Физические свойства минералов

Ступени шкалы  Мооса неравномерны. Для точных измерений используют метод вдавливания в минерал алмазной пирамидки, твердость определяют по отношению величины нагрузки к площади полученного отпечатка (кг/мм2), прибор называется склерометр.

Твердость кристаллов иногда  неодинакова на разных его гранях или направлениях (анизотропия свойств). Например, у кианита ( дистена )   в направлении удлинения твердость 4,5-5 , а в перпендикулярном удлинению – 6,5-7. При определении абсолютной твердости (кг/мм2) , учитывая анизотропию даже у минералов кубической сингонии, строят «розетки твердости».

Иногда для  определения твердости используют подручные «эталоны», хотя они и  неточны:

• ноготь – 2,5;
• медная монета – 3;
• железный гвоздь – 4,5-5
• стекло – 5;
• нож – 5,5–6. 

Плотность минералов изменяется от 0,8–0,9 (у природных кристаллических углеводородов) до 22,7 г/см3 (у осмистого иридия). 
Плотность определяется формулой  p = m/V, где m – масса тела (m=F/g), V – объем.

При макроскопическом определении минералов  она оценивается приблизительным сравнением в руке, на основании чего минерал можно отнести к одной из условных групп плотности:

• легкие – < 2,5 (гипс);
• средние – 2,5–4,0 (кварц, полевые шпаты);
• тяжелые  – 4,0–8,0 пирит, халькопирит);
• очень тяжелые – > 8,0 (киноварь).

Преобладают минералы с плотностью 2,5–4,0 г/см3.

Плотность минералов  возрастает:

• с ростом компактности кристаллической структуры;
• с увеличением атомного номера слагающих его химических элементов;
• с уменьшением их ионных радиусов.

Минералы переменного  химического состава имеют непостоянную плотность.

Минералы обладают и другими свойствами, такими как  магнитность, люминесценция, ковкость, хрупкость, упругость, радиоактивность, растворимость и др.

Форма кристаллов

Облик кристаллов (форма) – это общий вид кристалла. Исходя из того, что любое  тело в пространстве имеет три измерения, выделяют следующие основные типы форм кристаллов:

• изометричные – одинаково развитые во всех трех направлениях (ромбододекаэдры граната , октаэдры магнетита );
• вытянутые в одном направлении – призматические , столбчатые , шестоватые , игольчатые , волосовидные
• вытянутые в двух направлениях – таблитчатые , пластинчатые , листоватые и чешуйчатые .

 

 Широко распространены и переходные между этими основными  типами формы:

• боченковидные – промежуточная форма между 1 и 2 типом     
• досковидные – уплощенные столбчатые кристаллы ( дистен )

Кроме того, существуют сложные формы кристаллов, например кристаллические дендриты.

Габитус кристаллов – более строгий термин, определяющий облик кристалла по доминирующим на нем граням и соотношению размеров кристалла в трех его измерениях.

• Пример: кристаллы пирита почти всегда изометричные по облику, но по преобладающим граням их габитус может быть разным – кубическим , пентагон-додекаэдрическим , октаэдрическим . Подробно габитус кристаллов изучается в курсе «Кристаллография».

 
 

Физические свойства минералов. 

 Физические  свойства минералов имеют большое  значение не только для их  использования, но и  для диагности (определения). Они зависят от химического состава и типа кристаллической структуры. Физические свойства могут представлять собой скалярную величину, т.е постоянны во всех направлениях кристаллической решетки, или быть векторными. К последним, могут у отдельных минералов и их агрегатов, относится твердость, спайность, оптические свойства.  

Плотность. 

 Плотность  минералов измеряется в граммах  на см3 (г/см³) и в значениях, у разных минералов, колеблется от 1 (жидкие битумы) до 23 (осмистый иридий). Оснавная масса минералов имеет плотность от 2,5 до 3,5, что определяет среднюю плотность земной коры в 2,7 - 2,8 г/см³.

Минералы по плотности условно можно разделить  на три группы:

1. Легкие, плотность до 3,0 г/см³
2. Средние, от 3,0 до 4 г/см³
3. Тяжелые, плотность более г/см³

 

  Некоторые  минералы легко узнаются по  большой плотности (барит - 4,5, церрусит - 6,5). Минералы, содержащие тяжелые металлы, имеют большую плотность. Наибольшую плотность в мире минералов имеют самородные элементы - медь, серебро, золото, минералы группы платины. 

 В минералах  одного и того же состава  плотность определяется характером  упаковки атомов в структурной  ячейке кристалла. Наиболее яркие  примеры: алмаз (3,5) и графит (2,2) - оба образованы из одного  и того же вещества - углерода, но имеют различные кристаллические  структуры. Другой пример: кальцит,  имеет состав Ca[CO₃], плотность 2,6 - 2,8 и арагонит, того же состава, но уже плотностью 2,9 - 3.0 г/см³. 

 Для минералов,  представляющих изоморфные ряды (структурное замещение атомов), увеличение или уменьшение плотности  пропорционально изменению химического  состава. Пример: в изоморфном  ряду оливинов от форстерита  Mg[SiO₄] до фаялита Fe[SiO₄] плотность увеличивается от 3,20 до 4, 35 г/см³.

