• Как различаются минералы по своим свойствам. Состав древесно-полимерных композитов: общие свойства минеральных наполнителей

    Физические свойства минераловобусловлены их внутренним строением и химическим составом. К физическим свойствам относят плотность, механические, оптические, магнитные, электрические и термические характеристики, радиоактивность и люминесценцию.

    Под плотностьюминерала понимается вес единицы его объема. Плотность зависит от атомного веса атомов или ионов, слагающих кристаллическое вещество, и от плотности их упаковки в кристаллической решетке минерала. У природных веществ она варьирует в широких пределах: от значений менее 1 г/см 3 до 23 г/см 3 . По плотности минералы подразделяют на легкие (до 2,5 г/см 3), средние (2,5-4,0 г/см 3), тяжелые

    (4,0-8,0 г/см 3) и весьма тяжелые (более 8,0 г/см 3). Легкими являются нефти, угли, гипс, галит; к средним относят кварц, кальцит, полевые шпаты, к тяжелым – рудные минералы.

    Для отнесения минерала к одной из этих групп достаточно определить его плотность приблизительно – путем взвешивания на ладони.

    Механические свойства включают твердость, спайность, излом, хрупкость, ковкость, гибкость.

    Твердость минерала – это степень его сопротивления внешнему механическому воздействию (царапанью и т.д.). Она оценивается по десятибалльной шкале относительной твердости, предложенной немецким ученым Ф. Моосом в 1811 г. Относительная твердость определяется путем царапанья исследуемого минерала острыми краями эталонных минералов (пассивная твердость) или эталонных минералов исследуемым (активная твердость). Минералы-эталоны, твердость которых (в условных единицах) соответствует их номерам, располагается в шкале Мооса следующим образом: 1 – тальк, 2 – гипс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит,

    6 – ортоклаз, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 – корунд, 10 – алмаз.

    Если, например, гипс не оставляет царапины на поверхности исследуемого минерала, а кальцит оставляет, значит его твердость равна 2,5.

    В практике полевых работ при отсутствии шкалы Мооса твердость минералов определяется при помощи распространенных предметов с известной твердостью. Например, у карандаша она равна 1, у ногтя – 2-2,5, желтой монеты – 3-3,5, стекла – 5, стального стержня (гвоздя) – 6. Большинство природных соединений обладает твердостью от 2 до 6.

    На лабораторных занятиях определение твердости минерала следует начинать с проверки, царапает ли он стекло, а не наоборот, чтобы не портить образцы. Затем уточнить значение твердости (если в этом есть необходимость) при помощи минералов шкалы Мооса.

    Спайность – способность кристаллов и кристаллических зерен раскалываться или расщепляться по определенным кристаллографическим направлениям с образованием ровных блестящих поверхностей, называемых плоскостями спайности. Различают спайности:

      весьма совершенную – минералы (слюды, хлорит) легко расщепляются по плоскостям напластования на тончайшие листочки, образуя зеркально-блестящие плоскости спайности;

      совершенную – минералы (кальцит, галит, полевые шпаты) при ударе раскалываются по спайности, а образующиеся выколки по форме повторяют кристалл;

      среднюю – на сколах минералов (полевые шпаты, пироксены) наблюдаются как плоскости спайности, так и неровные изломы в произвольных направлениях;

      несовершенную – зерна минералов ограничены неправильными поверхностями, за исключением отдельных граней кристаллов (сера, оливин);

      весьма несовершенную (или спайность отсутствует) – минерал всегда раскалывается по произвольным неровным поверхностям, иногда образуя характерный излом (кварц, корунд, магнетит).

    Минералы, у которых спайность отсутствует, обладают отдельстью.

    Отдельность – это способность минерала раскалываться лишь в определенных участках, а не по определенным плоскостям. Трещины отдельности более грубые, не вполне плоские, ориентировка их зависит от характера распределения включений, двойникования и т.д.

    Излом – форма поверхности, образующаяся при раскалывании минералов. Характер излома зависит от спайности. Различают ровный и неровный, ступенчатый, раковистый и мелко раковистый, занозистый, зернистый и шероховатый, крючковатый и др. разновидности изломов.

    Ровный излом проходит по плоскостям спайности. Ступенчатый излом наблюдается у минералов с совершенной спайностью; неровный и раковистый (похожий на поверхность раковин) – у минералов с несовершенной и весьма несовершенной спайностью. Занозистым считается излом, поверхность которого покрыта ориентированными занозами, представляющими собой зерна кристаллов удлиненного облика (роговая обманка, гипс). Зернистый излом встречается у минералов с изометрическим (или близким) обликом кристаллов (галит). Землистым изломом обладают тонкодисперсные агрегаты с матовой поверхностью (лимонит, каолинит), крючковатым – самородные металлы.

    Хрупкость, ковкость, гибкость минералов определяются визуально, по их реакции на механические напряжения.

    Оптические свойства включают цвет минералов, цвет черты, степень прозрачности, блеск.

    Цвет (окраска) минерала является важным диагностическим признаком. Названия многим минералам даны по их цвету (например, хлорит в переводе с греческого означает «зеленый», альбит – с латинского «белый», рубин – «красный»). В природных соединениях окраска минерала обусловлена следующими причинами:

      наличием в составе минерала элемента-красителя (хромофора). Наиболее важные хромофоры – Cu, Ni, Co, Ca, Mn, Fe;

      наличием тонко распыленных механических окрашенных примесей, которые могут быть как органического, так и неорганического происхождения (бурые окислы железа, черные окислы марганца и т.п.);

      наличием субмикроскопических ориентированных включений и внутренних поверхностей трещин спайности. В некоторых минералах кроме основной окраски иногда на плоскостях спайности или полированных поверхностях при некоторых углах поворота вспыхивают яркие синие, голубые или зеленоватые переливы. Подобные явления получили название иризация. Наблюдается это явление чаще всего в плагиоклазах (лабрадор);

      наличием пестрых поверхностных образований, т.н. побежалости, например, золотистые пленки наблюдаются на поверхности бурых железняков, темно-желтые или пестрые – на поверхности халькопирита.

    На лабораторных занятиях цвет минералов определяется на глаз, путем сравнения с известными цветами.

    Цвет черты – это цвет минерала в тонком порошке. Этот признак в сравнении с окраской минералов является более постоянным, а следовательно, и более надежным их диагностическим признаком.

    Цвет черты не всегда совпадает с цветом самого минерала. Например, у магнетита и цвет, и цвет черты черные, а у гематита, который в плотных агрегатах имеет стально-серый или черный цвет, черта вишнево-красная. Большинство светлоокрашенных и прозрачных минералов имеют бесцветную черту.

    Практически черта определяется с помощью неглазурованной фарфоровой пластинки – бисквита. Порошок получается в виде следа на пластинке, если прочертить по ней минералом. Черту на бисквите оставляют минералы с твердостью до 6 (6 – твердость бисквита). Более твердые минералы черты не оставляют, а царапают бисквит. Для них черта не определяется.

    Прозрачностью называется свойство минералов пропускать сквозь себя свет. По степени прозрачности минералы делятся на 3 группы:

      прозрачные – минералы, пропускающие свет в пластинах любой толщины (горный хрусталь, исландский шпат);

      полупрозрачные – минералы, просвечивающие только в тонких пластинах (опал, халцедон);

      непрозрачные – не пропускают свет даже в тончайших пластинках (рудные минералы).

    Блеск – способность минерала отражать падающий на него световой поток. Гладкие поверхности (грани, плоскости спайности) всегда лучше отражают свет, чем неровные. Различают следующие виды блеска:

      металлический – самый сильный блеск минералов. Наблюдается у темноокрашенных непрозрачных минералов. Визуально аналогичен блеску неокисленной поверхности металлов. Таким блеском обладают самородные металлы.

      полуметаллический (металловидный) – блеск, напоминающий блеск потускневшей поверхности металлов. Наблюдается у гематита, графита.

      алмазный – самый сильный блеск светлоокрашенных минералов. В качестве примера может служить блеск алмазов, серы на гранях кристаллов.

      стеклянный – самый распространенный блеск светлоокрашенных и бесцветных минералов. Такой блеск у кварца (на гранях), галита, карбонатов и сульфатов.

    Если минерал в изломе имеет скрытобугорчатую или ямчатую поверхность, свет при отражении рассеивается беспорядочно, создается жирный блеск. Для скрытокристаллических масс (халцедон) и твердых светлоокрашенных гелей (опал), поверхности которых обладают более выраженной неровностью, характерен восковой блеск. Тонкодисперсные массы, обладающие тонкой пористостью, имеют матовый блеск. В данном случае падающий свет очень сильно рассеивается при отражении и поверхность минерала кажется матовой (каолинит, гидроокислы железа).

    Для минералов, обладающих явно выраженной ориентировкой элементов строения, характерны шелковистый и перламутровый блески. Шелковистый блеск встречается у минералов с параллельно-волокнистым строением (асбест, гипс-селенит), перламутровый – у прозрачных минералов со слоистой структурой (слюды, тальк).

    Магнитные свойства– это совокупность свойств, характеризующих способность минералов намагничиваться во внешнем магнитном поле. На практике испытание магнитности минералов производится с помощью горного компаса. Магнитные минералы (магнетит) отклоняют стрелку от естественного направления (на север).

    Электрические свойства – это совокупность свойств, характеризующих способность минералов проводить электрический ток.

    Когда мы осматриваем минералы в музейных витринах или лотках со специально подобранными образцами, то нас невольно поражает то разнообразие внешних признаков, по которым они отличаются друг от друга.

    Одни минералы кажутся прозрачными (горный хрусталь, каменная соль), другие - мутными, полупрозрачными или совершенно не пропускающими свет (магнетит, графит).

    Замечательной особенностью многих природных соединений служит их окраска. Для ряда минералов она постоянна и весьма характерна. Например: киноварь (сернистая ртуть) всегда обладает карминно-красным цветом; для малахита характерна яркозеленая окраска; кубические кристаллики пирита легко узнаются по металлически-золотистому цвету и т. д. Наряду с этим окраска большого количества минералов изменчива. Таковы, например, разновидности кварца: бесцветные (прозрачные), молочно-белые, желтовато-бурые, почти черные, фиолетовые, розовые.

    Блеск - также весьма характерный признак многих минералов. В одних случаях он очень похож на блеск металлов (галенит, пирит, арсенопирит), в других - на блеск стекла (кварц), перламутра (мусковит). Немало и таких минералов, которые даже в свежем изломе выглядят матовыми, т. е. не имеют блеска.

    Часто минералы встречаются в кристаллах, иногда очень крупных, иногда чрезвычайно мелких, устанавливаемых лишь с помощью лупы или микроскопа. Для ряда минералов кристаллические формы весьма типичны, например: для пирита - кубические кристаллы для гранатов - ромбические додекаэдры, для берилла - шестигранные призмы. Однако в большинстве случаев минеральные массы наблюдаются в виде сплошных зернистых агрегатов, в которых отдельные зерна не обладают кристаллографическими очертаниями. Многие минеральные вещества распространены также в виде натечных масс, иногда причудливой формы, ничего общего не имеющей с кристаллами. Таковы, например, почковидные массы малахита, сталактитоподобные образования лимонита (гидроокислов железа).

