Какие физические свойства минералов определяются визуально
Что такое минерал? Под этим термином чаще всего понимают твердые соединения, образовавшиеся в земной коре и формирующие горные породы. Большинство драгоценных камней, таких как алмазы, рубины, изумруды, являются минералами, к таким элементам также относятся самородное золото и серебро. Какими характеристиками обладают минералы и от чего зависят их качества?
Что такое минерал?
Минерал – это однородное химическое соединение или химический элемент, который может находиться в любом агрегатном состоянии, но чаще всего в твердом. Из минералов складываются горные породы, которые бывают полиминеральным и мономинеральными, т. е. состоящими из одного или нескольких минералов. Также минералы входят в состав метеоритов.
Науки, изучающие природные минералы, называются минералогия и геология. На сегодняшний день зафиксировано 5336 минералов, ежегодно ученые открывают десятки новых видов, которые утверждаются Международной минералогической ассоциацией. Большинство из них довольно редки, в земной коре часто встречается только 100–150.
Минералы образуются в результате природных эндогенных и экзогенных процессов:
- магматогенные – образовались из магматических расплавов;
- гидротермальные – кристаллизовались из остывающих гидротермальных растворов;
- пневмалитовые – кристаллизировались из паров, минуя жидкое агрегатное состояние;
- метаморфические – сформировались путем преобразования из других пород;
- экзогенные – образовались под воздействием внешней среды.
Какие минералы существуют согласно химической классификации?
Международная минералогическая классификация предложила классифицировать минералы согласно их структурной основе. Данная классификация была утверждена в 2009 году, и основным критерием деления является происхождение – органическое или неорганическое.
Золото необработанное
В таблице представлена классификация неорганических минералов:
| Класс | Описание | Примеры минералов |
| Самородки | Минералы, которые являются химическими веществами, не связанными в соединения. | Благородные металлы: золото, серебро, платина. Металлы: железо, медь, свинец. Неметаллы: алмаз, графит, сера. |
| Карбиды, нитриды, фосфиды | Соединения, куда, кроме металла или неметалла, входит углерод, азот или фосфор. | Карборунд, цементит. |
| Сульфиды и сульфосоли | Соединения, куда входят сера, селен, мышьяк и теллур. Представляют интерес как руды цветных металлов и особенно золота. | Пирит, халькопирит, галенит, сфалерит, арсенопирит, леллингит. |
| Галогениды | Минералы, в которых присутствуют вещества из 17 группы периодической таблицы (галогениды). Используются не только в металлургической промышленности, но и в пищевой. | Флюорит, криолит. |
| Окислы и гидроокислы | Один из самых распространенных классов в земной коре. Диоксид кремния составляет 12% от всех минералов. Представляют собой соединения металлов и неметаллов с кислородом. | Корунд, шпинель, гематит, гетит, лимонит, сапфир, рубин, аметист, агат, гелиотроп, горный хрусталь. |
| Оксисоли | Соли иодноватой, азотной, угольной, серной, хромовой, ортоборной кислоты, а также силикаты и алюмосиликаты. | Полевой шпат, кварц, слюда, гранат, топаз, циркон, турмалин. |
Согласно минералогической классификации к органическим видам относят оксалаты, меллитаты, ацетаты, например дашковаит и степановит. Нефть, асфальт и битум, которые ранее входили в этот перечень, теперь из него исключены.
Какими физическими свойствами обладают минералы?
Физические свойства минералов позволяют составить их описание и классифицировать каждый вид. Минералы обладают рядом важнейших характеристик, по которым их также можно классифицировать. Эти показатели различаются в зависимости от класса вещества, его химического строения. Выделяют механические, оптические, тепловые и электрические свойства минералов.
Механические характеристики
К механическим свойствам минералов относятся:
Графит
- Твердость – особая способность сопротивляться внедрению другого тела. Определяется по 10-балльной шкале Мооса. Значение 1 принадлежит тальку и графиту, которые являются самыми мягкими минералами. Первенство принадлежит алмазу, лишь немногим ему уступают сапфир и рубин. Золото и серебро – довольно мягкие металлы и находятся в начале шкалы, их твердость равна 3.
