Оптические свойства минералов

Цвет. Окраска минералов обусловлена особенностями химического состава, структурой минералов, наличием в них механических примесей. Различаютидиохроматическуюокраску (от греческих «идиос» - свой, собственный, и «хрома» - цвет), свойственную самому веществу минерала, иаллохроматическуюокраску (от греческого «аллос» - посторонний), связанную с присутствием в минералах посторонних примесей элемента, называемого хромофором, т.е. носителем окраски.

Идиохроматическую окраску имеют желтое самородное золото, красная киноварь, латунно-желтый пирит, темно-зеленый малахит, черный магнетит, зеленый изумруд и др. Аллохроматическая окраска характерна для кристаллов кварца (бесцветный горный хрусталь, фиолетовый аметист, золотистый цитрин, черный морион, дымчатый раухтопаз), флюорита, каменной соли и многих других минералов.

Некоторые минералы меняют окраску в зависимости от освещения. Например, на полированной поверхности лабрадорита при некоторых углах поворота появляются густые синие и зеленовато-синие переливы, вызванные присутствием тончайших пленок ильменита в трещинах спайности плагиоклаза. Такая окраска называется псевдохроматической(от греческого «псевдос» - ложный).

Иногда, кроме основной окраски, минералы имеют дополнительную окраску – побежалость, обусловленную тонкой поверхностной пленкой другого минерала. Побежалость обычно бывает радужной, напоминая окраску тонких пленок нефти на поверхности воды.

Цвет черты – это цвет тонкого слоя порошка минерала, остающегося на поверхности неглазурованной фарфоровой пластинке, если по ней провести минералом. Цвет черты является более надежным признаком по сравнению с окраской минерала (черная черта у черного магнетита, красная – у красной киновари). Чаще цвет черты отличается от цвета минерала. Так, у черного гематита черта вишнево-красная, а у латунно-желтого пирита – черная и т.д.

Блеск. При отражении световых лучей от поверхности минерала последние приобретают характерный для них блеск, который определяется показателем преломления минерала и коэффициентом поглощениях им света. По характеру блеска минералы делятся на две группы.

1. Минералы с металлическим блеском, напоминающим блеск полированной поверхности металла. Такой блеск характерен для непрозрачных минералов с высокой отражательной способностью. К ним относятся самородные металлы, в также пирит, молибденит и др. К этой же группе относятся минералы, обладающиеметалловиднымилиполуметаллическим блеском, напоминающим блеск потускневшего металла. Полуметаллический блеск имеют магнетит, гематит, ильменит, графит, киноварь и др.

Рис. 2.11. Минералы с металлическим и металлоидным блескои

2. Минералы с неметаллическим блеском. Здесь выделяются несколько разновидностей блеска, свойственных тем или иным минералам:

стеклянный– горный хрусталь, кальцит, лед, флюорит;

алмазный– циркон, касситерит, сфалерит, алмаз;

перламутровый – тальк, гипс, мусковит;

жирный – сера, нефелин, галит (каменная соль);

шелковистый– гипс-селенит, хризотил-асбест;

матовый– каолинит, пиролюзит, аморфный магнезит.

Рис. 2.11. Минералы с неметаллическим блеском

Прозрачность. Прозрачностью называется способность минералов пропускать через себя световые лучи. По степени прозрачности минералы делятся на:

прозрачные – горный хрусталь, топаз, исландский шпат;

полупрозрачные – гипс, изумруд, сфалерит;

непрозрачные – пирит, магнетит, галенит, графит и др.

