Лекция Физические свойства минералов
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-29Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Авторы: Лабекина И. А., Гаврилов В. И., Середнев М. А., Никитин А. А.
Физические свойства минералов
Учебное пособие дает представление об основных физических свойствах минералов, таких как спайность, твердость, цвет, плотность и др., необходимых для макроскопического определения минералов. Свойства проиллюстрированы на примере экспонатов геологического музея НГУ.
Физические свойства минералов имеют существенное значение для их макроскопической диагностики. Свойства минерала зависят от его строения и химического состава. Главнейшими физическими свойствами являются цвет, блеск, плотность, твердость, спайность и т. д.
Цвет – способность минерала отражать или пропускать через себя ту или иную часть видимого спектра.
Цвет минерала может быть обусловлен:
- наличием в его структуре элементов-хромофоров (Cu, Fe, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni и др.);
- дефектами кристаллической решетки;
- примесями, как изоморфными, т. е. входящими в структуру минерала, так и механическими.
Элементы-хромофоры могут окрашивать минералы в разные цвета в зависимости от их валентности, концентрации, присутствия других химических элементов и соединений и пр.
Fe3+ – красно-бурый ( сидерит Fe CO3, лимонит Fe2O3 n H2O, гидрогётит FeOOH n H2O)
Fe2+ – зеленый ( анапаит Ca2Fe2+[PO4]2 4H2O)
Mn3+ – розовый ( родонит Ca Mn4v [Si3O9])
Cr3+ – зеленый ( уваровит Ca3Cr2[SiO4]3) и красный ( рубин Al2O3), в зависимости от содержания окиси хрома
Cr6+ – оранжевый ( крокоит Pb [CrO4])
Cu2+ – зеленый ( малахит Cu2[CO3]2 OH2) и синий ( азурит Cu3[CO3]2 OH2), в зависимости от количества кристаллизационной воды
Co2+ – розовый ( эритрин Co3[AsO4]2 8H2O)
Ni2+ – зеленый и желтый ( гарниерит Ni [Si4O10] (OH)4 4H2O)
V3+ – зеленый ( смарагдит Ca2(Mg, Fe2+)5[Si8O22]OHv2)
Ti4+ – синий ( сапфир Al2O3), в присутствии ионов гидроксила и наличии железа
Дефектами кристаллической структуры обусловлена, например, голубая и синяя окраска галита (NaCl), возникающая в результате радиоактивного облучения K40, Rb87.
Примером окраски минерала механической примесью другого вещества может служить зеленый кварц ( празем ), цвет которого обусловлен мельчайшими включениями чешуек зеленого хлорита или иголочек актинолита. Механическая примесь гематита часто вызывает красную или бурую окраску минералов, например галита и сильвина, агатов .
В отдельных случаях окраска минерала может быть вызвана иризацией и побежалостью.
- Иризация – цветной отлив на гранях или плоскостях спайности некоторых минералов (например, лабрадор), обусловленный наличием тонких включений или трещин, вызывающих интерференцию лучей света.
- Побежалость – цветная пленка на слегка окислившейся поверхности минерала (халькопирит, борнит).
При описании минералов обычно используется физическая шкала цветов в сочетании с бытовой.
- Физическая шкала: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый; дополнительно: белый, серый, черный, пурпурный, коричневый.
- Бытовая шкала объединяет хорошо знакомые всем цвета: вишневый, яблочный, медовый и пр. Эти цвета часто применяют для уточнения оттенка цвета минерала, например вишнево-красный, оловянно-белый , латунно-жёлтый , соломенно-желтый и т.п.
Цвет черты – цвет минерала в порошке на белом фоне. Для определения цвета черты используют неглазурованную поверхность фарфора (бисквит). По сравнению с окраской минералов цвет черты является более постоянным, вследствие чего имеет важное диагностическое значение.
Минералы с металлическим блеском, как правило, имеют черную черту с разными оттенками, минералы со стеклянным блеском – белую, реже слабоокрашенную. Цвет минерала часто не совпадает с цветом его черты.
Пример:
пирит – цвет минерала соломенно-желтый, черта черная
халькопирит – цвет минерала латунно-желтый, черта черная с зеленоватым оттенком
гематит – цвет минерала стально-серый, черта вишнево-красная
магнетит – цвет минерала черный, черта черная
актинолит – цвет минерала зеленый, черта белая
Блеск – способность минерала отражать свет. Интенсивность и характер блеска зависит от показателя преломления (N), отражательной способности (R) и характера поверхности, от которой отражается свет. При условии, что свет отражается от ровной гладкой поверхности (грани, плоскости спайности), выделяют следующие типы блеска по возрастанию яркости:
- стеклянный – характерен для прозрачных и полупрозрачных минералов (N = 1,3–1,9; R < 15 %). Большинство минералов имеют именно этот блеск.
- алмазный – N = 1,9–2,6; R = 15–19 %, встречается значительно реже (алмаз, сфалерит, киноварь);
- полуметаллический – N = 2,6–3,0; R = 19–26 % (магнетит);
- металлический – характерен для непрозрачных минералов, N > 3,0; R > 26 %, например, пирит
Кроме основных типов блеска выделяют:
- жирный – у минералов со стеклянным и алмазным блеском на скрытобугорчатой поверхности излома (кварц, нефелин);
- восковый – у скрытокристаллических масс и твердых гелей (кремни, опал);
- матовый – у пористых тонкодисперсных масс (мел, каолин, лимонит).
