Плотность и методы ее определения

Плотность является одним из фундаментальных свойств кристаллических веществ, поэтому им можно пользоваться как надежной характеристикой данного минерала. Кроме того, определение плотности не требует разрушения материала (за исключением легко растворимых минералов). При определении плотности важно, чтобы образец был однороден (без посторонних включений других минералов), поэтому лучше пользоваться мелкими зернами минерала.

Полезным показателем при оценке плотности служит такой простой факт, что образец минерала ощущается в руке легким или тяжелым относительно его размера. Если образец (мономинеральный) весит не менее 30 г, можно приблизительно оценить его плотность, плавно приподнимая или опуская на руке. Минералы, содержащие тяжелые атомы – Fe и находящиеся за ними в периодической системе, – имеют, естественно, большую массу. Иногда может оказаться информативной зависимость между плотностью и цветом. Так, темноокрашенные минералы часто бывают относительно тяжелыми, а светлоокрашенные – легкими. Однако, имеются исключения из этого правила: например, темный графит (2,23 г/см³) ощущается на руке легким, тогда как барит (BaSO⁴ – 4,5 г/см³) неожиданно оказывается тяжелым несмотря на его светлую окраску. Такая качественная оценка плотности приносит большую пользу в практической работе при идентификации минералов в поле.

Для некоторых минералов существуют простейшие тесты, позволяющие геологам в полевых условиях отличить один важный минерал от другого. Примером могут служить два часто вместе встречающихся и внешне друг на друга похожих минерала гранитных пегматитов: танталит (Fe,Mn) (Ta₂O₆) и колумбит (Fe,Mn) (Nb₂O₆). При этом танталит имеет плотность 7,95, а колумбит 5,2. В колумбите может присутствовать примесь тантала. Поскольку тантал более ценен, чем ниобий, важно правильно оконтурить территорию, где встречается именно танталит. Для этого используют какую-либо узкую и высокую емкость, заполненную вязкой жидкостью, например, подсолнечным маслом. По скорости осаждения этих двух минералов отличают танталит от колумбита.

Из лабораторных методов определения плотности наиболее распространены следующие: 1) образец взвешивается, а объем определяется по принципу Архимеда; 2) образец взвешивается, а объем определяется по весу жидкости, вытесненной образцом в пикнометре; 3) плотность минерала определяется путем непосредственного сравнения с плотностью тяжелой жидкости.

В первом из методов объем определяется по кажущейся потере веса минералом при погружении его в жидкость. Кусочек минерала вытесняет объем жидкости, равный его собственному объему, и его вес уменьшается на столько, сколько весила вытесненная жидкость (это удельный вес). Если В1 – вес кусочка материала в воздухе, а В2 – его вес в жидкости с плотностью П, то искомая плотность G минерала составит G=В1/(В1–В2) ·П. В качестве жидкости часто используют воду, т. к. она всегда под рукой и ее плотность близка единице. Поэтому П в формуле можно опустить. Однако при более точных исследованиях вода не самая подходящая жидкость, т. к. обладает большим поверхностным натяжением и не всегда хорошо смачивает образец (сохраняет на нем пузырьки воздуха), а также она может оказывать выталкивающее действие на тонкую проволоку, на которой подвешен образец. Все это приводит к занижению плотности образца.

Пикнометр, применяемый при втором методе, представляет собой всего лишь маленькую стеклянную колбочку с пробкой, которая вмещает определенный объем жидкости. Объем твердого образца с известным весом определяется по весу замещенной жидкости. Если G – плотность образца, П – плотность используемой жидкости, В1 – вес пустого пикнометра; В2 – вес пикнометра с твердым образцом; В3 – вес пикнометра с образцом, заполненного жидкостью; В4 – вес пикнометра без образца, целиком заполненного жидкостью, то G=П(В2–В1)/(В4–В1)–(В3–В2).

Принцип третьего метода, основанного на применении тяжелых жидкостей, очень прост. Зерна исследуемых минералов погружают в соответствующую жидкость и определяют, всплывают они или осаждаются на дно. Если они всплывают, то жидкость слегка разбавляют другой жидкостью с меньшей плотностью. Затем снова проверяют, всплывают или оседают зерна минерала. Если зерна оседают с самого начала, то повышают плотность жидкости, добавляя жидкость с большей плотностью. Затем определяют плотность получившейся жидкости с помощью эталонов плотности (ареометров). Преимущество данного метода заключается в возможности определения плотности очень мелких зерен и определения плотности сразу нескольких сравниваемых минералов.

Для определения плотности методом тяжелых жидкостей чаще всего используют следующие жидкости: Бромоформ CHBr₃ –2,89; Иодистый метилен CH₂I₂ – 3,32; Жидкость Клеричи (соединения таллия) – 4,2 (эта жидкость очень токсична). Чтобы изменять плотность этих жидкостей ползуются ацетоном (0,79), а жидкость Клеричи разбавляют водой. Применяют также и другие тяжелые жидкости.

Вопросы. 6. От чего зависит плотность минералов? 7. Какие методы определения плотности вы знаете? 8. Какие физические свойства могут пригодиться при определении минералов? 9. Для определения каких минералов используют цвет черты? 10. Назовите минералы, имеющие постоянный собственный цвет, благодаря которому их можно диагностировать. 11. Какие методы определения твердости вы знаете, чем они различаются?