Механические свойства минералов

Спайность– свойство минералов раскалываться по определенным направлениям с образованием ровных блестящих плоскостей. По степени совершенства различают следующие виды спайности:

весьма совершенная– минералы легко расщепляются на тонкие листы, чешуйки, ограниченные зеркально-гладкими блестящими поверхностями (тальк, мусковит, биотит, гипс);

совершенная – минералы раскалываются на обломки, ограниченные плоскостями спайности, причем отбитые кусочки внешне напоминают кристаллы (галенит, кальцит, галит);

средняя– минералы раскалываются на обломки, ограниченные как плоскостями спайности, так и неровными поверхностями излома по случайным направлениям (полевые шпаты, амфиболы, пироксены);

несовершенная– минералы раскалываются на обломки, ограниченные неровными поверхностями, а спайность обнаруживается с трудом (оливин, сера, халькопирит, гематит, касситерит);

весьма несовершенная– минералы раскалываются по неопределенным направлениям и дают неправильные поверхности излома (магнетит, золото, платина).

Рис. 2.1.3 Спайность минералов

Излом. Изломом называются неровные поверхности раскола минерала. Различают несколько видов излома:

раковистый излом– похожий на внутреннюю поверхность раковины с концентрически расходящимися ребрами (опал, кварц);

занозистый излом– характерен для игольчатых или волокнистых минералов (асбест, селенит);

землистый излом– свойственен землистым агрегатам минералов, имеющих шероховатую, матовую поверхности скола (каолинит, гëтит, пиролюзит);

зернистый излом– на поверхности излома отчетливо видны отдельные зерна, слагающие агрегат (хромит, магнетит);

неровный излом– поверхность раскола неровная (апатит).

Твердость.Под твердостью минерала подразумевается степень его сопротивляемости внешним механическим воздействиям. Твердость определяется царапанием по свежей, невыветрелой поверхности испытуемого минерала другим минералом или предметом, твердость которых известна. Эталонами твердости приняты десять минералов, входящих в шкалу Мооса²:

Рис. 2.14. Шкала твердости Мооса

Твердость минералов по шкале условно обозначена целями числами, не соответствующими действительной твердости указанных минералов. Так, например, твердость алмаза по шкале Мооса равна 10, кварца – 7, а талька – 1. На самом деле алмаз тверже талька в 3500 раз, а кварца – в 1150 раз.

Для определения твердости какого-либо минерала устанавливают, какой из эталонных минералов он царапает последним по порядку. Например, если исследуемый минерал оставляет царапину на кальците, но сам царапается флюоритом, то его твердость 3,5.

Относительную твердость минералов можно определить, не имея минералов, приведенных в шкале Мооса. Так, минералы с твердостью 1 – 2 чертятся ногтем, минералы с твердостью 3 царапаются медной монетой, 4 – царапаются железным гвоздем, 5,5 – 6 – стальным ножом, иглой.

Плотность. По плотности минералы делятся на три группы:

легкие – плотность менее 2-2,5 г/см³, (гипс, сера, галит);

средние – плотность от 2,5 до 4,0 г/см³(силикаты, карбонаты, кварц);

тяжелые– плотность более 4,0 г/см³(барит, гематит, самородные металлы).

Для минералов, в состав которых входят тяжелые металлы, высокая плотность является существенным диагностическим признаком.

Кроме выше перечисленных свойств, некоторые минералы обладают магнитностью, радиоактивностью, ковкостьюиупругостью. Поваренная соль (NaCl) обладаетсоленым вкусом; исландский шпат (CaCO₃) имеет двойное лучепреломление.

Магнитность. Магнитность минерала определяется путем притягивания магнитом или его способностью воздействовать на магнитную стрелку компаса. Магнитностью обладают сравнительно небольшое количество минералов, в состав которых входят железо, кобальт, никель, марганец (магнетит, титаномагнетит, пирротин, железистая платина).

Кроме физических свойств минералов, для их определения в полевых условиях используются и некоторые химические свойства, к которым можно отнести: растворимость в воде (галит, сильвин), вскипание под действием разбавленной соляной кислоты (кальцит, доломит в тонком порошке) и др.

Существует два основных способа выражения химического состава минералов: в весовых процентах и в структурной форме. В первом случае формула, например халькопирита – CuFeS₂, выражая его количественный состав, не дает представления о способах связи между элементами. Коэффициенты в формуле показывают, в каком соотошении находятся между собой элементы, входящие в состав минерала. Структурная формула, например ортоклаза K[AlSiO₈] характеризует тип химического соединения и взаимные связи между отдельными его элементами. Структурные формулы отражают строение элементарно ячейки кристаллов и устанавливаются с помощью рентгеноструктурного и химического анализов.

