Основные свойства минералов

Основные свойства минералов:

Блеск и прозрачность (металлический, полуметаллический и неметаллический - алмазный, стеклянный, жирный, восковой, шелковистый, перламутровый и др.) обусловлен количеством отражаемого от поверхности минерала света и зависит от его показателя преломления. По прозрачности минералы разделяются на прозрачные, полупрозрачные, просвечивающие в тонких осколках и непрозрачные. Количественное определение светопреломления и светоотражения возможно только под микроскопом. Некоторые непрозрачные минералы сильно отражают свет и имеют металлический блеск. Это характерно для рудных минералов, например, галенита (минерал свинца), халькопирита и борнита (минералы меди), аргентита и акантита (минералы серебра). Большинство минералов поглощают или пропускают значительную часть падающего на них света и обладают неметаллическим блеском. Некоторые минералы имеют блеск, переходный от металлического к неметаллическому, который называется полуметаллическим. Минералы с неметаллическим блеском обычно светлоокрашенные, некоторые из них прозрачны. Часто бывают прозрачными кварц, гипс и светлая слюда. Другие минералы (например, молочно-белый кварц), пропускающие свет, но сквозь которые нельзя четко различить предметы, называют просвечивающими. Минералы, содержащие металлы, отличаются от прочих по светопропусканию. Если свет проходит сквозь минерал, хотя бы в самых тонких краях зерен, то он, как правило, нерудный; если же свет не проходит, то он - рудный (но не всегда). Бывают, впрочем, и исключения: например, светлоокрашенный сфалерит (минерал цинка) или киноварь (минерал ртути) нередко прозрачны или просвечивают. Минералы различаются по качественным характеристикам неметаллического блеска. Глина имеет тусклый землистый блеск. Кварц на гранях кристаллов или на поверхностях излома - стеклянный, тальк, разделяющийся на тонкие листочки по плоскостям спайности - перламутровый. Яркий, сверкающий, как у алмаза, блеск называется алмазным. Когда свет падает на минерал с неметаллическим блеском, то он частично отражается от поверхности минерала, а частично преломляется на этой границе. Каждое вещество характеризуется определенным показателем преломления. Поскольку этот показатель может быть измерен с высокой точностью, он является весьма полезным диагностическим признаком минералов. Характер блеска зависит от показателя преломления, а оба они - от химического состава и кристаллической структуры минерала. В общем случае прозрачные минералы, содержащие атомы тяжелых металлов, отличаются сильным блеском и высоким показателем преломления. К этой группе относятся такие распространенные минералы, как англезит (сульфат свинца), касситерит (оксид олова) и титанит, или сфен (силикат кальция и титана). Минералы, состоящие из относительно легких элементов, также могут иметь сильный блеск и высокий показатель преломления, если их атомы плотно упакованы и удерживаются сильными химическими связями. Ярким примером является алмаз, состоящий только из одного легкого элемента углерода. В меньшей степени это справедливо и для минерала корунда (Al₂O₃), прозрачные цветные разновидности которого: рубин и сапфиры, являются драгоценными камнями. Хотя корунд состоит из легких атомов алюминия и кислорода, они так крепко связаны между собой, что минерал имеет довольно сильный блеск и относительно высокий показатель преломления. Некоторые блески (жирный, восковой, матовый, шелковистый и др.) зависят от состояния поверхности минерала или от строения минерального агрегата, смоляной блеск характерен для многих аморфных веществ (в том числе минералов, содержащих радиоактивные элементы уран или торий).