    Минералы различаются и по другим физическим свойствам. Одни из них настолько тверды, что легко оставляют царапины на стекле (кварц, гранат, пирит); другие сами царапаются обломками стекла или острием ножа (кальцит, малахит); третьи обладают настолько низкой твердостью, что легко чертятся ногтем (гипс, графит). Одни минералы при раскалывании легко расщепляются по определенным плоскостям, образуя обломки правильной формы, похожие на кристаллы (каменная соль, галенит, кальцит); другие дают в изломе кривые, "раковистые" поверхности (кварц). Широко варьируют и такие свойства, как удельный вес, плавкость и др.

    Столь же различны и химические свойства минералов. Одни легко растворяются в воде (каменная соль), другие растворимы лишь в кислотах (кальцит), третьи устойчивы даже по отношению к крепким кислотам (кварц). Большинство минералов хорошо сохраняется в воздушной среде. Однако известен ряд природных соединений, легко подвергающихся окислению или разложению за счет кислорода, углекислоты и влаги, содержащихся в воздухе. Давно установлено также, что некоторые минералы под воздействием света постепенно меняют свою окраску.

    Все эти свойства минералов находятся в причинной зависимости от особенностей химического состава минералов, от кристаллической структуры вещества и от строения атомов или ионов, входящих в состав соединений. Многое, что раньше казалось загадочным, тепеРb, в свете современных достижений точных наук, особенно физики и химии, становится все более и более ясным.

    В связи с этим вспомним некоторые важнейшие для нас положения физики, химии, кристаллохимии и коллоидной химии.

    Агрегатные состояния минералов . Как уже указывалось, согласно существующим трем агрегатным состояниям вещества различают минералы твердые, жидкие и газообразные.

    Любое вещество неорганической природы в зависимости от температуры и давления может находиться в любом агрегатном состоянии, а при изменении этих факторов переходит из одного состояния в другое.

    Пределы устойчивости каждого агрегатного состояния находятся в самых различных температурных интервалах в зависимости от природы вещества. При атмосферном давлении в условиях комнатной температуры большинство минералов находится в твердом состоянии и плавится при высоких температурах, тогда как ртуть в этих условиях существует в жидком виде, а сероводород и углекислота-в газообразном состоянии.

    Большинство твердых минералов представлено кристаллическими веществами , т. е. веществами, обладающими кристаллической структурой. Каждое кристаллическое вещество имеет определенную температуру плавления, при которой изменение агрегатного состояния вещества происходит с поглощением тепла, что ясно сказывается на поведении кривых нагревания (рис. 5, А). На некотором интервале времени сообщаемый системе приток тепла расходуется на процесс плавления (кривая выполаживается).

    Кристаллизация охлаждаемого гомогенного жидкого вещества должна происходить при той же температуре, что и плавление твердого тела того же состава, но обычно она наступает при некотором переохлаждении жидкости, что всегда необходимо иметь в виду.

    Твердые химически чистые вещества, характеризующиеся беспорядочной структурой, т. е. отсутствием закономерного расположения атомов, носят название аморфных (стеклообразных) тел. Они принадлежат к числу изотропных веществ, т. е. обладающих по всем направлениям одинаковыми физическими свойствами. Характерной особенностью аморфных веществ, в отличие от кристаллических, является также постепенный переход одного агрегатного состояния в другое по плавной кривой (рис. 5, Б) подобно сургучу, который при нагревании постепенно становится гибким, затем вязким и, наконец, капельно-жидким.

    Аморфные вещества часто получаются при затвердевании расплавленных вязких масс, особенно когда охлаждение расплава происходит очень быстро. Примером может служить образование минерала лешательерита - аморфного кварцевого стекла при ударе молнии в кварцевые кристаллические породы. Переход аморфных веществ в кристаллические массы может произойти лишь при продолжительном выдерживании их в размягченном состоянии при температуре, близкой к точке плавления.

    Следует добавить, что далеко не все вещества могут быть легко получены в аморфном состоянии. Таковы, например, металлы, которые даже при закалке не образуют стеклообразных веществ.

    Полиморфизм . Полиморфизмом ("поли" по-гречески - много) называют способность данного кристаллического вещества при изменении внешних факторов (главным образом температуры) претерпевать два или несколько видоизменений кристаллической структуры, а в связи с этим и изменений физических свойств. Наиболее ярким примером в этом отношении является диморфизм природного углерода, кристаллизующегося в зависимости от условий либо в виде алмаза (кубическая сингония), либо в виде графита (гексагональная сингония), очень сильно отличающихся друг от друга по физическим свойствам, несмотря на тождество состава. При нагревании без доступа кислорода кристаллическая структура алмаза при температуре выше 3000° при атмосферном давлении перестраивается в более устойчивую (стабильную) в этих условиях структуру графита. Обратный переход графита в алмаз не устанавливается.


    Рис 6. Изменение свойств кварца при нагревании. I - вращение плоскости поляризации; II - величина двупреломлепия; III - показатель преломления Nm (для линии D спектра)

    Иногда полиморфное превращение сопровождается очень незначительным изменением кристаллической структуры вещества, и потому без тонких исследований не удается заметить каких-либо существенных изменений в физических свойствах минерала. Таковы, например, превращения так называемого α-кварца в β-кварц и обратно. Однако изучение оптических свойств (рис. 6) однозначно показывает скачкообразное изменение в точке перехода (около 573°) таких свойств, как показатели преломления, двупреломление и вращение плоскости оптической поляризации.

    Устойчивые в тех или иных определенных физико-химических условиях разности данного кристаллического вещества называются модификациями , каждая из которых характеризуется определенной, ей свойственной кристаллической структурой. Таких полиморфных модификаций у какого-либо данного вещества может быть две, три или несколько (например, для серы установлено шесть модификаций, из которых в природе встречаются только три, для SiO 2 - девять модификаций и т. д.).

    Различные полиморфные модификации обычно обозначаются приставками к названию минерала греческих букв α, β, γ и т. д. (например: α-кварц, устойчивый ниже 573°; β-кварц, устойчивый выше 573°, и др.). В порядке наименования модификаций в литературе нет единообразия: одни придерживаются обозначения различных модификаций буквами α, β... в порядке повышения или понижения температуры превращения, другие порядок обозначений применяют по степени распространенности или в порядке открытия. Более рациональным следует считать первый порядок обозначения.

    Явления полиморфизма весьма широко распространены среди природных соединений. К сожалению, они еще далеко не достаточно изучены. Полиморфные модификации различных минералов могут быть устойчивы в самых различных диапазонах изменения внешних факторов (температуры, давления и др.). Одни обладают широким полем устойчивости при весьма значительных колебаниях температуры и давления (алмаз, графит), другие, наоборот, претерпевают полиморфные превращения в узких пределах изменения внешних факторов (сера).

    Самый факт перестройки кристаллической структуры при изменении внешних факторов равновесия, как полагает В. М. Гольдшмидт, обусловливается не тем, что при этом меняются межатомные или межионные расстояния, а тем, что происходят сильные изменения во взаимной поляризации структурных единиц, удерживаемых в решетке электростатическими силами. В простейшем случае в момент критического состояния происходит изменение координационного числа, свидетельствующее о коренном изменении строения вещества.

    Нередко бывает, что высокотемпературная модификация какого-либо минерала при превращении в более низкотемпературную модификацию сохраняет внешнюю форму первоначальных кристаллов. Такие случаи ложных форм носят название параморфоз . Примером могут служить параморфозы кальцита по арагониту (CaCO 3).

    Если данная модификация кристаллического вещества, допустим α, обладает свойством при изменении внешних условий (например температуры) переходить в другую - β-модификацию, а при восстановлении прежних условий превращается обратно в α-модификацию, то такие полиморфные превращения называются энантиотропными *. Пример: превращение ромбической α-серы в моноклинную β-серу и обратно. Если же обратный переход не может совершаться, то такой вид превращения носит название монотропного . Примером может служить монотропное превращение ромбического арагонита (CaCO 3) в тригональный кальцит (при нагревании).

    * ("Энантиос" по-гречески - противоположный, "тропос" - перемена, преобразование )

    В природе нередко наблюдается одновременное существование в одних и тех же физико-химических условиях двух модификаций даже рядом друг с другом (например: пирита и марказита, кальцита и арагонита и др.). Очевидно, переход одной из модификаций в стабильную, т. е. устойчивую, в силу каких-то причин задержался, и вещество в таком случае находится в метастабильном (или, как иначе называют, лабильном, инстабильном) состоянии, подобно тому как существуют переохлажденные жидкости.

    Следует подчеркнуть, что устойчивая модификация по сравнению с неустойчивой обладает:

    1. меньшей упругостью пара,
    2. меньшей растворимостью и
    3. более высокой температурой плавления.

    Явления разрушения кристаллических решеток . Главнейшими особенностями пространственных решеток кристаллических тел являются закономерное расположение и строго уравновешенное состояние слагающих их структурных единиц. Однако, достаточно создать такие условия, при которых внутренние связи структурных единиц будут поколеблены, как из кристаллического вещества с упорядоченной пространственной решеткой мы получим аморфную массу, не обладающую кристаллическим строением.

    Прекрасным примером в этом отношении является минерал ферробрусит - (Mg,Fe) 2 , содержащий в виде изоморфной примеси до 36% (по весу) закиси железа. В свежем состоянии этот минерал, будучи извлечен из глубоких горизонтов шахт, совершенно бесцветен, прозрачен и обладает стеклянным блеском. В течение нескольких дней его кристаллики на воздухе постепенно меняют свой цвет, становясь золотисто-желтыми, затем бурыми и, наконец, непрозрачными темнокоричневыми, сохраняя внешнюю кристаллическую форму*. Химический анализ показывает, что почти все двухвалентное железо при этом переходит в трехвалентное (т. е. происходит окисление), а рентгенометрическое исследование не устанавливает признаков кристаллического строения. Очевидно, окисление железа нарушило внутренние связи в кристаллической решетке, что и привело к дезорганизации строения вещества.

    * (Брусит, не содержащий железа, в аналогичных условиях вполне устойчив )

    То, что происходит с ферробруситом в окислительной обстановке при комнатной температуре и атмосферном давлении, для других минералов может иметь место при повышенных температурах и давлениях, как это уже установлено для ряда случаев.

    Весьма интересные явления изучены в минералах, содержащих редкоземельные и радиоактивные элементы (ортит, фергюсонит, эшинит и др.). В них также очень часто, но не всегда, устанавливается превращение кристаллического вещества в аморфное, которое, как предполагают, обязано действию α-лучей при радиоактивном распаде*. Эти измененные стеклообразные минералы, не относящиеся к кубической сингонии, оптически изотропны и не обнаруживают дифракции рентгеновских лучей, т. е. ведут себя как аморфные тела. При этом происходит частичная гидратация вещества. Такие тела Брёггер назвал метамиктными .

