Оксиды и гидрооксиды

К оксидам относятся минералы, являющиеся соединениями кислорода с другими элементами. Гидрооксиды представляют собой соединения металлов с гидроксильной группой [ОН]^–, полностью или частично замещающей ионы кислорода в оксидах. Общее весовое количество свободных оксидов в литосфере составляет около 17%. Из них на долю оксида кремнезема приходится 12,6%. Оксиды и гидро-оксиды железа составляют 3,9%. Из остальных наибольшее значение имеют оксиды и гидрооксиды алюминия, марганца, титана и хрома. В атмосфере из оксидов распространены углекислый газ и пары воды. В гидросфере главнейшей составной частью является вода.

Основная масса разных по составу оксидов и гидрооксидов сосредоточена в самых верхних частях земной коры – на границе ее с атмосферой, содержащей свободный кислород. Происхождение минералов этого класса очень разнообразное. В основной массе они образуются на поверхности земли в коре выветривания горных пород (лимонит, боксит и др.), но есть оксиды и эндогенного происхож-дения (корунд, кварц, гематит, касситерит и др.)

Оксиды играют большую роль в биосфере, жизни людей и почво-образовании. Общеизвестно огромное значение воды в жизни орга-нического мира и деятельности человека. Для развития растений почва должна содержать не менее 20% влаги. В теле животных и человека ее не менее 70%. Водные ресурсы широко используются для самых разнообразных технических целей. Многие оксиды являются рудами для получения различных металлов, применяются как огнеупор, поделочные и драгоценные камни.

Большинство оксидов (кремния, железа, алюминия и др.) входят в состав почв, придавая им различные свойства. Некоторые из оксидов являются агрорудами (пиролюзит).

Кварц (SiO₂).

Физические свойства. Блеск стеклянный. Цвет кварца может быть самым различным, но обычно распространены молочно-белые, бесцветные, серые окраски. Прозрачные или полупрозрачные разности кварца называются: бесцветные – горный хрусталь, фиолетовые – аметист, дымчатые – раухтопаз, черные – морион, золотисто-жел-тые – цитрин. Среди кварцев с включением других минералов выделяют железистый празем – зеленый с тонкими включениями актинолита или хлорита, буро-красный с мерцающим золотистым отливом от включений слюды, гетита или гематита, кошачий глаз – зеленоватый с шелковистым отливом от включения асбеста, тигровый глаз – темно-бурый с золотистым отливом, соколиный глаз – синеватый с включением крокидолита. Черты кварц не дает. Спайность отсутствует. Излом неровный, раковистый, плотность – 2,65 г/см³. Сингония гексагональная – у высокотемпературной модификации β-кварца и тригональная – у низкотемпературной модификации £ класса. Твердость – 7.

Формы нахождения. Жилы в многочисленных гидротермальных месторождениях и жилы «альпийского типа», образующие при мета-морфизме и рассланцевании кристаллы и зерна в различных горных породах (гранит, кварцевый порфир и др.), крупные кристаллы среди пегматитов. Из гигантских кристаллов следует отметить: кристалл горного хрусталя высотой с двухэтажный дом, массой 70 т (Казахстан); кристалл кварца, сохраняемый в Петроградском горном музее, длиной 90 см. На Волыни (Украина) найден кристалл кварца длиной 2,7 м и массой в 10 т. В осадочных породах кварц находится в виде зерен песка, песчаников, кварцевых конгломератов.

Происхождение. Кварц образуется в самых разнообразных условиях. Он возникает при магматизме, гидротермальным путем. За счет выделения из горячих растворов при метаморфических процессах образуется кварц гипергенного происхождения из холодных растворов.

Месторождения. Кварц – вездесущий минерал (около 65% земной коры состоит из кварца. Из многочисленных месторождений можно выделить следующие: Урал (Мурзинское, Липовское и другие месторождения), Забайкалье (Адун, Чилон), Украина (Володарск-Волынский район Житомирской области), Бразилия (Минас Жерайс), Уругвай, Мадагаскар и т.д.