- Хрупкость – свойство разрушаться без деформаций. На первый взгляд, хрупкость – противоположность твердости, но такое впечатление ошибочно. Например, алмаз является самым твердым минералом, но при этом он довольно хрупкий.
Полевой шпат
- Спайность – способность кристалла раскалываться в определенных направлениях. Бывает весьма совершенной и совершенной, при которой минерал с легкостью расщепляется на тонкие пластины (слюда, полевой шпат, ортоклаз, каменная соль), средней и несовершенной, когда спайность практически отсутствует (корунд, золото, платина).
- Плотность – масса единицы объема вещества. Также существует понятие удельной плотности, при которой измеряется отношение плотности минерала к плотности воды. Наибольшее значение имеют металлы и самородки.
Каолинит
- Излом – форма поверхности при расколе кристалла. Часто зависит от спайности. Бывает занозистым (тальк), землистым (каолинит), зернистым (гранит, базальт), раковистым (обсидиан), ступенчатым (полевой шпат), шероховатым (известняк), крючковатым (медь, серебро, золото).
- Побежалость – радужная пленка, которая образуется на поверхности кристалла в результате окисления.
Оптические свойства
Оптические свойства играют большую роль в определении ценности кристалла. Драгоценные камни оцениваются по их оптическим качествам. Алмаз считается самым дорогим в мире как раз из-за высоких показателей блеска, преломления света, прозрачности.
Оптические свойства минералов:
- Цвет – специфический и изменчивый признак, который может варьироваться в зависимости от примесей, его определяют визуально. Некоторые минералы могут быть окрашены в разные цвета иметь разные названия в зависимости от оттенка. Самым ярким примером является корунд. Примесь хрома придает корунду красный оттенок, и тогда он называется рубином. Титан и железо придают ему синий цвет, и такой корунд именуется сапфиром.
Бирюза
- Блеск – отражение светового потока от поверхности. Бывает стеклянным (кварц, гипс, изумруд, рубин), алмазным (алмаз, циркон), металлическим (серебро, золото, пирит, халькопирит, гематит), восковым (кремень, сердолик, бирюза), матовым (мел, агат), жирным (сера, тальк).
- Цвет черты – цвет минерала, измельченного в порошок. Может совпадать с цветом самого минерала или отличаться. Например, у желтого пирита черта зеленовато-черная. Не все минералы оставляют черту. Если они тверже 7 по шкале Мооса, то считается, что цвета черты у них нет.
- Преломление – изменение направления луча света при прохождении через кристалл. Некоторые минералы имеют высокую степень преломления, поэтому используются в оптике.
Дисперсия алмаза
- Дисперсия – разложение света на цвета спектра. Благодаря дисперсии мы наблюдаем игру света на гранях драгоценных камней.
Тепловые и электрические
Теплопроводность – это способность тел проводить тепло от более нагретых объектов к менее нагретым. Все минералы обладают теплопроводностью, которая может варьироваться по шкале от более высоких показателей к низким. Нулевая теплопроводность у вакуума, потому что в нем отсутствуют атомы и молекулы, которые могли бы своим движением передавать энергию. Один из самых высоких показателей у алмаза – 1001–2600 Вт/м·К, теплопроводность некоторых других веществ:
Кристалл карбида кремния
- карборунд – 490 Вт/м·К;
- золото – 320 Вт/м·К;
- железо – 92 Вт/м·К;
- кварц – 8 Вт/м·К;
- гранит – 2,4 Вт/м·К.
Электропроводность – это способность материала проводить электрический ток. Зависит от многих факторов, в том числе и от температуры. Показатели некоторых веществ:
Медь
- серебро – 62500000 См/м;
- медь – 59500000 См/м;
- золото – 45500000 См/м;
- графит – 125000 См/м.
Дополнительные свойства
К дополнительным свойствам относятся:
- Магнитность – способность вступать во взаимодействие с магнитным полем. Часто определяется наличием железа.
- Сингония – классификация кристаллических групп симметрии по структуре кристаллической решетки. Сингония бывает триклинной (родонит), моноклинной (вивианит), ромбической (фаялит), тетрагональной (анатаз), тригональной (гематит), гексагональной (берилл), кубической (алмаз).
