Описание свойств минералов. Физические свойства минералов

Определение минералов производится по физическим свойствам, которые обусловлены вещественным составом и строением кристаллической решетки минерала. Это цвет минерала и его порошка, блеск, прозрачность, характер излома и спайности, твердость, удельный вес, магнитность, электропроводность, ковкость, хрупкость, горючесть и запах, вкус, шероховатость, жирность, гигроскопичность. При определении некоторых минералов может быть использовано отношение их к 5-10 % соляной кислоте (карбонаты вскипают).

Вопрос о природе цветовой окраски минералов очень сложен. Природа окрасок некоторых минералов еще не определена. В лучшем случае цвет минерала определяется спектральным составом отражаемого минералом светового излучения или обуславливается его внутренними свойствами, каким-либо химическим элементом, входящим в состав минерала, тонко рассеянными включениями других минералов, органического вещества и другими причинами. Красящий пигмент иногда бывает, распространен неравномерно, полосами, давая разноцветные рисунки (например, у агатов).

Неравномерные полосы агата

Цвет некоторых прозрачных минералов меняется в связи с отражением падающего на них света от внутренних поверхностей, трещин или включений. Это явления радужной окраски минералов халькопирита, пирита и иризации – голубые, синие переливы лабрадора.

Некоторые минералы многоцветны (полихромные) и имеют разную окраску по длине кристалла (турмалин, аметист, берилл, гипс, флюорит и др.).

Цвет минерала иногда может быть диагностическим признаком. Например, водные соли меди имеют зеленый или синий цвет. Характер цвета минералов определяется визуально обычно путем сравнения наблюдаемого цвета с общеизвестными понятиями: молочно-белый, светло-зеленый, вишнево-красный и т.п. Этот признак не всегда характерен для минералов, так как цвета многих из них сильно варьируют.

Зачастую цвет обусловливается химическим составом минерала или наличием разных примесей, в которых присутствуют химические элементы-хромофоры (хром, марганец, ванадий, титан и др.). Механизм появления той или иной окраски на самоцветах до сих пор не всегда понятен, так как один и тот же химический элемент может окрашивать разные драгоценные камни в разный цвет: присутствие хрома делает рубин красным, а изумруд зеленым.

Цвет черты

Более надежным диагностическим признаком, чем цвет минерала, является цвет его порошка, оставляемого при царапании испытуемым минералом матовой поверхности фарфоровой пластинки. В ряде случаев цвет черты совпадает с цветом самого минерала, в других он совсем иной. Так, у киновари окраска минерала и порошка красные, а у латунно-желтого пирита черта зеленовато-черная. Черту дают мягкие и средней твердости минералы, а твердые лишь царапают пластинку и оставляют на ней борозды.

Цвет черты минералов на фарфоровой пластинке

Прозрачность

По своей способности пропускать свет минералы делятся на несколько групп:

прозрачные (горный хрусталь, каменная соль) – пропускающие свет, через них ясно видны предметы;
полупрозрачные (халцедон, опал) – предметы, через них плохо видны предметы;
просвечивающие только в очень тонких пластинках;
непрозрачные – свет не пропускают даже в тонких пластинках (пирит, магнетит).

Блеск

Блеском называется способность минерала отражать свет. Строгого научного определения понятия блеск не существует. Различают минералы с металлическим блеском как у полированных минералов (пирит, галенит); с полуметаллическим (алмазным, стеклянным, матовым, жирным, восковым, перламутровым, с радужными переливами, шелковистым).

Спайность

Явление спайности у минералов определяется сцеплением частиц внутри кристаллов и обусловлено свойствами их кристаллических решеток. Раскол минералов происходит легче всего параллельно наиболее плотным сеткам кристаллических решеток. Эти сетки наиболее часто и в наилучшем развитии проявляются и во внешнем ограничении кристалла.

