Физические свойства минералов. 2

     Введение 

    Внешними  признаками минералов наряду с формой их кристаллов являются их физические свойства: твердость, плотность, спайность, хрупкость, упругость, пластичность, ковкость, оптические свойства (например, окраска, цветная иризация, блеск, прозрачность, двупреломление), а также магнитные и электрические свойства и такие свойства, как вкус, запах и ощущение при прикосновении, т. е. восприятие минералов на ощупь гладкими, твердыми или шероховатыми. Все они позволяют определять минералы по их внешним признакам. 

     НЕКОТОРЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ ПО ПОВОДУ НАИБОЛЕЕ ХАРАКТЕРНЫХ  ВНЕШНИХ ПРИЗНАКОВ  ГРУППИРОВКА МИНЕРАЛОВ  ПО ЦВЕТУ 

     По  цвету среди минералов различаются  цветные, бесцветные и окрашенные (примесями  или облучением).

     Металлические окраски: серебряно-белая, латунно-желтая, шпейсово-желтая (окраска колокольной бронзы), золотисто-желтая, бронзово-желтая, медно-красная, томпаково-бурая (цвет смуглой кожи), стально-се-рая и железно-черная.

     Бесцветными являются водяно-прозрачные, чистые минералы (горный хрусталь и алмаз).

     Окрашенные  минералы — окраска вызывается минеральными примесями, включениями жидкости или газа, а также радиоактивным излучением.

     По  Бетехтину выделяются минералы —эталоны того или иного цвета, окраска  которых отлцчается наибольшим постоянством:

     ГРУППИРОВКА МИНЕРАЛОВ ПО БЛЕСКУ 

     Рудные  минералы характеризуются металлическим  блеском (галенит, пирит, халькопирит  и др.); различают также алмазный блеск (алмаз, сфалерит), стеклянный блеск (кварц на поверхностях граней, берилл, кальцит, полевой шпат и др.), жирный блеск (поверхность излома кварца, нефелина, серы и др.), перламутровый блеск (слюда, опал, гипс и др.), шелковистый блеск (асбест, халцедон, псиломелан), матовый блеск (полевые шпаты, землистый гематит, каолинит, псиломелан и др.).

     Специфические виды блеска или отлива. Опалесцен-ция (опал) — цветовые переливы в минерале, возникающие под действием падающего света, например так называемый «огонь» у огненного опала; люминесценция (фосфоресценция); флуоресценция — излучение минералом света (послесвечение), возбуждение ионов его решетки путем облучения (кварцевой лампой), нагревания или трения (флюорит, барит); цветовой отлив или металлический блик (иризация)—игра цветов на определенных плоскостях, например у анортоклаза, Лабрадора, битовнита. 

     ПРОЗРАЧНОСТЬ МИНЕРАЛОВ 

     Многие  минералы (особенно «чистые», беспримесные) прозрачны, например кварц, горный хрусталь, кристаллический гипс, алмаз, другие — мутные, просве-

     чивают, например молочный кварц, берилл, слюда. Многие рудные минералы просвечивают по краям, например сфалерит, пираргирит, и, наконец, наблюдаются абсолютно непрозрачные минералы, такие, как магнетит, хромит, галенит, золото, платина и серебро.

    Цветную или не окрашенную (бесцветную) черту  получают, царапая минералом с достаточным нажимом неглазурованную фарфоровую пластинку. Цвет оставляемой минералом черты дает нам указания на тот или иной минеральный вид.

    Так, например, лимонит (бурый железняк) дает коричневую черту, гематит (красный  железняк)—красную, магнетит (магнитный железняк)—черную. Кварц и все минералы, имеющие твердость от 7 до 10, вообще не дают черты или имеют белую (бесцветную) черту.

    Во  многих случаях цвет черты и цвет минерала сильно различаются. 

