О свойствах минералов.
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 струкутурные 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 А12О3 до 2,4 у гиббсита А1(ОН)3; твердость — от 9 у корунда до 7 у диаспора АЮ(ОН) с цепной структурой, 3,5—4 у бёмита АЮ(ОН) со слоистой структурой и 2,5—3 у гиббсита А1(ОН)3. У двух полиморфов СаСО3 — кальцита (КЧСа=6) и арагонита (КЧСа=9) значительно разнятся и плотность, и твердость, причем и та, и другая выше у арагонита с его более плотной структурой (соответствнно плотность 2,72 и 2,95 r/смЗ; твердость 3 и 3,5—4).
Корунд А12О3 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 галит NaCl — йодар-гирит Agl, относящихся, как было упомянуто выше, к разным структурным типам, с К.Ч 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 КЧд,=4), а замыкают этот ряд слоистые силикаты: слюды, хлориты, глинистые минералы, тальк и т.п.
<1> <2> <3> <4> <5> <6> <7> <8> <9> <10> <11> <12> <13> <14> <15> <16> <17> <18> <19> <20> <21> <22> <23> <24> <25> <26> <27>