Електричні властивості хімічних елементів і мінералів

Електричний опір атомів хімічних елементів залежить від будови зовнішніх електронних оболонок, що обумовлює періодичність зміни величин питомого електричного опору і характеру провідності. Висока провідність властива елементам початків періодів, які мають незаповнені зовнішні орбіти, а низька провідність (високий опір) - елементам кінця періодів (напівпровідники і діелектрики), що обумовлено малою рухливістю електронів заповнених орбіт. Найкращими провідниками є елементи початку других напівперіодів 3, 4, 5 і 6 великих періодів, найвизначнішими з яких є Cu, Ag, Au (1,6¼2,3×10^-8 Ом×м). Найяскравіше явище напівпровідності проявляється в германії, селені, телурі і деяких рідкісних елементах. Найвищий опір мають вуглець (алмаз), фосфор, кремній.

Електропровідність більшості рудних мінералів (галеніт, борніт, ковелін, магнетит, пірит, піротин, халькопірит тощо) та графіту має електронну природу, їх питомий опір складає 10^-6¼10^-2 Ом×м. Породоутворюючі мінерали гірських порід (калієві польові шпати, плагіоклази, амфіболи, піроксени, олівін, нефелін, кварц тощо) мають властивості напівпровідників або діелектриків і характеризуються дуже високим опором (10⁶ ¼10¹² Ом×м). Мінерали з найбільшою густиною (самородні метали, рудні мінерали) характеризуються високою провідністю, що обумовлено металевою, іонно-металевою і ковалентно-металевою формою кристалічного зв’язку. Питомий опір мінералів середньої густини може бути як дуже високим (типово для ковалентних з’єднань), так і низьким (змішана форма зв’язку). Мінерали відносно низької густини, що мають іонну або ковалентну форму зв'язку, мають найвищий опір. При класифікації за провідністю, як правило, виділяють 4 основні групи мінералів: дуже низького (<10^‑5 Ом×м), низького (10^‑5¼10° Ом×м), середнього (10⁰¼10⁵ Ом×м) та високого і дуже високого опору (10⁵¼10¹² Ом×м).

Таблиця 8.21 - Питомий електричний опір (в Ом×м) головних породоутворюючих та рудних мінералів (за В.М.Дахновим).

Величина діелектричної проникності мінералів суттєво залежить від типу катіону і аніону, їх іонного радіусу і поляризуємості, та, меншою мірою, від структурних особливостей мінералів. У області радіочастот лише незначна частина мінералів характеризується виключно електронною поляризацією зміщення. Такими мінералами є алмаз, сірка, селен, шеєліт, циркон, сфен, діелектрична проникність яких майже співпадає з квадратом показника заломлення l². Для інших мінералів вона перевищує l² на різну величину, що вказує на одночасний прояв двох і більше механізмів поляризації.

Мінерали з високою діелектричною проникністю є переважно сульфідами і оксидами (табл. 8.22), що зумовлено великими іонними радіусами аніонів S^2- і О^2-. За ідентичності катіонів з’єднання сірки, як правило, відрізняються більшою величиною діелектричної проникності, чим оксиди, що пояснюється більшим радіусом S^2- порівняно з О^2-. Серед сульфідів і оксидів найвища діелектрична проникність спостерігається в мінералах, утворених з участю катіонів таких важких металів, як Pb, Fe, Cu. Це пояснюється не стільки перевищенням їх іонного радіусу над радіусами інших катіонів, скільки підвищеними значеннями їх поляризуємості (a_Pb=4,32; a_Cu=1,81). Дуже високою є діелектрична проникність рутилу та інших мінералів, що мають структуру типу перовскіту.

Діелектрична проникність більшості силікатів знаходиться в межах 6¼7, і перевищує ці значення лише у випадку домінування катіонів Са²⁺ і Fe²⁺, Fe³⁺(e£10). Підвищення величини діелектричної проникності в результаті зростання вмісту Са²⁺ добре простежується на прикладі ряду альбіт-анортит.

Діелектрична проникність карбонатів, сульфатів, фосфатів (за винятком мінералів, утворених катіонами свинцю) змінюється в діапазоні 5¼7,5.

Для всіх груп мінералів спостерігаються узгоджені зміни кристалохімічної щільності та діелектричної проникності, що обумовлено залежністю останньої від числа поляризованих часток в одиниці об'єму. Розходження в значеннях e у різних кристалографічних напрямах може досягати 30% (барит), що ілюструє вплив структурного чинника.

Таблиця 8.22 – Відносна діелектрична проникність деяких мінералів в області радіочастот (за О.С.Поварєнних)

Мінерали-діелектрики, які мають високий опір, характеризуються малими діелектричними втратами, а їх tgd в діапазоні частот 10⁵¼10⁷ Гц знаходиться в межах 10^-4¼10^-2. Якщо діелектричні втрати зумовлені тільки провідністю то тангенс кута діелектричних втрат плавно зменшується із збільшенням частоти.

Величини потенціалів деяких рудних мінералів на межі розчин – мінеральний електрод в слабко кислому середовищі наведені в табл. 8.23. Чим вищі значення DU_ПС мінералу, тим вищі його акцепторні властивості і тим стійкіший він в парі з мінералом з більш низьким потенціалом. При зміні pH розчину потенціали мінералів досить сильно змінюються. Так, для піриту в слабко кислому розчині (pH=5-6) DU_ПС=0,45 В, а в кислому (pH=2-3) – вже 0,58 В, для галеніту арсенопіриту відповідні величини складають 0,25 В і 0,30 В.

Таблиця 8.23 – Електричні потенціали деяких рудних мінералів в сірчанокислому розчині при pH=5-6 (за Л.К.Яхонтовою)