1
C
ECHY FIZYCZNE MINERAŁÓW
Przy makroskopowym rozpoznawaniu minerałów wykorzystuje się następujące cechy:
- morfologiczne: pokrój,
- optyczne: barwa, rysa, przezroczystość, połysk,
- mechaniczne: łupliwość, przełam, twardość oraz inne
- inne: gęstość, własności magnetyczne, własności cieplne, własności elektryczne
POKRÓJ – ogólny kształt kryształu charakterystyczny dla danego minerału. Określa się go
porównując wymiary (a, b i c) kryształu w trzech prostopadłych do siebie kierunkach. Istnieją 4
podstawowe typy pokroju:
izometryczny – a ≈ b ≈ c, identyczne lub zbliżone wymiary w trzech kierunkach np. kwarc α
tabliczkowy – a ≠ b ≠ c, różne wymiary w trzech kierunkach np. skalenie
o
listewkowy – wymiary różne w trzech kierunkach, przy czym jeden wymiar
wyraźnie przeważa nad pozostałymi
płytkowy – a ≈ b > c – podobne wymiary w dwóch kierunkach, zaś w trzecim jest wyraźnie
mniejszy np. miki; pokrój płytkowy dzieli się dalej na:
o
blaszkowy
o
łuseczkowy
słupowy – a ≈ b < c, podobne wymiary w dwóch kierunkach, w trzecim zaś wymiar
wyraźnie większy od dwóch poprzednich np. kwarc β, amfibole, gdy trzeci wymiar znacznie
przeważa nad pozostałymi wyróżniamy odmiany:
o
pręcikowy
o
igiełkowy
o
włóknisty
BARWA – jest uzależniona od tego, jaką część widma światła białego absorbuje badany minerał.
Ze względu na barwę wyróżnia się:
minerały idiochromatyczne (barwne) – obdarzone, stałą charakterystyczną dla siebie barwą,
przyczyną własnej barwy minerałów jest selektywna adsorpcja światła widzialnego związana
z przejściem między różnymi stanami energetycznymi elektronów. Najczęściej wiąże się ona
z obecnością w sieci krystalicznej minerałów jonów metali przejściowych lub ziem rzadkich,
odgrywających rolę chromoforów, bądź też występowaniem pewnych typowych defektów
sieciowych. Przykłady: malachit (zielony), azuryt (niebieski).
minerały achromatyczne – absorbują światło równomiernie, jeżeli pochłanianie jest
nieznacznie to minerały nie posiadają charakterystycznej barwy – są bezbarwne, (np. halit,
diament), przy silnym pochłanianiu minerały te są czarne (np. grafit)
minerały allochromatyczne (zabarwione) – gdy minerały bezbarwne zawierają domieszkę
obcej, barwnej substancji mineralnej, zwykle rozproszonej w minerale, np. ametyst
(zabarwiony na fioletowo), cytryn (zabarwione na żółto).
minerały pseudochromatyczne – wykazują szczególną barwną migotliwość (iryzację),
która jest wynikiem interferencji światła odbitego od subtelnych szczelinek łupliwości lub
granic zrostów osobników mineralnych. Migotliwość interferencyjną w odcieniach
ciemnoniebieskich ma np. labrador.
2
RYSA – jest to barwa sproszkowanego minerału. Bada się ją pocierając minerałem
o niepolerowaną płytkę porcelanową. Minerały twarde i bardzo twarde nie dają rysy. Barwa rysy
może być inna niż barwa makroskopowa minerału – np. hematyt. Za pomocą rysy można odróżnić
minerały barwne od zabarwionych.
minerały barwne maja rysę barwną
minerały zabarwione i bezbarwne mają rysę białą
PRZEZROCZYSTOŚĆ - jest to zdolność minerału do przepuszczania światła. Wyróżniamy:
minerały przezroczyste – mają zdolność całkowitego przepuszczania światła (np. diament)
minerały przeświecające (= półprzezroczyste) – mają zdolność częściowego
przepuszczania światła (np. chalcedon)
minerały nieprzezroczyste – nie przepuszczają światła (np. galena, piryt, magnetyt)
POŁYSK - jest zdolność minerału do odbijania światła. Natężenie połysku, czyli ilość światła
odbitego, zależy od współczynników załamania światła minerału. Wyróżnia się następujące rodzaje
połysku:
metaliczny – charakterystyczny dla wielu minerałów kruszcowych (np. galena, piryt)
półmetaliczny – nieco słabszy od metalicznego, właściwy niektórym rudom – np.