Практическое значение. Прозрачные, красивоокрашенные разно-видности кварца используются поделочные камни для украшений. Бесцветные горные хрустали употребляются при изготовлении оптических приборов. В радиотехнике – для изготовления пьезокварцевых пластинок. Плавленый кварц идет на изготовление химической кислотостойкой, тугоплавкой посуды. Кварцевые пески используются для варки стекла и выделки фарфора и фаянса. Применяется для производства карбида кремния, обладающего высокой твердостью (выше, чем у корунда). Кварцевые песчаники и кварциты идут для строительства.

Значение в почвообразовании. В осадочных породах и почвах кварц присутствует в виде округлых и угловатых разноцветных зерен. Кварц – постоянный компонент песчаников, лессов и крупных фракций почв. В почвах и почвообразующих породах его содержание может достигать до 60% от массы. В пылевато-песчаных фракциях почв (1–0,01 мм) его содержание достигает 70–90%. Преобладание кварца в почвообразующих породах и почвах обусловливает крайне низкое плодородие. Кварц накапливается в автоморфных почвах и остаточных элювиальных корах выветривания. Поэтому по содержанию кварца можно судить о возрасте почв и интенсивности процессов выветривания.

Халцедон(SiO₂) представляет собой волокнистую скрытокристаллическую разновидность кварца. Благодаря примесям образуется много разновидностей: синеватый – сапфирин; бледно-розовый до красного – карнеол или сердолик; серый, радиально-концентрическо­го строения – обычный халцедон; зеленый халцедон называется плазмой; яблочно-зеленый – хризопраз; буро-коричневый – сардер; разных цветов с рисунком, напоминающим мох, – моховый халцедон; различно окрашенный, концентрического строения халцедон называется агатом; загрязненный примесями (глина, опал, кальцит и др.), непрозрачный, бурого, черного, серого цвета – кремень; халцедон с большим количеством примесей в виде тонкорассеянного окрашен-ного материала называется яшмой.

Физические свойства. Блеск восковой или матовый, цвет – различный, черты не дает, спайность отсутствует, излом плоскора-ковистый, плотность – 2,6 г/см³, сингонии нет, твердость – 6–7.

Формы нахождения. Плотные скрытокристаллические массы, желваки и конкреции среди меловых отложений и известняков, нате-ки, корки.

Месторождения. Урал (Орские яшмы), Украина (Волынь, Закар-патье), Западная Сибирь, Подмосковье, Индия, Уругвай, Бразилия, Германия и др.

Практическое значение. Красивоокрашенные разновидности используются в ювелирном деле. Агат – для изготовления ступок, как полировочный материал, для изготовления кислотоустойчивой посуды. Халцедоны используются для поделки призм в точных химических весах и др.

Значение в почвообразовании. В почвах халцедон иногда образует скопления мелких агрегатов, роль которых аналогична роли кварца.

Опал (SiO₂·nH₂O) – твердый гидрогель, химический состав которого точно не установлен. Количество воды изменяется от 0,4 до 28,0%.

Физические свойства. Блеск главным образом стеклянный, может быть восковой. Цвет преимущественно белый, но в зависимости от примесей может быть разнообразным: благородный и огненный опал – с красивой игрой цветов благодаря опалесценции; гиалит – прозрачный; обычный – не имеет опалесценции и непрозрачный; гидрофан – мутный, пористый; яшмовый – красный до коричневого; восковой – желтый; молочный – молочно-белый. Черты опал не дает, спайность отсутствует, излом плоскораковистый, плотность – 1,9–2,5 г/см³. Сингония у опала отсутствует, твердость – 5–6.

