Физико-химические свойства минералов

Для определения минералов существует множество способов как инструментальных, так и не инструментальных. Макроскопические методы исследования включают определение минералов по их физическим свойствам и внешним признакам, т.е. по морфологическим особенностям.

1. Цвет минералов

Природа окраски минерала может быть различной, но во всех случаях она вызывается наличием элементов-хромофоров (красителей) – Cr, Cu, Co, Ni, Fe, V, W и т.д. Цвет минералов для некоторых из них является определяющим признаком. Для большинства же – не является.

Малахит – всегда зеленый цвет (окраска Cu);

Родонит – розовый (Mn²⁺);

Сера - соломенно-желтая;

Рубин - красный;

A₂S₃ – аурипигмент ( от латинского «золотая краска») – ярко желтого цвета;

Лазурит

Азурит сложные силикаты – синего, голубого цвета;

Fe₂O₃ – гематит (с греческого «гемо» - кровь) – от черного до ярко красного цвета;

H₂S – киноварь (с индийского «кровь дракона») – темно красного цвета

Однако цвет минерала в большинстве случаев не является постоянным признаком, поскольку разные по составу минералы могут иметь одинаковую окраску: розовый – кварц и галит. Тогда как флюорит СaF₂ может приобретать синий, голубой, зеленый, фиолетовый, желтый и др. цвета; турмалин – в разных частях кристалла разного цвета.

Наличие на поверхности минерала тонкой пленки, цвет которой отличается от цвета самого минерала, называется побежалостью. Она появляется вследствие, например, окисления поверхностных слоев минерала. Желтая или пестрая побежалость свойственна халькопириту CuFeS₂, а темно-синяя – антимониту Sb₂S₃.

2. Цвет черты – цвет минерала в тонком порошке (размер зерен до 0,1мм). Для определения этого свойства проводят минералом черту на неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквите) при твердости минерала до 6, а если твердость последнего больше 6, - то по растертому в агатовой ступке порошку. По сравнению с окраской минерала цвет черты является более постоянным признаком.

Цвет черты может совпадать с цветом минерала: киноварь – красный, магнетит – черный, лазурит – синий или голубой; или отличаться: табл. 14.1.

Таблица 14.1 – Диагностические признаки минералов по их цвету

3. Блеск. Падающий на минерал свет частью преломляется и входит в кусок, частью – поглощается, а частично – отражается поверхностью, что и обусловливает блеск минерала. Между отражательной способностью (R) и показателем преломления (N) существует связь : .

По характеру блеска минералы принято делить на две группы:

1. Минералы с металлическим блеском (N>3) – в основном, непрозрачные минералы, дающие черную черту; исключение – самородные минералы (золото, серебро, медь, халькопирит – имеют цветную черту). К этой же группе относят минералы, обладающие полуметаллическим блеском (блеск потускневшего металла, N=2,6..3,0) – ильменит FeTiO₃, графит, магнетит, роговая обманка.

2. Минералы с неметаллическим блеском. Они обычно прозрачны или полупрозрачны и дают большей частью

- алмазный (N=1,9..2,41) – алмаз, сфалерит, киноварь, циркон ZrSiO₄, рутил TiO₂, касситерит;

- стеклянный (N=1,3..1,9) – горный хрусталь, флюорит, полевые шпаты, корунд, многие сульфаты и карбонаты;

- перламутровый – характерен для минералов с хорошей спайностью, где он наблюдается на плоскостях спайности: тальк, мусковит, кальцит, гипс;

- жирный – поверхность как бы смазана жиром или парафином – тальк, галит, сера (в изломе), нефелин, кварц (в изломе); - смолистый – тот же тип, что и жирный, но для темноокрашенных минералов;

- шелковистый – у минералов тонковолокнистого строения: хризотил-асбест, гипс, селенит;

- восковый – характерен для скрытокристаллических или аморфных минералов (халцедон, опал, нефрит);

- матовый – у минералов тонкозернистого строения – за счет рассеивания лучей в различных направлениях (каолинит, мел).

Чтобы отличить, например, алмазный блеск от сильного металлического, полезно поместить рядом образцы сфалерита (бурый цвет, алмазный блеск) и галенита (свинцово-серый цвет, металлический блеск).