magnetyt
szklisty – bardzo rozpowszechniony w świecie minerałów, przypominający połysk czystej
powierzchni szklanej (np. skalenie, oliwin)
tłusty – charakterystyczny dla wielu minerałów nieprzezroczystych; ściany minerałów
o tym połysku wyglądają jak natłuszczone (np. kwarc na przełamie)
perłowy – spotykany w minerałach o budowie blaszkowej, charakterystyczny dla
minerałów przezroczystych (np. muskowit, gips)
jedwabisty – wykazują go minerały o budowie włóknistej (np. azbest)
diamentowy – niezwykle intensywny, charakterystyczny dla niektórych minerałów
przezroczystych i przeświecających (np. diament)
matowy – określenie równoważne brakowi połysku (np. jaspis)
ŁUPLIWOŚĆ – jest to zdolność minerałów do pękania pod wpływem uderzenia, bądź nacisku na
części ograniczone powierzchniami płaskimi. Minerały mogą wykazywać łupliwość w jednym,
dwóch lub w trzech kierunkach. Łupliwość jednokierunkową wykazują miki (muskowit i biotyt)
oraz gips, dwukierunkową ortoklaz, pirokseny i amfibole (kąt pomiędzy płaszczyznami łupliwości
u piroksenów zbliżony jest do 90, a u amfiboli wynosi ok.120). Łupliwość trójkierunkową –
kostkową wykazuje sól kamienna i galena.
W zależności od stopnia wyrazistości (czyli łatwości pękania minerału) oraz stopnia gładkości
powierzchni, wyróżnia się następujące typy łupliwości:
doskonała (np. halit ma doskonałą łupliwość w 3 kierunkach, miki doskonała w 1
kierunku)
dokładna = bardzo dobra (np. anhydryt)
wyraźna (np. apatyt)
niewyraźna = słaba, niedokładna (np. piryt)
Niektóre minerały nie wykazują łupliwości np. kwarc.
3
PRZEŁAM – powstaje wtedy, gdy minerał pęka pod wpływem uderzenia wzdłuż nierównych
powierzchni. Ta cecha mówi nam zatem o braku łupliwości (przeciwieństwo łupliwości). Jeżeli
minerał jest łupliwy w trzech kierunkach (np. halit, kalcyt) to nie posiada przełamu. Minerał, który
jest łupliwy w jednym kierunku, w dwóch pozostałych posiada przełam.
Ze względu na kształt i charakter powierzchni przełam może być:
nierówny
muszlowy
ziemisty
zadziorowaty (haczykowaty)
TWARDOŚĆ – jest to opór, jaki stawia on rysującemu go ostrzu. Najczęściej określany twardość
względną minerały w oparciu o skale Mohsa. Friedrich Mohs zaproponował 10-stopniową
względną skalę twardości (stosowaną do dziś), w której każdy minerał rysuje minerał, który go
poprzedza. Skala Mohsa porządkuje zatem minerały według wzrastającej twardości.
SKALA MOHSA
Twardość
Wzorcowy minerał
1.
Talk
Mg
3
(OH)
2
[Si
4
O
10
]
2.
Gips
CaSO
4
· 2H
2
O
3.
Kalcyt
CaCO
3
4.
Fluoryt
CaF
2
5.
Apatyt
Ca
5
(Cl,F,OH)[PO
4
]
3
6.
Ortoklaz
KAlSi
3
O
8
7.
Kwarc
SiO
2
8.
Topaz
Al
2
(F,OH)
2
[SiO
4
]
9.
Korund
Al
2
O
3
10.
Diament
C
Twardość wszystkich ważniejszych minerałów skałotwórczych wynosi 2 - 7. Do badań twardości
częściej niż minerałów skali Mohsa używa się przedmiotów z życia codziennego o twardości
wielokrotnie sprawdzonej i porównanej ze stopniami skali Mohsa:
- czyste aluminium, paznokieć - twardość ok. 2,5
- czysta miedź - twardość 3
- gwóźdź żelazny - twardość 4 - 5
- szkło, stal (zal. od rodzaju) 5 - 6
Minerały o twardości powyżej 7 rysują szkło.
Skala Mohsa nie informuje o ile (lub o ile razy) każdy następny minerał jest twardszy od
poprzedniego, dlatego wszystkie twardości pośrednie między twardościami minerałów wzorcowych
określano są jako połówkowe (1.5, 2.5, 3.5, itd.)
4
INNE CECHY MECHANICZNE:
sprężystość – podczas odkształcenia sprężystego sieć krystaliczna ulega deformacji
w całości, lecz żaden atom nie zmienia swego położenia w płaszczyźnie sieciowej, co
pozwala na powrót sieci do jej pierwotnego położenia po usunięciu działającej siły.
Odkształcenie jest proporcjonalne do wielkości użytej siły i określenia modułem
sprężystości (Younga). Przykład: grafit.
giętkość – pozostaje w stanie odkształconym, np. grafit
plastyczność – np. ozokeryt
kowalność i ciągliwość – np. miedź rodzima, złoto rodzime
strugalność – np. argentyt
kruchość – za kruche uważa się te minerały, które przy użyciu siły rozpadają się bez
wykazania uprzednio odkształceń sprężystych lub plastycznych. Minerały mogą być bardzo
kruche (np. galena), kruche (np. anhydryt, baryt), nieco kruche (np. argentyt)
GĘSTOŚĆ RZECZYWISTA - jest to stosunek masy minerału do jego objętości (bez porów).
