Аввакумова Дайана Сергеевна
Гипотеза: физические свойства кристаллов минералов зависят от их кристаллической структуры.
Цель представленной научно-исследовательской работы — изучение физических свойств кристаллов различных минералов и анализ их зависимости от кристаллической структуры.
Для достижения цели предполагается решить следующие задачи:
1. Изучить основные понятия и характеристики, определяющие сущность кристаллов различных минералов.
2. Изучить физические свойства кристаллов различных минералов.
3. Определить и сравнить физические свойства полиморфных модификаций минералов.
4. Изучить и проанализировать кристаллические структуры исследуемых минералов.
5. Провести эксперимент.
6. Провести корреляцию между физическими свойствами минералов и их структурой.
7. Проанализировать полученные результаты, сформулировать выводы к проведенному исследованию.
Актуальность темы: Сегодня минеральное сырье играет важную роль в жизни каждого человека: начиная от поваренной соли, применяемой в кулинарии, рудных минералов (магнетит, хромит, бокситы), из которых извлекают различные металлы, заканчивая минералами (апатит, монацит) содержащими редкоземельные элементы (REE), необходимые для производства разнообразной техники, электроники.
В ходе исследования применялись следующие методы:
— эмпирический и сравнительный анализы изучение моделей кристаллических структур;
— междисциплинарное исследование;
— эксперимент (проведение физических опытов) рентгенофазовый анализ;
— минералогический анализ свойств минералов.
Теоретическая значимость работы — предсказание физических свойств кристаллических веществ, основанное на изучении структуры минерала.
Практическая значимость работы — применение теоретических знаний о структуре минерала в области добычи полезных ископаемых, с целью выбора наиболее выгодного для переработки и обогащения сырья.
Организация исследования. Исследование проводится в течение 2012 -2013 гг. на базе кафедры петрологии геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова и класса физики гимназии № 1552.
Данное исследование разделено на три этапа:
— на I этапе (2012 г.) изучаются литературные источники, проводится сбор теоретического и статистического материалов;
— на II этапе (2012-2013гг.) проводится обобщение и анализ фактических данных, положенных в основу теоретической и практической частей исследования полиморфных модификаций кристаллов различных групп минералов, проводится эксперимент, выявляются проблем, имеющих место быть в данном процессе;
— на III этапе (2013 г.) производится систематизация материалов научно-исследовательской работы, формулируются выводы.
Выводы: Минералы с одной и той же химической формулой, но с разной структурой имеют различные физические и морфологические свойства (алмаз-графит).
На основе проведенных опытов и рассмотрения кристаллических структур минералов различных классов мы убедились в том, что их физические и морфологические свойства кристаллов напрямую зависят от их кристаллической структуры, от типа и от силы (энергии) связи. Гипотеза подтверждена. Кроме того, установлено, что плоскости спайности проходят в структуре там, где имеются наиболее ослабленные в энергетическом плане дислокации. Также установлено, что энергия связи тем выше, чем меньше катион.
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Лазерный эмиссионный анализ
Лазерный
анализ отличается высокой чувствительностью
и возможностью одновременного определения
большого числа химических элементов в
исследуемом полированном образце
(аншлифе), что позволяет исследовать
химический состав редких минералов и
микровключений, благодаря высокой
локальности отбора микропробы. При этом
не требуется большого количества
минерального вещества для анализа и
нет необходимости извлекать минерал
из полированного образца (аншлифа).
Лазерный анализ можно проводить также
и для неполированных образцов.
Лазерный
анализ основан на использовании явления
испарения тонкофокусированным лазерным
пучком света анализируемого вещества
и получение эмиссионного спектра
испарившейся плазмы.
Термин
«лазер» расшифровывается переводом
начальных английских слов «Light
Amplification
by
Stimulated
Emission
of
Radiation».
(По-русски это английское выражение
означает: «усиление света вынужденным
излучением».) Благодаря созданию лазеров,
стали изучаться нелинейные оптические
спектры. ( Нелинейной оптикой в физике
называют оптику мощных световых потоков.)
Появление перестраиваемых по частоте
лазеров привело к созданию методов
лазерной нелинейной спектроскопии
кристаллов. Для изучения нелинейных
оптических свойств минералов были
разработаны следующие методы:
Лазеры
–
это оптические квантовые генераторы.
Лазерные установки были разработаны
после открытия Альбертом Эйнштейном
явления индуцированного излучения,
которое стало использоваться для
усиления электромагнитных волн. Излучение
лазера фокусируется на поверхности
исследуемого образца, что приводит к
накоплению в участке воздействия лазера
очень высокой плотности энергии. При
этом часть возникающей энергии отражается
от поверхности, а другая – поглощается
веществом; вещество нагревается до
нескольких тысяч градусов Цельсия и
быстро испаряется, образуя плазменный
факел.
В
лазерных установках исследуемые образцы
фокусируются с помощью лазерного
микроскопа, который
отличается от обычного микроскопа
наличием линз, изготовленных из особо
прочных стёкол, которые не могут
разрушиться при прохождении лазерного
луча. Оптическая ось лазерного микроскопа
совмещена с направлением лазерного
луча, а фронтальная линза лазерного
микроскопа находится на большом
расстоянии от поверхности исследуемого
образца.
