніонів. В загальному випадку густина мінералів з іонною або ковалентною формами кристалічного зв’язку нижча ніж мінералів з ковалентно-металевою і іонно-металевою формами зв’язку.

Середня атомна маса більшості породоутворюючих мінералів (польового шпату, кварцу і плагіоклазу) залишаються постійною або дещо підвищується в піроксені і форстериті. У зв’язку з цим зміни густини мінералів обумовлюється, головним чином, варіаціями щільності упаковки атомів у кристалічній решітці. Так в силікатах щільність упаковки зростає в ряду: каркасні (польові шпати, кварц) – ланцюжкові (піроксени) – острівні (олівіни).

У рудних мінералах збільшення густини відбувається головним чином за рахунок зміни маси при другорядному впливі структури, що відповідає електронній будові атомів в яких заповнюються субрівні d електронних оболонок (хром, залізо, свинець та інші важкі елементи).

У природних мінералах, які складають гірські породи, спостерігаються досить значні коливання густини мінералів, які складають, у загальному випадку, сотні кілограмів на кубічний метр (див табл. 8.2). Вони обумовлені явищами ізоморфізму (зміна маси та радіусу іонів) та поліморфізму (зміна щільності упаковки атомів), дефектами структур, наявністю хімічних і механічних домішок. Проте для кожної петрографічної групи порід, що утворюється у визначених умовах (комплекс, формація), характерний визначений склад мінералів, що обумовлює більш сталі значення густини останніх і породи в цілому.

Таблиця 8.2 – Об’ємна густина (кг/м³), кристалохімічна щільність (в 10²⁸ атомів О/м³) та структурна рихлість (у/о) деяких породоутворюючих та рудних мінералів (за [3 і 7], з доповненнями).

Примітка – дані наведено для хімічно чистих або найпоширеніших відмін