Формы нахождения. Обычно опал обнаруживается в виде натечных почковидных образований, встречается в рудных жилах, выполняет пустоты в вулканических горных породах. Может быть в виде сплошных или землистых скоплений и плотных, похожих на стекло масс. Часто отмечаются псевдоморфозы опала по органическим остаткам (по дереву, раковинам моллюсков и т.д.).

Происхождение. Опал выделяется из водных растворов, как горячих, так и холодных, за счет разложения силикатов в процессе выветривания различных горных пород. Большую роль в образовании опала играет жизнедеятельность организмов (например, радиолярий, губок, диатомовых водорослей), после отмирания которых образуются пористые слои опала (трепел, кизельгур, диатомит).

Месторождения. Поволжье (Ульяновская, Саратовская области), восточные склоны Урала, Хакасия, Закавказье, Камчатка, Украина, Исландия, Венгрия, Австралия и другие места.

Практическое значение. Благородные и огненные опалы используются как поделочные камни. Трепел применяется для полирования металлов. Кизельгур идет для изготовления фильтров, керамики, используется в строительном деле.

Значение в почвообразовании. В почвах опал встречается в виде пылевидных зерен, песчинок или конкреций, иногда в виде корочек и натеков на структурных отдельностях почв. В донных отложениях озер в тропических странах встречаются прослойки опаловидного кремнезема. Образование опала и присыпок опаловидного кремнезема в почвах, породах, озерах связано с выпадением его в осадок из почвенных и грунтовых вод. Обширные пространства Австралии покрыты опалокремниевой коркой мощностью до 3–5 м.

Золи кремнезема, образующиеся при выветривании пород и минералов, способны пропитывать отмершие стволы деревьев и, отлагая опал, полностью их замещать с сохранением всех деталей строения («деревянный опал»). Со временем опал переходит в халцедон, а затем – в кварц.

Магнетит(FeFe₂O₄, или Fe₃O₄). Синоним – магнитный железняк.

Химический состав. FeO – 31%; Fe₂O₃ – 69%. В качестве примесей могут быть TiO₂, Cr₂O₄. Разности, содержащие до 25% TiO₂, называют титаномагнититом.

Физические свойства. Блеск полуметаллический, металлический. Цвет – железно-черный, черта – черная, спайность отсутствует, излом неровный, зеркальный. Плотность – 4,8–5,3 г/см³, сингония – кубическая, твердость – 5,5–6, хрупок. Обладает магнитными свойствами.

Формы нахождения. Мощные пластовые залежи, рудные жилы, россыпи среди осадочных пород, вкрапления в материнских породах, друзы кристаллов.

Происхождение. Магнетит образуется в восстановительных условиях, чаще всего при магматизме, а также на контактах под действием гидротермальных и пневматолитовых процессов. При метаморфизме обычно он образуется за счет осадочных месторождений бурых железняков.

Месторождения. Кривой Рог на Украине, Курская магнитная аномалия, Урал (г.Магнитная, Высокая и Благодать), Казахстан, Бразилия, Индия, Канада, Австралия, ЮАР, США.

Практическое значение. Магнетит – важнейшая руда для выплавки железа.

Значение в почвообразовании и агрохимии. В зоне окисления магнетит сравнительно устойчив. При выветривании он с большим трудом поддается гидратации, т.е. превращению в гидрооксиды железа, поэтому он является одной из составных частей крупных механических фракций почв.

При плавке руд по томасовскому способу, фосфор, содержащийся в них, переходит в шлак. Такой шлак называется томасшлаком и используется в качестве удобрений.

Гематит (Fe₂O₃). Название происходит от греч. гематикос – кровавый. Синонимы: красный железняк, железный блеск, железная слюда.

Химический состав. Fe – 70%, иногда в виде изоморфных при-месей присутствуют Ti и Mg.

Физические свойства. Блеск металлический, металловидный, некоторые разновидности матовые. Цвет вишнево-красный, железно-черный до стально-серого, землистые разновидности ярко-красные. Черта – вишнево-красная. Спайности нет. Излом неровный, полура-ковистый. Плотность – 5,0–5,2 г/см³, сингония – тригональная. Твердость – 5,5–6,0. Хрупкий.

