Изменчивость свойств изоморфных смесей

При характеристике свойств веществ в курсах физики и химии почти всегда речь идет о химически чистых соединениях, состав которых точно отвечает их формуле — именно на таких примерах рассматриваются зависимости свойств от структуры и со­става вещества. Однако на химическом составе минералов сказываются явления изо­морфизма. Свойства минерала закономерно меняются при вхождении в него изоморф­ных примесей: чем больше входит ("прибавляется") примеси, Тем сильнее отклоняется свойство от такового у химически чистого соединения. Эта зависимость называется аддитивностью (от лат. аоМШо—прибавление) свойств изоморфных смесей и при­водит к тому, что свойства одного и того же минерала колеблются, причем иногда значительно. Так, например, сульфид цинка (минерал сфалерит) прозрачен и бесцве­тен, имеет алмазный блеск, но при частично изоморфном замещении цинка железом (изоморфизм этот несовершенный, ограниченный) становится сначала коричневым, затем черным, блеск его меняется от алмазного до полу металлического, прозрачность исчезает.

Другой пример — полный ряд минералов от колумбита (Ре, Мп^ЬгОб до танталита (Ре, Мп)ТазОб- Из-за разницы в атомных массах (у ниобия 92,9, у тантала 180,9) плот­ность в этом непрерывном ряду изоморфных смесей меняется от 5,2 до 8,2, соответ­

ственно возрастает твердость, меняются и все другие свойства

Пользуясь специальной диаграм­мой, по плотности можно легко и быстро определить содержание тантала в минералах этого ряда, в то время как по внешним при­знакам они неразличимы. Тан-таловые руды более ценны, чем ниобиевые, а экспрессный метод определения плотности минера­ла (например, методом С. А. Гор-жевской и Е.А.Ерофеевой — по скорости оседания зерна в труб­ке с растительным маслом) дает возможность сделать первичную разбраковку зон оруденения без дорогого и длительного химиче­ского анализа. Таких примеров аддитивности свойств и их ис­пользования можно привести много (рис. 61). Чаще всего это

явление проявляется в окраске минералов: чем больше в нем хромофоров, тем интен­сивнее цвет минерала.

В приведенных выше примерах свойства минералов менялись прямо пропорцио­нально с количеством изоморфной примеси. Однако аддитивность свойств изоморф­ных смесей не всегда прямолинейна. Это объясняется тем, что явления изомор­физма— не простая замена одних атомов другими в некоторых узлах пространствен­ной решетки минерала. Они сопровождаются изменением характера и силы химиче­ской связи, смещениями атомов и другими, большими или малыми, перестройками структуры.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ И ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА

В прозрачных кристаллах кубической сингонии свет распространяется практически по тем же законам, что и в воздухе, стекле и других некристаллических веществах

Частично он отражается от поверхности кристалла, частично преломляется—об этом подробно рассказано в курсе физики. Напомним, что при распространении света в воз­душной или иной некристаллической среде электромагнитные колебания совершаются во всех направлениях перпендикулярно к световому лучу с одной и той же ампли­тудой. Но в кристаллах с анизотропным строением пространственной решетки свет становится поляризованным—единый луч распадается на два луча с разной скоро­стью распространения света в кристалле и соответственно с разными показателями преломления. В результате происходит двупреломление света. Нагляднее всего это явление можно наблюдать на водянопрозрачных кристаллах кальцита (исландского шпата)—если положить обломок его на какое-нибудь изображение, оно раздвоится (рис. 62).

Поскольку сила двупреломления света определяется анизотропией строения кри­сталлической решетки минерала, то, во-первых, в разных веществах это свойство про­

Рис. 62. Поляризация и двойное лучепреломление света в

кристалле кальцита.

явлено по-разному, а во-вторых, в одних и тех же кристаллах оно зависит от характера атомного строения, атомного узора плоских сеток, на которые упал свет.

В кристаллах кубической сингонии поляризация и двупреломление света отсут­ствуют. В каждом кристалле гексагональной, тетрагональной и тригональной син­гонии всегда есть одно особое направление—его оптическая ось

Если свет распро­страняется вдоль этой оптической оси, он не поляризуется и не распадается на два луча. Если свет входит в кристалл перпендикулярно оптической оси, происходит его наиболее сильное двупреломление. Закономерности поляризации и двупреломления света в кристаллах низших сингоний более сложные.

Окраска минералов бывает самой разнообразной. Одни минералы всегда имеют только один характерный для них цвет (зеленый малахит, синий азурит, золотистый аурипигмент), другие — разную окраску, иногда меняющуюся по секторам и зонам роста кристалла (многоцветные турмалины, бериллы и т.д.). Разнообразие и красота окраски минералов—одно из чудесных явлений природы.