Если
на образовавшийся плазменный факел
воздействовать внешним электрическим
зарядом, представляющим собой искровой
заряд, то получается оптический
эмиссионный спектр. В лазерных установках
система электрического довозбуждения
включает два электрода, изготовленных
обычно из угля. Угольные электроды
расположены между исследуемым образцом
а
–
в ультрафиолетовом плазменном спектрографе
1
– источник
света, 2 – коллиматорная линза, 3 –
кварцевая призма Корню, 4 – камерная
линза, 5 – фотопластинка
б
– в спектрографе с плоской дифракционной
решеткой
1
– источник
света, 2, 3 – система фокусирующих линз,
4 – входная щель, 5 – диафрагма, 6 –
поворотное зеркало, 7 – сферическое
вогнутое зеркало, 8 – поворотный столик,
9 – дифракционная решетка, 10 – фотопластинка
Рис.
1. Схема хода лучей в спектрографах,
применяемыхв эмиссионной лазерной
установке (по Г. Менке и Л. Менке, 1968)
и
объективом лазерного микроскопа и
соединены с генератором возбуждения.
Оптические приспособления позволяют
проектировать искровой разрядный
импульс в щель спектрографа, который
разлагает полученное излучение в спектр.
Спектр регистрируется на фотопластинку
(рис. 1).
Количество
испарённого лазерным лучом вещества
контролируется путём измерения диаметра
и глубины образующегося в исследуемом
образце плазменного кратера. Испускаемые
кванты электромагнитной энергии
фиксируют спектральные линии, которые
составляют эмиссионный спектр. Каждый
химический элемент характеризуется
только свойственным ему эмиссионным
спектром. Следовательно, по спектральным
линиям можно определить присутствие
химических элементов в плазменном
факеле, образовавшимся из ионизированного
минерального вещества микропробы.
Интенсивность
спектральных линий (J)
и концентрация химического элемента
(С) связаны между собой закономерной
зависимостью:
J
= а
Сb
или lgJ=blgC
+ lg
a,
где
а
и b
– постоянные
величины, зависящие от аналитической
линии свойств оптического источника.
С
помощью лазерного анализа можно
исследовать элементы-примеси в породо-
и рудообразующих минералах. В качестве
эталонов используются природные и
синтетические кристаллы с характерными
наборами элементов-примесей.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1
Минералы и их диагностические свойства.
Задачи. Усвоение понятия «минерал». Знакомство с диагностическими свойствами минералов и практическими приёмами их диагностики на основе морфологии и физических свойств.
Учебный материал. Учебная коллекция минералов, модели кристаллов, шкала твердости Мооса, компас, фарфоровая пластинка, раствор HCl (10%) в капельнице.
Понятие о минералах
Раньше минералы понимались более широко, чем сейчас, и к ним причислялись любые «ископаемые» — различные «земли», почвы, обломки горных пород, торф, каменный уголь, янтарь, окаменевшие остатки животных и растений, нефть, природный газ. Для них допускалось твердое, жидкое и даже газообразное состояние. В настоящее время, согласно А. А. Годовикову, химически и физически обособленный в пространстве физико-химической реакции, находящийся в . К минералам относят кристаллические тела без ограничения размеров индивидов. Это могут быть как кристаллы весом в сотни и тысячи килограммов, так и мельчайшие кристаллические частицы коллоидно-дисперсных систем. Если в аморфном веществе составляющие его атомы, ионы и молекулы располагаются в беспорядке (как груда кирпичей и строительного мусора), то в кристаллическом веществе они располагаются в строгом геометрическом порядке. Если мысленно представить каждый атом или ион кристаллического вещества в виде точки и соединить их условными линиями, то получим бесконечную геометрически правильную (свою для каждого минерала). При этом точки соответствуют этой решетки, а сила химических связей между атомами или ионами условно отражается длиной соединяющей их линии (чем сильнее связь – тем короче линия).
Упорядоченность внутреннего строения кристаллических веществ отражается в правильности геометрической формы кристаллов – минеральных индивидов, формирующихся в условиях, когда их росту ничто не препятствует. Форма кристаллов может использоваться для диагностики минералов как одно из важнейших их свойств. В мире кристаллов могут встречаться как простые геометрические формы (куб, октаэдр, тетраэдр, пирамида, и т.д), так и комбинации нескольких простых форм ( например, сочетание в одном кристалле граней куба и октаэдра, призмы и пирамиды).
Все кристаллы по форме упрощенно можно разделить также на следующие основные типы:
1. Изометричные одинаково развитые во всех трех направлениях в пространстве.
2. Удлинённые (отчётливо вытянутые в одном направлении) – призматические, столбчатые, шестоватые, игольчатые.
3. Уплощённые (развитые преимущественно в двух направлениях – таблитчатые, чешуйчатые, листоватые.
Также в качестве диагностического признака можно использовать тип минерального агрегата – формы закономерного срастания минеральных индивидов. Тип агрегата определяется способом образования минерала, а число возможных способов образования для каждого минерального вида ограничено.