4. Спайность – способность минерала раскалываться или расщепляться по определенным плоскостям с образованием зеркально-гладких поверхностей. Спайностью обладают только кристаллические вещества, т.к. это свойство связано с особенностями структуры кристаллической решетки – оно проявляется в направлениях наименьшей силы сцепления между плоскими сетками решетки. Поэтому плоскости спайности всегда ориентированы параллельно существующим или возможным граням кристалла.

По степени совершенства различают следующие виды спайности:

1. Весьма совершенная – расщепление вещества всегда в одном направлении на чешуйки с сильным перламутровым блеском (гипс, слюда, тальк, графит).

2. Совершенная – минерал колется при слабом ударе по определенным направлениям, образуя ровные поверхности на множество правильных кристаллов:

- на брусочки или пластинки параллельно пинакоидальным граням – полевые шпаты (по второму (010) и третьему пинакоиду (001)),

- в трех направлениях по ромбоэдру (101^-1) – у кальцита, по кубу (100) – у галита,

- в четырех направлениях по граням октаэдра,

- в шести направлениях по граням додекаэдра (ZnS).

3. Средняя спайность – при расколе образуются как ровные спайные поверхности, так и неровные поверхности излома: полевые шпаты, роговая обманка.

4. Спайность несовершенная – ровные спайные поверхности редки, при ударе минерал раскалывается на куски случайной формы (оливин, апатит, сера, гематит, халькопирит).

5. Весьма несовершенная спайность – при ударе неправильные поверхности излома (кварц).

Минералы, не имеющие спайности или имеющие несовершенную спайность, раскалываются по неровным плоскостям излома.

По характеру этих поверхностей, излом в минералах может быть неровный (самородная сера, апатит), ступенчатый (полевые шпаты), занозистый – поверхность наструганной доски (асбест, селенит), раковистый – для минералов со скрытокристаллическим строением и без спайности (опал, кварц, халцедон), землистый (каолин, боксит, пиролюзит), зернистый – видны зерна, слагающие агрегат (мрамор, ангидрит, апатит, магнетит) и др.

5. Твердость минерала характеризует его способность сопротивляться вдавливанию в него других твердых тел или царапанию. В лабораторных условиях абсолютную величину твердости определяют на твердомерах.

В минералогической практике обычно пользуются относительной твердостью, применяя при этом метод царапания.

С этой целью используется особая шкала твердости Мооса (австрийский минеролог), состоящая из 10 минералов-эталонов, твердость которых обозначается условно целыми числами. При этом минералы в шкале расположены таким образом, что каждый последующий минерал процарапывает все предыдущие.

Следует помнить, что порядковый номер минерала шкалы Мооса не означает, во сколько раз один минерал тверже другого. Так, например, твердость алмаза по шкале Мооса равна 10, кварца 7, а талька 1. В то же время кварц тверже талька в 3500 раз, а алмаз тверже кварца в 1150 раз

Если шкалы Мооса нет, можно приблизительно определение твердости минерала произвести, используя для этого следующие предметы (твердость в скобках): графит в карандаше (1), ноготь (2..2,5), медная монета (3..3,5), оконное стекло (5..5,5), перочинный нож (4,5..5,5), стальной нож (6,5..7,0).

Если в результате царапания получается черта, которая сохраняется после стирания пальцем, то испытуемый минерал мягче минерала-эталона.

Таблица 14.2 – Шкала Мооса

6. Плотность

Лед (0,916 г/см³) – самый легкий минерал; осмистый иридий и иридистый осмий (соответственно 21,5 и 22,5 г/см³) – самые тяжелые.

Рука человека привыкла к плотности камня, слагающего земную кору – 2,74г/см³.

Минералы по плотности условно делятся на 3 группы:

1 – легкие (до 2,5 г/см³) – гипс, сера, галит;

2 – средние (2,5-4,0 г/см³) – кварц, полевые шпаты, кальцит, доломит;

3 – тяжелые (более 4,0 г/см³) – барит, гематит, магнетит, галенит, самородные металлы платина, серебро, медь, золото.