Удельные веса (плотность) минералов определяются в основном двумя способами:

1. Методом вытеснения жидкости, т. е. путем взвешивания образца и измерения объема вытесненной им воды в сосуде. Так называемый весовой метод.
2. Путем определения потери в весе минерала, погруженного в воду (абсолютный вес образца делят на потерю им веса в воде), т.е согласно закону Архимеда.

Методику исследования плотности этими методами опишем в отдельной статье. 

Удельный вес  мелких зернышек минерала определяется с помощью так называемого пикнометра или тяжелых жидкостей и весов Вестфаля, описываемых в специальных руководствах.  

 Существует  еще несколько менее распространенных  методов:

• Объемный метод. Основан на установлении объема минерала с помощью различных по конструкции объемомеров (волюмометров). Такой метод просто не заменим для определения плотности рыхлых, землистых минералов или легко растворимых минералов выделяемых в форме налетов.
• Иммерсионный метод. Базируется на подборе тяжелой жидкости с плотностью равной плотности минерала. Уравновешивания в жидкости. Т.е. в жидкости плотностью 2, 5 минералы меньшей плотности будут всплывать, а большей тонуть. Этот метод широко используется в горнодобывающей промышленности для обогащения руды.

Зная химический состав минерала можно математически  вычислить его плотность по формуле:  

 где P - плотность в г/см³; AW - сумма атомных масс атомов в элементарной ячейке и V – объем элементарной ячейки в нм³. Коэффициент 1,6602 х 10^-24 (значение, обратное числу Авогадро) представляет собой единицу атомной массы, выраженную в граммах, а для перевода объема ячейки в см³ необходимо ее объем в нм³ умножить на 10^-21.

Для иллюстрации  рассчитаем плотность галита; его ячейка содержит 4NaCl и представляет собой кубическую элементарную ячейку с а = 0,564 нм:

Такой расчет часто полезен для  проверки результатов химического  анализа минералов, с одной стороны, и результатов измерений плотности  и размера элементарной ячейки –  с другой.  

Спайность.

Спайность –  способность минерала раскалываться  при ударе или другом механическом воздействии по определенным кристаллографическим плоскостям. 

 Спайность  связана со структурой кристалла  и характером атомных связей. Вдоль плоскостей спайности силы  связи оказываются более слабыми,  чем вдоль других направлений.  Плоскости спайности всегда обладают  высокой плотностью атомов и  во всех случаях параллельны  возможным граням кристалла. Так,  спайность пироксенов и амфиболов  также непосредственно связана  с их структурой, которая содержит  цепочки  кремнекислородных тетраэдров. Как видно из рисунков (рис.11.31 и 11.41) спайность возникает по плоскостям между цепочками.  

 Спайность  выявляют, прослеживая регулярные  системы трещин в прозрачных  минералах, таких как флюорит  или кальцит, либо ровные отражающие  плоскости, образующиеся при раскалывании  кристаллов, что наблюдается у  полевых шпатов, пироксенов и  слюд. Следы плоскостей спайности  играют важную роль определяющих  направлений при оптическом изучении  ксеноморфных зерен под микроскопом, не имеющих хорошо выраженных граней.

Степень совершенства проявления спайности исследуемого минерала определяется путем ее сопоставления с данными следующей 5-ступенчатой шкалы:  

1. Спайность весьма совершенная проявляется в способности кристалла расщепляться на тонкие пластинки. Получить излом иначе, чем по спайности в этих кристаллах чрезвычайно трудно (слюда, молибденит). 
2. Спайность совершенная проявляется при ударе молотком в виде выколов, представляющих собой уменьшенное подобие разбиваемого кристалла. Так, при разбивании галита получают мелкие правильные кубики, при дроблении кальцита – правильные ромбоэдры (топаз, хромдиопсид, флюорит, барит). 
3. Спайность средняя характеризуется тем, что на обломках кристаллов отчетливо наблюдаются как плоскости спайности, так и неровные изломы по случайным направлениям (полевые шпаты, пироксены). 
4. Спайность несовершенная обнаруживается с трудом при тщательном осмотре неровной поверхности скола минерала (апатит, касситерит). 
5. Весьма несовершенная, т.е. практически отсутствует.

 

  При раскалывании  минералов, лишенных спайности  или обладающих плохой спайностью, возникают незакономерные поверхности  излома, который по внешнему облику  характеризуется как:

• раковистый (опал),
• неровный (пирит),
• ровный (вюртцит),
• занозистый (актинолит),
• крючковатый (самородное серебро),
• шероховатый (диопсид),
• землистый (лимонит).

 

    При обработке  камня наличие спайности облегчает  получение плоских поверхностей  вдоль ее плоскостей, но затрудняет  шлифовку и полировку других  плоскостей, поскольку при обработке  могут возникать трещины спайности.  Кроме того, спайность может стать  причиной сколов минералов в  процессе их использования.  

Твердость. 

 Под твердостью  минерала понимается его сопротивление  механическому воздействию более  прочного тела. Твердость минерала  является важным диагностическим  признаком. 

 Существует  несколько методов определения  твердости. В минералогии действует  шкама Мооса. Построенная на основе эталонных образцов, расположенных в порядке увеличения твердости.