    * (По В. М. Гольдшмидту, для достижения аморфного состояния в этих случаях не достаточно одной радиоактивности минерала, а необходимы также следующие два условия:

    1. первоначально возникающее кристаллическое вещество должно обладать слабой ионной решеткой, допускающей перегруппировку или гидролиз; такие решетки образуются преимущественно при соединении слабых оснований со слабыми ангидридами;
    2. решетка должна содержать один или несколько сортов ионов,способных легко перезаряжаться (например, ионы редких земель) или даже превращаться в нейтральные атомы (например, образование атомарного фтора в флюорите под влиянием радиоактивного излучения со стороны)

    Сам процесс распада В. М. Гольдшмидт представляет как перегруппировку вещества. Например, соединение YNbO 4 превращается в тонкодисперсную смесь (твердый псевдораствор) окислов: Y 2 O 3 и Nb 2 O 5 . При такой концепции понятно, почему не наблюдается превращений в аморфное вещество простых соединений, как ThO 2 (торианит), или солей сильных кислот со слабыми основаниями, например (Ge, La...) PO 4 (монацит))

    В подтверждение явлений распада кристаллических сред можно привести и ряд других аналогичных примеров, иллюстрирующих образование аморфных или коллоидных масс. Однако нельзя думать, что эти новообразования являются устойчивой формой существования вещества. Известно не мало примеров вторичной перегруппировки вещества с образованием новых кристаллических тел, устойчивых при изменившихся условиях. Так, известны "кристаллы ильменита" (Fe .. TiO 3), которые при микроскопическом изучении оказываются состоящими из смеси двух минералов: гематита (Fe 2 O 3) и рутила (TiO 2). Повидимому, после момента образования ильменита в какой-то период жизни минерала, под влиянием изменившегося режима кислорода, создались резко окислительные условия, приведшие к переходу Fe 2+ в Fe 3+ с одновременным распадом кристаллической структуры, а затем к постепенной перегруппировке вещества с образованием смеси устойчивых минералов. Точно так же, например, наблюдались случаи образования на месте тиллита (PbSnS 2), галенита (PbS) и касситерита (SnO 2) в теснейшем прорастании друг с другом, но при сохранении реликтового (т. е. прежнего) пластинчато-зернистого строения агрегата, характерного для тиллита. Очевидно, в связи с увеличившейся в какой-то момент концентрацией кислорода в данной среде, олово, обладая большим сродством с кислородом, обособилось из первоначально гомогенной минеральной массы в виде окисла, а свинец перешел в форму самостоятельного сернистого соединения.

    Понятие о коллоидах *. Кроме явно-кристаллических образований, кристаллическая природа которых легко устанавливается на глаз или под микроскопом, в земной коре широким распространением пользуются также коллоиды.

    * ("Колла" по-гречески - клей, "коллоид" - клееподобный )

    Коллоидами называются гетерогенные (разнородные) дисперсные* системы, состоящие из "дисперсной фазы" и "дисперсионной среды" .

    * (Дисперсия - рассеяние; в данном случае - состояние вещества в виде мельчайших частиц. Степень дисперсности определяется величиной этих частиц )

    Дисперсная фаза в этих системах представлена тонко распыленными частичками (мицеллами) какого-либо вещества в какой-либо массе (дисперсионной среде). Размеры частичек дисперсной фазы колеблются в пределах приблизительно от 100 до 1 mμ (от 10 -4 до 10 -6 мм), т. е. много крупнее, чем размеры ионов и молекул, но в то же время настолько малы, что с помощью обычного микроскопа не различимы. В каждой такой частичке может содержаться от нескольких до многих десятков и сотен молекул данного соединения; в твердых частичках ионы или молекулы связаны в кристаллическую решетку, т. е. эти частички представляют собой мельчайшие кристаллические фазы.

    Агрегатное состояние дисперсной фазы и дисперсионной среды может быть различным (твердым, жидким, газообразным), причем могут наблюдаться самые различные их комбинации. Обозначая заглавными буквами агрегатное состояние дисперсионной среды, а малыми буквами состояние дисперсной фазы, приведем следующие примеры:

    • Г + т: табачный дым; сажа
    • Г + ж: туман
    • Ж + т: желтые торфяные воды; лечебные грязи
    • Ж + г: сероводородные источники; пена
    • Ж + ж: типичные эмульсоиды (например, молоко)
    • T + ж: кристаллы самородной серы с распыленными в них жидкими битумами; опал
    • T + т: красный кальцит с тонко распыленной в нем окисью железа
    • T + г: минералы молочно-белого цвета, содержащие газы

    Среди коллоидных образований различают золи и гели .

    Типичные золи, иначе называемые коллоидными растворами или псевдорастворами, представляют собой такие образования, в которых дисперсионная среда сильно преобладает над дисперсной фазой (например: табачный дым, желто-бурые железистые воды, молоко). На глаз такие растворы кажутся совершенно однородными и часто прозрачными, неотличимыми от истинных (ионных или молекулярных) растворов. В золях, в которых дисперсионная среда ("растворитель") представлена водой, частички дисперсной фазы легко проходят через обыкновенные фильтры, но не проникают через животные перепонки. Если размер их превышает 5 mμ, то их легко удается обнаружить в ультрамикроскопе с помощью так называемого светового конуса Тиндаля, который создается при боковом освещении специального стеклянного сосуда, наполненного коллоидным раствором. Создаваемый при этом эффект совершенно аналогичен тому, что мы обычно наблюдаем в затемненной комнате в пучке света, исходящего из проекционного фонаря: в светящемся конусе становятся видимыми частички дисперсной фазы, совершающие броуново движение, чего никогда не наблюдается в истинных растворах, за исключением растворов некоторых органических соединений с очень крупными молекулами.

    В гелях дисперсная фаза представлена в столь значительном количестве, что отдельные дисперсные частички являются как бы слипшимися между собой, образуя студнеобразные, клееподобные, стекловидные массы. Дисперсионная среда в этих случаях как бы занимает оставшееся пространство между дисперсными частичками Примерами гелей могут служить: сажа, грязь, опал (гель кремнезема), лимонит (гель гидроокислов железа) и др.

    В зависимости от природы дисперсионной среды различают: гидрозоли и гидрогели (дисперсионная среда - вода), аэрозоли и аэрогели (дисперсионная среда - воздух), пирозоли и пирогели (дисперсионная среда - какой-либо расплав), кристаллозоли и кристаллогели (дисперсионная среда - какое-либо кристаллическое вещество) и т. д.

    Наибольшее распространение в земной коре имеют гидрозоли, кристаллозоли и гидрогели. Дальше мы будем говорить только о них.

    Гидрозоли наиболее просто могут быть получены механически , путем тонкого распыления тем или иным путем вещества до размеров дисперсной фазы в воде. В природе грубо- и тонкодисперсные системы нередко образуются при перетирании и истирании горных пород и минералов под влиянием движущих сил (водных потоков, ледников, тектонических смещений и пр.).

    Однако наибольшую роль в образовании природных коллоидных растворов играют химические реакции в водных средах, приводящие к конденсированию молекул: окисление, восстановление и, особенно, реакции обменного разложения. Для самой поверхностной части земной коры не меньшее значение в образовании коллоидов имеет также жизнедеятельность организмов (биохимические процессы).

    Важно отметить, что дисперсные частички в коллоидных растворах электрически заряжены, в чем легко убедиться при пропускании через растворы электрического тока. Знак заряда одинаков для всех частиц данного коллоида, благодаря чему, отталкиваясь друг от друга, они находятся во взвешенном состоянии в дисперсионной среде. Возникновение заряда объясняют адсорбцией дисперсными частичками тех или иных ионов, содержащихся в растворах. На этом вопросе необходимо остановиться более детально.

    Представим себе, для примера, твердую дисперсную частичку AgBr. Несмотря на ультрамикроскопические размеры, она должна обладать кристаллической структурой, которая схематически в разрезе изображена на рис. 7. Каждый из катионов Ag 1+ и анионов Br 1- внутри этой решетки находится в шестерном окружении ионов противоположного заряда: четырех - в плоскости чертежа, одного - над данным ионом и одного - под ним. Таким образом, внутренние ионы дисперсной частички полностью насыщены валентностями. Иначе обстоит дело с пограничными ионами в кристаллической решетке. Тем же путем легко подсчитать, что большинство наружных ионов на грани, перпендикулярной к плоскости рисунка, получает насыщение только от пяти ионов противоположного знака (трех - в плоскости рисунка, одного - над и одного - под плоскостью рисунка). Следовательно, ионы Ag и Br, расположенные на плоской поверхности дисперсной частички, имеют по 1/6 ненасыщенной валентности, а на ребрах по 2/6, а угловые ионы - даже по 3/6 ненасыщенной валентности. Этот остаточный некомпенсированный заряд и обусловливает поглощение (адсорбцию) из раствора некоторого количества дополнительных ионов брома или серебра, удерживающихся у поверхности дисперсных частиц в виде так называемого диффузного слоя.

    Практически коллоид AgBr получается путем смешения растворов AgNO 3 и KBr, реагирующих по следующей схеме: AgNO 3 + KBr = AgBr + KNO 3 . Если эти растворы смешать в эквивалентных количествах, то образуется кристаллический осадок AgBr (но не коллоид). Если азотнокислое серебро вливать в бромистый калий, то возникает золь, дисперсные частички которого AgBr заряжаются отрицательно благодаря адсорбции ионов Br 1- . При обратном порядке сливания образующиеся дисперсные частички AgBr адсорбируют катионы Ag 1+ и заряжаются вследствие этого положительно.

    Чтобы получить более реальное представление о гидрозолях и строении дисперсных фаз, обратимся к характеристике их с точки зрения электрохимии.

    >
    Рис. 8. Схема строения дисперсной фазы в водной среде, содержащей электролиты. 1 - катионы в кристаллической решетке дисперсной фазы; 2 - анионы в ней; 3 - выступающие на углах анионы с ненасыщенными валентностями; 4 - адсорбированные катионы ионного роя; 5 - диполи H 2 O (частично деформированные)

    На рис. 8 схематически изображена коллоидная частица в окружении дисперсионной среды, в данном случае воды, содержащей ионы Na 1+ , K 1+ , Ca 2+ , Mg 2+ , Cl 1- , 2- и другие, обычно встречающиеся в почвенных водах, которые содержат то или иное количество растворенных солей. Сама дисперсная частичка, так же как и в предыдущем случае, показана в виде кристаллической фазы, у которой в угловых точках должна иметь место неполная насыщенность валентностями. Следовательно, у этих выступов будут скопляться адсорбируемые ионы, в нашем случае катионы Na 1+ , K 1+ , NH 4 1+ , Mg 2+ , Ca 2+ , заряжающие дисперсную частичку положительно и образующие диффузный слой.

