Механические свойства минералов: Твердость

ЭкоЦентр "Экосистема" разработал более 140 методических материалов по изучению природы:


Полевые определители для смартфонов и планшетов в магазинах RuStore, RuMarket, Google Play и App Store

Определители растений и животных для PC Windows

Определители
для PC

Сборники MP3 записей голосов птиц в природе

Голоса
птиц

Методики полевых экологических исследований

Методики
исследований

Учебные
видеофильмы

Определительные
таблицы

Карманные
определители

Всё это можно приобрести в нашем некоммерческом Интернет-магазине

ГЛАВНАЯ >>> ПРИРОДА РОССИИ и СССР >>> МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Главная
English
Биологический кружок ВООП
Гостю кружка
Планы кружка
Экспедиции и выезды
Исследовательская работа
Программа "Parus"
История кружка
Контакты кружка
Полевой центр
Фотогалерея
Летопись биостанции
Статьи о биостанции
Исследовательские работы
Учебные программы
Полевые практикумы
Методические семинары
Вебинары
Исследовательская работа
Проектная деятельность
Экспедиции и лагеря
Экологические тропы
Экологические игры
Публикации (статьи)
Методические материалы
Наглядные определители
Карманные определители
Определительные таблицы
Энциклопедии природы России
Компьютерные определители
Мобильные определители
Учебные фильмы
Методические пособия
Полевой практикум
Природа России
Минералы и горные породы
Почвы
Грибы
Лишайники
Водоросли
Мохообразные
Травянистые растения
Деревья и кустарники
Ягоды и сочные плоды
Насекомые-вредители
Водные беспозвоночные
Дневные бабочки
Рыбы
Амфибии
Рептилии
Птицы, гнезда и голоса
Млекопитающие и следы
Фото растений и животных
Систематический каталог
Алфавитный каталог
Географический каталог
Поиск по названию
Галерея
Природные ландшафты мира
Физическая география России
Физическая география мира
Европа
Азия
Африка
Северная Америка
Южная Америка
Австралия и Новая Зеландия
Антарктика
Рефераты о природе
География
Геология и почвоведение
Микология
Ботаника
Культурные растения
Зоология беспозвоночных
Зоология позвоночных
Водная экология
Цитология, анатомия, медицина
Общая экология
Охрана природы
Заповедники России
Экологическое образование
Экологический словарь
Географический словарь
Художественная литература
Международные программы
Общая информация
Полевые центры (Великобритания)
Международные экспедиции (США)
Курс полевого образования (США)
Международные контакты
Интернет-магазин
Карманные определители
Цветные таблицы
Компьютерные определители
Энциклопедии природы
Методические пособия
Учебные фильмы
Комплекты материалов
Контакты
Гостевая книга
Ссылки
Партнеры
Наши баннеры
Карта сайта

Если Вам понравился и пригодился наш сайт - кликните по иконке "своей" социальной сети:

Объявления:

Здесь может быть бесплатно размещено Ваше объявление о проводимом Всероссийском конкурсе, Слёте, Олимпиаде, любом другом важном мероприятии, связанном с экологическим образованием детей или охраной и изучением природы. Подробнее >>>

Мы публикуем на нашем сайте авторские образовательные программы, статьи по экологическому образованию детей в природе, детские исследовательские работы (проекты), основанные на полевом изучении природы. Подробнее >>>

[ sp ] : ml об : { lf }

Пожалуйста, ставьте гиперссылку на сайт www.ecosystema.ru если Вы копируете материалы с этой страницы! Во избежание недоразумений ознакомьтесь с правилами использования и копирования материалов с сайта www.есоsystеmа.ru
Пригодилась эта страница? Поделитесь ею в своих социальных сетях:

Минералы и горные породы России и СССР

<<< Механические свойства | Содержание | Спайность >>>

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МИНЕРАЛОВ
Механические свойства

Твердость

Твердость минералов — типичное векторное свойство, контролируемое анизотропией кристаллического вещества. Твердость определяется как сопротивление тела механическому воздействию.

В минералогии принята так называемая твердость царапанья, выражаемая в баллах, согласно 10-балльной минералогической шкале твердости, или шкале Мооса, включающей 10 минералов — эталонов твердости (1 — минимальное, 10 — максимальное значение твердости):

1 — тальк, 2 — гипс, 3 — кальцит, 4 — флюорит, 5 — апатит, 6 — ортоклаз, 7 — кварц, 8 — топаз, 9 — корунд, 10 — алмаз.

Каждый последующий минерал царапает предыдущий; промежуточные значения твердости обычно оцениваются с точностью до 0,5 балла, но не точнее, чем до 0,25 балла, т.е. в справочниках можно встретить указания на твердость минералов, равную, скажем, 3,5 или 5,75. Минералы одинаковой твердости слабо царапают друг друга.