Физические свойства минералов
Физическими свойствами минералов называются те, которые проявляются в их физических взаимодействиях с различными объектами. Именно физические свойства являются важнейшими диагностическими признаками минералов и положены в основу их практического определения. Некоторые из них можно определить лишь в лабораторных условиях. Но есть такие физические свойства, которые легко определяемым невооруженным глазом или при помощи несложного оборудования. Умение правильно их определять является ключом к практическому определению большинства наиболее распространенных в природе минералов. К ним относятся:
оптические свойства – прозрачность, цвет, цвет черты, блеск;
механические свойства – твердость, спайность и излом, удельный вес,
а также некоторые другие из физических свойств (магнитность, вкус, запах и т.д.).
— способность минерала пропускать свет. В зависимости от степени прозрачности все минералы делятся на 3 группы (при этом следует иметь в виду, что границы между ними условные):
Наиболее легко определяемый визуально признак. Нередко именно окраска является настолько характерным признаком минерала, что не только позволяет однозначно определить его, но и дает представление о его химическом составе. Например, все водные соли меди имеют яркий зеленый или синий цвет. Не случайно у впервые приступивших к определению минералов студентов наблюдается стремление пользоваться при определении минерала только его окраской, как наиболее простым признаком. Но такой подход является неправильным, так как один и тот же минерал нередко может иметь различную окраску в зависимости от примесей или дефектов строения его кристаллической решетки. Следует также иметь в виду встречающийся иногда эффект ложной окраски (), появляющейся в результате образования на поверхности минерала тонких плёнок другого вещества, в котором проявляется эффект интерференции. При таком типе окраски мы видим переливающиеся радужные цвета (как в пятнах бензина на воде). Поэтому цветом минералов, как диагностическим признаком, следует пользоваться с осторожностью.
Цвет черты (цвет минерала в порошке). Более постоянный и надежный по сравнению с окраской самого минерала диагностический признак. Цвет черты в ряде случаев полностью совпадает с цветом минерала в образце. Но очень многие минералы в мелкораздробленном состоянии имеют цвет, значительно отличающийся от его цвета в монолите. Так пирит соломенно-желтый, а в тонкораздробленном состоянии – черный,
Для определения цвета минерала в порошке совсем необязательно дробить его весь на мелкие части. Для этого достаточно с легким нажимом несколько раз провести минералом по поверхности специальной пластинки из неглазированного фарфора (так называемому бисквиту) и оценить цвет получившейся черты. Следует иметь в виду, что минералы с высокой твердостью (более 6,5) вообще не оставляют окрашенного следа, а оставляют царапину на фарфоровой пластинке. Поэтому говорить, к примеру, о цвете черты алмаза бессмысленно.
. Большинство минералов с различной интенсивностью отражают падающий на них свет, то есть обладают блеском. Характер блеска зависит от того, насколько сильно поверхность минерала отражает падающий свет, каково соотношение отражения, поглощения и пропускания света минералом, как именно отражаемый свет рассеивается. Выделяют следующие виды блеска:
напоминает блеск полированного металла.
подобен металлическому, но более тусклый, как у грифеля простого карандаша.
сильный блеск, обусловленный неоднократным отражением света от внутренних поверхностей прозрачных и полупрозрачных минералов.
поверхность минерала блестит как стекло. Таким блеском обладает большинство (около 70%) прозрачных и полупрозрачных минералов.
минерал блестит и переливается как поверхность перламутра или жемчуга. Наблюдается у прозрачных и просвечивающих минералов, имеющих тонкое пластинчатое строение. Свет одновременно отражается от множества поверхностей внутри минерала, в результате чего возникают перламутровые «переливы».
обусловлен волокнистым строением минерала, поэтому минеральный агрегат блестит и переливается, как пучок шелковых нитей.
поверхность минерала кажется смазанной жиром или покрытой маслянистой пленкой. Возникает тогда, когда поверхности минерала покрыта мельчайшими неровностями, рассеивающими отражённый свет неравномерно.
блеск, напоминающий блеск застывшей смолы или гудрона. Аналог жирного блеска для минералов с темной окраской.
полуматовый блеск, напоминающий блеск пчелиного воска, характерный для просвечивающих минералов, равномерно рассеивающих свет.
Наконец, если минерал представлен тонкодисперсными, землистыми массами, то он не блестит, т.е. является матовым (мел, каолин, охры). Это происходит потому, что весь свет при отражении рассеивается совершенно равномерно, в результате блеска в обычном смысле слова нет.
– устойчивость минерала к царапанию. Является одним из главных и надежных диагностических признаков минералов. По твердости все минералы условно разделяются на 10 групп, в соответствии с предложенной австрийским минералогом Фридрихом Моосом шкалой твердости. Набор условных эталонов твердости, состоящий из 10 минералов, в его честь получил название шкала Мооса (. Минералы в ней подобраны таким образом, что каждый последующий минерал в ней оставляет царапину на предыдущем. Причем получается углубленная царапина, не исчезающая при легком стирании пальцем. Относительная твёрдость выражается условными единицами твёрдости от 1 до 10, соответствующими номеру эталонного минерала шкалы Мооса (от самого мягкого до самого твёрдого).
Минерал-эталон, который оставляет на другом царапину, считается более твёрдым. Если минерал оставляет на другом минерале черту (пишет), то он является более мягким. Твердость определяемого минерала принимают промежуточной между твердостью двух минералов-эталонов – более мягкого и более твердого по сравнению с испытуемым минералом. Например, если определяемый минерал царапается кварцем
, а сам оставляет царапину на полевом шпате
, то его твердость — 6,5 (или 6-7). Минералы с равными значениями твердости не царапают друг друга.