- Люминесценция – свечение вещества под действием солнечного света, ультрафиолетовых или рентгеновских лучей. Например, алмазы светятся голубым, зеленым, желтым и красным.
Также к особым свойствам минералов можно отнести температуру плавления и теплоемкость, коэффициент трения и коэффициент сжатия. С помощью физических параметров можно дать подробную характеристику каждому минералу. Некоторые из них изучены давно и довольно подробно. Свойства редких и недавно открытых продолжают изучаться.
Определение минералов производится по физическим свойствам, которые обусловлены вещественным составом и строением кристаллической решетки минерала. Это цвет минерала и его порошка, блеск, прозрачность, характер излома и спайности, твердость, удельный вес, магнитность, электропроводность, ковкость, хрупкость, горючесть и запах, вкус, шероховатость, жирность, гигроскопичность. При определении некоторых минералов может быть использовано отношение их к 5-10 % соляной кислоте (карбонаты вскипают).
Цвет минерала
Вопрос о природе цветовой окраски минералов очень сложен. Природа окрасок некоторых минералов еще не определена. В лучшем случае цвет минерала определяется спектральным составом отражаемого минералом светового излучения или обуславливается его внутренними свойствами, каким-либо химическим элементом, входящим в состав минерала, тонко рассеянными включениями других минералов, органического вещества и другими причинами. Красящий пигмент иногда бывает, распространен неравномерно, полосами, давая разноцветные рисунки (например, у агатов).
Неравномерные полосы агата
Цвет некоторых прозрачных минералов меняется в связи с отражением падающего на них света от внутренних поверхностей, трещин или включений. Это явления радужной окраски минералов халькопирита, пирита и иризации – голубые, синие переливы лабрадора.
Некоторые минералы многоцветны (полихромные) и имеют разную окраску по длине кристалла (турмалин, аметист, берилл, гипс, флюорит и др.).
Цвет минерала иногда может быть диагностическим признаком. Например, водные соли меди имеют зеленый или синий цвет. Характер цвета минералов определяется визуально обычно путем сравнения наблюдаемого цвета с общеизвестными понятиями: молочно-белый, светло-зеленый, вишнево-красный и т.п. Этот признак не всегда характерен для минералов, так как цвета многих из них сильно варьируют.
Зачастую цвет обусловливается химическим составом минерала или наличием разных примесей, в которых присутствуют химические элементы-хромофоры (хром, марганец, ванадий, титан и др.). Механизм появления той или иной окраски на самоцветах до сих пор не всегда понятен, так как один и тот же химический элемент может окрашивать разные драгоценные камни в разный цвет: присутствие хрома делает рубин красным, а изумруд зеленым.
Цвет черты
Более надежным диагностическим признаком, чем цвет минерала, является цвет его порошка, оставляемого при царапании испытуемым минералом матовой поверхности фарфоровой пластинки. В ряде случаев цвет черты совпадает с цветом самого минерала, в других он совсем иной. Так, у киновари окраска минерала и порошка красные, а у латунно-желтого пирита черта зеленовато-черная. Черту дают мягкие и средней твердости минералы, а твердые лишь царапают пластинку и оставляют на ней борозды.
Цвет черты минералов на фарфоровой пластинке
Прозрачность
По своей способности пропускать свет минералы делятся на несколько групп:
- прозрачные (горный хрусталь, каменная соль) – пропускающие свет, через них ясно видны предметы;
- полупрозрачные (халцедон, опал) – предметы, через них плохо видны предметы;
- просвечивающие только в очень тонких пластинках;
- непрозрачные – свет не пропускают даже в тонких пластинках (пирит, магнетит).
Блеск
Блеском называется способность минерала отражать свет. Строгого научного определения понятия блеск не существует. Различают минералы с металлическим блеском как у полированных минералов (пирит, галенит); с полуметаллическим (алмазным, стеклянным, матовым, жирным, восковым, перламутровым, с радужными переливами, шелковистым).
Спайность
Явление спайности у минералов определяется сцеплением частиц внутри кристаллов и обусловлено свойствами их кристаллических решеток. Раскол минералов происходит легче всего параллельно наиболее плотным сеткам кристаллических решеток. Эти сетки наиболее часто и в наилучшем развитии проявляются и во внешнем ограничении кристалла.