В истории изучения природы окраски минералов Д. Ю. Пущаровский выделил три периода. Первый связан с качественными наблюдениями и систематикой. Кульми­национным моментом этого периода явилась монография А.Е.Ферсмана "Цвета ми­нералов" (1936), в которой было предложено различать три типа окраски—идиохро-матическую (обусловленную составом и структурой минерала), аллохроматическую (вызванную изоморфными примесями или вростками цветных минералов-примесей), псевдохроматическую, или ложную. Эта систематика и термины прочно вошли в отечественную литературу, но, во-первых, они, как оказалось, не полностью харак­теризуют все причины окрасок—пришлось вводить дополнительные термины

во-вторых, в зарубежной научной литературе, откуда взял свои названия А.Е.Ферсман, они имеют другой смысл; в-третьих, в учебниках А. Г. Бетехтина, Е.К. Лазаренко и других литературных источниках искажен смысл, вкладывавшийся А. Е. Ферсманом в термин " аллохроматическая окраска". Все эти разнотолкования порождают путаницу и побудили отказаться от этих терминов в данном сайте. Во второй период шло

ОКРАСКА (ЦВЕТ) —ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

активное изучение и интерпретация кривых спектрального поглощения минералов с целью выявить спектры поглощения, типичные для данного атома-красителя в дан­ном валентном состоянии (Г.П.Барсанов, С. М. Грум-Гржимайло, Н. М. Меланхолии, К.Пшибрам, Н.Е.Яковлева и др.). Третий период связан с переходом от этих ис­следований к детальному выяснению физики явления (Л. В. Бершов, В. М. Винокуров, А.С.Марфунин, А.Н.Платонов и др.).

По современным научным определениям цвет—это свойство тела вызывать у че­ловека определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом отражаемого или пропускаемого (испускаемого) телом излучения. Таким образом, ощущение цвета—это сложное психо-физиологическое явление, в котором физиче­ское начало — характер светопоглощения минералом, действительно, есть только на­чало явления. Например, самородное золото по своим оптическим свойствам должно

быть оранжево-красным, а из-за неодинаковой чувствительности человеческого глаза к разным лучам света оно кажется нам желтым. Кроме того, при сильном снижении интенсивности излучения (пропускания) света кристаллом также искажается воспри­ятие цвета глазом; плохо распознается цвет минерала и при слабом его освещении (говоря проще, в сумраке различать цвета трудно). Точно так же зависит воспри­ятие цвета глазом от степени измельченности минерала: в порошковатых массах за счет рассеяния света и снижения его интенсивности цвет минерала приобретает иные оттенки. Кстати, эта особенность является хорошим диагностическим свойством ми­нералов— их цвет в зернах (в образце горной породы) и в кристаллах обязательно сравнивают с цветом в порошке (цвет черты на шероховатой фарфоровой пластинке); диагностическими являются расхождения в цвете, например у гематита кристаллы железо-черные, а черта вишнево-красная. Наконец, факторами физиологического вос­приятия цвета являются цветовая адаптация (падение чувствительности) глаза при длительном или сильном воздействии на него света, а также эффект цветового контра­ста (соприкасающиеся разноцветные зерна кажутся глазу различающимися сильнее, чем когда они воспринимаются порознь). Все эти особенности физиологии восприятия человеком цвета привели к тому, что для объективного определения цвета веществ (и минералов) служит количественная характеристика, которую дает измерительный прибор.

Главные факторы, влияющие на субъективную оценку наблюдателем цвета мине­рала, наиболее полно учитывает международная колориметрическая система. Объек­тивность и точность определения цвета минерала в этой системе базируются на исполь­зовании, во-первых, экспериментально измеряемых коэффициентов спектрального от­ражения или пропускания в видимой области света, а во-вторых, стандартных источ­ников света со строго фиксированным типом светоизлучения. В результате пересчетов результатов измерений получают три колориметрических параметра—яркость, или светлоту цвета, и коэффициенты цветности ху у. Нанеся последние на стандартный график, получают точку на треугольнике цветности (рис. 63). Ее положение дает воз­можность объективно определить количественные характеристики цвета минерала.

Не употребляя сложных терминов, удобно и просто разделить окраску минералов по физике явления на два типа—собственную и чужую, причем в каждом из них имеются свои разновидности. Собственная окраска обусловлена особенностями конституции минерала—его химическим составом и структурой. Здесь мы выделим, прежде всего, окраску, вызываемую характером светопоглощения,—это наиболее распространенная разновидность собственной окраски минералов. Редкие разновидности собственных окрасок обусловлены интерференционными и дифракционными явлениями — это как бы игра и переливы цвета минерала.

Рис. 63. Треугольник цветности минералов. Цифры на кривой — длина волны в нм.

Чужие, или чужеродные, окраски просты по своей природе. Они вызываются врост-ками пигментирующих частиц (т.е. других, цветных, минералов), цветными пленками разной природы и некоторыми другими причинами, не связанными с особенностями химической конституции минерала.

Цвет минерала очень часто является его специфическим свойством, поэтому он используется при диагностике минералов. Важным приемом при этом служит опре­деление цвета минерала не только в его естественных кристаллах и зернах, но и его порошка—цвета черты, оставленной минералом на шероховатой (неглазурованной) фарфоровой пластинке. В тонком порошке обычно легче оценить истинную окраску минерала. Часто оказывается, что одинаковые на вид минералы имеют разную черту. Это различие используется как важный прием в диагностике минералов.