Спайность и излом. Спайностью называется способность кристаллов раскалываться (расщепляться) по определенным кристаллографическим направлениям параллельным действительно наблюдаемым или возможным граням кристалла, с образованием ровных блестящих плоскостей скола. Блеск спайных плоскостей особенно хорошо заметен в отраженном свете, если образец поворачивать под разными углами к источнику света. В зависимости от того, насколько легко раскалываются минералы различают следующие степени совершенства спайности (в порядке убывания):
Весьма совершенная – спайность в одном направлении, когда минерал очень легко (иногда даже руками) разделяется на все более тонкие пластинки или листочки. При этом получаются ровные зеркально блестящие плоскости спайности.
при любом ударе молотком по минералу он рассыпается на обломки, ограниченные ровными плоскостями. Неровные поверхности излома получаются очень редко.
при раскалывании минерала с одинаковой частотой образуются как ровные спайные поверхности, так и неправильные поверхности излома по случайным направлениям.
Несовершенная и весьма несовершенная – при раскалывании минерала подавляющая часть обломков ограничена неправильными неровными поверхностями излома.
Кроме того, спайность в каждом минерале проявляется по определённому числу направлений: одному (слюды), двум (полевые шпаты), трем (кальцит, галит), четырем (флюорит) или шести (сфалерит). Степень совершенства спайности зависит от строения кристаллической решетки каждого минерала, так как разрыв по некоторым плоскостям этой решетки из-за более слабых связей происходит гораздо легче, чем по другим направлениям. В случае одинаковых сил сцепления между атомами по всем направлениям в кристалле, спайность отсутствует.
Неровная поверхность, получающаяся при раскалывании минералов, называется это способность минералов раскалываться не только по плоскостям спайности, а по сложной неровной поверхности. Различают следующие виды излома:
похожий на внутреннюю поверхность раковины (кварц, халцедон, обсидиан). С раковистым изломом кремня человек познакомился в каменном веке – ведь именно этот тип излома дает такие острые режущие края.
— напоминает поперечный излом древесины и свойственен волокнистым минеральным агрегатам – (асбест, амфиболы)
поверхность излома как бы покрыта мелкими крючочками (самородная медь, серебро и другие ковкие металлы)
поверхность излома матовая и как бы покрыта мелкой пылью (каолин)
– свойственен очень мелкозернистым агрегатам, например, яшмам.
– возникает у минералов с хорошей спайностью.
– соответствует массе минерала в граммах, заключенной в одном кубическом сантиметре его объема и является важным диагностическим признаком, так как колеблется в широких пределах – от 1,5 (бура, мирабилит) до 19-21 (золото и самородная платина). Важно научиться хотя бы приблизительно определять удельный вес минералов, взвешивая кусок минерала на ладони, чтобы различать минералы легкие, средние, тяжелые и очень тяжелые. Средним (типичным для подавляющего большинства минералов) является удельный вес 2,5 – 4.
Некоторые минералы обладают магнитностью – т.е. способны действовать на магнитную стрелку компаса (сильно отклоняя ее) или притягиваются магнитом. Магнитных минералов очень мало, поэтому магнитность является очень важным диагностическим признаком, нередко позволяющим сразу установить название минерала.
В целом, можно предложить порядок выполнения работы с образцами учебной коллекции:
1. Определить форму минеральных агрегатов
2. Установить сколько минералов присутствует в минеральном агрегате.
Для каждого минерала определить:
— форму выделений (хорошо ограненные кристаллы или же зерна без четкой огранки; по форме – изометричные, удлиненные или уплощенные; в случае хорошо ограненных достаточно крупных кристаллов следует попробовать установить сингонию или группу сингоний, основные простые формы);
— оптические свойства: цвет, блеск, цвет черты, прозрачность;
— характер спайности или излома;
— твердость с помощью минералов-эталонов шкалы Мооса либо их заменителей;
После этого нужно попытаться определить минерал с помощью определителя. Каждый минерал необходимо определять только по совокупности всех признаков, пользуясь определителями минералов, методом последовательного исключения целых групп минералов, признаки которых не совпадают с признаками определяемого минерала. В первую очередь используются самые очевидные признаки. Если возникла такая необходимость (когда определенные свойства совпадают у нескольких похожих минералов) следует дополнительно определить прочие свойства: магнитность (с помощью компаса), запах (вкус), упругость; проверить, реагирует ли минерал с разбавленной соляной кислотой и т.д.
Ознакомившись с диагностическими свойствами минералов, студенты получают образцы из учебной коллекции и определяют свойства минералов, после чего, используя определитель, диагностируют минералы.
1. Что такое минерал?
2. Чем определяется принадлежность минерала к конкретному минеральному виду?
3. Перечислите важнейшие физические свойства минералов.
4. Что такое цвет черты минерала?
5. Почему не определяется цвет черты минералов с высокой твёрдостью?
6. Что такое побежалость?
7. Что такое спайность? Назовите причины появления спайности.
8. Как оценивается спайность? Шкала спайности.
9. Какой блеск бывает у минералов?
10. Как определяется твердость минералов?
