Література

1. Куровець М. Кристалографія. Вид-во „Світ”, Львів, 1996.

2. Попов Г., Шафрановский И. Кристаллография. Изд. «Высшая школа». М., 1972.

3. Костов И. Кристаллография. Изд. «Мир», М., 1965.

4. Шаскольская М. Кристаллография. Изд. «Высшая школа», М., 1976.

Лабораторна робота № 4

Основні фізичні властивості мінералів

та їх визначення

Мета: Виконання цієї роботи ставить перед собою завдання навчити студента визначенню головних фізичних властивостей мінералів. Визначення останніх має велике практичне значення тому, що дозволяє інженеру вже в польових умовах проводити діагностику окремих мінералів, які в свою чергу утворюють різноманітні гірські породи або корисні копалини. При розвідувальних роботах і, особливо, при бурінні свердловин, вивчення та визначення речовинного складу кернового матеріалу відіграє первинну роль в напрямі подальших пошуково-розвідувальних роботах, і – в розробці методики розвідки або обґрунтуванні технології буріння свердловин, і для впровадження найбільш ефективних методів підвищення нафто-газо-конденсатовіддачі продуктивних пластів.

Завдання:

1 За літературними джерелами вивчити основні фізичні властивості мінералів та методи їх визначення.

2 Згідно з отриманим варіантом на взірцях мінералів визначити їх основні фізичні властивості відповідно до загальноприйнятої послідовності.

3 Занести результати дослідження в запропоновану студенту таблицю (табл. 4.9) та зробити відповідні висновки.

1 Основні теоретичні положення

Для того, щоб розпізнавати мінерали за зовнішніми ознаками і визначити приблизно їх склад, необхідно знати фізичні властивості кожного мінералу. Слід врахувати, що окремі фізичні властивості можуть бути однаковими у різних мінералів і, навпаки, будь яка властивість, наприклад, колір або густина у одного і того ж мінералу можуть змінюватися в залежності від їх хімічного складу і домішок. Тому при вивченні мінералу необхідно встановити оптимальну кількість його ознак, що і дозволить провести його діагностику. Тому кожний студент за літературними джерелами мусить опанувати певний порядок у визначенні основних фізичних властивостей мінералів [1, 2, 3].

До головних фізичних властивостей мінералів слід віднести: механічні - твердість, спайність, злам, ковкість, пластичність, щільність; оптичні – прозорість, колір, колір риски, блиск; магнітні, радіоактивні, горючість, розчинність, розкладання та смак. Ці властивості вивчаються у всіх твердих мінералах (кристалічних та аморфних)[1].

2 Порядок виконання лабораторної роботи

Студент, отримавши свій варіант завдання, мусить користуватися нижче приведеними поняттями та методиками їх визначення:

2.1 Твердість мінералу – це ступінь опору мінерального індивіду зовнішній механічній дії. Визначення цього параметру проводиться за шкалою МООСА, яка складається з 10 еталонів-мінералів, кожний з них порушує (дряпає) вищестоящий (табл. 4.1).

Таблиця 4.1 - Шкала Мооса і основні її показники

Відносна твердість	Найменування мінералу-еталону	Основні показники мінералу-еталону
1	Тальк	Залишає сліди на папері, дереві, шкірі
2	Гіпс	Подряпується нігтем
3	Кальцит	Подряпується мідною головкою
4	Флюорит	Подряпується залізною голкою, цвяхом
5	Апатит	Слабо подряпується сталевою голкою
6	Ортоклаз	Слабо ріже скло під великим натиском
7	Кварц	Добре ріже скло під великим натиском
8	Топаз	Ріже скло під невеликим натиском
9	Корунд	Слабо ріже скло без натиску
10	Алмаз	Добре ріже скло

2.2 Густина - це маса речовини, яка припадає на 1 см³ дистильованої води при t = -4⁰С. Величина густини мінералів коливається від 0,8 г/см³ (в озокериті) до 23 г/см³ (в осьмисотого іридію). Для визначення густини мінералів рекомендується користуватися нижче приведеною шкалою (табл. 4.2) та зважуванням мінералів „на руці”, тобто визначається вага [2].

