Кальцит -Calcite

Кальцит
Кальцит-20188.jpg
Общий
Категория Карбонатные минералы
Формула
(повторяющаяся единица)
СаСО 3
Классификация Штрунца 5.АВ.05
Кристаллическая система Треугольный
Кристальный класс Шестигранный скаленоэдрический ( 3 м)
Символ HM : ( 3 2/м)
Космическая группа Р 3 с
Ячейка а = 4,9896(2)  Å ,
с = 17,0610(11) Å; Z  = 6
Идентификация
Цвет Обычно бесцветный или белый, может иметь оттенки различных цветов.
Кристаллическая привычка Кристаллический, зернистый, сталактитовый, конкреционный, массивный, ромбоэдрический
Твиннинг Общее по четырем законам-близнецам
Расщепление Идеально по {10 1 1} трем направлениям под углом 74° 55'
Перелом раковистый
упорство Хрупкий
Твердость по шкале Мооса 3 (определяющий минерал)
Блеск От стекловидного до перламутрового на поверхности спайности
Полоса Белый
прозрачность Прозрачный до прозрачного
Удельный вес 2,71
Оптические свойства Одноосный (-)
Показатель преломления n ω = 1,640–1,660
n ε = 1,486
Двулучепреломление δ = 0,154–0,174
Растворимость Растворим в разбавленных кислотах
Другие характеристики Может флуоресцировать красным, синим, желтым и другими цветами как в КВ, так и в ДВ УФ; фосфоресцирующий
Рекомендации
Кристаллическая структура кальцита

Кальцит представляет собой карбонатный минерал и наиболее стабильный полиморф карбоната кальция (CaCO 3 ). Это очень распространенный минерал, особенно в составе известняка . Кальцит определяет твердость 3 по шкале твердости минералов Мооса , основанную на сравнении твердости царапания .

Другими полиморфами карбоната кальция являются минералы арагонит и ватерит . Арагонит превратится в кальцит в течение нескольких дней или менее при температуре выше 300 ° C, а ватерит еще менее стабилен.

Этимология

Кальцит происходит от немецкого Calcit , термина 19-го века, который произошел от латинского слова, обозначающего известь , calx (родительный падеж calcis) с суффиксом «-ite», используемым для обозначения минералов. Таким образом, этимологически оно связано с мелом .

Применительно к археологам и специалистам по торговле камнем термин алебастр используется не только в геологии и минералогии, где он используется для различных видов гипса ; но также и для аналогичной полупрозрачной разновидности мелкозернистого полосчатого отложения кальцита.

Элементарная ячейка и индексы Миллера

В литературе для описания направлений в гексагональных и ромбоэдрических кристаллах, в том числе в кристаллах кальцита , используются два различных набора индексов Миллера : три индекса Миллера h, k, l в направлениях или четыре индекса Браве-Миллера h, k, i, l в направлениях. направления , где является избыточным, но полезным для визуализации симметрий перестановок .

Чтобы добавить к осложнениям, есть также два определения элементарной ячейки для кальцита. Один, более старая «морфологическая» элементарная ячейка, был выведен путем измерения углов между гранями кристаллов, обычно с помощью гониометра , и поиска наименьших подходящих чисел. Позже с помощью рентгеновской кристаллографии была определена «структурная» элементарная ячейка . Морфологическая элементарная ячейка ромбоэдрическая , имеющая приблизительные размеры a = 10 Å и c = 8,5 Å , тогда как структурная элементарная ячейка является гексагональной (т.е. ромбическая призма ), имеющая приблизительные размеры a = 5 Å и c = 17 Å . Для той же ориентации c необходимо умножить на 4, чтобы преобразовать морфологические единицы в структурные. Например, спайность кальцита дается как «совершенная по {1 0 1 1}» в морфологических координатах и ​​«совершенная по {1 0 1 4}» по структурным единицам. В индексах это {1 0 1} и {1 0 4} соответственно. Двойниковые , спайные и кристаллические формы часто даются в морфологических единицах.

Характеристики

Диагностические свойства кальцита включают определяющую твердость по Моосу 3, удельный вес 2,71 и, в кристаллических разновидностях, стеклянный блеск . Цвет белый или отсутствует, хотя оттенки серого, красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего, фиолетового, коричневого или даже черного могут возникать, когда минерал заряжен примесями.

Хрустальные привычки

Кальцит имеет многочисленные формы, представляющие собой комбинации более 1000 кристаллографических форм . Наиболее распространены скаленоэдры с гранями в гексагональных направлениях {2 1 1} (морфологическая элементарная ячейка) или в направлениях {2 1 4} (структурная элементарная ячейка); и ромбоэдрические, с гранями в направлениях {1 0 1} или {1 0 4} (наиболее распространенная плоскость спайности). Привычки включают от острых до тупых ромбоэдров, табличных привычек, призм или различных скаленоэдров . Кальцит демонстрирует несколько типов двойников , что увеличивает разнообразие наблюдаемых привычек. Он может быть волокнистым, зернистым, пластинчатым или компактным. Волокнистый, выцветший габитус известен как люблинит . Спайность обычно в трех направлениях параллельна форме ромбоэдра. Его излом раковистый , но его трудно получить.

Скаленоэдрические грани хиральны и встречаются парами с зеркальной симметрией; на их рост может влиять взаимодействие с хиральными биомолекулами, такими как L- и D- аминокислоты . Ромбоэдрические грани не хиральны.

оптический

Фотография кальцита, лежащего поверх текстового абзаца.
Фотография кальцита, лежащего поверх текстового абзаца.
Фотография кальцита, демонстрирующая характерное оптическое поведение двулучепреломления.

Кальцит от прозрачного до непрозрачного и может иногда проявлять фосфоресценцию или флуоресценцию . Прозрачная разновидность исландского шпата используется для оптических целей. Острые скаленоэдрические кристаллы иногда называют «зубчатым лонжероном», а ромбоэдрическую форму иногда называют «стержнем в виде шляпки гвоздя». Ромбоэдрическая форма, возможно, также была «солнечным камнем», использование которого мореплавателями- викингами упоминается в исландских сагах .

Демонстрация двойного лучепреломления в кальците с использованием лазера с длиной волны 445 нм.

Одиночные кристаллы кальцита обладают оптическим свойством, называемым двойным лучепреломлением (двойное преломление). Это сильное двойное лучепреломление приводит к тому, что объекты, рассматриваемые через чистый кусок кальцита, кажутся двойными. Эффект двойного лучепреломления (с использованием кальцита) впервые описал датский ученый Расмус Бартолин в 1669 году. При длине волны ≈590 нм кальцит имеет обыкновенный и необыкновенный показатели преломления 1,658 и 1,486 соответственно. Между 190 и 1700 нм обычный показатель преломления колеблется примерно от 1,9 до 1,5, а необыкновенный показатель преломления колеблется от 1,6 до 1,4.

Химическая

Кальцит, как и большинство карбонатов, растворяется в кислотах по реакции

CaCO 3 (т) + 2H + (водн.) → Ca 2+ (водн.) + H 2 O + CO 2 (г)

Углекислый газ, выделяющийся в результате этой реакции, дает характерное шипение, когда разбавленную соляную кислоту капают на образец кальцита.

Окружающий углекислый газ из-за своей кислотности оказывает слабое солюбилизирующее действие на кальцит. Общая реакция такая

CaCO 3 (т) + H 2 O + CO 2 (водн.) → Ca 2+ (водн.) + 2HCO3(водный)

Если количество растворенного диоксида углерода падает, реакция меняется на противоположную с осаждением кальцита. В результате кальцит может либо растворяться в грунтовых водах, либо осаждаться грунтовыми водами, в зависимости от таких факторов, как температура воды, рН и концентрация растворенных ионов . Когда условия подходят для осаждения, кальцит образует минеральные покрытия, которые скрепляют зерна горных пород и могут заполнять трещины. Когда условия подходят для растворения, удаление кальцита может резко увеличить пористость и проницаемость породы, а если это продолжается в течение длительного периода времени, может привести к образованию пещер . Продолжающееся растворение богатых карбонатом кальция образований может привести к расширению и возможному разрушению пещерных систем, что приводит к различным формам карстовой топографии .

Кальцит обладает необычной характеристикой, называемой ретроградной растворимостью, при которой он становится менее растворимым в воде при повышении температуры. Кальцит также более растворим при более высоких давлениях.

Чистый кальцит имеет состав CaCO 3 . Однако кальцит в известняке часто содержит несколько процентов магния . Кальцит в известняках делится на маломагнезиальный и высокомагнезиальный кальцит, при этом разделительная линия проходит по составу 4% магния. Кальцит с высоким содержанием магния сохраняет минеральную структуру кальцита, которая отличается от структуры доломита , MgCa(CO 3 ) 2 . Кальцит также может содержать небольшое количество железа и марганца . Марганец может быть ответственен за флуоресценцию нечистого кальцита, как и следы органических соединений.

Использование и приложения

Один из нескольких кальцитовых или алебастровых парфюмерных кувшинов из гробницы Тутанхамона , ум. 1323 г. до н.э.

Древние египтяне вырезали множество предметов из кальцита, связывая его со своей богиней Баст , чье имя способствовало появлению термина « алебастр » из-за тесной ассоциации. Многие другие культуры использовали этот материал для подобных резных предметов и приложений.

Прозрачная разновидность кальцита, известная как исландский шпат , возможно, использовалась викингами для навигации в пасмурные дни.

Высококачественный оптический кальцит использовался во время Второй мировой войны для изготовления прицелов, особенно в бомбовых прицелах и зенитном оружии. Также были проведены эксперименты по использованию кальцита для плаща-невидимки .

Микробиологически осажденный кальцит имеет широкий спектр применений, таких как восстановление почвы, стабилизация почвы и ремонт бетона.

Кальцит, полученный из образца каррарского мрамора весом 80 кг , используется в качестве изотопного стандарта МАГАТЭ -603 в масс-спектрометрии для калибровки δ 18 O и δ 13 C .

Естественное явление

Кальцит является обычным компонентом осадочных пород , в частности известняка , большая часть которого образуется из раковин мертвых морских организмов. Примерно 10% осадочных пород составляют известняки. Это основной минерал метаморфического мрамора . Он также встречается в отложениях горячих источников в виде жильного минерала; в пещерах в виде сталактитов и сталагмитов ; и в вулканических или мантийных породах, таких как карбонатиты , кимберлиты или редко в перидотитах .

Кальцит часто является основным компонентом раковин морских организмов , например, планктона (таких как кокколиты и планктонные фораминиферы ), твердых частей красных водорослей , некоторых губок , брахиопод , иглокожих , некоторых серпулид , большинства мшанок и частей раковин. некоторых двустворчатых моллюсков (таких как устрицы и рудисты ). Как упоминалось выше, кальцит находится в впечатляющей форме в пещере Сноуи-Ривер в Нью-Мексико , где микроорганизмам приписывают естественные образования. У трилобитов , вымерших четверть миллиарда лет назад , были уникальные сложные глаза, линзы которых формировались из прозрачных кристаллов кальцита. Он также составляет значительную часть яичной скорлупы птиц, а δ 13 C рациона отражается на δ 13 C кальцита скорлупы.

Самый крупный задокументированный монокристалл кальцита был добыт в Исландии, имел размеры 7×7×2 м и 6×6×3 м и весил около 250 тонн. Классические образцы были произведены на шахте Мадаваска , недалеко от Бэнкрофта, Онтарио .

Слоистые параллельные жилы волокнистого кальцита, часто называемые на языке карьеров «говядиной», встречаются в темных богатых органическими веществами аргиллитах и ​​сланцах. Эти жилы образуются в результате увеличения давления жидкости во время диагенеза .

Процессы формирования

Формирование кальцита может происходить несколькими путями: от классической модели излома уступа террасы до кристаллизации плохо упорядоченных фаз-предшественников, таких как аморфный карбонат кальция (АКК), посредством процесса созревания Оствальда или посредством агломерации нанокристаллов .

Кристаллизация АЦК может происходить в две стадии. Во-первых, наночастицы АЦК быстро обезвоживаются и кристаллизуются с образованием отдельных частиц ватерита . Во-вторых, ватерит превращается в кальцит по механизму растворения и переосаждения , при этом скорость реакции определяется площадью поверхности кристалла кальцита. Вторая стадия реакции примерно в 10 раз медленнее.

Однако было замечено, что кристаллизация кальцита зависит от начального pH и концентрации магния в растворе. Нейтральный исходный рН во время перемешивания способствует прямому превращению АЦЦ в кальцит без промежуточного ватерита. Но когда АЦК образуется в растворе с основным начальным рН, превращение в кальцит происходит через метастабильный ватерит по описанному выше пути. Магний оказывает заметное влияние как на стабильность АЦК, так и на его превращение в кристаллический СаСО 3 , что приводит к образованию кальцита непосредственно из АЦК, так как этот ион дестабилизирует структуру ватерита.

Кальцит может образовываться в недрах в ответ на деятельность микроорганизмов , например, в результате сульфатозависимого анаэробного окисления метана , когда метан окисляется, а сульфат восстанавливается , что приводит к осаждению кальцита и пирита из образующихся бикарбонатов и сульфидов . Эти процессы можно проследить по специфическому изотопному составу углерода кальцитов, которые чрезвычайно обеднены изотопом 13 C , на целых -125 промилле PDB13 C).

В истории Земли

Кальцитовые моря существовали в истории Земли, когда первичным неорганическим осадком карбоната кальция в морских водах был кальцит с низким содержанием магния (lmc), в отличие от арагонита и кальцита с высоким содержанием магния (hmc), выпадающих в осадок сегодня. Кальцитовые моря чередовались с арагонитовыми морями в течение фанерозоя , будучи наиболее заметными в ордовикском и юрском периодах. Линии развились, чтобы использовать любую форму карбоната кальция, которая была благоприятной в океане в то время, когда они стали минерализованными, и сохранили эту минералогию до конца своей эволюционной истории. Петрографические свидетельства этих условий кальцитового моря состоят из кальцитовых ооидов , цемента 1мк , твердого грунта и быстрого растворения арагонита на раннем этапе морского дна. На эволюцию морских организмов с раковинами из карбоната кальция мог повлиять морской цикл кальцита и арагонита.

Кальцит является одним из минералов, который, как было показано, катализирует важную биологическую реакцию, формозную реакцию , и, возможно, сыграл роль в происхождении жизни. Взаимодействие его хиральных поверхностей (см. Форма ) с молекулами аспарагиновой кислоты приводит к небольшому искажению хиральности; это один из возможных механизмов возникновения гомохиральности в живых клетках.

Галерея

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • Шмиттнер, Карл-Эрих; и Жиресс, Пьер; 1999. «Микроэкологический контроль биоминерализации: поверхностные процессы осаждения апатита и кальцита в четвертичных почвах», Руссильон, Франция. Седиментология 46/3: 463–476.