    Выступающие по углам решетки анионы оказывают свое влияние не только на ионы, находящиеся в растворе, но также и на электрически нейтральные молекулы воды. Как мы потом узнаем, молекула H 2 O представляет собой диполь и имеет оригинальное строение. Ее можно представить в виде одного иона кислорода О 2- , отрицательный заряд которого нейтрализован двумя внедренными в него протонами H 1+ . Оба протона располагаются на одной стороне (от центра иона кислорода), которая заряжена положительно, а противоположная ей - отрицательно. Такое строение молекулы H 2 O позволяет ей ориентироваться определенным образом (рис. 8): стороной, противоположной двум протонам H 1+ , она притягивается к катионам. Поскольку нейтральные электрически молекулы H 2 O не нейтрализуют влияющего на них заряда катионов, постольку этот заряд распространяется и дальше-на следующие ближайшие молекулы H 2 O, так же ориентирующиеся.

    Таким образом, вокруг дисперсной частички устанавливается целый рой ионов и ориентированных молекул H 2 O (рис. 8). Толщина водной оболочки зависит от рода гидратируемых катионов (удерживающих молекулы H 2 O). Наиболее сильно гидратируются катионы щелочных металлов. Например, ион Na 1+ в водной среде способен удерживать 60-70 ориентированных молекул H 2 O, тогда как Ca 2+ -всего лишь до 14 молекул H 2 O.

    Следует также заметить, что в некоторых случаях при воздействии кислот катионы диффузного слоя могут быть заменены анионами, например: Cl 1- , 2- и др. Последние, так же как и катионы, могут быть гидратированными; однако ориентировка молекул воды при этом будет обратная тому, что имеет место для катионов (см. правую часть рис. 8).

    Из всего сказанного можно сделать следующие выводы:

    1. Заряженную дисперсную фазу с электрохимической точки зрения можно считать крупным ионом ("макроионом"), способным в золях при пропускании электротока перемещаться по направлению к тому или иному электроду (явление электрофореза).
    2. Дисперсионная среда для дисперсной фазы отнюдь не является растворителем в обычном смысле слова, хотя может содержать и обычно содержит в себе те или иные диссоциированные на ионы соединения.
    3. Катионы диффузного слоя могут быть заменены другими, если в силу каких-либо причин изменятся состав и концентрация электролитов в дисперсионной среде. Взаимная замена или вытеснение одних ионов другими в адсорбентах (адсорбирующих коллоидах) происходят по закону действующих масс.

    Описанные явления ненасыщенных валентностей на поверхности дисперсных частиц и связанной с этим адсорбции из раствора катионов или анионов, вне всякого сомнения, должны иметь место и для крупных кристаллов или кристаллических зерен. Но если мы подойдем к этому вопросу с точки зрения энергетики явлений, то обнаружим колоссальную разницу между настоящими кристаллами и дисперсными фазами.

    Поскольку явления адсорбции в коллоидах приурочены к границам между дисперсными фазами и дисперсионной средой, постольку для выражения суммарной поверхности энергии вещества весьма важное значение имеет общая поверхность дисперсных частиц в единице объема. Эта поверхность, называемая удельной поверхностью , резко возрастает по мере увеличения степени дисперсности вещества. Это нетрудно показать.

    Допустим, что мы имеем кубический кристалл какого-либо минерала с ребром, равным 1 см. Его общая поверхность будет равна 6 см 2 (удельная поверхность-6). Если этот куб мы поделим на восемь частей, как показано на рис. 9, то общая поверхность полученных восьми мелких кубиков будет равна уже 12 см 2 , а при делении на кубики с ребром в 1 мм-60 см 2 . Если мы дальнейшее деление доведем до кубиков с ребром в 1 mμ, т. е. до размера коллоидной дисперсной фазы, то общая поверхность достигнет огромной величины 6000 м 2 при общем объеме массы в 1 см 3 (т. е. удельная поверхность будет равна 6 10 7). При этом число кубиков достигнет цифры 10 21 .

    Таким образом, между удельной поверхностью х и размером зерен у мы имеем обратно пропорциональную зависимость, выражающуюся простой формулой: х = 6/y . Эту зависимость легко изобразить в виде графика (рис. 10).

    Из приведенных данных видно, что для крупнокристаллических систем удельная поверхность, а следовательно и связанная с ней поверхностная энергия имеют настолько ничтожное значение, что последней практически можно пренебречь. Наоборот, в коллоидных системах она приобретает исключительное значение. Именно благодаря этому целый ряд физических и химических свойств коллоидных образований, широко используемых для практических целей, весьма сильно отличается от свойств грубокристаллических веществ.

    Явления диффузии в коллоидных растворах проявляются несравненно слабее, чем в истинных растворах, что объясняется гораздо большей величиной частиц дисперсной фазы по сравнению с ионами. Это обстоятельство сказывается в том, что образующиеся из коллоидных растворов минеральные массы обладают часто крайне неоднородными составом и строением.

    Кристаллозоли , т. е. типичные кристаллические среды, содержащие в себе в виде дисперсной фазы какое-либо вещество, часто образуются в результате кристаллизации гидрозолей. Процесс их образования можно сравнить с кристаллизацией (превращением в лед) мутной воды, т. е. воды, содержащей во взвешенном состоянии дисперсные частички. Образовавшийся лед также будет мутным, т. е. загрязненным той же дисперсной фазой, которая присутствовала и в воде. Иначе говоря, он будет представлять собой кристаллозоль.

    Сюда прежде всего относятся многие, окрашенные в тот или иной цвет минералы, обычно наблюдающиеся в виде бесцветных прозрачных кристаллов. Таковы, например, красноватый карналлит, красный барит (благодаря содержанию в виде дисперсной фазы окиси железа), черный кальцит, цвет которого в одних случаях обусловлен тонко распыленными в нем сульфидами, в других - органическими веществами, и т. д. Сюда же должны быть причислены молочно-белый кварц, кальцит и др., в которых роль дисперсной фазы играют тонкораспыленные газы или жидкости, часто видимые в тонких шлифах под микроскопом. Встречаются кристаллы, например кварца, кальцита и других минералов, с кристаллически-зональным строением, обусловленным чередованием прозрачных и окрашенных или молочно-белых зон.

    Нет никакого сомнения в том, что кристаллозоли имеются и среди непрозрачных минералов. Об этом свидетельствуют улавливаемые химическим и спектральным анализами примеси таких элементов, которые невозможно объяснить с кристаллохимической точки зрения как результат изоморфных примесей. Таковы, например, факты содержания меди в кристаллах пирита, золота в пирите, галените, арсенопирите и др. Микроскопическими исследованиями полированных шлифов, приготовленных из таких кристаллов, при больших увеличениях часто удается обнаружить мельчайшие включения халькопирита, самородного золота и др., наводящие на мысль о том, что в них, вероятно, присутствуют и более тонкодисперсные частички, не улавливаемые с помощью обычных микроскопов*.

    * (Разрешающая способность (предел различимости) современных обычных микроскопов составляет 0,5-1,0 μ. Более мелкие частички совершенно не улавливаются ни ори каких увеличениях )

    Гидрогели в природных условиях часто образуются из гидрозолей путем свертывания или, как говорят, их коагуляции , выражающейся в образовании сгустков в водной среде. Процесс коагуляции наступает только в том случае, когда, в силу тех или иных причин, дисперсные частички теряют свой заряд, становясь электрически нейтральными. В этом случае исчезают силы отталкивания частиц друг от друга, происходит соединение частиц в более крупные тельца, называемые полиионами, с последующим оседанием их под действием силы тяжести.

    Нейтрализация зарядов дисперсных частиц, вызывающая коагуляцию, может быть получена различными способами:

    • а) прибавлением к коллоидному раствору электролитов (ионных растворов), причем в зависимости от заряда дисперсной фазы нейтрализация будет производиться анионами или катионами электролита; таким путем образуются многие илистые осадки в устьях больших рек, выносящих коллоидные растворы; последние при встрече с морскими водами, содержащими растворенные соли, которые играют роль электролитов, подвергаются коагуляции и осаждению в прибрежных зонах морских бассейнов;
    • б) путем взаимной нейтрализации коллоидных растворов, содержащих противоположно заряженные коллоидные частички и взятых в соответствующих количественных отношениях; в результате этого получаются смешанные гели (например, богатые коллоидным кремнеземом бурые железняки);
    • в) путем самопроизвольной коагуляции коллоидных растворов с течением времени, особенно если в системе происходит потеря дисперсионной среды (воды) вследствие ее испарения; при этом происходит, естественно, и увеличение концентрации электролитов, содержащихся в коллоидных растворах; примером являются илистые осадки и грязи в высыхающих озерах;
    • г) при циркуляции коллоидных растворов по капиллярам в горных породах; вследствие высокой диэлектрической постоянной воды смачиваемые стенки капилляров заряжаются отрицательно ионами [ОН] 1- , что обусловливает выпадение из циркулирующих коллоидных растворов положительно заряженных частиц в виде хлопьев или налетов; примером может служить часто наблюдающееся "ожелезнение" известняков и других пород, выражающееся в окрашивании породы с поверхности или по трещинам хлопьевидными гидроокислами железа в бурый цвет;
    • д) при процессах метасоматоза (замещения) тех или иных горных пород, легко реагирующих с химически активными растворами солей с образованием коллоидных растворов, тут же коагулирующих (например, образование малахита за счет купоросных вод в известняках), и т. д.

    В области биосферы широко распространены гели органического происхождения. Образование гелей в ряде случаев связано с жизнедеятельностью бактерий. Например, установлено, что так называемые железобактерии, перерабатывая илистые озерные осадки, постепенно отлагают коллоидные гидроокислы железа (лимонит).

    Коллоиды, в которых дисперсные частички обладают способностью облекаться с поверхности слоем молекул воды, называют гидрофильными , а в противном случае - гидрофобными . Гидрофильные коллоиды по сравнению с гидрофобными значительно труднее подвергаются коагуляции. В случае коагуляции гидрофильных коллоидов обычно образуются слизистые, клееподобные, желатинообразные гелевые осадки.

    Из гидрофобных же коллоидных растворов чаще всего образуются гели в виде порошковатых и хлопьевидных масс.

    Гели, особенно те, что возникают из гидрофильных коллоидов, с течением времени легко теряют воду (дисперсионную среду), т.е. подвергаются дегидратации. Богатые водой гидрогели в момент возникновения обладают почти жидкой консистенцией. По мере испарения дисперсионной среды при стоянии на воздухе они становятся более упругими и, наконец, твердыми и хрупкими. Однако полностью вода может быть удалена лишь путем прокаливания.