7. Другие диагностические свойства минералов

- Магнитность минерала устанавливают с помощью магнитной стрелки. Характерна для (наиболее сильно) магнетита FeFe₂O₄, пирротина Fe_(1-x)S).

- Радиоактивность – определяется с помощью счетчика Гейгера.

- Отношение минерала к химическим реактивам:

Вскипание от капли 5% HCl характерно для карбонатов СаСО₃+ HCl=СаCl₂+Н₂О+СО₂. При этом карбонат вскипает на холоде в куске, сидерит – также, и, кроме того, капля кислоты окрашивается в зеленый цвет. В то же время магнезит MgСО₃ реагирует только при нагревании, а доломит СаMg(СО₃)₂ – только в порошке.

- Растворимость в воде – каменная соль NaCl, сильвин KCl.

- Пироэлектричество (пироэффект) – появление электрических зарядов на поверхности кристаллов при их нагревании или охлаждении. Оно наблюдается в кристаллах-диэлектриках по определенным направлениям, которые являются одновременно и полярными и единичными. К ним относится 10 видов симметрии без центра инверсии, осей и плоскостей, расположенных косо или перпендикулярно относительно вертикальной оси.

Существует и обратный эффект, называющийся калориметрическим, который заключается в изменении температуры кристалла при изменении приложенного к нему электрического поля.

Пироэлектрические кристаллы улавливают и регистрируют самые ничтожные колебания температуры (до 10^-9оС). С помощью таких кристаллов удается принимать невидимое глазом инфракрасное излучение, которое нагревает кристалл (меняет заряд на его концах и это изменение регистрируется на счетчике или экране). Пирокристаллы также находят применение в качестве датчиков ударных волн, измерителей напряжения, ячеек памяти и для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую (в солнечных батареях).

Открыто пироэлектричество на кристаллах турмалина (старинное название «теплопритягатель»). В настоящее время используют искусственные кристаллы, например титанат бария BaTiO₃.

- Пьезоэлектричество. Наиболее подробно явления пьезоэлектричества изучено на кристаллах кварца (SiO₂) – тригональная сингония, аксиальный вид симметрии L₃3L₂. В кварце оси L₂ являются полярными. Полярными называются направления, которые не связанны друг с другом элементами симметрии. Естественно, это будут те виды симметрии, которые не имеют центра симметрии.

При сжатии кристалла (рис.14.5) кварца вдоль одной из двойных осей, на поверхности вертикальной грани возникнут электрические заряды; при растяжении – знак зарядов меняется. Если быстро чередовать растяжение и сжатие, т.е. возбудить в кристалле механические колебания, то также быстро будут сменяться электрические заряды, а, следовательно, возникнут электромагнитные колебания. Прямой пьезоэффект используются в зажигалках, микрофонах, телефонах, в датчиках для измерения давления в стволах орудий при выстреле и т.д.

Рисунок 14.5 - Возникновение пьезоэффекта в кристаллах

В настоящее время в технике используются как прямой пьезоэффект (превращение механической энергии в электрическую), так и обратный. Если воздействовать на кристалл электрическим полем, то он деформируется, т.е. электрическая энергия преобразуется в механическую, а если воздействовать электромагнитными колебаниями, то возникнут механические колебания – это звук или ультразвук.

Обратный эффект используется в конструкции эхолота – прибора, позволяющего измерять глубину моря и отыскивать подводные препятствия, в т.ч. подводные лодки (изобретен во время 2-й Мировой войны). В эхолоте пьезопластинка, при наложении на нее электромагнитных колебаний, излучает ультразвуковые волны, которые доходят до дна или препятствия, отражаются и возвращаются обратно; фиксирующие приборы эхолота улавливают отраженную волну как эхо и позволяют рассчитать расстояние до объекта.

Сначала применяли только кварц; в настоящее время изготавливают поликристаллы необходимой формы из титаната бария. В процессе синтеза или кристаллизации поликристаллическую массу помещают в электрическое поле. При этом кристаллики выстраиваются ориентированно по полю. При застывании формируется пьезоэлектрическая текстура, т.е. поликристаллическая масса ведет себя как один большой кристалл.