25. Физические свойства кристаллических веществ. Оптические свойства. Пьезоэлектрики. Влияние симметрии кристалла на его физические свойства.

Физические свойства минералов имеют большое значение не только для их использования, но и для диагностики (определения). Они зависят от химического состава и типа кристаллической структуры. Физические свойства могут представлять собой скалярную величину, т.е постоянны во всех направлениях кристаллической решетки, или быть векторными. К последним, могут у отдельных минералов и их агрегатов, относится твердость, спайность, оптические свойства.

Плотность минералов измеряется в г/см3 и в значениях, у разных минералов, колеблется от 1 (жидкие битумы) до 23 (осмистый иридий). Оснавная масса минералов имеет плотность от 2,5 до 3,5, что определяет среднюю плотность земной коры в 2,7 - 2,8 г/см3.

Минералы по плотности условно можно разделить на три группы:

-Легкие, плотность до 3,0 г/см3

-Средние, от 3,0 до 4 г/см3

-Тяжелые, плотность более г/см3

В минералах одного и того же состава плотность определяется характером упаковки атомов в структурной ячейке кристалла. Наиболее яркие примеры: алмаз (3,5) и графит (2,2) - оба образованы из одного и того же вещества - углерода, но имеют различные кристаллические структуры. Другой пример: кальцит, имеет состав Ca[CO3], плотность 2,6 - 2,8 и арагонит, того же состава, но уже плотностью 2,9 - 3.0 г/см3.

Для минералов, представляющих изоморфные ряды (структурное замещение атомов), увеличение или уменьшение плотности пропорционально изменению химического состава. Пример: в изоморфном ряду оливинов от форстерита Mg[SiO4] до фаялита Fe[SiO4] плотность увеличивается от 3,20 до 4, 35 г/см3.

Спайность – способность минерала раскалываться при ударе или другом механическом воздействии по определенным кристаллографическим плоскостям.

Спайность связана со структурой кристалла и характером атомных связей. Вдоль плоскостей спайности силы связи оказываются более слабыми, чем вдоль других направлений. Плоскости спайности всегда обладают высокой плотностью атомов и во всех случаях параллельны возможным граням кристалла.

Спайность выявляют, прослеживая регулярные системы трещин в прозрачных минералах, таких как флюорит или кальцит, либо ровные отражающие плоскости, образующиеся при раскалывании кристаллов, что наблюдается у полевых шпатов, пироксенов и слюд.

При обработке камня наличие спайности облегчает получение плоских поверхностей вдоль ее плоскостей, но затрудняет шлифовку и полировку других плоскостей, поскольку при обработке могут возникать трещины спайности. Кроме того, спайность может стать причиной сколов минералов в процессе их использования.

Твердость.

Под твердостью минерала понимается его сопротивление механическому воздействию более прочного тела. Твердость минерала является важным диагностическим признаком.

В минералогии действует шкала Мооса, построенная на основе эталонных образцов, расположенных в порядке увеличения твердости. Значение шкалы Мооса являются относительными и определены условно, методом царапания. Процесс определения твердости минерала по шкале Мооса происходит так: если, например апатит (тв. = 5) царапает исследуемый минерал, а при этом сам образец может царапать флюорит (тв. = 4), то твердость образца определяем = 4,5.

Твердость в кристаллах может быть анизотропной (разной в различных направлениях кристаллической решетки). Характерным примером являются кристаллы дистена, твердость которых на плоскости совершенной спайности вдоль удлинения = 4,5, а поперек = 6.

Хрупкость.

Под хрупкостью понимается свойство минералов крошиться под давлением или при ударе. Например: самородная сера и алмаз - очень хрупкие минералы.

Ковкость минералов в том, что они могут быть легко расплющены на тонкие пластинки. Пример: самородное золото, медь и т.п.

Гибкость, свойство изгибаться, характерна для многих минералов. Так, гибкие листочки имеют кристаллы молибденита, хлоритов, талька, гидрослюд, но только у обычных слюд (мусковита, биотита и других) листочки в то же время и упругие, - они восстанавливают первоначальное положение при снятии напряжения.

Люминесценция. Некоторые минералы при воздействии на них ультрафиолетовых, катодных или рентгеновских лучей могут излучать свет. Один и тот же минерал может люминесцировать разными цветами и обнаруживать люминисценцию разного рода. После снятия возбудителя, по длительности свечения различают: флюорисценцию (свечение прекращается сразу после снятия) и фосфорисценцию (свечение еще продолжается некоторое время). Особенно интенсивную люминисценцию минералов можно видеть в ультрафиолетовых лучах. Например: флюорит светится - фиолетовым цветом, шеелит - голубым, кальцит - оранжево-желтым. Немногие минералы могут люминисцировать при физическом воздействии на них: при нагревании (термолюминисценция), при раскалывании (триболюминисценция).

Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного хим. элемента в изотопы другого с излучением элементарных частиц. Радиактивностью обладают минералы, содержащие радиоактивные элементы, в основном уран, радий и торий. Определяют радиактивность при помощи электроскопов, ионизационных камер и др. Действие которых оснавано на определении ионизации воздуха, вызываемой радиоактивным распадом элементов.

Электрические свойства.

Пироэлектричество - электричество, возникающее на концах кристаллов-диэлектриков в связи с изменением температуры, проявляются только у тех кристаллов, которые не имеют центра симметрии. Самый яркий пример - кристалл турмалина.

Пьезоэлектричество - электричество, возникающее на концах кристаллов при растяжении или сжатии. Пьезоэлектричество возможно лишь в кристаллах, имеющие полярные оси, которые нельзя совместить друг с другом имеющимися на данном кристалле элементами симметрии. Пьезоэлектрический эффект имеет обратное свойство, т.е если к кристаллу приложить переменное эл. поле, то его кристаллическая решетка будет сжиматься и растягиваться.

Магнитность. Свойство характерно для немногих минералов. Наиболее сильным магнитным свойством обладает магнетит (FeFe2O4), меньшим - пирротин (Fe1-xS). Минералы, обладающие сильным магнетизмом, называются - ферромагнитными. Другие железосодержащие минералы, обладающие более слабым магнетизмом - называются парамагнитными. Минералы, обладающие слабой отрицательной магнитной восприимчивастью (слабо отталкиваются магнитом) - диамагнитными. Некоторые минералы, содержащие железо, приобретают магнитные свойства только после прокаливания в востановительных условиях, другие проявляют их лишь под воздействием эл. поля (пирит). Магнитность мелких зерен минерала проверяют притяжением их к магниту.

Оптические свойства минералов.

Цвет. Минералы могут иметь самые различные цвета и оттенки. Одни минералы обладают постоянным цветом (азурит - синий, киноварь - кроваво-красный, магнетит - черный), другие (кварц) могут быть различно окрашенными или бесцветными.

Окрас минералов подразделяется на 3 типа:

Идеохроматические окраски (собственные), вызванные содержанием хромофоров или структурными факторами, например дефектами в структуре минералов.

Аллохроматические окраски, вызванные наличием механических примесей, обычно микровключений других минералов. Например, буро-коричневый авантюрин - кварц, содержащий тонкорассеянные чешуйки железной слюдки - гематита Fe3O4.

Псевдохроматические окраски, связанные с рассеянием света, интерференцией световых волн (побежалость, иризация, опалесценция).

На поверхности некоторых минералов имеется пестроокрашенная или радужная окраска приповерхностного слоя - побежалость. Она образуется чаще в результате окисления минералов. Пестрая побежалость синевато-голубоватых оттенков свойственна минералам, содержащим в составе медь. Красновато-коричневая, минералам, содержащим в своём составе железо (пирит).

Цвет минерала в порошке.

У некоторых минералов цвет их в порошке отличается от цвета в куске. Например, пирит в куске соломенно-желтый, в порошке - зеленовато-черный. Чтобы получить порошок определяемого минерала, достаточно провести им по шероховатой поверхности фарфоровой пластинки (неглазурованной), на которой минералы, имеющие твердость не более 6 по шкале Мооса, оставляют порошкообразный след в виде черты.

Блеск.

Блеск минерала обусловлен отражением от поверхности граней кристалла или излома. Тип и интенсивность блеска зависит, в основном, от характера поверхности и показателя преломления. По блеску минералы делятся на две группы:

1. Минералы с металлическим и металловидным блеском. При этом металлический, напоминает блеск свежего металла, а металловидный - блеск потускневшей поверхности металла. Характерные примеры минералов с металлическим блеском: пирит, галенит. Пример минералов с металловидным блеском: графит, сфалерит. Металлический и металловидный блеск присущ непрозрачным самородным металлам (золото, серебро, медь и др.), многим сернистым соединениям (галенит, халькопирит и др.) и окислам металлов (магнетит, пиролюзит и др.).

2. Минералы с неметаллическим блеском. Неметаллический блеск характерен для свелоокрашенных, зачастую прозрачных минералов. Неметаллический блеск различается:

-Алмазный (алмаз, киноварь)

-Стеклянный (кальцит, кварц)

-Жирный (нефелин, самородная сера)

-Перламутровый (слюда, гипс)

-Шелковистый (асбест)

-Матовый или тусклый (кремень, глина)

У некоторых минералов блеск на гранях кристаллов и на изломе различный. Так, например, у кварца на гранях блеск стеклянный, а на изломе — жирный. Тонкие плёнки на несвежей поверхности и налёты посторонних веществ также резко изменяют блеск минерала.

Многие свойства кристаллов являются структурно чувствительными. Дефекты кристаллической решетки влияют на электропроводность в полупроводниках и диэлектриках, на фотопроводимость, люминесценцию, прочность, пластичность, окраску и др. свойства кристаллов.