Цвет Окраска минералов, одно из важнейших физических свойств минералов, отражающее характер взаимодействия электромагнитного излучения видимого диапазона с электронами атомов, молекул и ионов, входящих в состав кристаллов, а также с электронной системой кристалла в целом. В минералогии окраска - один из главных диагностических признаков природных соединений, имеющий большое значение в геолого-поисковой практике и для определения минералов. Цвет драгоценных и поделочных камней является одной из основных качественных (ювелирных) их характеристик. Различают цвет минерала в кристаллах и штуфах, в прозрачных шлифах (под микроскопом), в полированных аншлифах (в отражённом свете). Исследование цвета драгоценных камней - один из важнейших аспектов, в частности геммологии, поскольку эффект воздействия света на драгоценный камень определяет его красоту. Из всех оптических свойств цвет, пожалуй, имеет наибольшее значение, особенно для непрозрачных камней, а привлекательность прозрачных камней зависит от их "игры", цвета и блеска. Цвет служит важным диагностическим признаком, позволяющим различать драгоценные камни. Однако иногда два совершенно разных минерала имеют одинаковую окраску. До возникновения научной геммологии драгоценные камни распознавали только по цвету - все красные камни считали карбункулами или рубинами, а зеленые обычно относили к изумрудам, невзирая на их происхождение и состав. Природа окраски минералов окончательно не выяснена. Известно, что в ряде случаев цвет обусловлен химическим составом самоцвета или примесями некоторых химических элементов-хромофоров (Cr, Fe, Mn, V, Ti и др.). В последнем случае механизм появления той или иной окраски не всегда ясен, поскольку один и тот же химический элемент окрашивает разные драгоценные камни в различные цвета. Например, примесь хрома делает рубин красным, а изумруд зеленым. На окраску также влияет нарушение (дефекты) атомной структуры минерала под воздействием радиоактивного облучения. Белый цвет образован смешением всех цветов радуги, составляющих спектр. Когда свет падает на прозрачный драгоценный камень, он частично отражается от поверхности, частично поглощается, а частично проходит насквозь. Цвет, воспринимаемый глазом, зависит от того, в какой степени и какие части электромагнитного оптического спектра поглощаются или пропускаются. Камень будет выглядеть черным, если свет полностью поглощается; бесцветный камень пропускает все части спектра. Окрашенный камень поглощает какую-то часть видимого спектра, приобретая при этом цвет, дополнительный к поглощенному (например, изумруд поглощает красные лучи и сам становится зеленым).

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.

Плотность Масса атомов химических элементов меняется от водорода (самый легкий) до урана (самый тяжелый). При прочих равных условиях масса вещества, состоящего из тяжелых атомов, больше, чем у вещества, состоящего из легких атомов. Например, два карбоната - арагонит и церуссит - имеют сходную внутреннюю структуру, но в состав арагонита входят легкие атомы кальция, а в состав церуссита - тяжелые атомы свинца. В результате масса церуссита превышает массу арагонита того же объема. Масса единицы объема минерала зависит также от плотности упаковки атомов. Кальцит, как и арагонит, представляет собой карбонат кальция, но в кальците атомы упакованы менее плотно, потому он имеет меньшую массу единицы объема, чем арагонит. Относительная масса, или плотность, зависит от химического состава и внутренней структуры. Плотность - это отношение массы вещества к массе того же объема воды при 4° С. Так, если масса минерала составляет 4 г, а масса того же объема воды - 1 г, то плотность минерала равна 4. В минералогии принято выражать плотность в г/см³. Плотность - важный диагностический признак минералов, и ее нетрудно измерить. Сначала образец взвешивается в воздушной среде, а затем - в воде. Поскольку на образец, погруженный в воду, действует выталкивающая сила, направленная вверх, его вес там меньше, чем в воздухе. Потеря веса равна весу вытесненной воды. Таким образом, плотность определяется отношением массы образца на воздухе к потере его веса в воде.

Твердость определяется по сопротивлению минерала царапанию. Чем тверже драгоценный камень, тем выше качество его полировки и тем он красивее и долговечнее. У твердых камней электронные связи между атомами более прочные. Твердость - весьма постоянный и надежный показатель, широко используемый для диагностики минералов (но он не всегда применим к драгоценным камням, так как их грани могут быть повреждены при царапании). Обычно твердость драгоценных камней и прочих минералов оценивают по шкале Мооса. Твердость алмаза, самого твердого из всех веществ, оценивается в 10 баллов. Каждый минерал этой шкалы царапает предыдущий минерал и в свою очередь царапается следующим. Кварц с твердостью 7 по шкале Мооса служит границей между твердыми и мягкими ювелирными камнями.

Прочность В отличие от твердости, вязкость минерала определяется сопротивлением раскалыванию. Сочетание твердости и вязкости обусловливает его прочность, которая зависит от сил сцепления, т.е. взаимного электрического притяжения ионов в кристаллической структуре драгоценного камня. Некоторые относительно твердые камни (например, циркон) царапаются с трудом, но очень хрупки и легко растрескиваются или крошатся. Другие, такие, как жад, который не тверже кварца, весьма прочны, и их очень трудно расколоть или разрезать из-за высокой вязкости. Долговечность камня определяется его прочностью и устойчивостью к химическому воздействию.

