Многие элементы встречаются в земной коре в виде соединений с другими элементами. Все твердые вещества, встречающиеся в земной коре, называют минералами. В табл. 9.7 представлены некоторые распространенные минералы.

Минералы чаще всего носят тривиальные названия; их редко называют по химическому составу. Иногда название минералов связано с именем открывшего их человека. Хотя систематической основы для номенклатуры минералов не существует, их названия часто имеют окончание -ит. В минералах нередко происходит замещение ионов одного элемента ионами другого, имеющих близкие радиусы. Например, в минерале оливине Мg2SiО4 ионы Fе2+ (r = 0,74 Ǻ) легко замещают ионы Мg2+ (r = 0,65 Ǻ). Cульфидные и пиритные (содержащие ионы S22–) никелевые руды часто включают железо, потому что ионный радиус Fе2+ (0,74 Ǻ) близок к ионному радиусу Ni2+ (0,70 Ǻ). Агрегаты из различных минералов называют горными породами.

Все минералы подразделяют на три группы (табл.9.8):

– свободные элементы;

– силикаты;

– несиликатные минералы.

Наиболее распространенную группу минералов образуют силикаты, т.к. как они в виде примесей встречаются почти во всех других природных материалах. Например, основная масса известняков CaCO3 и доломитов MgCO3·CaCO3 состоит из карбонатов, но они всегда содержат алюмосиликаты. Все руды содержат в виде примесей силикаты. При выплавке металлов из руд эти примеси переходят в шлак, который в основном содержит силикатные соединения. Цемент получают спеканием глины при высокой температуре с известью, поэтому в его состав входит силикат кальция и алюминия. Согласно имеющимся оценкам, более 90% земной коры состоит из силикатов, если в их число включать кварц SiO2. К силикатам принадлежат горные породы, огнеупорные материалы, стекла, цементы, глазури, зола горючих материалов, асбесты, наждак и др.

Все эти материалы обычно содержат кремниевую кислоту, оксиды алюминия, железа, титана, марганца, магния, кальция, натрия, калия, серный ангидрид, диоксид углерода, фтор, хлор. Указанные компоненты не всегда присутствуют одновременно. Содержание их в анализируемых пробах бывает различным, однако некоторые из них, например титан, марганец, фосфорный ангидрид, чаще присутствуют в небольших количествах. Кроме обычных составляющих, силикаты содержат и другие менее распространенные элементы: бор, барий, цинк, олово, свинец, сурьму, мышьяк, бериллий, цирконий, литий, хром и никель.

Все силикатные материалы по растворимости в воде и минеральных кислотах можно разделить на три группы:

– растворимые в воде: силикаты щелочных металлов («жидкое стекло») и частично искусственные цеолиты;

– разлагающиеся кислотами: форстерит, нефелин, каолинит и др.;

– не разлагающиеся кислотами: большая часть силикатных материалов, глин и т.д.

Материалы, растворимые в кислотах, обрабатывают соответствующими кислотами при нагревании, например, нефелин, форстерит – хлороводородной кислотой, каолинит – концентрированной H2SO4. При этом выделяется кремниевая кислота в виде геля, который трудно отделяется фильтрованием. Если смесь выпарить на песчаной бане досуха и затем высушить остаток при 110–120˚С, то гель кремниевой кислоты частично дегидратируется, становится практически нерастворимым в воде и кислотах, легко промывается и отделяется фильтрованием. Фильтрат содержит все катионы, а осадок – кремниевую кислоту, которая может быть загрязнена различными примесями. Осадок промывают 2–3 раза горячей водой, а промывные воды присоединяют к фильтрату. Упаривают фильтрат до 2–3 мл и проводят обнаружение Na, K, Al, Fe(III), Ca, Mg, Mn(II) и Ti(IV) по общей схеме систематического анализа смеси катионов.

Если силикат не разлагается кислотами, его сплавляют. В качестве плавней применяют соду, смесь соды и KOH, реже – борный ангидрид или буру, гидросульфат или пиросульфат калия, смесь соды с KNO3 или Na2O2. Гидросульфат или пиросульфат калия применяют в основном для сплавления смешанных прокаленных осадков, образовавшихся в ходе анализа. Пероксид натрия и смесь соды с KNO3 применяют в тех случаях, когда нужно окислить какой-либо из определяемых элементов (например, хром, марганец). Плавень выбирают в зависимости от типа исследуемого вещества. Для силикатов и многих материалов, не растворимых в кислотах, в качестве плавней применяют соду, щелочь или их смесь, а также смесь соды с бурой. При сплавлении образуются щелочные силикаты. Например, каолинит при сплавлении разлагается по уравнению

Al2O3·2SiO2·2H2O + 3Na2CO3 = Na2SiO3 + Na2O·Al2O3+ 3CO2↑ +2H2O,

а полевые шпаты – по уравнению

K2O·AI2O3·6SiO2 + 7Na2CO3 = K2CO3 + Na2O·Al2O3 + 6Na2SiO3 + 6CO2↑.

В результате сплавления силикат переходит в растворимую форму, а образующиеся карбонаты и оксиды металлов легко растворяются в кислотах:

K2CO3 + 2HCl = 2KCl + H2O + CO2↑,

Na2O·Al2O3 + 8HCl = 2NaCl + 2AlCl3 + 4H2O.

После выщелачивания плава водой смесь фильтруют. Полученный осадок промывают водой и промывные воды присоединяют к фильтрату. Водная вытяжка плава может содержать Na2SiO3, NaF, Na2HPO4, NaAlO2, Na2CrO4, Na2MnO4, NaBO2, NaCl, Na2SO4, Na2CO3. Ее делят на две части. В одной из них после прибавления 2 М раствора HNO3 до кислой реакции и удаления СО2 кипячением обнаруживают анионы Cl–, SO42–, PO43–, BO2–, F–. Другую часть испытывают на катионы. Для этого ее подкисляют 2 М HNO3, выпаривают досуха на водяной бане, остаток нагревают в сушильном шкафу до 110–120оС для обезвоживания кремниевой кислоты и далее поступают как при анализе силиката, разлагаемого кислотами.

Хотя несиликатные минералы менее распространены в природе, чем силикаты, они являются важным сырьем для получения металлов. Самое большое количество металлов получают в промышленных масштабах из оксидов, сульфидов и карбонатов. В важнейших процессах получения металлов используются их оксиды. Сульфидные и карбонатные минералы легко превратить в оксиды при нагревании на воздухе.

Для выбора способа переведения минерала в раствор и составления схемы анализа целесообразно предварительно определить тип минерала по его способности растворяться в воде, 2 М НСl и концентрированной HNO3(табл. 9.9).

Определив типа минерала по растворимости, необходимо подтвердить присутствие ионов CO32–, PO43–, BO2– или S2– характерными для них реакциями. После этого приступают к обнаружению катионов, составляющих основу минералов и преобладающих примесей (см. табл. 9.10).