Кроме этой качественной (но наиболее распространенной) оценки твердости применяются количественные измерения так называемой абсолютной, или микротвердости, осуществляемые в полированных шлифах под микроскопом, чаще всего методами Виккерса или Бринелля (вдавливанием алмазной пирамидки-индентора или шарика из закаленной стали в поверхность образца под определенной нагрузкой).

Абсолютная твердость измеряется в кгс/мм²; методы заимствованы минералогами из металлографии, где они широко применяются. Абсолютную твердость определяют также специальным прибором — склерометром, в котором индентором служит стальная или алмазная игла, царапающая минерал.

Наконец, существует еще понятие твердости при шлифовке, или шлифовочной твердости, играющей важную роль не столько в минералогии, сколько при обработке драгоценных камней. Шлифовочная твердость определяется методом Розиваля: из кристалла вырезается кубик, грани которого, подвергаемые шлифовке, имеют площадь 4 см². В процессе шлифовки такой грани (при постоянных условиях) она стирается, и объем кубика уменьшается. Величина, обратная уменьшению его объема, и называется твердостью при шлифовке. Шлифовочная твердость кварца принимается за 100, а ее значения для других минералов даются по отношению к кварцу.

Для целей диагностики минералов, впрочем, обычно вполне достаточно определять относительную твердость царапаньем, руководствуясь шкалой Мооса. Количественное исследование твердости минералов, составляющих эту шкалу, показало, что она для большей части шкалы возрастает в геометрической прогрессии. Если принять твердость кварца за 100 (по Моосу — 7), то знаменатель этой профессии будет близок к 2, т.е. каждый последующий минерал — член шкалы — примерно вдвое тверже предыдущего. Исключение составляет алмаз, превосходящий по твердости корунд более чем в два раза. Разрыв в твердости между корундом и алмазом примерно равен диапазону твердости минералов, охватываемому первыми девятью членами шкалы Мооса.

Минералогическая шкала твердости была предложена австрийским минералогом Фредериком Моосом (1772-1839) в 1820 году и с тех пор практически не претерпела изменений; хотя и предлагались другие варианты шкалы, но они не получили широкого признания. В шкале Мооса единственный не вполне удачный эталон — кальцит, твердость которого в зависимости от направления царапанья меняется на 0,5 балла: от 2,5-2,7 на грани базопинакоида (0001) до 3,2-3,5 на гранях призмы. Поэтому предлагалось заменить его в шкале твердости кубическим минералом галенитом, твердость которого не зависит от направления царапанья; зато она может меняться на целый балл (от 2 до 3) с изменением химического состава (вхождением Se, Ag, Bi и др.).

Твердость топаза, определенная на разных гранях, также неодинакова. Она соответствует 8 на призматических гранях, а на грани базопинакоида понижается до 7,5. У корунда твердость, определенная на грани базопинакоида, оказывается немного ниже 9. У кварца твердость на гранях призмы несколько повышена. Но для таких твердых минералов, как корунд, топаз и кварц, различия в твердости не более чем на 0.5 балла в процентном выражении не столь существенны, как для кальцита.

Еще один кажущийся недостаток шкалы Мооса — слишком большой интервал между корундом и алмазом; чтобы дифференцировать его, киевский минералог А.С.Поваренных предложил дополнить шкалу твердости пятью новыми членами, четыре из которых представляют собой искусственные вещества (карбиды титана и бора, кристаллы бора), а пятый — разновидность алмаза карбонадо; верхнее, 15-е место в этой 15-балльной шкале отведено другой его разновидности — борту. Однако ввиду почти полного отсутствия в земной коре минералов, имеющих промежуточную твердость между корундом и алмазом (единственное исключение — муассанит SiC с твердостью 9,5), замена шкалы Мооса модифицированной 15-балльной шкалой оказалась неактуальной; но последняя может найти применение при исследовании абразивных материалов.

Для быстрого полевого определения твердости, когда всего набора минералов шкалы Мооса под рукой нет, полезно знать твердость некоторых предметов, обычно имеющихся при себе или легко доступных.

Сам Ф.Моос рекомендовал в качестве индикатора твердости тонкий напильник из очень твердой, хорошо закаленной стали с твердостью по его шкале около 6,5. Твердость обычной стальной иглы или лезвия ножа — около 5,5; оконного стекла — 5,5 (нож не царапает стекло!); медной иглы или монеты — 3; ногтя — чуть больше 2 (до 2,5).

Минералы, имеющие твердость 1-1,5 (тальк, пирофиллит, глинистые минералы группы каолинита — каолинит, галлуазит и др. — и группы смектитов: монтмориллонит, бейделлит, нонтронит и "мыльный камень" — сапонит), кажутся на ощупь жирными.