Формы нахождения. Сплошные плотные скрытокристаллические массы, жилы среди продуктов вулканической деятельности, листо-ватые или чешуйчатые агрегаты, крупные почкообразные формы с радиально-волокнистым строением (красная стеклянная голова), отдельные кристаллы, землистые массы.

Происхождение. Гематит образуется в основном метамор-фическим путем (преимущественно за счет метаморфизма бурых же-лезняков). Может возникать при магматизме и вулканизме, покрывая стенки кратеров, поры и поверхности застывающих лав. В странах с жарким климатом, в зонах магнетитовых месторождений, возможно образование гематита за счет процесса окисления по реакции:

4Fe₃O₄ + O₂ = 6Fe₂O₃.

Месторождения. Курская магнитная аномалия, Украина (Кривой Рог), Урал (у Нижнего Тагила, Кусье-Александровский и Пашайский районы), крупные месторождения в США (район Верхнего озера), Бразилия, Румыния, Швейцария.

Практическое значение. Гематит – одна из важнейших железных руд. Чистые порошковые разновидности используются в качестве краски.

Значение в почвообразовании и агрохимии такое же, как и у магнетита. Гематит как высший окисел железа является химически стойким минералом в зоне окисления. Превращение кристаллических разновидностей в гидрооксиды железа происходит редко и в незначительном количестве.

Гетит(HFeO₂)и лимонит(HFeO₂·nH₂О). Химический состав.
Fe – около 90%, H₂O – 10%. Разновидности, содержащие до 12–14% воды, называются лимонитом (от греческого слова леймон – луч) или гидрогетитом. Разновидности, имеющие в своем составе гетит, лимонит, а также гидрооксиды кремнезема и глинистых минералов, называются бурыми железняками.

Физические свойства. Блеск гетита алмазный до полуметаллического, лимонита – матовый до полуметаллического. Цвет гетита и лимонита от темно-бурого до черного. Порошковидный лимонит имеет желто-бурый цвет. Черта гетита бурая с красноватым оттенком, лимонита – светло-бурая или желто-бурая. Спайность у гетита совер-шенная, у лимонита отсутствует. Излом зернистый. Плотность гетита – 4,0–4,4 г/см³, лимонита – 3,3–4,0 г/см³. Сингония у гетита ромби-ческая, у лимонита – отсутствует. Твердость гетита – 4,5–5,5, лимо-нита – 1–4 (в зависимости от физического состояния).

Формы нахождения. Гетит и лимонит встречаются в виде сплош-ных масс темно-бурого и ржаво-бурого цвета, натечных, почковид-ных, сталактитоподобных и других форм, оолитовых бурых железняков. Кроме того, возможны бобовые, озерные, дерновые и луговые руды, где бурые железняки находятся в форме желваков и жеод. Псевдоморфозы по сидериту, пириту, бариту и кальциту.

Происхождение. Гетит и лимонит образуются в результате хими-ческого выветривания железосодержащих минералов. Значительные массы их возникают в результате отложения водных соединений железа на дне болот, озер, прибрежных полос моря. Процесс идет при участии железобактерий. Попадая в глубинные зоны земли, в условия высокой температуры и давления, эти минералы теряют воду и переходят в гематит и магнетит.

Месторождения. В России крупные месторождения в Западно-Сибирском железорудном бассейне составляют половину мировых запасов железных руд (Томская область). Месторождения на Таманском полуострове, в Оренбургской области (Орско-Халиговское), на Урале (Кыштымское и Карабашское месторождения), в Липецкой, Тульской и других областях. Крупные месторождения известны в Лотарингии, Люксембурге, на острове Куба, в Казахстане, на Украине и в других местах.

