Б. Механические свойства минералов
Механические диагностические свойства минералов являются внешним проявлением прочности химической связи между составляющими минерал структурными единицами.
1. Твёрдость – способность минерала сопротивляться внешнему механическому воздействию. На твёрдость влияют межатомные расстояния (твёрдость увеличивается с уменьшением межатомных расстояний), строение кристаллической решетки (самая маленькая твердость у слоистых силикатов, самая большая у каркасных силикатов и оксидов), валентность (твёрдость повышается с увеличением валентности катионов и анионов), координационное число (твёрдость повышается с увеличением координационного числа, например: КЧ углерода в алмазе – 4, в графите – 3) и тип химической связи (самая высокая твёрдость у минералов с ковалентным типом связи – алмаз, самая низкая твёрдость - у минералов с молекулярным и ионным типом связи – графит, галит).
Для определения твёрдости в минералогии используют шкалу относительной твёрдости и абсолютную твердость:
1) абсолютная – определяется с помощью твердометра – алмазная квадратная пирамидки, при определённой нагрузке давит на грань минерала и в полученном отпечатке (реплике) замеряется одна из сторон фигуры. Абсолютная твёрдость измеряется в кг/мм2 и рассчитывается по формуле: H = 1854хP/d2, где Р – вес, давящий на алмазную пирамидку (кг), d – длина одной из сторон отпечатка (мм). Самая высокая твердость у алмаза – 10 060 кг/мм2;
2) относительная– определяется относительно предметов, путем царапания по грани или по плоскости спайности минерала. Относительная твёрдость минералов измеряется от 1 до 10:
-шкала Мооса: тальк – 1, гипс – 2, кальцит – 3. флюорит – 4, апатит – 5, ортоклаз – 6, кварц – 7, топаз – 8, корунд – 9, алмаз – 10;
-металлические иголочки: Al – 2-2,5; Cu – 3-3,5; латунь – 4-4,5; Fe – 5-5,5; сталь – 6-6,5.
По М.М.Хрущёву, номер эталона шкалы Мооса приблизительно пропорционален кубическому корню, вычисленному из числа твёрдости, определённому методом алмазной пирамидки.
Твердость всегда определяется на гранях кристаллов. В агрегатах твердость будет ниже.
Различают пассивную и активную твёрдость минералов. Пассивнаятвёрдостьпроявляется в том, что осколок минерала не может поцарапать грань или плоскость спайности такого же минерала, например: тальк, апатит, топаз, корунд. Активная твёрдость проявляется в том, что осколок минерала может поцарапать грань или плоскость спайности такого же минерала, например: гипс, галит, флюорит, ортоклаз, кварц.
2. Спайность – способность минерала раскалываться по определенным кристаллографическим направлениям, с образованием плоской зеркальной поверхности. Спайность минералов зависитот строения кристаллической решетки и типа химической связи. Различные минералы имеют спайность различной степени совершенства. Выделяют следующие типы спайности минералов:
1) весьма совершенная спайность – минерал способен делиться на тончайшие листочки, очень трудно получить неровный излом (слюды, графит);
2) совершенная спайность – раскалывание минерала происходит преимущественно по спайности и проявляется как зеркальные, ровные поверхности на сколе; трудно получить неровный излом (кальцит, плагиоклазы). Не путать с гранями кристалла;
3) ясная (средняя) спайность – на кусках минерала обнаруживается с трудом, наряду с ровными поверхностями скола возникают и неровные; поверхности скола чаще всего раковистая (ортоклаз);
4) несовершенная спайность – отсутствие спайности; сколы у минералов исключительно неровные, зернистые, раковистые (кварц, нефелин).
В различных минералах, имеющих совершенную спайность, плоскости спайности могут проходить в нескольких кристаллографических направлениях. Например: флюорит, алмаз – по октаэдру; кальцит – по ромбоэдру; галенит – по кубу.
Правило Браве – спайность проходит параллельно плоским сеткам кристаллической решётки с максимальной ретикулярной плотностью.
3. Излом – способность минерала при раскалывании давать ровные или неровные поверхности, проходящие не по спайности.
Различают следующие виды излома:
1) неровный, зернистый, характеризуется неровной поверхностью излома без блестящих спайных участков (апатит);
2) ступенчатый наблюдается у минералов с совершенной спайностью в 3 направлениях, образуются ровные сколы в 2-3 направлениях (галенит);
3) занозистый по своему виду напоминает излом древесины поперёк волокон. Обладают минералы с игольчатым строением (роговая обманка, актинолит, тремолит);
4) раковистый по форме поверхности напоминает раковину и наблюдается у минералов с аморфным строением или с плотной кристаллической решеткой, не обладающих какой-либо степенью спайности (кварц, обсидиан, халцедон, агат).
4. Штриховатость –на гранях кристалла образуются борозды, штрихи, полоски параллельные или наклонные определённым кристаллографическим направлениям кристалла. По своему происхождению штриховатость может быть комбинационной, обусловленной многократным повторением наросших вицинальных граней (алмаз, турмалин), и двойниковой, являющейся результатом сложения минеральных индивидов при образовании полисинтетических двойников (сфалерит, халькопирит, плагиоклазы).Для ряда минералов штриховатость является важным диагностическим свойством (кварц, корунд, пирит и др.) (рис. 8).