    Некоторые гели при прибавлении дисперсионной среды способны не только набухать (подобно желатину), но и вновь переходить в золи. Этот процесс превращения гелей в золи называется пептизацией . Такие гели носят название обратимых и широко представлены среди органического мира. Зато почти все неорганические коллоидные образования принадлежат к числу необратимых, т. е. не переходящих в золь, гелей.

    Явление адсорбции в гелях, разумеется, сохраняет свое значение. При этом во многих случаях имеет место селективная , т. е. избирательная, адсорбция . Например, глинистые вещества обладают способностью адсорбировать преимущественно катионы калия и радиоактивных элементов, а гель двуокиси марганца - катионы Ba, Li, К (но не адсорбирует анионов) и т. д.

    Таким образом, коллоиды, как мы видели, существенно отличаются по своим свойствам как от истинных растворов, так и от грубодисперсных систем (с частицами, более крупными, чем 100 mμ). В коллоидах на первое место выступают не векториальные свойства кристаллических решеток, не силы химического сродства, а огромная поверхностная энергия и связанные с ней электрические силы. Тем не менее между коллоидными и истинными растворами имеются постепенные переходы, точно так же как существуют постепенные переходы и к грубым дисперсиям.

    В. Оствальд дал следующую схему дисперсных систем:


    Схема дисперсных систем В. Оствальда

    Эта схема одинаково должна быть отнесена как к жидким, так и к твердым системам.

    В настоящее время точно установлено, что "коллоидное состояние есть общее состояние материи" (Веймарн), т. е. любое вещество может быть получено в виде коллоида. Важно подчеркнуть, что коллоиды могут образоваться при самых различных температурах и давлениях и в самых разнообразных условиях .

    Со строго теоретической точки зрения коллоиды не могут рассматриваться как самостоятельные особые минералы, так как они представляют собой по существу механические смеси различных веществ (дисперсной фазы и дисперсионной среды). Однако по чисто внешним признакам, т. е. макроскопически, они совершенно не отличимы от типичных минералов. Не удается установить различий между ними и минералами в строгом смысле слова также путем доступных нам микроскопических методов исследования. Поэтому в курсах описательной минералогии коллоидные образования условно рассматриваются наряду с типичными минералами.

    Раньше твердые коллоиды (гели) относились к числу аморфных минералов, поскольку они не наблюдаются в виде явнокристаллических образований (если не принимать во внимание кристаллозоли). Однако рентгенометрические исследования этих веществ часто показывают, что они представляют собой скрытокристаллические вещества и поэтому не могут относиться к типичным аморфным гомогенным телам, несмотря на то что внешне очень похожи.

    О перекристаллизации гелей . Установлено, что гидрогели, образующиеся в результате коагуляции, с течением времени подвергаются старению, т. е. постепенному изменению их состава и строения. Это изменение прежде всего выражается в том, что вещество постепенно теряет воду, т. е. подвергается дегидратации (обезвоживанию).

    Таковы, например, широко распространенные в природе гидрогели кремнезема - опалы. Богатые водой гидрогели кремнезема имеют консистенцию полужидких масс-студней. При постепенной потере воды они становятся все более и более твердыми, стекловидными или полуматовыми в изломе. Именно так выглядят встречающиеся в природе опалы, в большинстве случаев бедные водой. Эти образования характеризуются незаметной на глаз и под микроскопом тончайшей пористостью, которая может быть установлена лишь при окрашивании их какими-либо органическими веществами. Остающаяся в них вода может быть удалена лишь при нагревании.

    В случае сильного проявления дегидратации в богатых водой гелях возникает заметная на глаз пористость, а иногда наблюдается сморщивание массы или появление характерных трещин усыхания в виде сеток подобно тому, как это часто бывает при высыхании грязи в лужах.

    Исследование типичных твердых и полутвердых гелей с помощью рентгеновских лучей методом Дебая-Шеррера показывает, что многие из них не дают интерференционных полос, тогда как состарившиеся коллоидные образования обнаруживают явнокристаллическое строение вещества. В ряде случаев в этом можно убедиться и при изучении таких гелей под микроскопом. Таковы, например, многие сталактитовые образования углекислого кальция. На месте опалов (твердых гидрогелей кремнезема) в результате перекристаллизации образуются скрытокристаллические агрегаты безводного халцедона или кварца. Примерами могут служить кремни и агаты. Гели, перешедшие в кристаллически-зернистые агрегаты, получили название метаколлоидов (бывших коллоидов).

    Сущность перекристаллизации гелей выражается в объединении беспорядочно ориентированных дисперсных фаз в более крупные единицы с единой кристаллической решеткой. Это явление известно под названием собирательной кристаллизации . В ней выражается закономерная тенденция веществ принимать состояние с наименьшей удельной поверхностью и, следовательно, с наименьшей поверхностной энергией.

    При этом часто, особенно в почковидных гелевых массах, возникают тонковолокнистые агрегаты с радиальным расположением индивидов, хорошо наблюдаемым на изломе. На периферических частях корок, шаровидных и почковидных образований для некоторых минералов в этих случаях бывают характерны кристаллические грани, которыми оканчиваются радиально растущие индивиды.

    Факторы, влияющие на перекристаллизацию гелей, разнообразны. Наиболее существенное значение имеют температура и давление, повышение которых ускоряет процесс перекристаллизации. Несомненную роль играют также климатические условия: в районах с сухим и жарким климатом дегидратация и перекристаллизация гидрогелей, образующихся на поверхности, гораздо сильнее выражены по сравнению с районами, характеризующимися умеренным и влажным климатом. Бесспорное значение имеет, конечно, время, с течением которого в самых различных геологических условиях происходит постепенное превращение гелей в явнокристаллические агрегаты.

    При выборе утеплителей одним из лидирующих материалов является минеральная вата, характеристики и свойства которой позволяют повысить пожаробезопасность, звуко- и теплоизоляционные параметры объекта. Она имеет натуральный состав, легко монтируется, её срок службы составляет до 50 лет. При этом минвата доступна по цене и выпускается в виде рулонов или плит, что делает её использование экономически выгодным.

    Выбор в пользу конкретного утеплителя обусловлен их техническими характеристиками и свойствами. Именно от них зависит удобство монтажа и длительность эксплуатации материала. Характеристики минеральной ваты следующие:

    • коэффициент теплопроводности изменяется в пределах от 0,03 до 0,052 Вт/м·К, в зависимости от толщины и плотности слоя;
    • длина волокон составляет от 15 до 50 мм, а их диаметр – 5-15 мкм;
    • максимальная предельная температура эксплуатации от +600 0 С до +1000 0 С;
    • материал волокон: стекло, горные породы (базальт, доломит и др.), шлак из доменных печей;
    • ширина плит и рулонов составляет 0,6-1 м, а толщина от 30 до 200 мм;
    • плотность материала от 25 до 200 кг/м 3 .

    К основным свойствам менераловатных утеплителей относятся:

    • гибкость, позволяющая выполнять монтаж на поверхности практически с любой геометрией и формировать герметичные швы;
    • высокая огнестойкость, за счёт которой достаточно легко можно обеспечить контакт нагреваемых конструкций с легко воспламеняемыми материалами;
    • полностью натуральный состав, отсутствие в процессе эксплуатации выделения токсичных или вредных веществ;
    • оптимальная паропроницаемость, не допускающая образования конденсата на поверхности с контактируемым материалом в результате резкого перепада температур;
    • стойкость к биологическим воздействиям: грибку, плесени, грызунам и другим вредителям;
    • звукоизоляционные свойства;
    • гигроскопичность: в результате попадания влаги материал теряет изоляционные свойства, поэтому при монтаже необходимо уложить поверх него качественную гидроизоляцию.

    Виды минеральной ваты

    Выпускаются следующие виды минеральных ват, характеристики и свойства которых имеют существенные отличия:

    • шлаковата;
    • каменная вата;
    • базальтовая вата.

    Стекловата является самым дешевым материалом, так как производится из переработанного стекла, песка, извести и химических реагентов в печах при высоких температурах с последующим выдувом под давлением из центрифуги через специальную решетку. Толщина волокон 5-15 мкм, длина от 15 до 50 мм. Из-за содержания формальдегида применяется для утепления нежилых помещений: промышленных цехов, складов, мастерских и т. д.

    При монтаже из-за хрупкости стеклянных волокон необходимо использовать индивидуальные средства защиты, чтобы предотвратить их попадание на открытые участки тела или в глаза.

    Коэффициент теплопроводности стекловаты варьируется в пределах от 0,03 до 0,052 Вт/м·К. Предельный нагрев, при которых сохраняются все свойства материала, составляет до +450 0 С. Минимальная температура эксплуатации -60 0 С. При эксплуатации не теряет первоначальный объём и не деформируется.


    Шлаковата

    Шлаковую вату изготавливают из отходов металлургического производства, а именно – доменных шлаков. По этой причине она имеет остаточную кислотность, из-за которых, при контакте с металлическими поверхностями могут протекать процессы окисления. Кроме того, материал гигроскопичен, что требует применения качественной гидроизоляции.

    Толщина волокон варьируется от 4 до 12 мкм, а длина – до 16 мм. Коэффициент теплопроводности – 0,046-0.048 Вт/м·К. Температурный интервал, при котором допускается эксплуатировать материал, составляет от -50 0 С до +300 0 С.

    Технические характеристики минеральной ваты на основе шлаковых волокон не позволяют её эксплуатировать для изоляции труб, утепления фасадов и различных наружных поверхностей. Кроме того, она также, как и стекловата, обладает хрупкостью, поэтому при монтажных работах потребуется применение индивидуальных защитных средств.

    Каменная вата

    Каменная вата лишена недостатков стекловаты и шлаковаты – не имеет хрупкости, обладает высокой прочностью на разрыв, со временем практически не даёт усадки, выдерживает высокие температуры до +600 0 С и низкие от -45 0 С. Однако при этом является менее гигроскопичной.

    Изготавливается каменная вата из волокон диабаза и габбро диаметром 5-12 мкм и длиной 16 мм. Обеспечивает коэффициент теплопроводности от 0,048 до 0,077 Вт/м·К.

    Подходит для контакта с любыми материалами, легко гнётся, не требует использования индивидуальных средств защиты.

    Базальтовая вата

    Базальтовая вата, как и каменная, изготавливается из габбро-базальтовых волокон с диаметром 5-15 мкм и длиной 20-50 мм, однако не содержит минеральных или связующих добавок. За счёт этого повышается температурный интервал её использования от -190 0 С до +1000 0 С и обеспечивается самый низкий уровень гигроскопичности, по сравнению с другими минераловатными утеплителями.

    Коэффициент теплопроводности варьируется в пределах от 0,035 до 0,039 Вт/м·К. Уровень звукоизоляции составляет 0,9-99 дБ. Материал относится к классу негорючих, благодаря чему может контактировать с нагретыми конструкциями. Срок службы базальтовой ваты составляет до 80 лет.