Твердость царапаньем следует определять на чистой, не выветренной и не покрытой какими-либо пленками или налетами поверхности образца; царапину наносить надо осторожно и не слишком нажимать на иглу или нож, дабы, во-первых, насколько возможно меньше повредить определяемый минерал, а во-вторых, не разрушить хрупкий минерал чрезмерным давлением и тем самым неверно оценить его твердость.

От каких же причин зависит твердость минералов? Она определяется преимущественно кристаллоструктурными факторами, химический же состав влияет на нее лишь опосредованно, поскольку его изменение влечет за собой изменение структурного мотива или структурного типа, а также типа кристаллоструктурных связей, сопряженное с уплотнением или разуплотнением кристаллической структуры.

Главное, что определяет твердость минералов (и вообще кристаллических веществ) — это прочность связей между атомами (ионами) в их структуре. В свою очередь, прочность связей зависит от плотности упаковки частиц, т.е. от их размеров и расстояний между ними: чем мельче частицы (атомы, ионы и т.д.) и чем ближе друг к другу они расположены, тем прочнее связаны между собой и тем плотнее (и прочнее) структура, а следовательно — выше твердость.

Помимо размеров ионов упрочнению структуры способствует увеличение их заряда, что, соответственно, влияет и на твердость в сторону ее повышения. Увеличение координационного числа соответствует уплотнению структуры и тем самым ведет к повышению твердости.

Таким образом, можно сформулировать в общем виде следующее правило: твердость минералов в среднем тем выше, чем меньше размеры составляющих их ионов, чем больше заряд (валентность) катионов и чем плотнее упаковка материальных частиц, слагающих кристалл (т.е. чем больше координационные числа атомов в кристаллической структуре).

Но, как уже отмечалось выше, те же структурные факторы, содействующие упрочнению структурных связей и уплотнению всей структуры, повышают также плотность минералов. Поэтому, как правило, полиморфные модификации с более высокой плотностью обладают вместе с тем и большей твердостью.

Наоборот, увеличение содержания воды в минералах или переход минералов в метамиктное состояние понижают одновременно и плотность, и твердость.

Можно привести несколько наглядных примеров, иллюстрирующих сказанное выше. В ряду полиморфов TiO₂ анатаз — брукит-рутил параллельно возрастают плотность (от 3,9 до 4,3) и твердость (от 5,5-6 у анатаза до 6-6,5 у рутила). В ряду оксидов и гидроксидов алюминия корунд-диаспор-бёмит-гиббсит и плотность, и твердость уменьшаются по мере увеличения содержания воды: плотность — от 4 у корунда Al₂O₃ до 2,4 у гиббсита Al(ОН)₃; твердость — от 9 у корунда до 7 у диаспора AlO(OH) с цепной структурой, 3,5-4 у бёмита AlO(OH) со слоистой структурой и 2,5-3 у гиббсита Al(ОН)₃. У двух полиморфов СаСO₃ — кальцита (КЧ Са=6) и арагонита (КЧ Са=9) значительно разнятся и плотность, и твердость, причем и та, и другая выше у арагонита с его более плотной структурой (соответственно плотность 2,72 и 2,95 г/см³; твердость 3 и 3,5-4).

Корунд Al₂O₃ гораздо тверже гематита Fe₂O₃ (имеющего твердость 5-6) при большом геометрическом сходстве структур (один структурный тип) — отчасти из-за того, что ион Аl³⁺ много меньше, чем ион Fe³⁺, а отчасти вследствие значительной роли металлической связи в структуре гематита. Если же взять пару галогенидов галита NaCl — йодаргирит AgI, относящихся, как было упомянуто выше, к разным структурным типам, с КЧ катионов соответственно 6 и 4, то оказывается, что, несмотря на одинаковое в обоих случаях расстояние между катионом и анионом (0,281 нм), т.е., учитывая и одинаковые заряды ионов, казалось бы, равную силу межатомной связи, твердость йодаргирита (1,5) заметно меньше, чем галита (2,5).

Минералы со слоистой структурой, в которой связи между слоями значительно ослаблены, как правило, имеют пониженную твердость по сравнению с минералами тех же классов, но с координационной, островной, кольцевой, цепной или каркасной структурой. В частности, в классе силикатов максимальной твердостью в целом характеризуются орто- и диортосиликаты — минералы с островным структурным мотивом (с изолированными одиночными или сдвоенными тетраэдрами [SiO₄]), а также кольцевые; за ними следуют метасиликаты — минералы с цепочечным или ленточным структурным мотивом (пироксены, амфиболы и др.), далее — минералы с каркасным структурным мотивом (кварц и алюмосиликаты — полевые шпаты и др. — с КЧ Al=4), а замыкают этот ряд слоистые силикаты: слюды, хлориты, глинистые минералы, тальк и т.п.