11. Перечислите минералы шкалы твердости Мооса.
12. Чем твердость отличается от спайности?
13. Каким бывает излом минералов?
14. Как определить удельный вес минерала? На какие группы делятся минералы по плотности (удельному весу)?
3. Музафаров В. Г. Определитель минералов, горных пород и окаменелостей. / В. Г. Музафаров. – М.: Недра, 1979. – 327 с.
Электрические
свойства минералов
характеризуются
электропроводимостью, величиной
удельного электросопротивления и
термоэлектродвижущей силой.
По
величине электропроводимости минералы
разделяются на три
класса:
проводники, полупроводники и диэлектрики.
Большинство сульфидов и многие оксиды
являются полупроводниками.
Для
измерения электрической проводимости
минералов используется четырёхзондовый
метод. Все зонды располагаются на плоском
участке аншлифа по одной прямой, а
через крайние два зонда пропускается
электрический ток. Падение напряжения
(U)
измеряется между средними зондами.
Удельная проводимость (σ) измеряется в
сименсах на метр и вычисляется по
формуле:
где
I
– сила тока (выбирается из расчёта,
чтобы не допустить разогрева
l
– расстояние
между зондами (зонды размещаются на
одинаковом
расстоянии
друг от друга, поскольку сближение
зондов сопряжено
с
техническими трудностями измерения).
Удельная
проводимость зависит от температурного
режима. Зависимость удельной
проводимости от температуры для
конкретных минералов позволяет
получить информацию о зонной структуре
минералов.
Для
характеристики электрических свойств
минералов часто используется величина
обратная удельной проводимости и
называемая удельным сопротивлением.
Для
проверки магнитности порошок минералов
извлекают из аншлифа и подносят к нему
магнитную стрелку. Если порошок минерала
магнитный, то частицы этого порошка
отклоняются за стрелкой при её перемещении,
а частицы порошка слабо магнитных
минералов пристают к стрелке при сё
соприкосновении. Среди рудных минералов
хорошо выраженными магнитными свойствами
обладает ограниченное число рудных
минералов.
Магнитные
свойства минералов характеризуются
их поведением в магнитном поле. Все
минералы делятся на немагнитные,
слабомагнитные и магнитные. Для
изучения магнитных свойств слабомагнитных
минералов применяются магнитостатические
методы. Для измерения магнитных
характеристик минералов существуют
различные по своей конструкции
магнитометры, действующие по принципу
магнитных весов, баллистического
метода и вибрации образца в однородном
магнитном поле. Для выявления магнитных
минералов в аншлифах можно использовать
магнитную эмульсию, которую применяют
для звукозаписи.
Метод диагностического и структурного травления аншлифов
Метод
травления полированной поверхности
рудных минералов был
заимствован из металлографии и применялся
на ранних этапах минераграфических
исследований как ведущий метод диагностики
минералов.
Диагностическое
травление
на
ранних этапах минераграфических
исследований производилось стандартным
набором химических реактивов в качестве
которых применяются концентрированные
кислоты – соляная и азотная, водные
растворы: КОН – 40%-й водный раствор, KCN
– 20%-й раствор, HgCl2
– 5%-й раствор, FeCl3
– 20%-й раствор. В настоящее время
применение рентгеноструктурного анализа
привело к вытеснению метода травления.
Этот метод применяется ограниченно.
Диагностическое травление необходимо
только тогда, когда нет возможности
извлечь минеральное зерно из аншлифа
для рентгеноструктурного анализа. В
качестве реактивов для диагностического
травления используются в основном
концентрированные азотная и соляная
кислоты, царская водка и едкий калий.
Метод диагностического травления
позволяет различить сходные по цвету
и отражательной способности минералы.
Для
нанесения реактивов при травлении на
исследуемый участок полированного
шлифа используются пипетки, платиновые
проволочки с загнутой петлёй на конце;
можно использовать обычную фильтровальную
бумагу, сложенную углом. Время травления,
если оно не оговорено, изменяется от 1
до 10 секунд, максимум 60 секунд. Если руда
состоит из мелко-тонкозернистого
агрегата, травление производится под
микроскопом при увеличении 60–80х
при этом металлические части объектива
покрываются слоем вазелина во избежание
порчи.
На
результаты травления оказывает влияние
качество полировки и неизбежное
взаимодействие контактирующих минералов
между собой при травлении электролитами.
Кроме того, на результаты травления
влияет непостоянство химического
состава минералов. Такие минералы как,
например, карбонаты, борнит оказывают
влияние на ход реакций травления
ассоциирующих с ними в аншлифе
рудообразующих минералов. Некоторые
рудные минералы травятся под влиянием
сильного освещения. При изучении
минералов серебра нельзя при больших
увеличениях применять сильное
освещение, так как происходит разрушение
полированной поверхности в результате
светотравления. Быстро подвергаются
светотравлению аргентит и стефанит.
Для
оценки результатов травления химическими
реактивами, время действия каждого
реактива должно быть строго ограничено,
и после действия Реактива его каплю
снимают с аншлифа фильтровальной
бумагой, затем промывают протравленный
участок водой и протирают аншлиф на
сукне. После этого наблюдают под
микроскопом с одним николем результаты
плавления. Положительными считаются
результаты реакции травления, если
остаются следы травления в виде осадков,
шероховатости полированной поверхности,
пятен. Результаты травления считаются
отрицательными, если после снятия капли
реактива не остаётся никаких явных
следов травления.