Gęstość minerałów zmienia się w szerokich granicach. Największą gęstość mają metale rodzime od
ok. 10 g/cm
3
dla srebra rodzimego, do ok. 20 g/cm
3
dla złota rodzimego. Najmniejszą gęstość mają
natomiast substancje pochodzenia organicznego tj. bursztyn (ok. 1 g/cm
3
). Większość minerałów
skałotwórczych ma jednak gęstość rzędu 2 - 4 g/cm
3
.
WŁASNOŚCI CIEPLNE
rozszerzalność cieplna – miara zwiększania objętości minerału przy ogrzewaniu. Minerały
krystalizujące w układzie regularnym są pod tym względem izotropowe, pozostałe wykazują
znaczną niekiedy anizotropię tej własności. Różnice współczynników cieplnej
rozszerzalności minerałów są przyczyną rozpadania się skał pod wpływem zmian
temperatury.
przewodnictwo cieplne – przenoszenie energii cieplnej z miejsc ciała o temperaturze
wyższej do miejsc o temperaturze niższej. W ciele stałym w przenoszeniu energii cieplnej
nie uczestniczy konwekcja! Przewodnictwo cieplne zależy od rodzaju wiązań chemicznych.
Najlepszymi przewodnikami ciepła są metale. Współczynnik przewodnictwa cieplnego
kryształów jest największy w kierunku najsilniejszych wiązań.
ciepło właściwe – jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 kg substancji o 1°C. Wielkość
ta jest funkcją drgań sieci krystalicznej, które zależne są z kolei od struktury kryształu i jego
wiązań chemicznych. Stosunek współczynnika rozszerzalności cieplnej do ciepła
właściwego jest dla danego kryształu wielkością stałą, niezależną od temperatury.
temperatura i ciepło topnienia minerałów. Ciepło topnienia to ilość ciepła pobranego
w temperaturze topnienia wyrażona w J/kg stopionego kryształu. Wielkości te są
charakterystycznymi cechami poszczególnych minerałów i mogą się zmieniać w szerokich
granicach. Przykładowy minerał łatwo topliwy – siarka (112,8°C), trudno topliwy – korund
(2050°C). Nieliczne minerały (np. salmiak rodzimy) przy ogrzewaniu sublimują.
ogniotrwałość – odporność niektórych minerałów na działanie wysokich temperatur.
Wyrażana jest w numerach tzw. stożków pirometrycznych lub w stopniach Celsjusza.
W technice za ogniotrwałe uważa się minerały, których ogniotrwałość jest wyższa niż 161
SP (1610°C). Większe znaczenie mają surowce o ogniotrwałości wyższej niż 167 SP
(1670°C). Wysoko-ogniotrwałe materiały mają ogniotrwałość > 179 SP.
5
WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE
– są rezultatem momentów magnetycznych poszczególnych
cząstek elementarnych budujących kryształ (głównie elektronów) oraz wzajemnego oddziaływania
momentów magnetycznych sąsiednich atomów. Każdy elektron wykazuje spinowy moment
magnetyczny (związany ze spinem – obrotem wokół własnej osi) oraz orbitalny moment
magnetyczny, wynikający z jego ruchu wokół jądra atomowego.
Moment magnetyczny przypadający na jednostkę objętości ciała nazywamy namagnesowaniem J.
Stosunek namagnesowania do natężenia przyłożonego pola magnetycznego H to objętościowa
podatność magnetyczna c.
diamagnetyki – substancja, która umieszczona w niejednorodnym polu magnetycznym
ulega odpychaniu w kierunku słabszego pola (czyli ulegają namagnesowaniu w kierunku
przeciwnym
do
zewnętrznego
pola
magnetycznego).
Podatność
magnetyczna
diamagnetyków jest zawsze < 0. Efekt diamagnetyczny jest właściwością wszystkich
atomów i wynika ze spowodowanego precesją orbity elektronowej powstawania
chwilowego orbitalnego momentu magnetycznego, skierowanego – zgodnie z regułą Lenza
– przeciw polu zewnętrznemu. Własności diamagnetyczne obserwuje się jednak tylko
w tych kryształach, w których nie są przesłonięte przez silniejsze efekty paramagnetyczne.
