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.

  Значение шкалы Мооса являются относительными и определены условно, методом царапания. Т.е. кварц оставляет царапину на полевых шпатах (ортоклаз), но не может поцарапать топаз. Процесс определения твердости минерала по шкале Мооса происходит так: если, например апатит (тв. = 5) царапает исследуемый минерал, а при этом сам образец может царапать флюорит (тв. = 4), то твердость образца определяем = 4,5.

  Эталоны шкалы Мооса могут заменить следующие предметы: лезвие стального ножа - твердость около 5,5, напильник - около 7, простое стекло - 5.

 Точные, научные количественные данные твердоти минералов получают с помощью склерометров, и расчитываю после определения глубины вдавливания алмазной пирамидки в исследуемый образец. Точные показатели твердости для эталонных образцов, такие:

  Твердость в кристаллах может быть анизотропной (разной в различных направлениях кристаллической решетки). Характерным примером являются кристаллы дистена, твердость которых на плоскости совершенной спайности вдоль удлинения = 4,5, а поперек = 6.

Прочие физические свойства минералов.

Некоторые дополнительные физические свойства минералов применяются для их диагностики. Перечислим основные.

Хрупкость.

Под хрупкостью понимается свойство минералов крошиться под давлением или при ударе. Например: самородная сера и алмаз - очень хрупкие минералы.

Ковкость.

Ковкость минералов в том, что они могут быть легко расплющены на тонкие пластинки. Пример: самородное золото, медь и т.п.

Гибкость.

  Гибкость, свойство изгибаться, характерна для многих минералов. Так, гибкие листочки имеют кристаллы молибденита, хлоритов, талька, гидрослюд, но только у обычных слюд (мусковита, биотита и других) листочки в то же время и упругие, - они восстанавливают первоначальное положение при снятии напряжения.

Люминисценция.

  Некоторые минералы при воздействии на них ультрафиолетовых, катодных или рентгеновских лучей могут излучать свет. Один и тот же минерал может люминесцировать разными цветами и обнаруживать люминисценцию разного рода. После снятия возбудителя, по длительности свечения различают: флюорисценцию (свечение прекращается сразу после снятия) и фосфорисценцию (свечение еще продолжается некоторое время). Особенно интенсивную люминисценцию минералов можно видеть в ультрафиолетовых лучах. Например: флюорит светится - фиолетовым цветом, шеелит - голубым, кальцит - оранжево-желтым. Немногие минералы могут люминисцировать при физическом воздействии на них: при нагревании (термолюминисценция), при раскалывании (триболюминисценция).

Портативная ультрофиолетовая лампа.

Радиоактивность.

  Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного хим. элемента в изотопы другого с излучением элементарных частиц. Радиактивностью обладают минералы, содержащие радиоактивные элементы, в основном уран, радий и торий. Определяют радиактивность при помощи электроскопов, ионизационных камер и др. Действие которых оснавано на определении ионизации воздуха, вызываемой радиоактивным распадом элементов.

Электрические свойства.

  Пироэлектричество - электричество, возникающее на концах кристаллов-диэлектриков в связи с изменением температуры, проявляются только у тех кристаллов, которые не имеют центра симметрии. Самый яркий пример - кристалл турмалина.

  Пьезоэлектричество - электричество, возникающее на концах кристаллов при растяжении или сжатии. Пьезоэлектричество возможно лишь в кристаллах, имеющие полярные оси, которые нельзя совместить друг с другом имеющимися на данном кристалле элементами симметрии. Пьезоэлектрический эффект имеет обратное свойство, т.е если к кристаллу приложить переменное эл. поле, то его кристаллическая решетка будет сжиматься и растягиваться.

Магнитность.

  Свойство характерно для немногих минералов. Наиболее сильным магнитным свойством обладает магнетит (FeFe₂O₄), меньшим - пирротин (Fe_1-xS). Минералы, обладающие сильным магнетизмом, называются - ферромагнитными. Другие железосодержащие минералы, обладающие более слабым магнетизмом - называются парамагнитными. Минералы, обладающие слабой отрицательной магнитной восприимчивастью (слабо отталкиваются магнитом) - диамагнитными. Некоторые минералы, содержащие железо, приобретают магнитные свойства только после прокаливания в востановительных условиях, другие проявляют их лишь под воздействием эл. поля (пирит). Магнитность мелких зерен минерала проверяют притяжением их к магниту.

