Физические свойства минералов, их природа и зависимость от химического состава и структуры.

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).

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.

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

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.

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).

Твердость кристаллов иногда неодинакова на разных его гранях или направлениях (анизотропия свойств). При определении абсолютной твердости (кг/мм2), учитывая анизотропию даже у минералов кубической сингонии, строят «розетки твердости».

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

Удельный вес может быть точно замерен в лабораторных условиях различными методами; приблизительное суждение об удельном весе минерала можно получить путем сопоставления его с распространенными минералами, удельный вес которых принимается за эталон. Все минералы можно разделить по удельному весу на три группы: легкие — с уд. весом меньше 3 (галит, гипс, кварц и др.); средние — с уд. весом порядка 3—5 (апатит, корунд, сфалерит, пирит и др.); тяжелые — с уд. весом больше 5 (киноварь, галенит, золото, касситерит, серебро и др.). 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.

Хрупкость, ковкость, упругость. Под хрупкостью в минералогической практике подразумевается свойство минерала крошиться при проведении черты ножом или иглой. Противоположное свойство — гладкий блестящий след от иглы (ножа) — свидетельствует о свойстве минерала деформироваться пластически. Ковкие минералы расплющиваются под ударом молотка в тонкую пластинку, упругие способны восстанавливать форму после снятия нагрузки (слюды, асбест).

Магнитность. Некоторые минералы характеризуются ярко выраженными ферромагнитными свойствами, т. е. притягивают к себе мелкие железные предметы — опилки, булавки (магнетит, никелистое железо). Менее магнитные минералы {парамагнитные) притягиваются магнитом (пирротин) или электромагнитом; наконец, имеются минералы, которые отталкиваются магнитом, — диамагнитные (самородный висмут). Испытание на магнитность производится с помощью свободно вращающейся магнитной стрелки, к концам которой подносится испытуемый образец. Так как число минералов, обладающих отчетливыми магнитными свойствами, невелико, то этот признак имеет важное диагностическое значение для некоторых минералов (например, магнетита).

Радиоактивность.

Способностью к самопроизвольному альфа, бета- и гамма излучению характеризуются все минералы, содержащие в своем составе радиоактивные элементы — уран или торий. В породе радиоактивные минералы часто бывают окружены красными или бурыми каемками, и от зерен таких минералов, включенных в кварц, полевой шпат и др., расходятся радиальные трещинки. Радиоактивное излучение действует на фотобумагу.

Другие свойства.

Для диагностики в полевых условиях имеют значение растворимость минералов в воде (хлориды) или кислотах и щелочах, частные химические реакции на отдельные элементы (Реакция с HCl важна для диагностики карбонатов, с молибденово-кислым аммонием — для фосфатов, с KOH — для талька и пирофиллита и т. д. (см. рубрику «Диагностика» в описаниях конкретных минералов), окрашивание пламени (например, минералы, содержащие стронций, окрашивают пламя в красный цвет, натрий — в желтый).

Некоторые минералы при ударе или разломе издают запах (так, арсенопирит и самородный мышьяк испускают характерный чесночный запах) и т. д.

Отдельные минералы определяются на ощупь (например, тальк на ощупь жирный).

Поваренная соль и другие солевые минералы легко узнаются на вкус.

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.