Структурное
травление необходимо
для выявления внутренней микроструктуры
минеральных агрегатов.
Изучение физических и химических свойств минералов
Физические
свойства минералов (радиоактивность,
люминисценция, магнитность, твёрдость,
оптические свойства и др.) имеют большое
практическое значение и очень важны
для их диагностики. Свойства минералов
зависят от их химического состава и
типа кристаллической структуры. Для
того, чтобы распознать минералы по
внешним признакам и определить
приблизительно их состав, надо знать
физические свойства каждого минерала.
Отдельные физические свойства могут
быть одинаковыми у различных минералов
и, наоборот, какое-либо свойство (цвет
или плотность) у одного и того же
минерала
может меняться в зависимости от
состава и количества примесей. Поэтому
при определении минерала необходимо
установить возможно большее число его
свойств. Только в отдельных случаях
некоторые свойства (магнитность,
твердость, оптические свойства и др.)
бывают настолько характерны, что по
одному из них можно сразу диагностировать
минерал. Главнейшими физическими
свойствами минерала являются цвет, цвет
черты (цвет его в порошке), прозрачность,
блеск, излом, спайность, твердость,
плотность и др.
В
естественном свете колебания электрического
и магнитного векторов совершаются в
каждый момент в различных направлениях,
всегда перпендикулярных к направлению
распространения световой волны (т.е.
перпендикулярно к световому лучу). Такой
свет носит название неполяризованного,
или простого.
При
прохождении через оптически анизотропную
среду свет становится поляризованным.
Колебания поляризованного света проходят
лишь в одной плоскости, проходящей через
направление движения световой волны.
Поляризация
света происходит при прохождении через
все кристаллы, за исключением кристаллов
кубической сингонии; последние в
оптическом отношении изотропны.
Естественный свет, поступающий в
кристалл, распадается на две световые
волны, распространяющиеся с различными
скоростями. Обе волны становятся
поляризованными, причём плоскости их
колебаний взаимно перпендикулярны. Это
явление называется двупреломлением
или двойным светопреломлением.
Двупреломление было открыто Бартолином
в 1669 г. и в дальнейшем было изучено Х.
Гюйгенсом.
В
кристаллах тригональной, тетрагональной
и гексагональной сингоний имеется
только одно направление, по которому
не происходит двойного светопреломления.
Это направление называется оптической
осью, оно совпадает с осью симметрии
высшего порядка. Поэтому кристаллы
средних сингоний называются оптически
одноосными. В кристаллах триклинной,
моноклинной и ромбической сингоний
имеются два направления, по которым не
происходит двойного светопреломления;
они в оптическом отношении двуосны.
В
кристаллах средних сингоний скорость
распространения световых волн различна.
Световая волна, распространяющаяся с
одинаковой скоростью во всех направлениях,
называется обыкновенной, а распространяющаяся
в различных направлениях с различной
скоростью необыкновенной. Поверхностью
первой световой волны является шар, а
второй эллипсоид вращения.
Для
некоторых минералов способность к
двойному лучепреломлению является
важным диагностическим свойством.
Двойное лучепреломление особенно хорошо
выражено у прозрачных разностей кальцита,
называемых исландским шпатом. Если
через исландский шпат рассматривать
предмет, то возникает его двойное
изображение.
Цвет
минералов является важным диагностическим
признаком.
Минералы могут иметь самые различные
цвета и оттенки. Цвет минералов зависит
от их внутренней структуры, от механических
примесей и главным образом от присутствия
элементов-хромофоров, т.е. носителей
окраски. Известны многие элементы-хромофоры,
к ним относятся Cr, V, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, U, Mo и
некоторые другие. Эти элементы могут
быть в минерале главными, или могут быть
в виде примесей.
Встречаются также бесцветные и прозрачные
минералы. Практически цвет определяют
на глаз, сравнением с хорошо знакомыми
предметами (молочно-белый, соломенно-желтый,
кирпично-красный). Для обозначения цвета
минералов, имеющих металлический блеск,
к названию цвета добавляют название
распространенного металла (свинцово-серый,
оловянно-белый, латунно-желтый,
медно-красный, железо-черный и т.д).
Некоторые минералы меняют цвет в
зависимости от освещения. Например,
минерал лабрадор при некоторых углах
поворота приобретает красивую
радужную, синюю, серую или зеленую
окраски. Это свойство минералов называется
иризацией. У лабрадора она возникает
за счет интерференции света, отражающегося
от обеих плоскостей микроскопических
трещин спайности, наполненных тончайший
пленочками минерала ильменита (FеTiO3).
Иногда кроме основной окраски минерала
тонкая поверхностная пленка имеет
дополнительную. Это явление называется
побежалостью и
объясняется
интерференцией света в слоях, образующихся
на поверхности минералов. Обычно
побежалость бывает радужной, как на
халькопирите, когда поверхность минерала
переливается синим, красным и фиолетовым
цветом.
