Физические и химические свойства минералов

Между химическим составом, кристаллической структурой и физическими свойствами минерала существует самая тесная взаимосвязь. Изучение физических свойств позволяет судить о химическом составе и структуре минерала. Кроме того, физические свойства могут представлять большой интерес для определенных областей техники (высокая твердость алмаза, корунда; оптические свойства кварца, флюорита, кальцита). Кроме этого физические свойства минералов позволяют их идентифицировать в полевых условиях.

К физическим относятся оптические, механические, электрические, магнитные, теплофизические свойства и плотность. Есть еще и химические свойства, к которым относятся степень реакционной способности минералов, особенности их взаимодействия с различными реагентами, растворимость. Есть и такие свойства, которые можно назвать физико-химическими (например, характер смачиваемости его зерен).

На различных физических свойствах кристаллов (плотности, электрическим и магнитным свойствам) основаны геофизические методы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых (гравиразведка, магниторазведка, электроразведка, сейсморазведка). Характер механических свойств определяет способ измельчения кристаллов при обработке их руд. Плотность влияет на способность оставаться в шлихе или вымываться из него, т.е. определяет метод обогащения руд.

Анизотропия свойств кристаллов

Анизотропия свойств кристаллов вызвана анизотропией их пространственной решетки. Это значит, что разные грани, ребра, вершины кристалла имеют различные свойства: по-разному блестят, твердость кристалла на них различна, нередко они имеют иную окраску и т. д. Анизотропия свойств выражается в том, что по непараллельным направлениям свойства на одной и той же грани различны. Например, грани кристаллов алмаза царапаются в разных направлениях по-разному – это учитывается при шлифовке бриллиантов. Анизотропно проявляются в объеме кристалла все физические свойства: оптические, электрические, теплофизические свойства, твердость и др.

Степень анизотропности кристаллов зависит от их симметрии. Если через центр кристалла провести прямые, то среди них можно выделить симметрично-равные, единичные и полярные прямые (направления).

Симметрично-равными называются такие повторяющиеся в кристалле прямые (или направления), которые выводятся одна из другой с помощью элементов симметрии. Свойства кристаллов по этим направлениям повторяются.

Единичными называются такие прямые (направления), которые являются единственными, неповторимыми в кристалле. Свойства кристаллов вдоль этих направлений отличаются от свойств по другим направлениям. В кристаллах кубической сингонии единичных направлений нет, т.к. они симметрично равны и многократно повторяются. Анизотропия свойств в кристаллах кубической сингонии проявляется очень слабо. В результате можно сказать, что кубические кристаллы изотропны (изотропное тело обладает равными свойствами во всех направлениях).

В кристаллах гексагональной, тригональной и тетрагональной сингоний всегда есть одно единственное, единичное, т.е. неповторяющееся направление. Это оси симметрии L₆, L₄, L₃. Такая ось всегда одна, и больше не повторяется. Все остальные направления в этих кристаллах неоднократно повторяются.

В кристаллах ромбической сингонии существует три единичных направления. В кристаллах моноклинной сингонии единичных направлений множество, а в триклинной все направления единичны. Анизотропия свойств в этих кристаллах проявлены наиболее сильно.

Полярными направлениями называются те из симметричных или единичных направлений, концы которых не могут быть совмещены при помощи элементов симметрии. Ярким примером этого является ось третьего порядка в турмалине. Её верхний конец несовместим с нижним, оба конца неравнозначны. Это следует из особенностей кристаллической структуры минералов, основным элементом которой являются кольца кремнекислородных тетраэдров (Si₆O₁₈)^12–, вершины которых развернуты в одну сторону. Следствием полярности L₃ служат пироэлектрические свойства турмалина: при нагревании на вершине и основании возникают разноименные электрические заряды. Окраска кристаллов многоцветных турмалинов и скорость их роста различны на разных окончаниях кристаллов.

Физические свойства изоморфных смесей

Говоря о физических свойствах минералов, мы имеем в виду химически чистые соединения, состав которых отвечает их формуле. Однако на химическом составе минералов сказываются явления изоморфизма. Свойства минералов закономерно изменяются при вхождении в их состав изоморфных примесей: чем больше примесей, тем сильнее отклоняются физические свойства от идеальных (эталонных). Явления изоморфизма приводят к тому, что физические свойства могут так сильно изменяться у крайних членов изоморфных рядов, что минералы становятся непохожими сами на себя. Например, сульфид цинка (сфалерит) прозрачен и бесцветен, имеет алмазный блеск, но при частичном замещении цинка железом (изоморфизм несовершенный и ограниченный) становится сначала коричневым, затем черным, блеск его меняется до полуметаллического, становится совершенно непрозрачным. Другой пример – полный ряд минералов от колумбита (Fe,Mn)Nb₂O₆ до танталита (Fe,Mn)Ta₂O₆. Из-за разницы в атомных массах (у ниобия 92,9, у тантала 180,9) плотность минералов меняется от 5,2 до 8,2 соответственно, также изменяется твердость и другие свойства. Таких примеров можно привести много. Внешне, часто можно наблюдать изменение цвета минералов, который становится более интенсивным из-за большего вхождения примесей-хромофоров.

Оптические свойства

Важную роль для минералогии играют многие оптические явления: отражение и преломление света, блеск, прозрачность, цвет, цвет черты (тонкого порошка) и люминесценция.

Отражение и преломление света

Когда луч света, проходящий в воздушной среде. Падает наклонно к поверхности не полностью непрозрачного твердого тела, часть света отражается в обратном направлении, а другая часть проникает внутрь этого тела. Угол отражения равен углу падения луча. Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости. Проходя через вещество луч света отклоняется от продолжения падающего луча. Показатель преломления определяют как отношение синуса угла падения к синусу угла преломления. Также показатель преломления можно представить как отношение скоростей распространения света в воздухе и в данном твердом теле.

Скорость света в воздухе составляет 300 000 км/с; если скорость света в некотором веществе равна 200 00 км/с, то показатель преломления для этого вещества будет 300 000 / 200 000 или 1,5. Показатели преломления большей части твердых тел лежат в пределах от 1,4 до 2,0.

Показатель преломления вещества, так же как и плотность, зависит от его химического состава и кристаллической структуры.