Przykłady diamagnetyków: halit, kwarc, kalcyt. Czysty sfaleryt jest diamagnetykiem, przy
zawartości Fe > 0,4% staje się paramagnetykiem.
paramagnetyki – po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego magnesują się zgodnie
z jego kierunkiem. Efekt ten wykazują kryształy o wypadkowym momencie magnetycznym
różnym od zera. Przy braku pola zewnętrznego momenty magnetyczne poszczególnych
atomów są zorientowane – wskutek ruchów termicznych – przypadkowo, co powoduje, że
namagnesowanie kryształu jest zerowe. Pole zewnętrzne powoduje częściowe
uporządkowanie momentów magnetycznych w kierunku pola. Paramagnetykami są m.in.
pierwiastki lub jony o niecałkowicie zapełnionych powłokach zewnętrznych 3d (pierwiastki
pierwszej serii przejściowej) i 4f (lantanowce). Paramagnetyczne są minerały Fe i Mn.
ferromagnetyki – substancje, w których momenty magnetyczne spontanicznie orientują się
równolegle do siebie. Wśród pierwiastków właściwości takie wykazują te, które mają
niezapełnione powłoki elektronowe 3d lub 4f, na których występują elektrony
o niesparowanych spinach (np. Fe, Co, Ni, Gd). Ferromagnetyzm możliwy jest tylko
w stanie krystalicznym. Namagnesowanie występuje wyłącznie poniżej tzw. temperatury
Curie (dla Fe 770°C).
antyferromagnetyki – substancje, w których spinowe momenty magnetyczne sąsiednich
atomów są zorientowane antyrównolegle, a wielkość tych momentów jest jednakowa (czyli
kompensują się). Powyżej temperatury Neela stają się one paramagnetykami. Przykłady:
manganosyt (MnO) T
N
= –151°C, piroluzyt (T
N
= – 189°C), syderyt (T
N
= –216°C).
ferrimagnetyki – kryształy, w których występują dwie podsieci atomów o momentach
magnetycznych zorientowanych antyrównolegle, ale różniących się co do wielkości.
Makroskopowo wykazują one zatem takie same właściwości jak ferromagnetyki.
Właściwości takie wykazują m.in. ferryty (tlenki, w których skład wchodzi żelazo oraz
jeden lub kilka innych metali – np. magnetyt), a także niektóre siarczki (np. pirotyn)
i niektóre stopy metaliczne.
6
WŁASNOŚCI ELEKTRYCZNE
przewodnictwo elektryczne – może być elektronowe (charakterystyczne dla metali) lub
jonowe (uwarunkowane przez jony, które w wysokich temperaturach mogą przemieszczać
się przez sieć krystaliczną). Wśród minerałów przewodnikami są metale rodzime,
półprzewodnikami niektóre tlenki, siarczki, arsenki, a dielektrykami np. diament, siarka
rodzima, fluory, kwarc, skalenie.
stała dielektryczna (przenikalność dielektryczna) – charakterystyczna dla izolatorów. Jest
to stosunek pojemności kondensatora, którego okładki są przedzielone dielektrykiem do
pojemności tego samego kondensatora w próżni. Stała ta jest odzwierciedleniem polaryzacji
dielektryków pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego.
ferroelektryczność – zjawisko polegające na przyjmowaniu przez niektóre ciała
anomalnych wartości stałej dielektrycznej w pewnym przedziale temperatury. Klasycznym
przykładem jest sól Seignetta (winian sodu i potasu). Kryształy ferroelektryków nie mają
środka symetrii – np. colemanit, boracyt, piroluzyt. Ferroelektryki stosuje się do budowy
kondensatorów, jako przetworniki piezoelektryczne, elementy nieliniowe w elektronice
i optyce (elektrooptyczne przesłony).
piezoelektryczność – powstawanie dipolowego ładunku elektrycznego na powierzchni
kryształu pod wpływem jego ściskania lub rozciągania. Występuje dla kryształów
pozbawionych środka symetrii (np. kwarc, turmalin, sfaleryt). Wykorzystanie
w radiotechnice do stabilizacji częstości drgań.
piroelektryczność – zdolność do wytwarzania, pod wpływem zmian temperatury,
różnoimiennych ładunków elektrycznych na przeciwległych elementach powierzchni.
Podczas oziębiania takiego kryształu w tych samych miejscach powstają ładunki
odmiennego znaku niż w czasie ogrzewania. Zjawisko to wykazują minerały nie posiadające
środka symetrii i posiadające co najwyżej jedną oś symetrii – np. turmaliny, hemimorfit,
skolecyt. Zastosowanie w czujnikach mierzących bardzo małe zmiany temperatury.
R
UDY I MINERAŁY RUDNE
Nazwy minerałów kruszcowych i rud:
żelaza (Fe): magnetyt, hematyt, syderyt, limonit
siarki (S): piryt i markasyt
cynku (Zn): sfaleryt, blenda cynkowa, galman
ołowiu (Pb): galena
miedzi (Cu): chalkopiryt, chalkozyn, malachit, azuryt
arsenu (As): arsenopiryt