Цвет
черты (цвет минерала в порошке). Многие
минералы в растертом состоянии имеют
другой цвет, чем в образце. Порошок можно
получить, проводя куском минерала по
белой шероховатой фарфоровой пластинке
при условии, что твердость его меньше
твердости фарфора (если твердость
минерала выше твердости фарфора, то на
пластинке остается царапина). Цвет черты
– важный диагностический признак. Так
красный, бурый и магнитный железняк
(гематит, лимонит и магнетит) в кусках
часто имеет одинаковый цвет, и их можно
различить только по разному цвету черты
— соответственно красному, желтому или
черному.
Блеск
минералов является важнейшим
диагностическим признаком. Он зависит
от показателя преломления минерала и
его способности отражать от своей
поверхности свет. Па блеску все минералы
можно разделить на три группы: с
металлическим, полуметаллическим и
неметаллическим блеском.
Металлический
блеск – сильный блеск, свойственный
металлам. Им обладают непрозрачные
минералы, дающие в большинстве случаев
черную черту на фарфоровой пластинке.
Такой блеск наблюдается у самородных
металлов (золото, серебро, платина),
многих сульфидов и оксидов железа.
Полуметаллический
блеск – характерен для минералов,
поверхность которых имеет вид
потускневшего металла. К таким минералам
относятся графит, гематит, черная
цинковал обманка.
К третьей,
наиболее обширной группе, принадлежат
минералы с неметаллическим блеском.
Неметаллический блеск характерен для
минералов, дающих цветную или белую
черту. Исключением являются только
самородные элементы.
В
этой группе различают следующие виды
блеска: стеклянный, широко распространенный
среди прозрачных минералов (кварц, на
гранях кристаллов» кальцит, гипс);
жирный, типичный для тех минералов,
поверхность которых кажется как бы
смазанной маслом
(кварц на изломе, нефелин); перламутровый
характерен для прозрачных минералов,
которые блестят как поверхность
перламутровой раковины (он обусловлен
отражением света от тонких пластинок
или плоскостей спайности минералов,
например, слюды, талька); шелковистый,
который наблю-дается при тонковолокнистом
строении минерала и напоминает блеск
шелковистых нитей (асбест, волокнистые
разности гипса). Некоторые минералы
обладают особенно сильным блеском,
названным алмазным (алмаз, некоторые
разновидности цинковой обманкой).
Матовый блеск (минералы не блестят)
имеют минералы с пористой, неровной
землистой поверхностью (каолинит).
Прозрачность
–
способность минералов пропускать свет.
По степени прозрачности минералы делятся
на:
прозрачные (горный
хрусталь, каменная соль, топаз);
полупрозрачные
(халцедон, опал), через которые видны
лишь очертания предметов;
просвечивающие,
пропускающие свет только в очень
тонких пластинках (полевые шпаты),
непрозрачные, через
которые свет совсем не проходит (пирит,
магнетит).
Механические
свойства минералов обнаруживают при
механическом действии на них: при сжатии,
растяжении и ударе. Так же, как и оптические
свойства, они различны в разных
направлениях и связаны с анизотропией
кристаллов. К числу важнейших механических
свойств относят излом, спайность и
твёрдость.
Излом,
т.е. вид поверхности, образующейся при
раскалывании минерала, также является
важным диагностическим признаком ряда
минералов. Излом может быть следующих
видов:
раковистым,
имеющим вид вогнутой и концентрически-волокнистой
поверхности, напоминающей поверхность
раковины (горный хрусталь);
занозистым
с поверхностью, покрытой ориентированными
в одной направлении занозами (гипс,
роговая обманка), неровным (нефелин);
землистым с матовой
шероховатой поверхностью (каолинит,
лимонит);
зернистым,
встречающимся часто у минеральных
агрегатов.
Спайность
–
это способность минералов раскалываться
или расщепляться по блестящим
параллельным плоскостям, по определенным
кристаллографическим направлениям по
которым в кристаллической решетке
проявляется наименьшая сила сцепления
частиц.
Спайность может проявляться в одном,
двух, трёх, четырёх и шести кристаллографических
направлениях.
Для
оценки спайности существует следующая
шкала:
весьма
совершенная спайность, когда минерал
очень легко, (например, ногтем) расщепляется
на отдельные тончайшие листочки или
пластинки, образуя зеркально-блестящие
плоскости спайности (слюды, гипс, хлорит);
совершенная
спайность отличается тем, что минерал
раскалывается при слабом ударе молотком
на гладкие параллельные пластинки,
кубы или другие формы (галит, галенит,
кальцит);
средняя
(явственная) спайность характерна для
минералов, при раскалывании которых
возникает
как плоскость спайности, так и поверхности
с неровными изломами (полевые шпаты,
роговая обманка);
несовершенная
спайность обнаруживается с трудом. В
этом случае при раскалывании минерала
преобладают поверхности с неправильным
изломом (апатит, оливин, берилл);
спайность
весьма несовершенная –
практически нет спайности, кристаллы
имеют неровные поверхности излома при
расколе (молочно-белый
кварц, золото).
В
различных направлениях спайность
кристалла может быть одинаковой или
разной по степени совершенства.
Необходимо
уметь отличать плоскости спайности от
граней кристалла: плоскости спайности
имеют более сильный блеск и свежий вид;
кроме того они образуют ряд параллельных
друг другу поверхностей. Характерным
признаком для некоторых минералов
является штриховка на гранях кристаллов
(корунд, кварц, пирит и др.), тогда как
поверхности спайности всегда гладкие,
глянцевые.