Таблиця 4.2 - Групи відносних густин мінералів та їх характеристика

Група	Густина	Границі густини г/см3	Типи мінералів та їх густина
І	Дуже легкі	< 1,0	Озокерит - 0 8 - 0,9
II	Легкі	1,0 - 4,0	Бурштин -1,05 Флюорит - 3,25
III	Середні	40-7,0	Халькопірит - 4,3 Барит - 4,7
IV	Тяжкі	7,0- 10,0	Галеніт -7,6
V	Дуже тяжкі	> 10,0	Золото -18,0

2.3 Спайність – здатність декотрих мінеральних індивідів розколюватися або розщеплюватися по паралельних площинах, які відповідають певним кристалографічним напрямкам, за якими в кристалічній структурі проявляється найменша сила зчеплення атомів, іонів або молекул. В залежності від характеру площин спайності виділяють п’ять типів спайності (табл. 4.3).

При визначенні типу спайності мінералу студенту необхідно пам’ятати, що вона залежить від типу структури і може проходити в одному (біотит), двох (рогова обманка), трьох (галіт), в чотирьох (флюорит) напрямках. Спайність визначається при роздріблювані мінералів (по свіжому сколі кристалу, зерна мінерального індивіда). При необхідності тип спайності рекомендується вивчати під бінокулярним мікроскопом. Студенту слід навчитися відрізняти площини спайності від граней кристалу. Площини спайності мають більш сильний блиск і „свіжий” вигляд. Крім того, вони утворюють ряд паралельних одна одній поверхонь, які в більшості випадків гладкі або глянцюваті.

2.4 Злам – це вид поверхні, що утворюється при розколюванні мінерального індивіду. Він є важливою діагностичною ознакою ряду мінералів. Виділяють наступні типи зламів (табл. 4.4). Визначення типу зламу проводиться візуально або під бінокулярним мікроскопом [2].

Таблиця 4.3 - Спайності мінералів і їх характеристика

Типи спай-ності	Найменуван­ня спайності	Характер площин спайності	Типові мінерали
І	Дуже досконала	Мінерал легко розщеплюється на тонкі листи з утворенням дзеркальних площин спайності	Мусковіт
II	Досконала	Мінерал розщеплюється на пластини з утворенням одиноких східців	Гіпс.
ПІ	Середня	Мінерал слабо розколюється на пластини. Характерні раковисті сходинки і слабо виражені площини спайності	Мікроклін
IV	Малопомітна	Мінерал не розколюється по певних площи­нах, а утворює одиничні східці. В цілому повер­хня розлому нерівна, горбиста	Кварц
V	Відсутні	Мінерал утворює тільки мушлеподібну поверхню зламу	Золото

Таблиця 4.4 – Основні типи зламів та їх характеристика

Тип зламу	Назва зламу	Характеристика поверхні зламу	Характерні мінерали
I	Дзеркально-рівний	Рівна, дзеркальна	Мусковіт, біотит
II	Сходинковий	Сходинкова в декількох напрямках	Польові шпати, флюорит, галіт
III	Нерівний без дзеркальних площин	Нерівна без дзеркальних площин	Берил, турмалін
IV	Мушлевидний (раковистий)	Пагорбкова мушлевидна	Кварц, бурштин
V	Скалкоподібний	Скалковидна, гачкувата	Торці волокнистих серпентину, азбесту

2.5 Ковкість - властивість мінералів під дією механічних сил розплющуватися на тонкі пластинки. Для визначення її необхідно по зерну або по кристалу вдарити молотком. Коли зерно або кристал розплющується на тонкі пластинки, то мінерал ковкий, а якщо кришиться, то – крихкий.

2.6 Прозорість – властивість мінералу пропускати через себе певну кількість світлових променів у видимому спектрі. Вона тісно пов’язана з блиском і визначається коефіцієнтом поглинання світла. В залежності від останнього всі мінерали умовно можна поділити на три групи: прозорі, напівпрозорі та непрозорі. Прозорі мінерали практично повністю пропускають світло. Вони можуть бути водяно-прозорові та можуть бути забарвлені в різноманітні кольори - голубі, зелені, бузкові і інші. При визначенні прозорості використовують окремі кристали та їх агрегати. Для визначення напівпрозорих мінералів рекомендується через уламок мінералу подивитися на світло або провести визначення його під бінокулярною лупою. Непрозорі мінерали не пропускають світло і в тонких уламках [2].