Практическое значение. Гетит и лимонит служат важнейшими рудами для получения железа. Порошковидный, землистый лимонит используется для изготовления красок (охра, умбрин).

Значение в почвообразовании и агрохимии. Водные оксиды железа широко распространены в коре выветривания и почвах. Они придают породам и почвам бурые, темно-бурые, коричневые, желтые, оранжевые и красные тона. В избыточно увлажненных почвах обна-руживаются в виде ржавых пятен или сплошных ржавых горизонтов. В мокрых солончаках, соляных грязях, в торфах и других почвах вместе с коллоидным сернистым железом (гидротроиллит – FeS·nH₂O) встречаются свежеосажденные гидрогели закиси и окиси железа. Минералы оксидов железа – важный фактор структурообразования почв, прошедших грунтовое увлажнение. Они играют важную роль в желтоземах, красноземах и других латеритных почвах, а также способствуют необменному поглощению анионов фосфорной кислоты и органических кислот. Ф. Дюшофур (1970) считает, что в кислых ненасыщенных гумусовых почвах роль железа может быть сравнима с ролью кальция. Железо в обменной форме поглощается растениями и предохраняет их от хлора. Железоорганические комплексы снижают необратимое поглощение фосфора и обеспечивают фосфорное питание. Накопление железа в запасной форме приводит к гелеобразованию, восстановленные формы железа могут быть токсичными для культурных растений. Окисные формы железа через структурообразование улучшают физические свойства кислых почв. При определенных условиях (ортштейновые и латеритные слои) железо ухудшает фильтрацию и способствует появлению постоянного или временного переувлажнения почв (С.В. Зонн, 1982).

Корунд(Al₂O₃). Химический состав. Al – 52,2%, O – 47,8%. Содержит примеси Cr, Fe, Ti.

Физические свойства. Блеск стеклянный. Цвет обычно синевато-или желтовато-серый (для непрозрачных разновидностей). Встреча-ются прозрачные кристаллы драгоценных корундов: лейкосапфир – бесцветный, рубин – красный, сапфир – синий, «восточный топаз» – желтый, «восточный аметист» – фиолетовый, «восточный изумруд» – зеленый, «звездчатый корунд» – различных цветов. Черты не дает. Спайность отсутствует. Излом зернистый. Плотность – 3,95–4,1 г/см³. Сингония тригональная. Твердость – 9.

Формы нахождения. Корунд встречается в виде плотных зер-нистых агрегатов или хорошо образованных кристаллов бочкообра-зной формы в пегматитовых жилах, кристаллических сланцах, гнейсах, среди кварцитов, в контактах магматических пород с осадоч-ными. Часто встречается в виде сплошных кристаллических масс и в россыпях.

Происхождение. Магматическое и метаморфическое.

Месторождения. Урал (Миасс, Кыштым), Кольский полуостров, Казахстан (Семец Бугу), Бирма, Тайланд, Шри-Ланка, Греция, Индия и др.

Практическое значение. Корунд, обладающий высокой твер-достью, используется в качестве абразивного материала. Прозрачные разновидности употребляются в ювелирном деле как драгоценные камни первого класса.

Значение в почвообразовании. На земной поверхности корунд устойчив к химическому разрушению. Он может образовывать вто-ричные месторождения, попадая в россыпи. Встречаются в твердых фракциях почв.

Боксит(Al₂O₃·nH₂O). Боксит имеет переменный химический состав. Содержание Al изменяется в пределах от 28 до 52% в зависимости от минералов, входящих в руду. Боксит, по существу, руда, состоящая из гиббсита (гидраргиллита) Al(OH)₃, диаспора HAlO₂, бемита AlO(OH), гидрооксидов железа и глинистых минералов. Некоторые исследователи (Музафаров В.Г., 1979) относят его к минералам, учитывая общность происхождения, химический состав и роль в почвообразовании. Мы условно отнесли его к минералам.

