Состав и свойства простых солей

К данной группе минералов относятся галоиды (галит, сильвин, карналлит, бишофит), сульфаты (гипс, ангидрит, барит и др.), карбонаты (кальцит, доломит, магнезит, сидерит и др.), фосфаты, нитраты и др. Они широко распространены среди осадочных и несколько меньше среди метаморфических и магматических пород. В простых солях преобладают связи ионною типа, и более сложных — ионно-ковалентного типа, причем прослеживается увеличение ковалентности солей с переходом от легких к тяжелым анионам или с заменой щелочных металлов на другие металлы. Их объединяет слабая устойчивость в воде, обусловленная особенностями строения и преобладанием ионного типа связи в сгруктуре, поэтому присутствие простых солей в грунтах сильно влияет на их физико-химические свойства (особенно при выщелачивании солей), на водопроницаемость, солевой состав порового раствора и его агрессивность и др.

Галоиды. Состоят из крупных ионов щелочных металлов с анионами хлора или фтора. Наиболее простое строение среди галоидов имеет галит {" голье"  — соль), или каменная соль NaCI, и сильвин КС1. Структура галита представлена ионами натрия и хлора, попеременно располагающихся в узлах решетки и образующих плотную кубическую структуру. Большинство галоидов также имеет плотно упакованную кристаллическую структуру, в которой объем пустот не превышает 26%, их плотность определяется химическим составом и ионным радиусом элементов. Повышенная текучесть каменной соли обусловлена ее совершенной спайностью.

Галоидные минералы образуются при осаждении в соляных бассейнах вдоль морских побережий и при высыхании соляных озер в сухом жарком климате. Древние залежи каменной соли, приуроченные к пачкам осадочных пород, часто выжимались в процессе складкообразования, образуя соляные столбы, или диапиры. Подавляющая часть всех залежей каменной соли сформировалась в пермскую эпоху.

Сульфаты. Представляют собой ионные минералы — соли серной кислоты: в тетраэдрическом анионе (SO4]² сера находится в высшей степени окисления, поэтому все сульфаты имеют одинаковый структурный тип. Среди сульфатных минералов в грунтах наиболее распространены гипс Ca[S04]" 'H20 и ангидрит Ca[S0₄], встречаются целестин Sr[S0₄], барит Ba[S0₄], тенардит Na[S0₄] ^и ДрСульфаты щелочных металлов и водные сульфаты легко растворимы в воде и имеют специфический солоноватый, горько-соленый или вяжущий вкус. Формирование залежей сульфатов связано с осадконакоплением в замкнутых морских бассейнах.

В горных породах довольно часто наблюдаются взаимные переходы гипса в ангидрит и обратно. При нагревании гипса до температуры 100…200 °С происходит его постепенная дегидратация и переход в ангидрит, который сопровождается уменьшением объема гипса и образованием в нем пустот. При обратном процессе образуется вторичный гипс. Гидратацая ангидрита и образование вторичного гипса сопровождаются резким увеличением его объема, вследствие чего в породах создаются дополнительные напряжения, достигающие иногда огромной ветчины.

Карбонаты. Представляют собой соли угольной кислоты, в которых катионами служат ионы Са²⁺, Ме²⁺, Ва²⁺, Fe²⁺, Pb²⁺ и др. В их состав также входят дополнительные ионы, чаще всего (ОН). Для карбонатов характерна смешанная ионно-ковалентная связь: между катионами и анионами существует ионная связь, а в радикалах [СО*]^2- — ковалентная. Наиболее распространенными минералами среди карбонатов являются кальцит СаСОз и доломит Ca, Mg (C03)2, магнезит MgCOi, церуссит РbСОз, сидерит FеСОз, и др. По своему строению кальцит сходен с галоидами. Он имеет кристаллическую структуру ионного типа, образованную кальцием Са²⁺ и радикалом СО3². Плотность карбонатов и сульфатов зависит от их химического состава и от строения кристаллической структуры: наибольшие значения плотности имеют карбонаты, в состав которых входят атомы железа или свинца.

Фосфаты, арсенаты, бораты, а также прочие ионные и ионно-ковалентные соли менее распространены в грунтах, но в ряде случаев их значение бывает существенным. С осадочным процессом связано образование фосфоритов — скоплений фосфатов. Многие фосфаты, накапливающиеся в речных, прибрежных и морских россыпях, содержат радиоактивные элементы и к ним приурочены урановые месторождения. Среди фосфатов и их аналогов наиболее распространены апатит, монацит, эритрин, вивианит и др.

Таким образом, важнейшим свойством простых солей является их растворимость, обусловленная преобладанием ионного типа связи в решетке минералов. Устойчивость простой соли определяется энергией ее кристаллической решетки, т. е. работой, требуемой для разрушения связи и удаления ионов на расстояния, при которых можно пренебречь взаимодействиями между ними. Энергия кристаллической решетки зависит от радиуса и заряда ионов и повышается с уменьшением ионных радиусов и ростом валентности (заряда) ионов. Соотношение энергии кристаллической решетки ионного кристалла и энергии гидратации ионов определяет растворимость соли. Растворение происходит в том случае, если энергия гидратации выше энергии кристаллической решетки, поэтому с ростом энергии решетки растворимость ионных кристаллов в целом снижается [50].

Состав и свойства сульфидов и металлических соединений

К сульфидам относятся минеральные виды, представляющие собой соединения металлов и полуметаллов переходных элементов с серой, мышьяком, селеном и теллуром, главными элементами в них также являются Fe, Си, Zn, Pb, Sb, Ag, Аи, Bi, Со, Ni. Сульфиды и их аналоги характеризуются ярко выраженным ковалентным типом химической связи между слагающими их атомами с донорно-акцепторным характером ее проявления и существенным вкладом металлических и остаточных связей. Среди сульфидов и их аналогов известно более 250 минеральных видов, однако значительные скопления образуют не более 20 видов. Самыми распространенными сульфидами являются пирит, галенит, сфалерит, халькопирит, марказит, арсенопирит, реальгар, антимонит и др. Сульфиды и их аналоги являются важнейшими рудами цветных, благородных и многих редких металлов.

В горных породах сульфиды обычно образуют сплошные, кристаллически-зернистые массы или встречаются в виде кристаллов, вкрапленностей. Сульфиды с цепочечной структурой часто представлены агрегатами удлиненно-призматических и тонкоигольчатых кристаллов с совершенной спайностью по удлинению (антимонит, висмутин, сульфасоли свинца). Для слоистых сульфидов и их аналогов характерна уплощенно-таблитчатая форма кристаллов и весьма совершенная спайность в одном направлении (молибденит, тетрадимит, аурипигмент). Большая часть сульфидов, за исключением сульфидов мышьяка, имеет высокую плотность (до 8,5 г/см³).

Сульфиды в основном имеют гидротермальное происхождение, образуются в магматических процессах и в гипергенных условиях в зоне вторичного сульфидного обогащения, а также в осадочных породах. В поверхностных условиях Земли сульфиды и их аналоги обычно неустойчивы и в процессе окисления переходят, главным образом, в растворимые сульфаты. За их счет образуются вторичные минералы — окислы, карбонаты, сульфаты, арсенаты, силикаты и самородные металлы.

Кроме сульфидов металлическую связь в грунтах имеют такие твердые компоненты, как самородные металлы (медь, серебро и др.), некоторые металлические руды, являющиеся полезными ископаемыми, а также различные металлические соединения искусственного происхождения, особенно отходы металлов, содержащиеся в техногенных грунтах (свалочных, предельных и отвальных шлаках и др.) [50].