    Марки минеральной ваты и их характеристики

    Параметры и характеристики утепления минеральной ваты классифицируются в зависимости от плотности утеплителя следующим образом:

    • П-75;
    • П-125;
    • ПЖ-175;
    • ППЖ-200.

    Минвата П-75 имеет плотность 75 кг/м 3 и обладает высокой гибкостью. Подходит для теплоизоляции ненагружаемых горизонтальных или с минимальным наклоном конструкций, а также коммуникаций. Применяется также для теплоизоляции кровли, чердаков, потолков, полов по лагам, водопроводных и отопительных труб, вентиляционных каналов.

    Минеральная вата П-125 с плотностью 125 кг/м 3 отличается от предыдущей марки тем, что обладает отличными звукоизоляционными свойствами, высокой прочностью и оптимальной гибкостью. Основная сфера её применения – утепление газо- или пенобетонных стен, межкомнатных перегородок, фасадов, балконов.

    Характеристики видов минеральной ваты с маркировкой ПЖ-175 имеют существенное отличие от обычных утеплителей, благодаря повышенной жёсткости, которая позволяет выполнять монтаж на нагружаемые и вертикальные конструкции. Их плотность составляет 175 кг/м 3 , обладают отличными звукоизоляционными и минимальными противопожарными свойствами. Укладываются на стальные, деревянные и бетонные плоские поверхности.

    Минвата ППЖ-200 имеет плотность 200 кг/м 3 и обладает повышенной жёсткостью и отвечает всем требованиям негорючих материалов по противопожарной безопасности. Используются для утепления промышленных, складских и торговых объектов. Монтаж возможен только на плоские поверхности со статическими нагрузками, так как плиты имеют минимальную гибкость за счёт использования армирующего внутреннего слоя.


    Критерии выбора минеральной ваты

    При выборе подходящего типа минераловатного утеплителя рекомендуется опираться на следующие критерии:

    • коэффициент теплопроводности и толщину материала;
    • плотность листов, характеризующие нагрузку на утепляемые конструкции;
    • показатели гигроскопичности;
    • тип поставки материала: рулоны или плиты;
    • звукоизоляционные свойства;
    • тип волокон и наличие в составе вредных химических компонент;
    • прочность на разрыв и гибкость для утепления поверхностей сложной формы.
    • несмотря на дороговизну продукции брендовых производителей, рекомендуется использовать именно её, так как она обладает гарантированными характеристиками и, самое главное, имеет заявленную долговечность;
    • выбор рулонов или плит зависит от типа и сложности работ по утеплению, но всегда должен сводиться к получению минимального количества стыковочных швов;
    • от материала с волокнами, расположенными горизонтально или вертикально по длине, лучше отказаться в пользу с хаотичными, так как он обладает большей прочностью;
    • стоимость ваты определяется не только типом волокон, а и их плотностью, поэтому важно в первую очередь изучать технические характеристики, а не смотреть на цену;
    • нужно находить оптимальный вариант для получения достаточного уровня теплоизоляции и при этом не перегружать несущую конструкцию;
    • для утепления жилых домов следует подбирать минвату с минимальным содержанием формальдегидных смол;
    • утеплитель даже с минимальным уровнем гигроскопичности необходимо гидроизолировать, чтобы максимально продлить срок его эксплуатации, поэтому заранее нужно внести соответствующие изменения в смету затрат;
    • перед покупкой важно убедиться в соответствии материала заявленным характеристикам: размеру листов, толщине, гибкости, сохранению формы.

    Кроме того, для удобства монтажа важно подбирать минеральную вату по жёсткости, которая позволит плотно стыковать её с обрешёткой, исключать появление воздушных пазов, зазоров и других дефектов. На данный параметр может влиять не только толщина слоя, а и наличие фольгированного слоя или армирующих волокон.

    Качественно по жёсткости можно выделить следующие типы минваты:

    • мягкие, применяемые для изоляции трубных коммуникаций (дымоходов, труб) или кровельного пирога;
    • полужёсткие, используемые для наружной теплоизоляции фасадов и в качестве среднего слоя в сэндвич-панелях;
    • жёсткие, предназначенные для изоляции плоских металлических или деревянных поверхностей стен, полов, потолков, кровель и т. д.

    При подборе материала с подходящим коэффициентом теплопроводности следует руководствоваться следующими критериями:

    • данными о средних температурах в зимний и летний периоды в конкретном регионе;
    • толщине стен здания и теплопроводностью материалов, из которых они были возведены.

    Обычно при покупке материалы приобретают с небольшим запасом по параметрам. Однако при этом важно не забывать про экономическую выгоду от получения реальных теплоизоляционных свойств по сравнению с требуемыми и не допускать переплат.

    Преимущества и недостатки минеральной ваты

    Независимо от конкретного вида и характеристик, минеральная вата обладает рядом следующих преимуществ:

    • простота монтажа на любые типы материалов, применяемых в строительстве объектов;
    • повышенная стойкость к химическим веществам;
    • сохранение всех свойств в течение минимум 30 лет;
    • минимальная усадка (1-5%, в зависимости от типа волокон) за весь период эксплуатации;
    • повышенная огнестойкость и пожаробезопасность;
    • лёгкость обработки;
    • допустимость установки в любых типах помещений с оптимальным уровнем влажности;
    • минимальный коэффициент теплоизоляции;
    • паропроницаемость, предотвращающая накопление капель конденсата на поверхности контакта с другими материалами;
    • относительно невысокая стоимость.

    К недостаткам минераловатных утеплителей следует отнести:

    • гигроскопичность: при накоплении влаги безвозвратно теряются все свойства;
    • выделение при нагреве формальдегида и соединений на его основе;
    • вредность мелких волокон, попадающих в органы дыхания и зрения.

    Области применения

    Применение минеральной ваты на основе подбора характеристик допустимо в следующих целях:

    • теплоизоляции фасадных стен;
    • изоляции нагретых коммуникаций, печей, дымоходов и производственного оборудования;
    • утепления кровельного пирога, стен, полов, потолков, перекрытий;
    • изоляции холодильных установок;
    • в качестве звукоизолирующего материала.

    Несмотря на то, что в составе утеплителя есть небольшое количество формальдегидных соединений, их концентрация не представляет опасности для здоровья людей. Главное, полностью соблюдать все требования технологии монтажа, чтобы минимизировать влияние влаги и исключить прогрев выше допустимых пределов.

    Использование минваты отдельно в качестве звукоизоляционных материалов не является выгодным, однако в виде дополнительного свойства к теплоизоляции – весьма выгодным вложением финансовых средств. В некоторых случаях, например, при утеплении фасада, для создания оптимальной акустической обстановки внутри помещений, не потребуется укладка слоя звукоизоляции.

    При сравнении срока службы минваты с аналогами оказывается, что они примерно одинаковы. При этом волокнистые утеплители пожаробезопасны и не выделяют токсических веществ при эксплуатации в разрешённом температурном режиме. Кроме того, их легче транспортировать и укладывать.

    Минеральная вата – утеплитель, характеристики которого ничуть не уступают другим типам теплоизоляционных материалов, является наиболее востребованным при строительстве и ремонте различных объектов. Волокнистая структура из различных минеральных пород обладает различными свойствами и различается по стоимости, что позволяет подобрать наиболее выгодный вариант для монтажа.

    ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ МИНЕРАЛОВ

    ВВЕДЕНИЕ

    Настоящее руководство призвано оказать помощь студентам, изучающим краткий курс инженерной геологии, в самостоятельной работе по определению минералов. Определитель составлен в форме таблицы, что упрощает выбор минерала, соответствующего набору определенных студентом свойств. Свойства минералов и характеристика классификационных групп приведены в специальных разделах.

    1. Определение блеска минерала.

    2. Определение твердости.

    3. Определение цвета черты.

    4. Выбор подходящих минералов по вертикальным графам определенных свойств пунктов 1, 2, 3.

    5. Идентификация посредством определения прочих свойств по горизонтальным строкам определителя.

    В конце пособия помещен алфавитный указатель описанных в нем 116 минералов и приведены их формулы.


    I. СВОЙСТВА И ГЕНЕЗИС МИНЕРАЛОВ

    Основные свойства минералов

    Минералы – относительно конкретные и достаточно устойчивые химические соединения и самородные элементы, характеризующиеся строго постоянным внутренним строением. Обычно к минералам относят природные образования, возникшие в результате физико-химических процессов в недрах и на поверхности земной коры. Однако к ним нельзя не отнести и выращиваемые в лабораториях и на заводах драгоценные камни, минеральные образования, получаемые при моделировании геологических процессов, жемчуг, выращиваемый как аквакультура.

    На сегодня известно до 4000 минералов. Разумеется, существуют различные их систематики. В пособии использован принцип, базирующийся на выделении классов, подклассов, групп дробных химических классификационных единиц. Деление на основе химической конституции отражает многие свойства минералов, позволяющие их диагностировать. В определителе приведены основные свойства наиболее типичных представителей самородных элементов, сульфидов, сульфатов, галоидов, фторидов, фосфатов, карбонатов, окислов и силикатов.

    Основные свойства присущи всем минералам, поэтому диагностика основывается на различиях в характеристиках этих признаков. Кроме того, диагностике помогают дополнительные признаки, отражающие специфические свойства, присущие далеко не всем, и даже единственным в своем роде, минералам, но позволяющие быстро и однозначно идентифицировать их. В определителе учтены как основные (химизм, строение, минеральные агрегаты, твердость, плотность, спайность, излом, цвет, черта, блеск, генезис), так и дополнительные (магнитные и электрические свойства, гигроскопичность, запах, вкус, горючесть, упругость, ковкость, радиоактивность) свойства и приведены сведения относительно практического использования минералов.



    Строение минералов. В природе существуют твердые, жидкие и газообразные минеральные образования. Твердые минералы могут быть кристаллическими и аморфными. Кристаллические состоят из множества одинаковых структурных элементов, образующих упорядоченную пространственную (кристаллическую) решетку. Различают атомный, ионный и молекулярный типы решеток, которые определяют анизотропность (различные свойства), изотропность (одинаковые свойства) кристаллов и их способность самоограняться. Кристаллы – как природные, так и искусственные – имеют форму многогранников. Они могут быть изотропными и анизотропными. Аморфные минералы всегда изотропны. Способность веществ при одинаковом химическом составе кристаллизоваться в разных формах называется полиморфизмом (многоформностью). Например: алмаз и графит, пирит и марказит, кальцит и арагонит. Разная структура полиморфных разновидностей объясняет их различные свойства. Некоторые вещества разного химического состава могут образовывать сходные кристаллографические формы. Такие вещества могут создавать смешанные формы, содержащие исходные компоненты в разной пропорции. Это явление называется изоморфизмом , а смеси именуются изоморфными. В качестве примера можно назвать полевые шпаты, изоморфный ряд которых формируется при смешивании альбитовой и анортитовой молекул.