Корунд Турмалин Пирит Кварц
Рис. 8. Виды штриховки на гранях кристаллов минералов
5. Хрупкость и ковкость. С твёрдостью минералов связаны также два других свойства – хрупкость и ковкость. Хрупкость– свойство минерала крошиться при царапании остриём ножа по его поверхности. На поверхности минерала остаётся след с порошком по краям (блёклые руды). Ковкость – свойствоминерала оставлять гладкий блестящий след при царапании остриём ножа по его поверхности. Ковкие минералы при ударе по ним молотком расплющиваются в тонкие пластинки или могут быть вытянуты в очень тонкие нити (халькозин, золото, медь). Хрупкость минерала может также определяться твердометром и устанавливается по появлению трещин в исследуемом минерале под нагрузкой. Нагрузка, при которой появляется первая трещина, носит название «числа хрупкости» и измеряется в граммах.
Различают следующие группы минералов по хрупкости (по С.Д.Дмитриеву):
1) весьма хрупкий (при всех нагрузках, например: пирит, гипс);
2) хрупкий (нагрузка 20 г и более, например: пентландит, тетраэдрит);
3) слабо пластичный (нагрузка 50 г и более, например: кварц, пирротин);
4) пластичный (нагрузка 100 г и более, например: магнетит);
5) весьма пластичный (при нагрузке 200 г трещины не образуются, например: галенит, медь).
Гибкость и упругость
Гибкость– это свойство некоторых минералов изгибаться при механическом воздействии без хрупкой деформации. Гибкость наиболее выражена у минералов листоватого или волокнистого строения, например: биотит, мусковит, группа хлоритов, тальк, хризотил-асбест.
Упругость– это свойство некоторых минералов деформироваться под влиянием определённых усилий и возвращаться в первоначальное, недеформированное состояние после удаления этих усилий. Примером могут послужить минералы группы слюд – флогопит, мусковит, лепидомелан.
В. Плотность минералов
Плотность (ρ) – одна из главнейших констант минералов. Определяется, как отношение массы минерального зерна на единицу его объёма, измеряется в г/см3. Значение плотности минеральных видов колеблется в широких пределах: от значений, меньших единицы (озокерит, лёд), до 23, 0 г/см3 (минералы группы осьмистого ирридия).
При макроскопическом определении минералов их плотность оценивается приблизительным сравнением в руке, на основании чего можно отнести минералы к группе низкой (ρ=1,0 – 3,0 г/см3, например: янтарь, кварц), средней (ρ=3,0 - 7,0 г/см3, например: пирит, барит) или высокой (ρ=7,0 – 10,0 г/см3, например: галенит, миметезит) плотности. Кроме этих групп существуют минералы с очень высокой плотностью (ρ= > 10 г/см3, например: сперрилит, уранинит) и минералы с очень низкой плотностью (ρ= < 1,0 г/см3, например: озокерит, лёд).
Как показывают подсчёты, в минеральном мире преобладают минералы с низкой плотностью.
Плотность зависит от химического состава и структуры минерала, причём особенно важную роль играет атомный вес элементов, входящих в в состав минерала, а также их валентность и размер ионных радиусов.
Полиморфные разности вещества, имеющие различную кристаллическую структуру, имеют различную плотность. Например: гексагональная полиморфная модификация углерода – графит имеет плотность 2,2 г/см3, а кубическая – алмаз имеет плотность 3,5 г/см3.
В соответствии с колебаниями химического состава один и тот же минерал может иметь различную плотность. Например, безжелезистая разновидность сфалерита (клейофан) имеет плотность 3,5 г/см3, а железистая (марматит) – 4,2 г/см3. Однако не всегда эти колебания значения плотности минерала могут быть вызваны изменением химического состава. Следует учитывать проявления неоднородности, пористости и трещиноватости исследуемого материала.
Атомный вес особенно влияет на плотность. Так, минералы бария и свинца (витерит, церуссит) имеют значительную плотность соответствующих минералов кальция (кальцит).
Валентность атомов и ионов, входящих в состав минерала, имеет важное значение для плотности: увеличение валентности аниона и уменьшение валентности катиона приводят к повышению отношения числа катионов к числу анионов в минерале и, следовательно, к повышению процента заполнения катионами пустот. Это приводит к увеличению значение плотности минерала.
Для определения плотности минералов существуют многочисленные методы и приспособления. Наибольшим распространением пользуются пикнометрический метод и метод тяжёлых жидкостей.
При пикнометрическом методе минерал в виде мелких зёрен взвешивается в воздухе, затем взвешивается сам пикнометр и минерал в пикнометре с водой. Плотность минерала высчитывается по формуле:
ρ=М/Р+М+Р1,
где М - вес минерала,
Р - вес пикнометра с водой,
Р1- вес пикнометра с водой и минералом.
Определение плотности минерала с помощью тяжёлых жидкостей имеет большое значение в минералогической практике. Наиболее часто употребляются следующие тяжёлые жидкости: бромоформ (CHBr3)–2,89 г/см3, жидкость Туле (KJ+HgJ2) – 3,2 г/см3, жидкость Клеричи (CH2(COO)2Tl+HCOOTl) – 4,27 г/см3.