Спайность Способность минерала расщепляться или раскалываться вдоль одного или нескольких направлений, соответствующих наиболее слабым межатомным связям в структуре, называется спайностью. Плоскости спайности обычно параллельны возможным граням кристалла и часто распознаются по ступенчатым сколам на поверхности или по параллельным трещинам внутри кристалла. Выявление этого свойства облегчает диагностику, и его необходимо учитывать при огранке драгоценного камня. Существует несколько степеней совершенства спайности соответственно характеру ее проявления в кристалле. Например, алмаз и флюорит имеют совершенную спайность по октаэдру. Это означает, что раскалывание происходит параллельно граням октаэдра с образованием спайных выколков октаэдрической формы, ограниченных гладкими ровными плоскостями. Совершенная спайность облегчает огранку алмазов и некоторых других драгоценных камней, которые легко раскалываются по плоскостям спайности. В других случаях (топаз, кунцит) она сильно затрудняет обработку. Отдельностью (или ложной спайностью) называют способность некоторых кристаллов раскалываться в определенных направлениях, часто совпадающих с плоскостями срастания двойников. Поверхности отдельности в кристалле менее совершенны, и интервалы между ними обычно больше. Поверхность раскола, произошедшего не по спайности или отдельности (т.е. не согласно с кристаллической структурой камня), называется изломом. Этот термин применяется при описании поверхности раскалывания всех аморфных драгоценных камней, хотя кристаллические минералы также могут быть охарактеризованы определенным изломом в дополнение к указанию на наличие спайности. В зависимости от внешнего вида поверхности излома различают несколько его типов: раковистый, ступенчатый, неровный, занозистый, крючковатый и др.

Электризация и полярность Некоторые драгоценные камни проявляют электрическую полярность. Она обнаруживается по их способности притягивать или отталкивать легкие предметы (например, кусочки бумаги) после того, как эти камни нагреваются трением или на солнечном свету. Уже в 600 до н.э. было замечено, что янтарь, если его энергично потереть, начинает притягивать тонкие волокна шерсти. Топаз и некоторые другие драгоценные камни также проявляют это свойство в процессе полировки. Турмалин при сжатии или нагревании приобретает положительный или отрицательный заряды, которые возникают одновременно на противоположных концах его кристаллов. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Обратным пьезоэлектрическим эффектом называют изменение объема кристалла под воздействием электрического поля. Кристаллы некоторых минералов, например турмалина и кварца, настолько чувствительны к изменению электрического напряжения, что в электрическом поле начинают вибрировать с высокой и постоянной частотой. На этом основано их использование в радиоэлектронике и в кварцевых часах.

Радиоактивность Многие минералы, содержащие такие элементы как ниобий, тантал, цирконий, редкие земли, уран, торий часто имеют довольно значительную радиоактивность, легко обнаруживаемую даже бытовыми радиометрами, которая может служить важным диагностическим признаком. Для проверки радиоактивности сначала измеряют и записывают величину фона, затем минерал подносят, возможно, ближе к детектору прибора. Увеличение показаний более чем на 10-15% может служить показателем радиоактивности минерала.

Свечение Многие минералы, не светящиеся сами по себе, начинают светиться при некоторых специальных условиях (при нагревании, действии рентгеновскими, ультрафиолетовыми и катодными лучами, при разламывании, царапании и т. д.).
Различают фосфоресценцию, люминесценцию, термолюминесценцию и триболюминесценцию минералов.
Фосфоресценция -способность минерала светиться после воздействия на него теми или другими лучами (виллемит).
Люминесценция - способность светиться в момент облучения (шеелит при облучении ультрафиолетовыми и катодными луча кальцит и др.).
Термолюминесценция - свечение при нагревании (флюорит, апатит).
Триболюминесценция - свечение в момент царапания иглой или раскалывания (слюды, корунд).