2.7 Забарвлення - характер взаємодії електромагнітного вип­ромінювання видимого діапазону світлових хвиль з електронами атомів, іонів або молекул, які входять в склад кристалічної структури мінералів. Встановлено, що видимий спектр електромагнітних хвиль коливається в межах 3800-7600 А. Їх довжини викликають сім основ­них типів забарвлення: фіолетове, синє, блакитне, зелене, жовте, оран­жеве і червоне. Крім хімічного складу мінералу, на його забарвлення часто впливають механічні домішки, дефекти в кристалічних структу­рах, мікротріщини та ряд інших факторів. Ряд мінералів змінюють своє забарвлення в залежності від кристалографічних напрямків.

Згідно сучасної кваліфікації, виділяють три типи забарвлення - ідіохроматичне, алохроматичне і псевдохроматичне.

Ідіохроматичне (власне) забарвлення обумовлене певними особливостями хімічних елементів, які входять в його склад (структуроутворюючі, ізоморфні домішки - хромофори), характером електронної, так званої зонної структури мінералів, а також наявністю в структурах мінералів різних дефектів. За здатністю оптичного поглинання, виділяють наступі підтипи ідіохроматичного забарвлення:

• металоподібне забарвлення з максимумом відбиття світлових променів властиве мінералам з металічним і ковалентним типами зв'язку, як наслідок міжзонних переходів електронів (пірит, золото) або фунда­ментальної смуги поглинання (кіновар, ауріпігмент, куприт);

• забарвлення, обумовлене електронними переходами між різними іонами, а також між різно­валентними іонами металів - це мінерали трьохвалентного заліза (О^2‑Fe³⁺), мінерали які вміщують різновалентні іони Fe²⁺ і Fe³⁺ (аквамарин, вівіаніт);

• забарвлення пов'язане з іонами перехідних металів Fе, Со, Ni, Сu, Мn, Сг, Ті, V (ізумруд, рубін, рубеліт, малахіт, родоніт);

• радіаційне забарвлення, пов'язане з утворенням під дією радіоактивного розпаду радіоактивних елементів електронно-дирчатих центрів забарвлення (синє і фіолетове забарвлення галіту і флюориту, жовте і димчате забарвлення кальциту і кварцу та інші).

Найбільш типовими хромофорами (забарвлюючі елементи), які викликають те, чи інше забарвлення, є титан, ванадій, хром, марганець, залізо, мідь, та деякі інші елементи. Так Fе³⁺ викликає червоно-бурі кольори, Fе²⁺ - зелені, Ti⁴⁺ - інтенсивні червоно-бурі, Сг³⁺ - зелені, Ni²⁺ - зелені та інші.

Алохроматичне забарвлення мінералів є наслідком включень в них сторонніх домішок у вигляді різно-забарвлених інших мінералів, пухирів газів і рідин. Це забарвлення не пов'язане з власне хімічним складом мінералів. Отже воно не постійне. Як приклад можна навести ряд різновидностей кварцу:

- празем - зеленуватий, за рахунок включень актиноліту або хлориту;

- сердолік - оранжево-червоний - за рахунок включень гідрооксидів заліза;

- авантюрин - буро-червоний до золотистого - за рахунок вклю­чень залізної слюдки (різновид гетиту);

- котяче око - зеленуватий - за рахунок включень азбесту;

- соколине око - синюватий - за рахунок включень волокнистої синьої рогової обманки та інші.

Псевдохроматичне забарвлення обумовлене процесами дифракції і інтерференції світлових променів в кристалічних структурах мінералів, а також розсіюванням, заломленням, повним внутрішнім відбиттям білого світла, з особливостями будови мінеральних індивідів (закономірне повторення фаз різного складу в іризуючих со­нячних і місячних різновидах польових шпатів), глобулярної бу­дови атомів, наявності органічних домішок в перлах, утворення іризуючих плівок на поверхні зерен або кристалів в результаті їх окис­лення та інші.

Вивчення та визначення забарвлення в лабораторних умовах про­водиться шляхом одержання кривих спектрального поглинання, при якому фіксується поглинання відповідних ліній головніших хромо­форів з певною довжиною хвиль. Для візуального визначення кольорів мінералів рекомендується користуватися нижче наведеною шкалою забарвлення, яка включає 11 мінералів-еталонів (табл. 4.5).