Количество плоскостей спайности у разных минералов неодинаково, достигает шести, причем степень совершенства разных плоскостей может быть неодинаковой. Различают следующие виды спайности:
- весьма совершенную, когда минерал без особого усилия расщепляется на отдельные листочки или пластинки, обладающие гладкими блестящими поверхностями – плоскостями спайности (гипс).
- совершенную, обнаруживаемую при легком ударе по минералу, который рассыпается на кусочки, ограниченные только ровными блестящими плоскостями. Неровные поверхности не по плоскости спайности получаются очень редко (кальцит раскалывается на правильные ромбоэдры разной величины, каменная соль – на кубики, сфалерит – на ромбические додекаэдры).
- среднюю, которая выражается в том, что при ударе по минералу образуются изломы как по плоскостям спайности, так и по неровным поверхностям (полевые шпаты – ортоклаз, микроклин, лабрадор)
- несовершенную. Плоскости спайности в минерале обнаруживаются с трудом (апатит, оливин).
- весьма несовершенную. Плоскости спайности в минерале отсутствуют (кварц, пирит, магнетит). В то же время иногда кварц (горный хрусталь) встречается в хорошо ограненных кристаллах. Поэтому следует отличать естественные грани кристалла от плоскостей спайности, выявляющихся при изломе минерала. Плоскости могут быть параллельны граням и отличаться более «свежим» видом и более сильным блеском.
Излом
Характер поверхности, образующейся при разломе (расколе) минерала различный:
- Ровный излом, если раскол минерала происходит по плоскостям спайности, как, например, у кристаллов слюды, гипса, кальцита.
- Ступенчатый излом получается при наличии в минерале пересекающихся плоскостей спайности; он может наблюдаться у полевых шпатов, кальцита.
- Неровный излом характеризуется отсутствием блестящих участков раскола по спайности, как, например, у кварца.
- Зернистый излом наблюдается у минералов с зернисто-кристаллическим строением (магнетит, хромит).
- Землистый излом характерен для мягких и сильно пористых минералов (лимонит, боксит).
- Раковистый – с выпуклыми и вогнутыми участками как у раковин (апатит, опал).
- Занозистый (игольчатый) – неровная поверхность с ориентированными в одном направлении занозами (селенит, хризотил-асбест, роговая обманка).
- Крючковатый – на поверхности раскола возникают крючковатые неровности (самородная медь, золото, серебро). Этот вид излома характерен для ковких металлов.
Твердость
Твердость минералов – это степень сопротивляемости их наружной поверхности проникновению другого, более твердого минерала и зависит от типа кристаллической решетки и прочности связей атомов (ионов). Определяют твердость царапанием поверхности минерала ногтем, ножом, стеклом или минералами с известной твердостью из шкалы Мооса, в которую входят 10 минералов с постепенно возрастающей твердостью (в относительных единицах).
Относительность положения минералов по степени возрастания их твердости видна при сравнении: точные определения твердости алмаза (твердость по шкале равна 10) показали, что она более чем в 4000 раз выше, чем у талька (твердость – 1).
Шкала Мооса
| Минерал | Твердость |
|---|---|
| Тальк | 1 |
| Гипс | 2 |
| Кальцит | 3 |
| Флюорит | 4 |
| Апатит | 5 |
| Полевой шпат | 6 |
| Кварц | 7 |
| Топаз | 8 |
| Корунд | 9 |
| Алмаз | 10 |
Главная масса минералов имеет твердость от 2 до 6. Более твердые минералы – это безводные окислы и некоторые силикаты. При определении минерала в породе необходимо убедиться, что испытывается именно минерал, а не порода.
Удельный вес
Удельный вес изменяется от 0,9 до 23 г/см3. У большей части минералов он составляет 2 – 3,4 г/см3, рудные минералы и самородные металлы имеют наивысший удельный вес 5,5 – 23 г/см3. Точный удельный вес определяется в лабораторных условиях, а в обычной практике – «взвешиванием» образца на руке:
- Легкие (с удельным весом до 2,5 г/см3) – сера, каменная соль, гипс и другие минералы.
- Средние (2,6 – 4 г/см3) – кальцит, кварц, флюорит, топаз, бурый железняк и другие минералы.