Твёрдость.
Под
твёрдостью кристалла понимается его
сопротивление механическому воздействию
более прочного тела
(проникновению острия, царапанию и
т.д.).
Существует несколько методов определения
твёрдости. В минералогической практике
принята шкала Мооса. Твердость
минерала определяется сопоставлением
твердости исследуемого минерала с
минералом-эталоном из шкалы твердости
Мооса. В этой шкале порядковый номер
минерала соответствует численному
значению его твердости. Минералы
располагаются в порядке возрастания
твердости, так что предыдущий минерал
царапается последующим.
Для
определения твердости острым уголком
минерала-эталона наносят царапину на
ровной поверхности минерала, после чего
удаляют пыль и проверяют результат
(не путать царапину с чертой, которая
может образоваться при крошении мягкого
минерала на поверхности более
твердого). Например, необходимо установить
твердость альбита. Из эталонной коллекции
его не царапает ни один минерал до
апатита включительно. Ортоклаз оставляет
на нем слабый след, но и сам истирается
при этом. Следовательно, у этих двух
минералов равная твердость. Следующий
по шкале твердости кварц при нажиме
царапает альбит, следовательно, твердость
альбита выше 5 и ниже 7, т.е. 6. Необходимо
отметить относительность шкалы: если
тальк имеет твёрдость 1, а гипс твёрдость
2, то это не означает, что гипс в 2 раза
твёрже талька. Тоже самое можно сказать
и относительно других минералов-эталонов.
Твёрдость их условна, и при определении
другими методами получены другие
значения.
Интервалы
твердости между минералами-эталонами
различные. Алмаз тверже талька не в
10, а более чем в 1000 раз в абсолютных
единицах твердости. Самый большой
интервал по твердости между корундом
и алмазом.
Так же, как и спайность, твёрдость
кристаллов обнаруживает анизотропию.
Кристаллы алмаза имеют наибольшую
спайность на гранях октаэдра, меньшую
на гранях ромбододекаэдра, ещё меньшую
на гранях куба.
Если
необходимо определить твердость для
кристаллов с небольшой поверхностью,
этим кристаллом (или его зернистым
агрегатом) наносят царапину на
минерал-эталон. Надо помнить, что
зернистые агрегаты могут содержать
примеси других, более твердых минералов,
создавая неверное представление о
твердости.
Для
определения твердости минералов можно
использовать такие распространенные
предметы, как иголка или нож (твердость
5–6), стекло (твердость 5), бронзовая
монета (3,5–4), ноготь (2,5).
Плотность.
Плотность для различных минералов
колеблется от 0,6 до 27
г/см3.
Подавляющая масса минералов имеет
плотность от 2,5
г/см3
до 3,5
г/см3,
что обуславливает плотность земной
коры, равную примерно 2,7–2,8
г/см3.
Точное
определение плотности возможно лишь в
лабораторных условиях путем взвешивания
на гидростатических весах и посредством
других специальных измерений. На практике
для быстрого приблизительного
определения плотности пользуются
взвешиванием минерала на руке с
оценкой «тяжелый», «средний»,
«легкий».
Легкие
– с плотностью до 3 г/см3
(нефти, смолы, угли, гипс, каменная соль);
средние
– с плотностью до 4 г/см3
(кальцит,
кварц, полевые шпаты, слюды);
тяжелые
– с плотностью более 4 г/см3
(рудные минералы).
Чаще
всего встречаются минералы с плотностью
от 2 г/см3
до 5 г/см3.
Как правило, минералы, содержащие тяжёлые
металлы, имеют большую плотность.
Наибольшую плотность имеют самородные
элементы –
золото, серебро, минералы группы платины.
В кристаллах одного и того же состава
плотность определяется характером
упаковки атомов в единичной структурной
ячейке.
Для
минералов, представляющих изоморфные
ряды, увеличение (или уменьшение)
плотности пропорционально изменению
химического состава.
Магнитность.
Это свойство минералов обнаруживается
по отклонению магнитной стрелки компаса
при приближении к ней образца (магнетит,
платина, пирротин).
Наиболее сильными магнитными свойствами
обладает магнетит. Минералы, обладающие
сильным полярным магнетизмом, называются
ферримагнитными.
Реакция
с раствором соляной кислоты (10%-ный
раствор НСl).
Реакция определяется выделением
углекислого газа от капли раствора на
поверхности образца минерала. Реакция
характерна для минералов класса
карбонатов. При комнатной температуре
с НСl
бурно реагирует кальцит, арагонит и
малахит. Другие минералы класса карбонатов
в реакцию вступают только в виде порошка
(доломит), а также с нагретым раствором
или раствором большей концентрации
(магнезит). Многие сульфиды вскипают
при воздействии НСl
с выделением сероводорода, легко
отличимого по запаху.
Органолептические
свойства. На вкус определяются некоторые
растворимые в воде соли. Этим методом
легко отличить галит (каменная соль) от
сильвина (калийная соль): последний
имеет
горько-соленый
вкус и слегка щиплет язык. Фосфорит при
трении издает резкий чесночный запах.
Л
а б о р а тор н а я р а б о т а № 3