Таблиця 4.5 - Шкала основних кольорів мінералів

№ п/п	Колір	Типовий мінерал
1	Водяно-прозорий	Гірський кришталь
2	Білий	Каолініт
3	Свинцево-сірий	Галеніт
4.	Бурий	Гематит
5	Червоний	Кіновар
6	Мідно-червоний	Самородна мідь
7	Фіолетовий	Флюорит
8	Зелений	Малахіт
9	Жовтий	Сірка
10	Латунно-жовтий	Піротин
11	Залізисто-чорний	Магнетит

За характером забарвлення мінеральних індивідів чи агрегатів виділяють: однорідне забарвлення (шріт), зональне (малахіт), плямисте (галіт) та інші.

При визначенні природи забарвлення мінералів у штуфах, кри­сталах або в зернах необхідно відрізняти первинне забарвлення, яке виникає в процесі їх формування і вторинне, яке виникає в процесі вторинної зміни мінералу. Так, первинне темно-зелене забарвлення рогової обманки, що обумовлене входженням в її структуру хромофо­ру Fe²⁺ в зоні окислення переходить в буре, що викликається перехо­дом Fe²⁺ в Fe³⁺. Визначення забарвлення проводиться візуально.

2.8 Колір риси - являє собою колір мінералу в порошку. Багато мінералів в розтертому стані мають інший колір, ніж у монолітних зразках. Порошок можна одержати, проводячи уламком мінералу по білій шорсткій поверхні порцелянової пластинки при умові, що твердість його менша від твердості порцеляни. Якщо твердість мінералу вища твердості порцеляни, мінерал утворює на порцеляні подряпину.

Колір риси - важлива діагностична ознака цілого ряду мінералів. Так гематит, лимоніт і магнетит в зразках мають майже однаковий колір і їх можна розрізнити тільки за різним кольором риси - відповідно червоному, жовтому або чорному.

2.9 Блиск також є важливою діагностичною ознакою мінералів. Він залежить від показника заломлення мінералу і його здатності відбивати від своєї поверхні світло. Показник відбиття світла (блиск) в мінералах визначається у відсотках і змінюється від 1% в озокериті до 95% в полірованому самородному сріблі. Для визначення типу блиску рекомендується користуватись нижче наведеною шкалою (табл. 4.6).

Таблиця 4.6 - Основні типи блисків та їх характеристика

Тип	Назва блиску	Показник відбиття світла, %	Типові мінерали
І	Скляний	1-10	Кварц, флюорит, гранати
II	Алмазний	10-19	Алмаз, сфалерит
III	Напівметалевий	20-25	Кіновар, гематит
IV	Металевий	> 25	Галеніт, золото

Для визначення блиску необхідно враховувати характер поверхні мінералу, величину і форму його зерен. Ці фактори призводять до появи специфічних блисків: жирного-для тонкозернистих світло за­барвлених і білих мінералів; смолистого -для темнозабарвлених мінералів; матового - для тонкодисперсних мінералів; шовковистого-для волокнистих мінералів; перламутрового-для лускуватих мінералів і інших. Визначення типу блиску проводиться візуально. Характер по­верхні мінералу необхідно дослідити під бінокулярним мікроскопом.

2.10 Магнітність - властивість мінералів взаємодіяти з магнітним полем. Магнітність визначається магнітними властивостя­ми атомів, іонів і молекул, які складають мінерал, і його структурою. По суті всі мінерали можуть намагнічуватися в магнітному полі. Од­нак, найбільш здатними до намагнічування є мінерали, в склад яких входять атоми, що мають власний магнітний момент, обумовлений наявністю в них неспарених електронів. Це - Fe³⁺, Fe²⁺, Mn⁴⁺, Mn³⁺, Cr³⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺ та інші.

Визначення магнітності проводиться за допомогою магнітної стрілки. Якщо ж необхідно визначити величину магнітної сприйнят­ливості, то користуються магнітними вагами - вагою Калашнікова та іншими [1].

2.11 Радіоактивність - властивість мінералів випромінювати α, β, γ - частинки при радіоактивному розпаді деяких елементів U, Th, K, Cs та їх ізотопів. По величині радіоактивного випромінювання всі мінерали діляться на три класи: 1 - сильнорадіоактивні; 2 - слаборадіоактивні; 3 - нерадіоактивні. В склад сильнорадіоактивних мінералів входять в основному уран і торій. В склад слаборадіоактивних мінералів входять калій, цезій та інші.