    ТВЕРДОСТЬ МИНЕРАЛОВ 

    В соответствии с химическим составом и строением кристаллической решетки минералы обнаруживают различную твердость. Алмаз, например, имеет чрезвычайно высокую твердость, а такие минералы, как графит, гипс и тальк, наоборот, очень мягкие и царапаются ногтем. Твердость минералов определяется по шкале твердости Мооса, включающей десять минералов. Каждый последующий (по твердости) минерал царапает более мягкий предыдущий, чем и задаются интервалы твердости.

    В практике используется следующее деление: минералы с твердостью от 1 до 2 царапаются ногтем, с твердостью от 3 до 5 — острием ножа, минералами с твердостью от 6 до 7 можно царапать стекло, а минералами с твердостью от 8 до 10 — резать его. 

    ПЛОТНОСТЬ МИНЕРАЛОВ 

    Измерение плотности минералов (в г/см³) весьма важно для их определения и прежде всего имеет практическое значение при подсчете запасов промышленных минеральных и рудных месторождений. Минералы с вы-сокой атомной массой (такие, как серебро, золото, платина) отличаются высокой плотностью, минералы с металлическим блеском — средней, а с неметаллическим (это большей частью породообразующие минералы) — малой плотностью.

    В последней группе в целом плотность  возрастает с увеличением твердости. 

    ПОВЕРХНОСТЬ ИЗЛОМА МИНЕРАЛОВ 

    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) или землистый (лимонит). 

    ХРУПКОСТЬ И УПРУГОСТЬ МИНЕРАЛОВ

    Минералы  ведут себя no-разному при различных механических воздействиях (раскалывании, царапании, резании или изгибании). Если порошок, образующийся при царапании минерала, разлетается в стороны, — минерал хрупкий (кварц, полевой шпат), если же порошок остается на месте, — минерал мягкий (тальк). Минерал называется ковким, если при царапании не образуется порошка (самородная медь); пластичными считаются минералы, которые можно расплющить молотком (платина, золото, серебро), гибкими- минералы, которые после изгиба остаются в изогнутом состоянии (самородная медь, самородные благородные металлы, хлорит), упругими минералы считаются в том случае, если после снятия нагрузки минерал возвращается в первоначальное состояние (мусковит, биотит).

   Под спайностью минералов понимают способность  образовывать выколки (по трещинам), ограниченные ровными плоскостями (см. табл. 1), при  механическом воздействии (удар, давление, растяжение). Поверхности спайности расположены параллельно возможным граням кристалла. Возникшие таким образом геометрически правильные тела называют спайными выколками. Спайность связывают с атомным строением — расположением атомов в кристаллической решетке. Существуют минералы с совершенной (очень хорошей), превосходной, менее отчетливой (хорошей) и плохой спайностью [В отечественной литературе принято различать весьма совершенную, совершенную, среднюю и несовершенную спайность.— Прим. перев]. Все минералы, в названия которых входит слово «шпат», обнаруживают более или менее хорошую спайность, как, например, полевой шпат, исландский шпат, бурый шпат, тяжелый шпат и др. Слюды и слюдистые минералы обладают весьма совершенной спайностью, перпендикулярной главной оси (оси с); около 50% рудных минералов имеют спайность по кубу, октаэдру или ромбододекаедру.

      БОЛЕЕ СЛОЖНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ  МИНЕРАЛОВ

     СВЕТОПРЕЛОМЛЕНИЕ 

     Преломление света в минералах изучают  с помощью поляризационного микроскопа. Встречаются минералы с высоким  показателем преломления (алмаз) и минералы, слабо преломляющие свет (кварц). Большинство минералов обладают способностью разлагать луч света на два луча, в результате чего возникает раздвоенное изображение, т. е. большинство минералов обладают свойством двупреломления. Особенно четко этот эффект проявляется у водяно-прозрачного исландского шпата. Поляризационный микроскоп, который позволяет определять двупреломление, был сконструирован специально для исследования минералов и горных пород. 

     МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА 

     У некоторых минералов более или  менее резко проявлены магнитные  свойства. В случае когда такие  минералы обладают полярным магнетизмом, их называют ферромагнитными. Важнейшими их представителями являются магнетит, титаномагнетит и пирротин. Во многих породах магнетит и титаномагнетит присутствуют в качестве распространенных акцессорных минералов [Большинство других железосодержащих минералов обладают более слабым магнетизмом — их называют парамагнитными (например, пироксены, ильменит и др.); многие минералы проявляют магнитные свойства лишь под воздействием электрического поля (например, пирит, халькопирит и др.). — Прим. перев,].

      ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

     Ряд минералов, главным образом легкорастворимые соли, можно различить на вкус, например каменная соль (соленая), карналлит (жгуче соленый), горькая соль (горькая). Другие минералы (и минеральные вещества) различаются по их специфическому запаху, например нефть, асфальт, сера. Некоторые минералы издают запах при раскалывании, например арсенопирит, который при ударе издает чесночный запах. Вонючий шпат из-за своего неприятного запаха полностью оправдывает свое название. Если подышать на глинистые породы, возникает характерный запах влажной земли. Существенна также степень шероховатости минералов, т. е. ощущение, возникающее при прикосновении к минералу. Выделяются главным образом жирные или гладкие и шершавые минералы. 

     ХИМИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ 

    Простые химические и физико-химические исследования, с помощью которых устанавливается  качественный и количественный химический состав минералов, весьма многообразны. Уже такое свойство, как растворимость, позволяет разделить мир минералов на трудно-и легкорастворимые минералы. При определении минералов по внешним признакам часто применяются простые химические испытания кислотами. Минеральное вещество, превращенное в порошок, растворяется или разлагается в кислотах. Раствор может быть бесцветным, окрашенным или мутным. Очень часто в сосуде остается нерастворимый осадок. Под действием реагента нередко выпадает хлопьевидный осадок. При этом наблюдается характерное окрашивание, особенно типичное в тех случаях, когда мы имеем дело с металлическими соединениями. Таким простым способом можно обнаружить соединения железа, никеля, меди, кобальта и др. Известен ряд качественных и полуколичественных реакций, в том числе окрашивание пламени (бунзенов-ской горелки), поведение минерального вещества при прокаливании в горячей части пламени, в закрытой или открытой стеклянной трубочке. Так, если в минерале присутствует кристаллизационная вода, как, например, в гипсе, влага в виде капель собирается в холодной части сосуда. Некоторые минералы, особенно сульфиды, при обжиге выделяют вонючие пары двуокиси серы. Мышьяксодержащие минералы (лёллингит, арсенопирит) образуют в стеклянной трубочке металлическое зеркало. Аналогично ведут себя сульфиды, содержащие сурьму. Однозначно определяются также капельки ртути на стенках стеклянной трубочки, когда этим способом исследуются минералы, содержащие ртуть.

    Дальнейшие  диагностические возможности предоставляют  реакции плавления с помощью  паяльной трубки на древесном угле с добавкой буры, соды и др. Прежде всего таким путем определяют рудные минералы, которые при плавлении оставляют специфический металлический королек или образуют некоторые химические соединения. При испытании других рудных минералов на угле в качестве продукта реакции возникает белый или цветной (обычно пылеватый) налет.

    Контроль  реакции плавления производится обычно следующим образом. Если поместить  паяльную трубку в пламя и вдувать  воздух, то возникает острое длинное  синее несветящееся окислительное  пламя. Если паяльную трубку держат возле  пламени, так что пламя при  дутье отклоняется в сторону, то пламя остается светящимся желтым — это восстановительное пламя. Раскаленный свободный углерод восстанавливает пробу минерала, когда она охвачена светящейся частью пламени.

    К числу методов реакций плавления  относится также сплавление минеральных веществ в стекловатые перлы с применением буры или соды, благоприятствующих процессу плавления. Такой способ особенно эффективен в случае тугоплавких минералов. К этим методам относится применяемый на протяжении нескольких столетий анализ с помощью паяльной трубки. Здесь не упоминаются современные детальные химико-аналитические методы, применяемые в научных лабораториях, где производится полный химический анализ минералов и определение элементов-примесей. 

     СЛОИСТЫЕ(ЛИСТОВЫЕ) СИЛИКАТЫ И АЛЮМОСИЛИКАТЫ                                           ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 

     К подклассу  слоистых (листовых) силикатов  и  алюмосиликатов относятся хорошо известные  всем вещества—тальк, слюды, глинистые минералы и др. Многие из них являются породообразующими  минералами. Так, слюды как непременный компонент входят в граниты и их пегматиты, в некоторые сланцы и гнейсы, в грейзены. Глинистые минералы являются основной составной частью кор выветривания гранитов, габбро, эффузивов и входят в осадочные горные породы (глины, мергели и др.). Ряд минералов из класса слоистых силикатов и алюмосиликатов широко используется в промышленности: это слюды-диэлектрики — мусковит и флогопит, серпентиновый огнеупорный асбест, природный смазочный материал тальк, тальковый и пирофиллито-вый сланцы как сырье для изготовления футеровки доменных печей. Издавна глины используются как строительный материал и адсорбенты (очистители в разных технических и химических производствах). Глинистые минералы никеля добываются как руда на этот металл.

     Кроме того, к  слоистым силикатам (алюмосиликатам) особой структуры и состава относятся  палыгорскит, хризоколла, датолит, пренит и некоторые другие. Они резко  отличаются по составу и свойствам  от талька, слюд, глинистых минералов.

                        КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ  

     Различают листовые силикаты (алюмосиликаты) с  простыми и сложными сетками тетраэдров. Последние являются менее распространенными  минералами.  

     Слоистые  силикаты с простыми сетками тетраэдров. Остовом  их структуры являются сетки кремнекислородных тетраэдров . Они располагаются параллельно друг другу и чередуются с плоскими сетками другого состава, образуя пакеты слоев. Установлено два главных типа пакетов: а) двухслойный 1:1 несимметричный; б) трехслойный 2:1 симметричный .

     Несимметричный  пакет типа 1:1 состоит из одной  сетки (слоя, листа) тетраэдров с общей  формулой сетки (81205)2-(ОН)~ и одной  сетки октаэдров, заполненных атомами  магния или алюминия . Если расчет состава  такого пакета вести только на одно исходное кольцо тетраэдров , получим для серпентина формулу Mg3(Si2C>5)(OH)4 . Каждый пакет имеет нулевой суммарный заряд, он скреплен с соседними (верхним и нижним) пакетами слабо, лишь остаточными (вандерваальсовыми) связями. Пакеты несколько смещены (сдвинуты) относительно друг друга. В каждом пакете Mg и А1 занимают октаэдрические позиции, располагаясь между атомами О2- и (ОН)~. В серпентине три таких октаэдра, заполненных катионами (магнием) , в каолините их два, заполненных алюминием. Очень часто отмечают, что серпентин — триоктаэдрический слоистый силикат, а каолинит—двуоктаэдрический. Эти термины широко используются.  
 
 

       Схемы главных  типов структур  слоистых силикатов  и алюмосиликатов.  

     В симметричном трехслойном пакете типа 2:1 (см. рис. 184, б) имеется два слоя тетраэдров, обращенных друг к другу вершинами, между ними в октаэдрических пустотах располагается магний или алюминий. Так трактуются структуры талька и пирофиллина Суммарный заряд магний или алюминий. Так трактуются структуры талька и пирофиллина Суммарный заряд пакетов равен нулю. Со  

       Сопоставление  структур алюминиевых  слоистых  силикатов (Zoltai, Stout, 1989).

     Пакеты скреплены  остаточными связями. Тальк —  триоктаэдрический силикат, пирофиллит — двуоктаэдрический.

     В слоистых алюмосиликатах с простыми сетками установлен один тип пакетов — симметричный трехслойный (2:1). В нем чередуются (подобно тальку и серпентину) слой тетраэдров (Si205)2-(0Н)~, слой октаэдров с магнием или алюминием, слой тетраэдров (Si20s)2~ (ОН)-. Но в каждом таком пакете часть тетраэдров (однако не более половины) занята алюминием.

       Сопоставление  структур триок-таэдрических  и двуоктаэдрических, магниевых  и алюминиевых слоистых силикатов  и алюмосиликатов.

     За  счет избыточного  заряда пакетов  между ними в структуру входит слой катионов-компенсаторов

     Это могут быть К+, Са2+, комплексный катион. В первом случае получается структура  слюд (флогопита и мусковита), во втором — структура хрупких слюд, в третьем — хлоритов. Рассмотрим структуры слюд (обычных) и хлоритов. Хрупкие слюды очень редки, поэтому их структуры описывать не будем.  

     В слюдах роль катиона-компенсатора играет К+ (натриевые слюды редки). Из структуры  талька выводится структура флогопита, из пирофиллита — структура мусковита . Флогопит — это триоктаэдрическая слюда, мусковит — двуоктаэдрическая. Калий всюду имеет координационное число 12. Он плотно упакован между ионами кислорода, так как имеет равный с ним радиус (по В. М. Гольд-шмидту): 0,133 нм у К+, 0,132 нм у О2-; соотношение RK/Ra равно 1, что идеально отвечает координационному числу 12.

     Структуры и  формулы хлоритов выводятся  из талькового пакета, роль компенсатора играет слой комплексных катионов. Если взять однозарядный пакет (7) и  катион [Mg2Al(OH)6] + , то получается кли-нохлор Mg5Al(AlSi3Oio)(OH)8.

     Таковы  основные структурные типы слоистых силикатов и алюмосиликатов с простыми сетками  тетраэдров. Легко сопоставить структуры следующего ряда минералов : каолинит —- пирофиллит — мусковит— хлорит в них в октаэдри-ческих позициях размещается алюминий. Сравнение структур двуоктаэдрических и триоктаэдрических слоистых силикатов дают пары минералов

       серпентин — каолинит, тальк —  пирофиллит, флогопит — мусковит, первые являются триок-таэдрическими,  вторые — двуоктаэдричес-кими.

     Все слоистые силикаты и алюмосиликаты имеют свои структурные разновидности за счет разного смещения (сдвига) и разворота пакетов друг относительно друга, что легко осуществляется в природе из-за малых сил связей между пакетами. В итоге получаются минералы разных сингоний — моноклинной (чаще всего), гексагональной, ромбической, тригональной, триклинной. Такие структурные разновидности слоистых силикатов называют политипами. Некоторые из них устойчивы только при определенных давлениях и температурах и образуются только в определенной химической обстановке. Политипия, как видно, является частным случаем полиморфизма.

     Кроме минералов  с указанными выше типами слоистых структур имеются и более  редкие представители этого класса минералов. Например, в природе встречаются  минералы с волнообразно изгибающимися и завернутыми по спирали слоями (некоторые серпентины и др.). Совершенно особыми по составу и структуре являются так называемые смешанослойные силикаты: они сложены чередующимися пакетами монтмориллонита и слюды, монтмориллонита и талька, хлорита и слюды и т. п.

     Слоистые  силикаты со сложными сетками тетраэдров. Имеется  достаточно много редких и относительно редких минералов  специфического состава  со сложными сетками тетраэдров. Строение этих сеток разное. Наиболее просты структуры сепио-лита и палыгорскита. В них в тетраэдрических сетках тетраэдры периодически развернуты вершинами то "вверх", то "вниз" . Структура чароита более сложна и является промежуточной между слоистой и ленточной. В датолите половина тетраэдров занята не кремнием, а бором, они развернуты в разные стороны .