Физические свойства. Блеск матовый. Цвет чаще кирпично-красный, красно-бурый, реже белый, розовый, серый, черный, зеленый. Цвет черты несколько бледнее цвета минерала. Спайность отсутствует. Излом землистый, реже зернистый, неровный. Плотность – 2,5–3,5 г/см³, сингония отсутствует (аморфный). Исследования показывают, что бокситы – это коллоидные образования. Твердость – 1–3.

Формы нахождения. Боксит залегает пластами среди морских или континентальных отложений.

Происхождение. Боксит образуется при выветривании алюми-нийсодержащих силикатов в условиях жаркого климата (латеритное выветривание) и как осадок при переносе и переотложении латеритных кор выветривания.

Месторождения бокситов находятся на Урале, в Западной Сибири, в Архангельской и Ленинградской областях. Крупные месторождения находятся в Австралии, в странах Карибского бассейна, в Африке, Венгрии, Китае, Румынии, Югославии.

Практическое значение. Боксит – главная руда для получения алюминия, в химической промышленности – для получения солей алюминия. Применяется в качестве адсорбента при очистке нефтяных и растительных масел, для изготовления красок и др.

Значение в почвообразовании и агрохимии. Гидрооксиды алюми-ния способствуют формированию в почвах хорошей структуры, но в то же время – легкой ее размываемости, обусловливают пониженную поглотительную способность по отношению к катионам и заметно выраженную реакцию к необменному и обменному поглощению анионов, особенно фосфорной кислоты. Почвы на бокситовых корах выветривания, как правило, имеют кислую реакцию среды.

Пиролюзит (MnO₂). Пирос по-гречески – огонь, люзиос – уничтожающий (употребляется в стеклоделии для уничтожения зеленого оттенка стекла).

Химический состав. Mn – 63,2%. В качестве механических примесей могут быть Fe₂O₃, SiO₂, H₂O и др.

Физические свойства. Блеск матовый, полуметаллический. Цвет минерала и черты черный. Спайность совершенная, у аморфных разновидностей отсутствует. Излом землистый. Плотность – 4,7–5 г/см³, сингония тетрагональная. Твердость – 5–6, у аморфных разновидностей снижается до 2.

Формы нахождения. Пиролюзит встречается в форме сплошных зернистых, порошковатых и сажистых агрегатов, конкреций и плит. Вследствие своей хрупкости в россыпях встречается крайне редко.

Происхождение. При выветривании марганецсодержащих пород и минералов образуются истинные и коллоидные марганецсодер-жащие растворы, попадающие за счет поверхностного и подземного стока в реки. Реки доставляют их в морские бассейны, где проис-ходит коагуляция коллоидов и отложение марганцевых соединений в прибрежной части морей. В зоне окисления пиролюзит является наиболее устойчивым окислом. Сравнительно редко образуется в гидротермальных месторождениях марганца при условии явно окислительной среды.

Месторождения. Крупные месторождения пиролюзита сосредо-точены в Грузии (Чиатурское), на Украине (Никопольское и Больше-такмаковское), на северо-западе Африки (Республика Габон).

Практическое значение. Пиролюзит – руда для получения мар-ганца. Кроме того применяется для производства сухих батарей, выработки цветной глазури, в производстве красок, для обесцвечивания стекла.

Значение в почвообразовании и агрохимии. Роль марганца в почвообразовании установлена не достаточно полно. Доказано, что при смене восстановительных условий на окислительные он переходит из двухвалентной формы в трехвалентную по схеме:

Mn⁺² → Mn⁺³.

В растениях марганец усиливает фотосинтетическую способ-ность, ускоряет развитие растений и повышает урожайность, участ-вует в различных окислительно-восстановительных реакциях. Поэто-му пиролюзит, а вернее, шлак, получаемый при его переработке и содержащий от 9 до 21% окиси марганца, используется в качестве марганцевого микроудобрения.