2.12 Горючість - властивість мінералів вільно горіти в атмосфері. Переважно випробування на горючість проводяться в полум'ї спиртівки. Для цього невеликий кусочок визначального мінералу закріплюється в пінцеті і поміщується в найбільш гарячу частину полум'я. Якщо мінерал загориться, то випробування закінчують, вважаючи мінерал горючим. У випадку, якщо мінерал не загориться після перебування в полум'ї 5-6 хв., його вважають негорючим. При вивченні мінералів на горючість рекомендується провести випробування із самородною сіркою (горить синім полум'ям із виділенням сірчистого газу) і озокеритом (горить жовтим полум'ям із виділенням кіптяви).

2.13 Розчинність - здатність мінералів розчинятися у воді або інших рідинах. За ступенем і швидкістю розчинення мінерали діляться на чотири класи: легкорозчинні, розчинні, слабо-розчинні і нерозчинні (табл. 4.7).

Швидкість і величина розчинності залежить від ряду факторів, головним з яких є температура. Визначення розчинності мінералів рекомендується проводити при кімнатній температурі розчинника і при його підігріві в скляній пробірці на спиртівці чи газовому пальнику.

Таблиця 4.7 – Ступінь розчинності деяких мінералів

Ступінь розчинності	Розчинник	Температура	Типові мінерали
Легко-розчинні	Вода Хлороформ	Без підігріву Без підігріву	Галіт, сильвін, карналіт Парафін, озокерит
Розчинні	Бензол Вода Соляна кислота	Без підігріву 3 підігрівом	Бурштин, гіпс Ангідрит
Слабо-розчинні	Вода Соляна кислота	Без підігріву 3 підігрівом	Ангідрит Магнезит
Нерозчинні	Вода	3 і без підігріву	Кварц

2.14 Розкладання - здатність деяких мінералів розкладатися в кислотах або інших хімічно активних речовинах із виділенням в ат­мосферу деяких компонентів (табл. 4.8).

Для визначення розкладання мінерал необхідно розтовкти в по­рошок, висипати в пробірку і залити відповідною кислотою. При такій методиці ступінь розкладання мінералу можна визначити як при кімнатній температурі, так і при підігріві. Підігрів проводиться на газо­вому пальнику або в полум'ї спиртівки. Одночасно з визначенням сту­пеню розкладання проводиться визначення виділених газів. Так, виділення H₂S супроводжується запахом "затхлих яєць", розкладання миш’я­кових мінералів - запахом часнику та інші.

2.15 Смак - це здатність впливу мінералу на смаковий органолептичний апарат людини. Більшість мінералів не мають смаку, але для деяких характерним є специфічний смак. Особливо це відноситься до розчинних мінералів. По смаку виділяють солені (галіт), гірко-солені (карналіт), пекучо-солені (сильвін) мінерали. Визначення смаку проводиться доторканням до мінералів кінчиком язика.

Таблиця 4.8 - Найбільш характерні реакції розкладання деяких мінералів в різних кислотах

Назва кислоти, в якій розкладається мінерал	Назва мінералу	Виділяє	3 підігрівом або без підігріву
HCl	Кальцит Анортит Малахіт Магнезит Сфалерит	CO2 CO2 CO2 CO2 H2S	Без підігріву З підігрівом Без підігріву З підігрівом З підігрівом
HNO3	Сфалерит Галеніт	S S	З підігрівом З підігрівом

Після роботи над своїм варіантом завдання студенту бажано представити результати його дослідження (3-х взірців мінеральних індивідів) у вигляді таблиці 4.9.

Варіант №

Таблиця 4.9 - Результати визначення фізичних властивостей мінералів

№ п/п	Назва основних фізичних властивостей	Номер взірців
		Взірець № 1	Взірець № 2	Взірець № 3
1	Твердість
2	Густина
3	Колір
4	Колір риски
5	Злам
6	Спайність
7	Прозорість
8	Блиск
9	Магнітність
10	Горючість
11	Ковкість
12	Розкладання
13	Розчинність
14	Смак і ін.

На основі аналізу основних теоретичних положень та отриманих результатів досліджень студенту необхідно зробити відповідні висновки.