У минералов, обладающих явно выраженной ориентировкой элементов строения, возникает отлив:
- шелковистый – в минералах с параллельно-волокнистым строением (асбест, селенит);
- перламутровый – у прозрачных минералов с весьма совершенной спайностью (мусковит, гипс).
Прозрачность – способность минерала пропускать через себя свет. Оценивается на качественном уровне путем просмотра минерала на просвет. По степени прозрачности минералы условно делят на:
- прозрачные – хорошо пропускают свет. Видны внутренние дефекты (трещины, включения);
- полупрозрачные – просвечивают в тонких осколках или шлифах;
- непрозрачные (как правило, минералы с металлическим блеском)
Спайность – способность минерала раскалываться по определенным кристаллографическим направлениям с образованием гладких параллельных поверхностей, называемых плоскостями спайности. Спайность обусловлена внутренней структурой минерала и не зависит от внешней формы кристалла или зерна минерала.
Спайность в минерале проходит по направлениям, параллельным плоским сеткам с максимальной ретикулярной плотностью атомов, но наиболее слабо связанным между собой.
Чтобы охарактеризовать спайность определяют:
- степень ее совершенства;
- простую форму, по которой кристалл раскалывается;
- в некоторых случаях указывают угол между плоскостями спайности.
Степень совершенства спайности определяют по следующей условной шкале:
- весьма совершенная – минерал легко раскалывается или расщепляется на тонкие пластинки или листы (минералы со слоистой структурой: слюды, графит и пр.);
- совершенная – кристаллы колются на более толстые пластинки, бруски с ровными поверхностями (кальцит, галенит);
- средняя – поверхность скола не всегда ровная и блестящая (полевые шпаты);
- несовершенная – обнаруживается с трудом, поверхность скола неровная (апатит, нефелин).
Ряд минералов не имеет спайности (магнетит и т. д.).
В зависимости от простой кристаллографической формы кристалл может раскалываться по одному, двум, трем и более направлениям:
- по пинакоиду – одно направление
- по ромбической или тетрагональной призме – два;
- по гексагональной призме, ромбоэдру и кубу – три;
- по октаэдру – четыре;
- по ромбододекаэдру – шесть.
Отдельность – расколы кристаллов по плоскостям их физической неоднородности. Плоскостями отдельности могут быть:
- плоскости срастания двойников (например, корунд )
- поверхности зон и секторов роста кристаллов;
- плоскости мельчайших включений других минералов.
В отличие от спайности отдельность проявляется по всему кристаллу, расколы в случае отдельности более грубые и четкие.
Излом – раскол минерала в направлениях, где нет спайности. Различают изломы:
- ровный
- неровный
- ступенчатый
- крючковатый
- занозистый
- раковистый
Твердость – степень сопротивления минерала механическому воздействию (давлению, сверлению, царапанию, шлифованию и т.п.) В обычной минералогической практике определяют относительную твердость путем царапанья одного минерала другим. Для этого используют шкалу Мооса, в которой имеется 10 эталонных минералов, пронумерованных в порядке увеличения твердости:
| относит. тверд. | минералы | твердость кг/мм2 |
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | Тальк Гипс Кальцит Флюорит Апатит Полевой шпат Кварц Топаз Корунд Алмаз | 2,4 36 109 189 536 795 1120 1427 2060 10060 |
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:
- Легкие, плотность до 3,0 г/см3
- Средние, от 3,0 до 4 г/см3
- 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:
- Методом вытеснения жидкости, т. е. путем взвешивания образца и измерения объема вытесненной им воды в сосуде. Так называемый весовой метод.
- 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:
Для иллюстрации рассчитаем плотность галита; его ячейка содержит 4NaCl и представляет собой кубическую элементарную ячейку с а = 0,564 нм:
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:
- Спайность весьма совершенная проявляется в способности кристалла расщепляться на тонкие пластинки. Получить излом иначе, чем по спайности в этих кристаллах чрезвычайно трудно (слюда, молибденит).
- 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).
- Спайность средняя характеризуется тем, что на обломках кристаллов отчетливо наблюдаются как плоскости спайности, так и неровные изломы по случайным направлениям (полевые шпаты, пироксены).
- Спайность несовершенная обнаруживается с трудом при тщательном осмотре неровной поверхности скола минерала (апатит, касситерит).
- 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.
| тв. | эталонный минерал | тв. | эталонный минерал |
| 1 | Тальк Mg3[Si4O10](OH)2 | 6 | Ортоклаз K[AlSi3O8] |
| 2 | Гипс Ca[SO4]*2H2O | 7 | Кварц SiO2 |
| 3 | Кальцит Ca[CO3] | 8 | Топаз Al2[SiO4](F, OH)2 |
| 4 | Флюорит CaF2 | 9 | Корунд Al2O3 |
| 5 | Апатит Ca5[PO4]3(F, Cl) | 10 | Алмаз C |
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:
| Тальк | 2,4 | Полевой шпат | 795 |
| Гипс | 36 | Кварц | 1120 |
| Кальцит | 109 | Топаз | 1427 |
| Флюорит | 189 | Корунд | 2060 |
| Апатит | 536 | Алмаз | 10060 |
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).
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.