    В природных условиях чаще всего вырастают не вполне правильные кристаллические формы, имеющие некоторые дефекты, но при любых изъянах углы между соответствующими гранями кристаллов одного и того же вещества остаются одинаковыми и постоянными. Этот закон постоянства гранных углов дает возможность устанавливать идеальную форму кристаллов и точно диагностировать мельчайшие минеральные зерна.

    Разная степень симметрии кристаллов объясняется различными комбина-циями плоскостей, осей центров и симметрии в них. Таких комбинаций может быть 32, и называются они классами (или видами) симметрии. Последние объединяются в 7 систем, или сингоний : кубическую, тетрагональную, гексагональную, ромбическую, тригональную, моноклинную и триклинную. Кубические кристаллы обладают высшей симметрией: их простейший элемент – куб, они изотропны. Кристаллы гексагональной, тетрагональной и тригональной сингоний характеризуются средней симметрией. Они имеют столбчатый, шестоватый, игольчатый, листоватый, таблитчатый, пластинчатый габитус (облик) и шести-, четырех- и трехгранные сечения (соответственно), перпендикулярные длинной оси. Анизотропность выражается в различии основных свойств по длинным и коротким осям. Ромбическая, моноклинная и триклинная сингонии относятся к низшей группе симметрии. Им свойственны весьма разнообразные формы с анизотропными свойствами. У ромбических кристаллов сечение, перпендикулярное длинной оси, имеет форму ромба.

    Природные минеральные формы (скопления). Природные скопления минеральных зерен, или кристаллов, принято называть минеральными агрегатами. Они могут быть моно- и полиминеральными, т.е. состоять из одного или нескольких минералов. Форма минеральных агрегатов зависит от их состава и условий формирования.

    Группа кристаллов, наросших на общем основании, образует друзу. Друза с ориентированными в одном направлении мелкими сросшимися кристаллами называется щеткой. Эти формы образуются при кристаллизации минералов в пустотах горных пород (кварц, кальцит, гипс). Тот же генезис имеют секреции – минеральные образования, частично или полностью выполняющие полости и растущие от периферии к центру. Секреции могут образовывать как аморфные (халцедон), так и кристаллические (кварц, кальцит) минералы. Крупные секреции именуют жеодами , мелкие – миндалинами.

    Желваковые образования, возникшие в рыхлых осадочных образованиях на дне древних и современных водоемов как результат стяжения минерального вещества вокруг инородных центров кристаллизации, именуются конкрециями . Конкреции растут от центра к периферии, по строению могут быть радиально-лучистыми и концентрическими. Их формы и размеры весьма различны. Мельчайшими конкрециями являются оолиты (кальцит, арагонит, фосфорит, кремень, сидерит, железомарганцевые конкреции дна современного океана).

    В пустотах, в том числе и в пещерах, широко распространены натечные формы. Они могут иметь самый различный размер и состав (кальцит, малахит, глинистые минералы, лед и т.д.). Это прежде всего сталактиты, сталагмиты и сталагнаты, почковидные и гроздевидные образования пещер.

    При быстрой кристаллизации в мелких трещинах и глине солей, выпадающих из подземных вод, образуются тонкие ветвистые древовидные образования – дендриты . Наиболее часто обнаруживаются дендриты самородной меди, железистых и марганцевых соединений и т.п.

    Минеральные агрегаты неупорядоченных зерен и кристаллов делят на крупно- (более 3 мм), средне- (1–3 мм) и мелкозернистые (менее 1 мм). Облик их может быть не только зернистый (кристаллический), но и пластинчатый, листоватый, шестоватый, полосчатый, волокнистый, оолитовый и т.д. Именно характер минеральных агрегатов определяет структурно-текстурные признаки горных пород. Агрегаты неразличимых под лупой зерен именуют скрытокристаллическими ; мягкие, пачкающие руки, напоминающие рыхлые почвы – землистыми (каолин, боксит, лимонит и т.д.).

    Ложные формы, не соответствующие истинному габитусу слагающего их вещества, называются псевдоморфозами. В соответствии с генезисом различают псевдоморфозы превращения, или метаморфозы , как, например, образование лимонита по пириту; вытеснения (халцедона, кремня по кальциту), выполнения (опала, лимонита по дереву).

    Физические свойства минералов определяют набор его основных признаков, к которым следует относить: твердость, плотность, спайность, излом, цвет, черту, блеск.

    Твердость , или сопротивление разрушению при диагностике определяют царапанием одного минерала другим. Таким способом выясняют, какой минерал тверже, т.е. определяют относительную твердость. Определения производятся по 10-балльной шкале Ф. Мооса, состоящей из 10 минералов, в которой каждый последующий минерал на балл тверже предыдущего и поэтому царапает его. Ниже приведена шкала Ф. Мооса с некоторыми практическими рекомендациями.

    1. Тальк (скоблится ногтем).

    2. Гипс (царапается ногтем).

    3. Кальцит (скоблится ножом).

    4. Флюорит (легко царапается ножом).

    5. Апатит (трудно царапается ножом).

    6. Ортоклаз (трудно царапается стеклом).

    7. Кварц, (не царапаются стеклом).

    8. Топаз, (оставляет царапину на ноже и стекле).

    9. Корунд, (оставляет царапину на ноже и стекле).

    10. Алмаз, (оставляет царапину на ноже и стекле).

    При определении твердости не следует путать царапину с чертой. С черты пыль породы бесследно стирается пальцем. Надо помнить, что анизотропные минералы имеют разную твердость по различным направлениям, а скрытокристаллические, пористые и порошковатые массы всегда мягче кристаллов с хорошей огранкой (охра гематита – 1, кристалл гематита – 6).

    Плотность (удельный вес) – всегда отражает химический состав и структуру минерала. Ее определяют приблизительно, “взвешивая” минерал на ладони. Обычно выделяют три весовые категории: легкие (до 3 г/см 3), средние (3–4 г/см 3) и тяжелые (более 4 г/см 3) минералы. При удельном весе более 10 г/см говорят об очень тяжелых минералах. К ним относят самородные золото, серебро, платину, ртуть. Самый тяжелый минерал, известный на Земле, – осмистый иридий, имеющий плотность 23 г/см 3 . Большая часть минералов, слагающих земную кору, – это легкие и средние минералы.

    Спайность – это способность минералов раскалываться (расщепляться) по параллельным ровным блестящим поверхностям, именуемым плоскостям спайности. Спайность – свойство исключительно кристаллических минералов. Плоскость спайности соответствует грани кристалла. Выделяют следующие виды спайности:

    Весьма совершенная – минерал легко расщепляется на листочки, пластинки (слюды, тальк, пластинчатый гипс);

    Совершенная – при ударе молотком образуются обломки, ограниченные плоскостями спайности (кальцит, галит);

    Средняя – обломки ограничены как плоскими, так и неровными границами (ортоклаз, авгит);

    Несовершенная – плоскости спайности обнаруживаются редко (апатит, оливин);

    Весьма несовершенная – плоскости спайности практически отсутствуют (кварц, пирит, магнетит).

    Излом – поверхности раскола, ориентированные вопреки спайности. Различают раковистый (халцедон, кремень, кварц), занозистый (селенит, асбест), зернистый (горные породы), землистый (боксит, лимонит, ступенчатый (ортоклаз, галенит) и др. поверхности излома.

    Цвет нельзя считать основным диагностическим признаком минералов, ибо он переменчив и зависит от многих факторов. Это и структурные особенности, и присутствие красителей (хромофоров), механических примесей, трещин и пустот. Цвет контролируется и такими параметрами среды, как температура, влажность и т.д. Восприятие цвета глазами также не однозначно. Однако ряд минералов имеет постоянную окраску. Например, галенит всегда серый, киноварь – красная, малахит – зеленый, лазурит – синий и т.д. Примеси же, обусловливающие различия в окраске и оттенки, очень часто дают информацию о химическом составе. Например, в группе гранатов магниево-алюминиевый пироп – темно-красный, кальциево-алюминиевый гроссуляр – светло-зеленый, кальциево-железистый андрадит – буровато-зеленый и т.д. (см.: Определитель. “Гранаты”, № 75). Описывая цвет минерала, следует охарактеризовать основной цвет, его глубину и оттенок. Например: темно-серый с голубоватым оттенком (для молибденита). В минералогии зачастую используют нестандартные характеристики цвета типа: “кошенильно-красный”, “фисташковый”, “латунно-желтый”, “соломенно-желтый” и т.д. Однако, несмотря на образность таких определений, лучше применение их свести до минимума.

    Черта (цвет черты) – это след, который остается на неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквите), если чертить по ней минералом. В ряде случаев он совпадает с цветом минерала в куске (киноварь, магнетит, малахит и т.д.). Но многие минералы характеризуются резкими отличиями в цвете черты и куска (пирит, гематит). Черта – более постоянный, нежели цвет в куске, диагностический признак.

    Цвет и черту следует определять в свежем изломе.

    Блеск отражает как внутреннее строение, так и характер отражающей поверхности минерала. Легко различаются минералы с металлическим блеском. Минералы с металлическим и металловидным блеском чаще всего имеют черную или очень темную черту (магнетит, галенит, графит); минералы с белой и цветной чертой обычно обладают неметаллическим блеском (гипс, сера, киноварь). В группе минералов с металлическим блеском исключение представляют: самородное золото, медь, серебро, платина, халькопирит и блеклые руды. Имея металлический блеск, они дают цветную черту: золото – зеленоватую, серебро – серебряно-белую, медь – медно-красную, халькопирит – зеленоватую, блеклые руды – темно-бурую. Неметаллический блеск разделяют на: полиметаллический (минерал имеет блеск металла, но черта и порошок у него цветные), алмазный, стеклянный, жирный, шелковистый, перламутровый, матовый и т.д.

    Определение минералов производится по физическим свойствам, которые обусловлены вещественным составом и строением кристаллической решетки минерала. Это цвет минерала и его порошка, блеск, прозрачность, характер излома и спайности, твердость, удельный вес, магнитность, электропроводность, ковкость, хрупкость, горючесть и запах, вкус, шероховатость, жирность, гигроскопичность. При определении некоторых минералов может быть использовано отношение их к 5-10 % соляной кислоте (карбонаты вскипают).

    Вопрос о природе цветовой окраски минералов очень сложен. Природа окрасок некоторых минералов еще не определена. В лучшем случае цвет минерала определяется спектральным составом отражаемого минералом светового излучения или обуславливается его внутренними свойствами, каким-либо химическим элементом, входящим в состав минерала, тонко рассеянными включениями других минералов, органического вещества и другими причинами. Красящий пигмент иногда бывает, распространен неравномерно, полосами, давая разноцветные рисунки (например, у агатов).

    Неравномерные полосы агата

    Цвет некоторых прозрачных минералов меняется в связи с отражением падающего на них света от внутренних поверхностей, трещин или включений. Это явления радужной окраски минералов халькопирита, пирита и иризации – голубые, синие переливы лабрадора.