Как типичное векторное свойство, твердость, будучи измерена на разных гранях кристалла одного и того же минерала, зачастую оказывается различной. При этом в большинстве случаев твердость, определенная на грани базопинакоида, получается ниже измеренной на призматических гранях. Анизотропия твердости четко проявляется даже в наиболее симметричных, изометрических кристаллах кубической сингонии.

Твердость граней кристалла, как правило, тем выше, чем больше ретикулярная плотность параллельных им плоских сеток кристаллической решетки. Например, у алмаза самой высокой твердостью обладают грани октаэдра (111), несколько меньшей — грани ромбододекаэдра (110) и еще более низкой — грани куба (100); эта последовательность строго согласуется с уменьшением ретикулярной плотности сеток решетки алмаза, параллельных названным граням. Хотя в данном конкретном случае различия в твердости невелики, но именно они дают возможность шлифовать алмазы алмазным же порошком.

Насколько же могут расходиться значения твердости одного минерала, измеренные на разных гранях его кристаллов и/или в разных направлениях (допустим, вдоль и поперек кристалла)?

Из приведенных выше (при разборе шкалы Мооса) примеров видно, что это расхождение обычно не превышает 0,5-1,0 балл. Однако в учебниках минералогии до сих пор часто указывается в качестве классического примера анизотропии твердости минерал кианит (имеющий и второе название, данное ему Р.-Ж.Гаюи, — дистен, что означает "две прочности", т.е. двоякую твердость). Дистен относится к пинакоидальному классу триклинной сингонии, и твердость его измеряется на пинакоидальных гранях. При этом говорится, что по длине кристалла он имеет твердость 4,5, а поперек — 7, т.е. различие достигает 2,5 балла. В действительности, по современным данным, твердость кианита, измеренная на грани 1-го пинакоида (100) вдоль оси с, равна 5,5, а перпендикулярно с — 6,5; на грани 2-го пинакоида (010) — соответственно 6 и 7; на грани 3-го пинакоида (001) в направлении, параллельном оси b, твердость составляет 5,5, а параллельно оси а — 6,5.

Иными словами, и в данном случае расхождение каждый раз не превышает одного балла, хотя в целом составляет 1,5 балла. Однако пример кианита (дистена) весьма показателен в том отношении, что колебания его твердости приходятся как раз на верхнюю границу твердости стали, и если царапать минерал ножом или стальной иглой вдоль удлинения кристаллов, то царапина появится, а если поперек — то нет (поскольку это направление в кристаллах кианита наиболее плотно заселено катионами Al³⁺). Кианит по-прежнему остается очень наглядным примером для демонстрации анизотропии твердости минералов.

<<< Механические свойства | Содержание | Спайность >>>

Познакомиться с изображениями и описаниями других объектов природы России и сопредельных стран - минералов и горных пород, почв, грибов, водорослей, лишайников, листостебельных мхов, деревьев, кустарников, кустарничков и лиан, травянистых растений (цветов), ягод и других дикорастущих сочных плодов, водных беспозвоночных животных, насекомых-вредителей леса, дневных бабочек, пресноводных и проходных рыб, земноводных (амфибий), пресмыкающихся (рептилий), птиц, птичьих гнезд, их яиц и голосов, а также млекопитающих (зверей), - можно в разделе Природа России нашего сайта.

В разделе Природа в фотографиях размещены также тысячи научных фотографий грибов, лишайников, растений и животных России и стран бывшего СССР, а в разделе Природные ландшафты мира - фотографии природы Европы, Азии, Северной и Южной Америки, Африки, Австралии и Новой Зеландии и Антарктики.

В разделе Методические материалы Вы также можете познакомиться с описаниями разработанных экологическим центром "Экосистема" печатных определителей растений средней полосы, карманных определителей объектов природы средней полосы, определительных таблиц "Грибы, растения и животные России", компьютерных (электронных) определителей природных объектов, полевых определителей для смартфонов и планшетов, методических пособий по организации проектной деятельности школьников и полевых экологических исследований (включая книгу для педагогов "Как организовать полевой экологический практикум"), а также учебно-методических фильмов по организации проектной исследовательской деятельности школьников в природе. Приобрести все эти материалы можно в нашем некоммерческом Интернет-магазине. Там же можно приобрести mp3-диски Голоса птиц средней полосы России и Голоса птиц России, ч.1: Европейская часть, Урал, Сибирь.

Поделиться/Share:

: ml :

Порекомендуйте нас в "своих" социальных сетях:

- share this page with your friends!