Физические свойства минералов

     Характер  блеска зависит от показателя преломления, а оба они – от химического  состава и кристаллической структуры  минерала. В общем случае прозрачные минералы, содержащие атомы тяжелых  металлов, отличаются сильным блеском  и высоким показателем преломления. К этой группе относятся такие  распространенные минералы, как англезит (сульфат свинца), касситерит (оксид  олова) и титанит, или сфен (силикат  кальция и титана). Минералы, состоящие  из относительно легких элементов, также  могут иметь сильный блеск  и высокий показатель преломления, если их атомы плотно упакованы и  удерживаются сильными химическими  связями. Ярким примером является алмаз, состоящий только из одного легкого  элемента углерода. В меньшей степени  это справедливо и для минерала корунда (Al₂O₃), прозрачные цветные разновидности которого – рубин и сапфиры – являются драгоценными камнями. Хотя корунд состоит из легких атомов алюминия и кислорода, они так крепко связаны между собой, что минерал имеет довольно сильный блеск и относительно высокий показатель преломления.

     Некоторые блески (жирный, восковой, матовый, шелковистый  и др.) зависят от состояния поверхности  минерала или от строения минерального агрегата; смоляной блеск характерен для многих аморфных веществ (в том  числе минералов, содержащих радиоактивные  элементы уран или торий).

     Цвет – простой и удобный диагностический признак. В качестве примеров можно привести латунно-желтый пирит (FeS₂), свинцово-серый галенит (PbS) и серебристо-белый арсенопирит (FeAsS₂). У других рудных минералов с металлическим или полуметаллическим блеском характерный цвет может быть замаскирован игрой света в тонкой поверхностной пленке (побежалостью). Это свойственно большинству минералов меди, особенно борниту, который называют «павлиньей рудой» из-за его радужной сине-зеленой побежалости, быстро возникающей на свежем изломе. Однако другие медные минералы окрашены в хорошо всем знакомые цвета: малахит – в зеленый, азурит – в синий.

     Некоторые неметаллические минералы безошибочно  узнаются по цвету, обусловленному главным  химическим элементом (желтому –  серы и черному – темно-серому – графита и др.). Многие неметаллические  минералы состоят из элементов, которые  не обеспечивают им специфической окраски, но у них известны окрашенные разновидности, цвет которых обусловлен присутствием примесей химических элементов в  малых количествах, не сопоставимых с интенсивностью вызываемой ими  окраски. Такие элементы называют хромофорами; их ионы отличаются избирательным поглощением  света. Например, густо-фиолетовый аметист  обязан своей окраской ничтожной  примеси железа в кварце, а густой зеленый цвет изумруда связан с небольшим  содержанием хрома в берилле. Окраска обычно бесцветных минералов  может появляться вследствие дефектов кристаллической структуры (обусловленных  незаполненными позициями атомов в  решетке или вхождением посторонних  ионов), которые могут вызвать  селективное поглощение некоторых  длин волн в спектре белого света. Тогда минералы окрашиваются в дополнительные цвета. Рубины, сапфиры и александриты обязаны своей окраской именно таким  световым эффектам.

     Бесцветные  минералы могут быть окрашены механическими  включениями. Так, тонкая рассеянная вкрапленность  гематита придает кварцу красный  цвет, хлорита – зеленый. Молочный кварц замутнен газово-жидкими включениями. Хотя цвет минералов – одно из самых  легко определяемых свойств при  диагностике минералов, его надо использовать с осторожностью, так  как он зависит от многих факторов.

     Несмотря  на изменчивость окраски многих минералов, цвет порошка минерала весьма постоянен, а потому является важным диагностическим  признаком. Обычно цвет порошка минерала устанавливают по черте (т.н. «цвету черты»), которую оставляет минерал, если им провести по неглазурованной  фарфоровой пластинке (бисквиту). Например, минерал флюорит бывает окрашен  в разные цвета, но черта у него всегда белая.

     Спайность — весьма совершенная, совершенная, средняя (ясная), несовершенная (неясная) и весьма несовершенная — выражается в способности минералов раскалываться по определённым направлениям. Излом (ровный ступенчатый, неровный, занозистый, раковистый и др.) характеризуют поверхности раскола минерала, произошедшего не по спайности. Например, кварц и турмалин, поверхность излома которых напоминает скол стекла, имеют раковистый излом. У других минералов излом может быть описан как шероховатый, неровный или занозистый. Для многих минералов характеристикой служит не излом, а спайность. Это означает, что они раскалываются по гладким плоскостям, непосредственно связанным с их кристаллической структурой. Силы связи между плоскостями кристаллической решетки могут быть различными в зависимости от кристаллографического направления. Если в каких-то направлениях они гораздо больше, чем в других, то минерал будет раскалываться поперек самой слабой связи. Так как спайность всегда параллельна атомным плоскостям, она может быть обозначена с указанием кристаллографических направлений. Например, галит (NaCl) имеет спайность по кубу, т.е. три взаимоперпендикулярных направления возможного раскола. Спайность характеризуется также легкостью проявления и качеством возникающей спайной поверхности. Слюда обладает весьма совершенной спайностью в одном направлении, т.е. легко расщепляется на очень тонкие листочки с гладкой блестящей поверхностью. У топаза спайность совершенная в одном направлении. Минералы могут иметь два, три, четыре или шесть направлений спайности, по которым они одинаково легко раскалываются, либо несколько направлений спайности разной степени. У некоторых минералов спайность вообще отсутствует. Поскольку спайность как проявление внутренней структуры минералов является их неизменным свойством, она служит важным диагностическим признаком. 