- С большим удельным весом (больше 4). Это барит (тяжелый шпат) – с удельным весом 4,3 – 4,7, сернистые руды свинца и меди – удельный вес 4,1 – 7,6 г/см3, самородные элементы – золото, платина, медь, железо и т.д. с удельным весом от 7 до 23 г/см3 (осмистый иридий – 22,7 г/см3, платиновый иридий – 23 г/см3).
Магнитность
Свойство минералов притягиваться магнитом или отклонять магнитную стрелку компаса является одним из диагностических признаков. Сильно магнитными минералами являются магнетит и пирротин.
Ковкость и хрупкость
Ковкими являются минералы, изменяющие свою форму при ударе молотком, но не рассыпающиеся (медь, золото, платина, серебро). Хрупкие – рассыпаются при ударе на мелкие кусочки.
Электропроводность
Электропроводность минералов – это способность минералов проводить электрический ток под действием электрического поля. В противном случае минералы относятся к диэлектрикам, т.е. не проводящим ток.
Горючесть и запах
Некоторые минералы загораются от спички и создают характерные запахи (сера – сернистого газа, янтарь – ароматический запах, озокерит – удушливый запах угарного газа). Запах сероводорода появляется при ударе по марказиту, пириту, при растирании кварца, флюорита, кальцита. При трении кусочков фосфорита друг о друга появляется запах жженой кости. Каолинит при смачивании приобретает запах печки.
Вкус
Вкусовые ощущения вызывают только хорошо растворимые в воде минералы (галит – соленый вкус, сильвин – горько соленый).
Шероховатость и жирность
Жирными, слегка мажущими являются тальк, каолинит, шероховатыми – боксит, мел.
Гигроскопичность
Это свойство минералов увлажняться, притягивая молекулы воды из окружающей среды, в том числе из воздуха (карналлит).
Некоторые минералы реагируют с кислотами. Для опознавания минералов, которые по химическому составу являются солями угольной кислоты, удобно пользоваться реакцией вскипания их со слабой (5 – 10%) соляной кислотой (кальцит, доломит).
Радиоактивность
Радиоактивность может служить важным диагностическим признаком. Некоторые минералы, содержащие радиоактивные химические элементы (как уран, торий, тантал, цирконий, торий) нередко обладают значительной радиоактивностью, которую легко обнаружить бытовыми радиометрами. Для проверки радиоактивности сначала измеряют и записывают фоновую величину радиоактивности, затем к детектору прибора подкладывают минерал. Увеличение показаний более чем на 15% говорит о радиоактивности минерала. Радиоактивными минералами являются: абернатиит, баннерит, гадолинит, монацит, ортит, циркон и др.
Свечение
Светящийся флюорит
Некоторые минералы, которые сами по себе не светятся, начинают светиться при различных специальных условиях (нагревание, облучение рентгеновскими, ультрафиолетовыми и катодными лучами; при разламывании и даже царапании ). Различают следующие виды свечения минералов:
- Фосфоресценция — способность минерала светиться минуты и часы после воздействия на него определенными лучами (виллемит светится после облучения короткими ультрафиолетовыми лучами).
- Люминесценция — способность светиться в момент облучения некоторыми лучами (шеелит светится синим при облучении ультрафиолетовыми и лучами).
- Термолюминесценция — свечение при нагревании (флюорит светится фиолетово-розовым цветом).
- Триболюминесценция — свечение в момент царапания ножом или раскалывания (корунд).
Астеризм
Эффект астеризма или звездчатости
Астеризм или эффект звездчатости, присущ немногим минералам. Он заключается в отражении (дифракции) лучей света от включений в минерале, ориентированных вдоль определенных кристаллографических направлений. Лучшими представителями этого свойства являются звездчатый сапфир и звездчатый рубин.
В минералах с волокнистым строением (кошачий глаз), наблюдается тонкая полоска света, способная менять свое направление при повороте камня (переливчатость). Играющий свет на поверхности опала или сияющие павлиньи цвета лабрадора объясняются интерференцией света — смешением лучей света при их отражении от слоев упакованных шариков кремнезема (в опале) или от тончайших пластинчатых кристаллических вростков (лабрадор, лунный камень).