Оптические свойства минералов.

Цвет.

  Минералы могут иметь самые различные цвета и оттенки. Одни минералы обладают постоянным цветом (азурит - синий, киноварь - кроваво-красный, магнетит - черный), другие (кварц) могут быть различно окрашенными или бесцветными.

Цвет минералов в куске.

Окрас минералов подразделяется на 3 типа:

1. Идеохроматические окраски (собственные), вызванные содержанием хромофоров или структурными факторами, например дефектами в структуре минералов.
2. Аллохроматические окраски, вызванные наличием механических примесей, обычно микровключений других минералов. Например, буро-коричневый авантюрин - кварц, содержащий тонкорассеянные чешуйки железной слюдки - гематита Fe₃O₄.
3. Псевдохроматические окраски, связанные с рассеянием света, интерференцией световых волн (побежалость, иризация, опалесценция).

  На поверхности некоторых минералов имеется пестроокрашенная или радужная окраска приповерхностного слоя - побежалость. Она образуется чаще в результате окисления минералов. Пестрая побежалость синевато-голубоватых оттенков свойственна минералам, содержащим в составе медь. Красновато-коричневая, минералам, содержащим в своём составе железо (пирит).

Цвет минерала в порошке. Черта.

  У некоторых минералов цвет их в порошке отличается от цвета в куске. Например, пирит в куске соломенно-желтый, в порошке - зеленовато-черный. Чтобы получить порошок определяемого минерала, достаточно провести им по шероховатой поверхности фарфоровой пластинки (неглазурованной), на которой минералы, имеющие твердость не более 6 по шкале Мооса, оставляют порошкообразный след в виде черты.

Блеск.

  Блеск минерала обусловлен отражением от поверхности граней кристалла или излома. Тип и интенсивность блеска зависит, в основном, от характера поверхности и показателя преломления. По блеску минералы делятся на две группы:

1. Минералы с металлическим и металловидным блеском. При этом металлический, напоминает блеск свежего металла, а металловидный - блеск потускневшей поверхности металла. Характерные примеры минералов с металлическим блеском: пирит, галенит. Пример минералов с металловидным блеском: графит, сфалерит. Металлический и металловидный блеск присущ непрозрачным самородным металлам (золото, серебро, медь и др.), многим сернистым соединениям (галенит, халькопирит и др.) и окислам металлов (магнетит, пиролюзит и др.).

2. Минералы с неметаллическим блеском. Неметаллический блеск характерен для свелоокрашенных, зачастую прозрачных минералов. Неметаллический блеск различается:

• Алмазный. Самый сильный блеск, характерен для минералов - с высоким показателем преломления. Примеры: алмаз, киноварь.
• Стеклянный. Напоминает блеск от поверхности стекла. Неметаллический блеск присущ прозрачным минералам. Характерен для минералов с невысоким показателем преломления. Примеры: кальцит, кварц.
• Жирный. Блеск, как от поверхности покрытой пленкой жира. Такой блеск обусловлен взаимным гашением отраженных лучей света от неровной поверхности минерала. Примеры: нефелин, самородная сера.
• Перламутровый. Напоминает радужные переливы перламутровой поверхности морской раковины. Характерен для минералов с весьма совершенной и совершенной спайностью. Примеры: слюда, гипс.
• Шелковистый. Присущ минералам с волокнистым строением. Примеры: асбест
• Матовый или тусклый. Наблюдается и минералов с очень тонкошероховатой поверхностью излома. Примеры: кремень, глина.

  У некоторых минералов блеск на гранях кристаллов и на изломе различный. Так, например, у кварца на гранях блеск стеклянный, а на изломе — жирный. Тонкие плёнки на несвежей поверхности и налёты посторонних веществ также резко изменяют блеск минерала.