      Твердость – сопротивление, которое минерал оказывает при царапании. Твердость зависит от кристаллической структуры: чем прочнее связаны между собой атомы в структуре минерала, тем труднее его поцарапать. Тальк и графит – мягкие пластинчатые минералы, построенные из слоев атомов, связанных между собой очень слабыми силами. Они жирные на ощупь: при трении о кожу руки происходит соскальзывание отдельных тончайших слоев. Самый твердый минерал – алмаз, в котором атомы углерода так прочно связаны, что его можно поцарапать только другим алмазом. В начале 19 в. австрийский минералог Ф.Моос расположил 10 минералов в порядке возрастания их твердости. С тех пор они используются как эталоны относительной твердости минералов, т.н. шкала Мооса (табл. 1)

     Чтобы определить твердость минерала, необходимо выявить самый твердый минерал, который он может поцарапать. Твердость  исследуемого минерала будет больше твердости поцарапанного им минерала, но меньше твердости следующего по шкале Мооса минерала. Силы связи  могут меняться в зависимости  от кристаллографического направления, а поскольку твердость является грубой оценкой этих сил, она может  различаться в разных направлениях. Эта разница обычно невелика, исключение составляет кианит, у которого твердость 5 в направлении, параллельном длине  кристалла, и 7 – в поперечном направлении. 

     Для менее точного определения твердости  можно пользоваться следующей, более  простой, практической шкалой.

     В минералогической практике используется также измерение абсолютных значений твердости (т.н. микротвердости) при  помощи прибора склерометра, которая  выражается в кг/мм².

     Плотность. Масса атомов химических элементов меняется от водорода (самый легкий) до урана (самый тяжелый). При прочих равных условиях масса вещества, состоящего из тяжелых атомов, больше, чем у вещества, состоящего из легких атомов. Например, два карбоната – арагонит и церуссит – имеют сходную внутреннюю структуру, но в состав арагонита входят легкие атомы кальция, а в состав церуссита – тяжелые атомы свинца. В результате масса церуссита превышает массу арагонита того же объема. Масса единицы объема минерала зависит также от плотности упаковки атомов. Кальцит, как и арагонит, представляет собой карбонат кальция, но в кальците атомы упакованы менее плотно, потому он имеет меньшую массу единицы объема, чем арагонит. Относительная масса, или плотность, зависит от химического состава и внутренней структуры. Плотность – это отношение массы вещества к массе того же объема воды при 4° С. Так, если масса минерала составляет 4 г, а масса того же объема воды – 1 г, то плотность минерала равна 4. В минералогии принято выражать плотность в г/см³.

     Плотность – важный диагностический признак  минералов, и ее нетрудно измерить. Сначала образец взвешивается в  воздушной среде, а затем –  в воде. Поскольку на образец, погруженный  в воду, действует выталкивающая  сила, направленная вверх, его вес  там меньше, чем в воздухе. Потеря веса равна весу вытесненной воды. Таким образом, плотность определяется отношением массы образца на воздухе  к потере его веса в воде.

     Пироэлектричество. Некоторые минералы, например турмалин, каламин и др., при гревании или охлаждении электризуются. Это явление можно блюдать с помощью опыления охлаждающегося минерала смесью порошков серыи сурика. При этом сера покрывает положительно заряженные участки поверхности минерала, а сурик — участки с отрицательным зарядом.

     Магнитность – это свойство некоторых минералов действовать на магнитную стрелку или притягиваться магнитом. Для определения магнитности используют  магнитную стрелку, помещенную на остром штативе, или магнитную подковку, брусок. Очень удобно также пользоваться магнитной иглой или ножом.

При испытании  на магнитность возможны три случая:

а) когда  минерал в естественном виде («сам по себе») действует на магнитную стрелку,

б) когда  минерал становится магнитным лишь после прокаливания в восстановительном  пламени паяльной трубки

в) когда  минерал ни до, ни после прокаливания в восстановительном пламени  магнитности не проявляет. Для прокаливания восстановительном пламени нужно  брать мелкие кусочки величиной 2—3 мм.

     Свечение. Многие минералы, не светящиеся сами по себе, начинают светиться при некоторых специальных условиях (при нагревании, действии рентгеновскими, ультрафиолетовыми и катодными лучами, при разламывании, царапании и т. д.).

     Различают фосфоресценцию, люминесценцию, термолюминесценцию и триболюминесценцию минералов.

     Фосфоресценция—способность  минерала светиться после воздействия  на него теми или другими лучами (виллемит).

     Люминесценция — способность светиться в  момент облучения (шеелит при облучении  ультрафиолетовыми и катодными  луча кальцит и др.).

     Термолюминесценция  — свечение при нагревании (флюорит, апатит).

     Триболюминесценция  — свечение в момент царапания  иглой или раскалывания (слюды, корунд).

     Радиоактивность. Многие минералы, содержащие такие элементы как ниобий, тантал, цирконий, редкие земли, уран, торий часто имеют довольно значительную радиоактивность, легко обнаруживаемую даже бытовыми радиометрами, которая может служить важным диагностическим признаком. Для проверки радиоактивности сначала измеряют и записывают величину фона, затем минерал подносят, возможно, ближе к детектору прибора. Увеличение показаний более чем на 10-15% может служить показателем радиоактивности минерала.

     Электропроводность. Целый ряд минералов обладает значительной электропроводностью, которая позволяет их однозначно отличить от похожих минералов. Может проверяться обычным бытовым тестером.