Классификация минералов. Одна из распространенных классификация минералов на основе структурных и химических признаков разработана академиком А.Г. Бетехтиным. В ней все минералы неорганического происхождения группируются в следующие классы: самородные элементы, сернистые соединения (сульфиды), галоидные соединения, окислы и гидраты окислов, соли кислородных солей (карбонаты, сульфаты, фосфаты, силикаты и др). Представители минералов различных классов представлены вприложении Г.

1. Самородные элементы и интерметаллические соединения. В настоящее время известно около 30 элементов в самородном состоянии, подразделяющиеся наметаллы(золото Au, платинаPt, сереброAg, медьCu);полуметаллы(мышьякAs, сурьмаSb);неметаллы(сераS, графитC, алмазC).

2. Сульфиды и их аналоги. Сульфидами называют соединения химических элементов (в основном металлов) с серой. Сульфиды представляют особый интерес как руды цветных металлов и часто как носители золота. Большинство сульфидов образуется из горячих водных (гидротермальных) растворов. Некоторые сульфиды могут кристаллизоваться из магмы, другие имеют осадочное происхождение. Например, вместе с магматическими расплавами поднялись вверх скопления сульфидов железа, меди и никеля вблизи Норильска. Сенсацией стало открытие в рифтовых зонах океана так называемых «черных курильщиков» – бьющих из трещин на дне горячих источников, вокруг которых вырастают конуса из сульфидных минералов. В земной коре наиболее широко распространены сульфиды железа (пиритFeS₂) – серный колчедан, меди (халькопиритСиFеS₂), свинца (галенитРbS), цинка (сфалеритZпS) и некоторые другие.

3. Галогениды. Класс представлен более чем 100 минералами – солями галогеноводородных кислот – HF,HCl,HBr,HI. Шире всего распространены хлориды Na, K и Mg:галитNaCl;сильвинKCl;карналлитMgCl₂∙KCl∙6H₂O; фториды Сa, Na иAl, например,флюоритCaF₂.

4.Оксиды и гидроксиды. Минералы этого класса очень широко распространены в природе и насчитывают около 200 минералов оксидов и гидроксидов металлов и реже полуметаллов, составляющих по массе 5% литосферы. Особенно развит свободный кремнезем SiO₂–кварци его многочисленные разновидности,опалSiO₂⋅nН₂О и другие, всегда тесно связанные с силикатами. В глубоких частях земной коры образуются оксиды Fe, Ti, Ta, Nb, Al, Cr, Sn, U и другие.

В класс оксидов попадают важные рудные минералы: гематитFe₂O₃,магнетитFe²⁺Fe₂³⁺O₄,пиролюзитMnO₂,касситерит SnO₂,рутилTiO₂,хромитFeCr₂O₄,ильменитFeTiO₃,уранинитUO₂, а из гидрооксидов –бруситMg (OH)₂,гётитHFеO₂,гидрогётитHFeO₂∙nH₂O,гиббситAl(OH)₃.

5. Карбонаты. Содержание минералов класса карбонатов составляет в земной коре 1,5% по массе. Карбонаты представляют собой соли угольной кислоты, имеющие в структуре анионные группы [CO₃]^2- , изолированные друг от друга катионами металлов. К карбонатам относятся:кальцитCaCO₃,доломитCaMg(CO₃)₂,сидеритFeCO₃,магнезитMgCO₃, малахитCu₂(CO₃)(OH)₂, и др. Ионы-хромофоры (красители) окрашивают карбонаты Cu в зеленые и синие цвета, U – в желтые, Fe – в коричневые, а другие карбонаты бесцветны. Некоторые карбонаты имею органогенное происхождение, другие связаны с гидротермальными растворами, третьи – с минеральными источникам.