Светопреломление Луч, входящий внутрь прозрачного минерала, преломляется, так как скорость его распространения становится меньше, чем в воздухе, причем она уменьшается тем сильнее, чем больше оптическая плотность камня. Показатель преломления минерала (степень отклонения луча света от перпендикулярного направления) измеряется при помощи рефрактометра и математически выражается отношением скоростей распространения света в минерале и в пустоте. Алмаз имеет весьма высокий показатель преломления. Свет, выходящий из камня, тоже преломляется, ведь он покидает оптически более плотную среду и вновь попадает в воздух. Если камни, имеющие высокий показатель преломления, огранены правильно, световые лучи изгибаются таким образом, что в конечном счете преломляются и снова выходят через их верхнюю часть, а не теряются, уходя через нижнюю. Это усиливает блеск ограненного камня. Величина показателя преломления является специфическим признаком каждого минерала (в том числе и драгоценного камня) и способствует его надежной диагностике. Преломление таких минералов, как алмаз, титанит, циркон, гранаты андрадит и демантоид, нельзя измерить на обычном дифрактометре - их блеск слишком сильный и значение показателей преломления находится за пределами его шкалы. При вхождении белого света в драгоценный камень происходит не только его преломление, но и разложение на различные цвета спектра, так как каждый из цветных лучей, из которых слагается белый свет (красный, оранжевый, голубой, зеленый и др.), преломляется по-разному и на выходе из кристалла луч белого цвета "расщепляется" на все цвета радуги. Это явление называется "игрой" камня, "огнем" или дисперсией. У алмаза величина дисперсии примерно такая же, как у демантоида или титанита, но его "огонь" кажется гораздо ярче, так как у бесцветных камней "игра" заметнее. Один поворот бриллианта вызывает целый сноп радужных искр. Все прозрачные минералы (за исключением минералов кубической сингонии и аморфных) разделяют свет на два по-разному отклоняющихся луча. Такое явление называется двойным лучепреломлением, или двупреломлением. При этом, если смотреть сквозь ограненный камень, видно, что ребра задних фасетов как бы раздваиваются. У титанита двупреломление выражено столь сильно, что его можно наблюдать невооруженным глазом, у оливина - хризолита и циркона - с помощью лупы. Для наблюдения этого эффекта у других драгоценных камней требуется микроскоп. Некоторые химические элементы-примеси, присутствующие в составе ювелирного камня, поглощают часть световых лучей и таким образом затемняют отдельные участки светового спектра. Поглощенная часть света может быть определена посредством спектроскопа, в котором части спектра, соответствующие поглощенным лучам, представлены темными вертикальными полосами или линиями. Каждому химическому элементу соответствует характерное расположение и сочетание полос, представляющее его спектр поглощения.

Дихроизм Эффект двуцветности (дихроизма) наблюдается у ряда ювелирных камней, характеризующихся наличием двойного лучепреломления при изменении их ориентировки относительно луча зрения. Перемена цвета становится заметной, если поворачивать кристалл либо рассматривать его то сквозь верхние, то сквозь боковые грани. Это свойство усиливает очарование камня и его привлекательность, например, у турмалина дихроизм настолько силен, что его можно наблюдать без помощи дихроскопа (прибора, усиливающего эффект дихроизма; оба цвета можно видеть в нем рядом, в пределах единого поля зрения). Для некоторых драгоценных камней испытание на дихроизм - один из наиболее наглядных методов диагностики. Например, рубин сразу выделяется среди других красных камней по наличию двух четко выраженных оттенков красного цвета.

Плеохроизм В анизотропных кристаллах свет, колеблющийся в разных кристаллографических направлениях, может поглощаться по-разному. Одно из возможных следствий такого явления, называемого плеохроизмом, - изменение цвета кристалла при изменении направления колебаний. В других кристаллах свет, колеблющийся в одном кристаллографическом направлении, может распространяться почти без потерь интенсивности, а под прямым углом к нему почти полностью поглощаться. На различиях в поглощении света тонкими ориентированными кристаллами основано действие таких поляризационных светофильтров, как поляроид.

Астеризм Эффект звездчатости, свойственный лишь немногим драгоценным камням, называется астеризмом. Он обусловлен отражением (дифракцией) света от включений в камне, ориентированных вдоль определенных кристаллографических направлений. Лучшими примерами служат звездчатый сапфир и звездчатый рубин. В минералах волокнистого строения, таких, как кошачий глаз, наблюдается полоска света, меняющая свое положение при повороте камня (переливчатость). Игра света в опале или сияющие павлиньи цвета лабрадорита объясняются интерференцией света, т.е. смешением световых лучей при их отражении от слоев регулярно уложенных шариков кремнезема (опал) или от тончайших пластинчатых кристаллических вростков (лабрадорит, лунный камень).

К списку статей