    Некоторые минералы многоцветны (полихромные) и имеют разную окраску по длине кристалла (турмалин, аметист, берилл, гипс, флюорит и др.).

    Цвет минерала иногда может быть диагностическим признаком. Например, водные соли меди имеют зеленый или синий цвет. Характер цвета минералов определяется визуально обычно путем сравнения наблюдаемого цвета с общеизвестными понятиями: молочно-белый, светло-зеленый, вишнево-красный и т.п. Этот признак не всегда характерен для минералов, так как цвета многих из них сильно варьируют.

    Зачастую цвет обусловливается химическим составом минерала или наличием разных примесей, в которых присутствуют химические элементы-хромофоры (хром, марганец, ванадий, титан и др.). Механизм появления той или иной окраски на самоцветах до сих пор не всегда понятен, так как один и тот же химический элемент может окрашивать разные драгоценные камни в разный цвет: присутствие хрома делает рубин красным, а изумруд зеленым.

    Цвет черты

    Более надежным диагностическим признаком, чем цвет минерала, является цвет его порошка, оставляемого при царапании испытуемым минералом матовой поверхности фарфоровой пластинки. В ряде случаев цвет черты совпадает с цветом самого минерала, в других он совсем иной. Так, у киновари окраска минерала и порошка красные, а у латунно-желтого пирита черта зеленовато-черная. Черту дают мягкие и средней твердости минералы, а твердые лишь царапают пластинку и оставляют на ней борозды.

    Цвет черты минералов на фарфоровой пластинке

    Прозрачность

    По своей способности пропускать свет минералы делятся на несколько групп:

    • прозрачные (горный хрусталь, каменная соль) – пропускающие свет, через них ясно видны предметы;
    • полупрозрачные (халцедон, опал) – предметы, через них плохо видны предметы;
    • просвечивающие только в очень тонких пластинках;
    • непрозрачные – свет не пропускают даже в тонких пластинках (пирит, магнетит).

    Блеск

    Блеском называется способность минерала отражать свет. Строгого научного определения понятия блеск не существует. Различают минералы с металлическим блеском как у полированных минералов (пирит, галенит); с полуметаллическим (алмазным, стеклянным, матовым, жирным, восковым, перламутровым, с радужными переливами, шелковистым).

    Спайность

    Явление спайности у минералов определяется сцеплением частиц внутри кристаллов и обусловлено свойствами их кристаллических решеток. Раскол минералов происходит легче всего параллельно наиболее плотным сеткам кристаллических решеток. Эти сетки наиболее часто и в наилучшем развитии проявляются и во внешнем ограничении кристалла.

    Количество плоскостей спайности у разных минералов неодинаково, достигает шести, причем степень совершенства разных плоскостей может быть неодинаковой. Различают следующие виды спайности:

    • весьма совершенную , когда минерал без особого усилия расщепляется на отдельные листочки или пластинки, обладающие гладкими блестящими поверхностями – плоскостями спайности (гипс).
    • совершенную , обнаруживаемую при легком ударе по минералу, который рассыпается на кусочки, ограниченные только ровными блестящими плоскостями. Неровные поверхности не по плоскости спайности получаются очень редко (кальцит раскалывается на правильные ромбоэдры разной величины, каменная соль – на кубики, сфалерит – на ромбические додекаэдры).
    • среднюю , которая выражается в том, что при ударе по минералу образуются изломы как по плоскостям спайности, так и по неровным поверхностям (полевые шпаты – ортоклаз, микроклин, лабрадор)
    • несовершенную . Плоскости спайности в минерале обнаруживаются с трудом (апатит, оливин).
    • весьма несовершенную . Плоскости спайности в минерале отсутствуют (кварц, пирит, магнетит). В то же время иногда кварц (горный хрусталь) встречается в хорошо ограненных кристаллах. Поэтому следует отличать естественные грани кристалла от плоскостей спайности, выявляющихся при изломе минерала. Плоскости могут быть параллельны граням и отличаться более «свежим» видом и более сильным блеском.

    Излом

    Характер поверхности, образующейся при разломе (расколе) минерала различный:

    1. Ровный излом , если раскол минерала происходит по плоскостям спайности, как, например, у кристаллов слюды, гипса, кальцита.
    2. Ступенчатый излом получается при наличии в минерале пересекающихся плоскостей спайности; он может наблюдаться у полевых шпатов, кальцита.
    3. Неровный излом характеризуется отсутствием блестящих участков раскола по спайности, как, например, у кварца.
    4. Зернистый излом наблюдается у минералов с зернисто-кристаллическим строением (магнетит, хромит).
    5. Землистый излом характерен для мягких и сильно пористых минералов (лимонит, боксит).
    6. Раковистый – с выпуклыми и вогнутыми участками как у раковин (апатит, опал).
    7. Занозистый (игольчатый) – неровная поверхность с ориентированными в одном направлении занозами (селенит, хризотил-асбест, роговая обманка).
    8. Крючковатый – на поверхности раскола возникают крючковатые неровности (самородная медь, золото, серебро). Этот вид излома характерен для ковких металлов.

    Ровный излом на слюде Неровный излом на розовом кварце Ступенчатый излом на галите. © Роб Лавински Зернистый излом хромита. © Петр Сосоновски
    Землистый излом лимонита Раковистый излом на кремени Занозистый излом на актинолите. © Роб Лавински Крючковатый излом на меди

    Твердость

    Твердость минералов – это степень сопротивляемости их наружной поверхности проникновению другого, более твердого минерала и зависит от типа кристаллической решетки и прочности связей атомов (ионов). Определяют твердость царапанием поверхности минерала ногтем, ножом, стеклом или минералами с известной твердостью из шкалы Мооса, в которую входят 10 минералов с постепенно возрастающей твердостью (в относительных единицах).

    Относительность положения минералов по степени возрастания их твердости видна при сравнении: точные определения твердости алмаза (твердость по шкале равна 10) показали, что она более чем в 4000 раз выше, чем у талька (твердость – 1).

    Шкала Мооса

    Главная масса минералов имеет твердость от 2 до 6. Более твердые минералы – это безводные окислы и некоторые силикаты. При определении минерала в породе необходимо убедиться, что испытывается именно минерал, а не порода.

    Удельный вес

    Удельный вес изменяется от 0,9 до 23 г/см 3 . У большей части минералов он составляет 2 – 3,4 г/см 3 , рудные минералы и самородные металлы имеют наивысший удельный вес 5,5 – 23 г/см 3 . Точный удельный вес определяется в лабораторных условиях, а в обычной практике – «взвешиванием» образца на руке:

    1. Легкие (с удельным весом до 2,5 г/см 3) – сера, каменная соль, гипс и другие минералы.
    2. Средние (2,6 – 4 г/см 3) – кальцит, кварц, флюорит, топаз, бурый железняк и другие минералы.
    3. С большим удельным весом (больше 4). Это барит (тяжелый шпат) – с удельным весом 4,3 – 4,7, сернистые руды свинца и меди – удельный вес 4,1 – 7,6 г/см 3 , самородные элементы – золото, платина, медь, железо и т.д. с удельным весом от 7 до 23 г/см 3 (осмистый иридий – 22,7 г/см 3 , платиновый иридий – 23 г/см 3).

    Магнитность

    Свойство минералов притягиваться магнитом или отклонять магнитную стрелку компаса является одним из диагностических признаков. Сильно магнитными минералами являются магнетит и пирротин.

    Ковкость и хрупкость

    Ковкими являются минералы, изменяющие свою форму при ударе молотком, но не рассыпающиеся (медь, золото, платина, серебро). Хрупкие – рассыпаются при ударе на мелкие кусочки.

    Электропроводность

    Электропроводность минералов – это способность минералов проводить электрический ток под действием электрического поля. В противном случае минералы относятся к диэлектрикам, т.е. не проводящим ток.

    Горючесть и запах

    Некоторые минералы загораются от спички и создают характерные запахи (сера – сернистого газа, янтарь – ароматический запах, озокерит – удушливый запах угарного газа). Запах сероводорода появляется при ударе по марказиту, пириту, при растирании кварца, флюорита, кальцита. При трении кусочков фосфорита друг о друга появляется запах жженой кости. Каолинит при смачивании приобретает запах печки.

    Вкус

    Вкусовые ощущения вызывают только хорошо растворимые в воде минералы (галит – соленый вкус, сильвин – горько соленый).

    Шероховатость и жирность

    Жирными, слегка мажущими являются тальк, каолинит, шероховатыми – боксит, мел.

    Гигроскопичность

    Это свойство минералов увлажняться, притягивая молекулы воды из окружающей среды, в том числе из воздуха (карналлит).

    Некоторые минералы реагируют с кислотами. Для опознавания минералов, которые по химическому составу являются солями угольной кислоты, удобно пользоваться реакцией вскипания их со слабой (5 – 10%) соляной кислотой (кальцит, доломит).

    Радиоактивность

    Радиоактивность может служить важным диагностическим признаком. Некоторые минералы, содержащие радиоактивные химические элементы (как уран, торий, тантал, цирконий, торий) нередко обладают значительной радиоактивностью, которую легко обнаружить бытовыми радиометрами. Для проверки радиоактивности сначала измеряют и записывают фоновую величину радиоактивности, затем к детектору прибора подкладывают минерал. Увеличение показаний более чем на 15% говорит о радиоактивности минерала. Радиоактивными минералами являются: абернатиит, баннерит, гадолинит, монацит, ортит, циркон и др.

    Свечение

    Светящийся флюорит

    Некоторые минералы, которые сами по себе не светятся, начинают светиться при различных специальных условиях (нагревание, облучение рентгеновскими, ультрафиолетовыми и катодными лучами; при разламывании и даже царапании). Различают следующие виды свечения минералов:

    1. Фосфоресценция — способность минерала светиться минуты и часы после воздействия на него определенными лучами (виллемит светится после облучения короткими ультрафиолетовыми лучами).
    2. Люминесценция — способность светиться в момент облучения некоторыми лучами (шеелит светится синим при облучении ультрафиолетовыми и лучами).
    3. Термолюминесценция — свечение при нагревании (флюорит светится фиолетово-розовым цветом).
    4. Триболюминесценция — свечение в момент царапания ножом или раскалывания (корунд).

    Астеризм

    Эффект астеризма или звездчатости

    Астеризм или эффект звездчатости, присущ немногим минералам. Он заключается в отражении (дифракции) лучей света от включений в минерале, ориентированных вдоль определенных кристаллографических направлений. Лучшими представителями этого свойства являются звездчатый сапфир и звездчатый рубин.

    В минералах с волокнистым строением (кошачий глаз), наблюдается тонкая полоска света, способная менять свое направление при повороте камня (переливчатость). Играющий свет на поверхности опала или сияющие павлиньи цвета лабрадора объясняются интерференцией света — смешением лучей света при их отражении от слоев упакованных шариков кремнезема (в опале) или от тончайших пластинчатых кристаллических вростков (лабрадор, лунный камень).

    Читать еще: