Что делает минералы зелеными?

Зеленые минералы обязаны своим цветом присутствию определенных химических элементов и их взаимодействию со светом. Основными причинами зеленой окраски минералов являются переходные металлы, такие как хром, железо, медь и никель, а также внутренние дефекты кристаллической структуры минерала. Понимание того, что делает минералы зелеными, дает представление об их химическом составе и физических свойствах.

Хром

Хром является одним из наиболее распространенных источников зеленой окраски минералов. Он легко заменяет алюминий в кристаллических структурах распространенных породообразующих минералов, таких как полевые шпаты и слюды. Когда хром присутствует в небольших количествах, он дает зеленый цвет. Минералы, окрашенные в зеленый цвет хромом, включают:

• Изумруд — зеленая драгоценная разновидность минерала берилла, окрашенная следами хрома и/или ванадия.
• Хромит — оксидный минерал, содержащий железо и хром.
• Уваровит — богатый хромом гранат.
• Хромистый диопсид — пироксеновый минерал, содержащий хром.

В изумрудах зеленый цвет усиливается с увеличением содержания хрома. Хром имеет спектр поглощения, который позволяет ему избирательно поглощать красные длины волн света, вызывая характерный зеленый оттенок изумруда.

Железо

Железо также может легко замещать многие распространенные породообразующие минералы и давать зеленые цвета. Зеленые минералы, окрашенные железом, включают:

• Оливин — силикат железа и магния, зеленый оливин известен как перидот.
• Эпидот — алюмосиликат кальция, окрашенный железом.
• Хлорит — филлосиликат (слоистый силикат) с железом и магнием.
• Серпентин — метаморфический водный магниево-железный филлосиликат.

Железо встречается в минералах как в двухвалентном состоянии окисления Fe(II), так и в трехвалентном Fe(III). Во многих случаях небольшие количества Fe(III) придают зеленый цвет. Интенсивность зеленого цвета коррелирует с количеством Fe(III) относительно Fe(II). Железо демонстрирует избирательное поглощение красных длин волн, как хром, создавая зеленые оттенки.

Медь

Медь является важным микроэлементом, способствующим зеленому цвету некоторых минералов. Известные примеры включают:

• Малахит — классический зеленый карбонат меди.
• Хризоколла — гидратированный филлосиликат меди.
• Диоптаз — циклосиликат меди.
• Атакамит — зеленый орторомбический хлорид меди.

Медь чаще всего встречается в минералах в виде катионов Cu(II). Отличительный зеленый цвет создается электронными переходами между различными энергетическими уровнями ионов Cu(II), которые поглощают красный свет.

Никель

Зеленые минералы, окрашенные никелем, включают:

• Аннит — слюда, богатая никелем и железом.
• Глаукодот — минерал сульфид никеля и железа.
• Оксиды никеля, такие как бунзенит и заратит.

Никель, как и медь, встречается в виде катионов Ni(II) в минералах. Его зеленый цвет является результатом электронных переходов, селективных к красным длинам волн.

Эффекты кристаллического поля

Зеленый цвет многих минералов является результатом электронных переходов переходных металлов, на которые влияет их окружение кристаллического поля. Расположение анионов, таких как кислород и сера, вокруг катионов переходных металлов расщепляет их d-орбитали на несколько различных энергетических уровней. Определенные электронные переходы между этими расщепленными d-орбиталями поглощают определенные длины волн, отфильтровывая красный свет.

Например, в изумруде кристаллическое поле, созданное катионами бериллия и анионами кислорода, окружающими хром, создает его характерный зеленый цвет. Понимание этих эффектов кристаллического поля помогает объяснить цвета многих минералов.

Структурные дефекты

Дефекты в кристаллической решетке минерала также могут создавать зеленые цвета. Эти дефекты вводят энергетические уровни в запрещенную зону минерала, которые могут избирательно поглощать красные длины волн и пропускать зеленый. Например:

• Зеленый берилл, как и изумруд, может быть окрашен только структурными дефектами без присутствия каких-либо переходных металлов.
• Зеленый кварц обязан своим цветом дефектам решетки неизвестного происхождения.
• Зеленый гранат гроссуляр может быть окрашен дефектами гидроксида, заменяющими кремний.

Продолжаются исследования того, как эти сложные дефекты атомного масштаба придают зеленые оттенки.

Эффекты выветривания

Поскольку минералы взаимодействуют с водой и воздухом на поверхности Земли, они могут превращаться в зеленые вторичные минералы. Например, зеленый минерал селадонит, филлосиликат группы слюд, образуется при распаде богатых железом минералов, таких как оливин и полевой шпат. Окисление железа во время выветривания первичных минералов приводит к образованию зеленого селадонита.

Аналогичным образом минералы карбоната меди, такие как малахит, образуются, когда медь выщелачивается из первичных сульфидов и повторно осаждается в поверхностных условиях. Таким образом, выветривание приводит к появлению характерных зеленых минералов.

Группы зеленых минералов

Некоторые группы минералов имеют сильную тенденцию к проявлению зеленой окраски:

• Слюды — содержат железо и хром, которые дают зеленые разновидности, такие как фуксит и селадонит.
• Хлориты — зеленые железо-магниевые филлосиликаты.
• Серпентин — полимерные гидратированные магниево-железные (II) филлосиликаты.
• Гранат — уваровит богат хромом, в то время как гроссуляр может быть зеленым из-за дефектов.
• Группа эпидота — железо дает зеленые цвета.
• Турмалины — хромсодержащий дравит имеет зеленый цвет.

Понимание Определение групп минералов, склонных к зеленому цвету, помогает идентифицировать неизвестные образцы.

Взаимодействие со светом

Зеленый цвет минерала обусловлен не только его составом, но и тем, как он взаимодействует со светом. Важные факторы включают в себя:

• Избирательное поглощение — зеленые минералы поглощают красные длины волн, пропуская зеленые.
• Энергии запрещенной зоны — электронные переходы, связанные с дефектами цветовых центров, происходят через определенные запрещенные зоны.
• Плеохроизм — некоторые минералы демонстрируют вариации зеленого цвета между кристаллографическими направлениями.
• Флуоресценция — некоторые минералы демонстрируют зеленое свечение при ультрафиолетовом освещении.

Учет этих световых эффектов дает более глубокое понимание оптических свойств, ответственных за зеленый цвет.

Применение зеленых минералов

Зеленые минералы имеют ряд применений в прошлом и настоящем:

• Драгоценные камни, такие как изумруд и перидот, используются в ювелирных изделиях.
• Хромовые рудные минералы, такие как уваровит, добываются для сплавов изготовление.
• Медные руды, такие как малахит, добываются для извлечения металла.
• Декоративные камни, такие как серпентин и варисцит, используются в декоративных целях.
• Минеральные пигменты, такие как селадонит и глауконит, исторически использовались в живописи.

Уникальные зеленые оттенки минералов способствуют их эстетической привлекательности и коммерческой ценности.

Заключение

Зеленый цвет в минералах может быть обусловлен различными факторами: от химии переходных металлов до структурных дефектов. Понимание того, что делает минералы зелеными, дает представление об их составе, структуре, геологической истории и практическом использовании. Исследования продолжают прояснять сложные процессы изменения цвета в минералах, чтобы полностью объяснить яркую палитру природы.