Количество плоскостей спайности у разных минералов неодинаково, достигает шести, причем степень совершенства разных плоскостей может быть неодинаковой. Различают следующие виды спайности:

весьма совершенную , когда минерал без особого усилия расщепляется на отдельные листочки или пластинки, обладающие гладкими блестящими поверхностями – плоскостями спайности (гипс).
совершенную , обнаруживаемую при легком ударе по минералу, который рассыпается на кусочки, ограниченные только ровными блестящими плоскостями. Неровные поверхности не по плоскости спайности получаются очень редко (кальцит раскалывается на правильные ромбоэдры разной величины, каменная соль – на кубики, сфалерит – на ромбические додекаэдры).
среднюю , которая выражается в том, что при ударе по минералу образуются изломы как по плоскостям спайности, так и по неровным поверхностям (полевые шпаты – ортоклаз, микроклин, лабрадор)
несовершенную . Плоскости спайности в минерале обнаруживаются с трудом (апатит, оливин).
весьма несовершенную . Плоскости спайности в минерале отсутствуют (кварц, пирит, магнетит). В то же время иногда кварц (горный хрусталь) встречается в хорошо ограненных кристаллах. Поэтому следует отличать естественные грани кристалла от плоскостей спайности, выявляющихся при изломе минерала. Плоскости могут быть параллельны граням и отличаться более «свежим» видом и более сильным блеском.

Излом

Характер поверхности, образующейся при разломе (расколе) минерала различный:

Ровный излом , если раскол минерала происходит по плоскостям спайности, как, например, у кристаллов слюды, гипса, кальцита.
Ступенчатый излом получается при наличии в минерале пересекающихся плоскостей спайности; он может наблюдаться у полевых шпатов, кальцита.
Неровный излом характеризуется отсутствием блестящих участков раскола по спайности, как, например, у кварца.
Зернистый излом наблюдается у минералов с зернисто-кристаллическим строением (магнетит, хромит).
Землистый излом характерен для мягких и сильно пористых минералов (лимонит, боксит).
Раковистый – с выпуклыми и вогнутыми участками как у раковин (апатит, опал).
Занозистый (игольчатый) – неровная поверхность с ориентированными в одном направлении занозами (селенит, хризотил-асбест, роговая обманка).
Крючковатый – на поверхности раскола возникают крючковатые неровности (самородная медь, золото, серебро). Этот вид излома характерен для ковких металлов.

Ровный излом на слюде Неровный излом на розовом кварце Ступенчатый излом на галите. © Роб Лавински Зернистый излом хромита. © Петр Сосоновски
Землистый излом лимонита Раковистый излом на кремени Занозистый излом на актинолите. © Роб Лавински Крючковатый излом на меди

Твердость

Твердость минералов – это степень сопротивляемости их наружной поверхности проникновению другого, более твердого минерала и зависит от типа кристаллической решетки и прочности связей атомов (ионов). Определяют твердость царапанием поверхности минерала ногтем, ножом, стеклом или минералами с известной твердостью из шкалы Мооса, в которую входят 10 минералов с постепенно возрастающей твердостью (в относительных единицах).

Относительность положения минералов по степени возрастания их твердости видна при сравнении: точные определения твердости алмаза (твердость по шкале равна 10) показали, что она более чем в 4000 раз выше, чем у талька (твердость – 1).

Шкала Мооса

Главная масса минералов имеет твердость от 2 до 6. Более твердые минералы – это безводные окислы и некоторые силикаты. При определении минерала в породе необходимо убедиться, что испытывается именно минерал, а не порода.

Удельный вес

Удельный вес изменяется от 0,9 до 23 г/см 3 . У большей части минералов он составляет 2 – 3,4 г/см 3 , рудные минералы и самородные металлы имеют наивысший удельный вес 5,5 – 23 г/см 3 . Точный удельный вес определяется в лабораторных условиях, а в обычной практике – «взвешиванием» образца на руке:

Легкие (с удельным весом до 2,5 г/см 3) – сера, каменная соль, гипс и другие минералы.
Средние (2,6 – 4 г/см 3) – кальцит, кварц, флюорит, топаз, бурый железняк и другие минералы.
С большим удельным весом (больше 4). Это барит (тяжелый шпат) – с удельным весом 4,3 – 4,7, сернистые руды свинца и меди – удельный вес 4,1 – 7,6 г/см 3 , самородные элементы – золото, платина, медь, железо и т.д. с удельным весом от 7 до 23 г/см 3 (осмистый иридий – 22,7 г/см 3 , платиновый иридий – 23 г/см 3).

Магнитность

Свойство минералов притягиваться магнитом или отклонять магнитную стрелку компаса является одним из диагностических признаков. Сильно магнитными минералами являются магнетит и пирротин.

Ковкость и хрупкость

Ковкими являются минералы, изменяющие свою форму при ударе молотком, но не рассыпающиеся (медь, золото, платина, серебро). Хрупкие – рассыпаются при ударе на мелкие кусочки.

Электропроводность

Электропроводность минералов – это способность минералов проводить электрический ток под действием электрического поля. В противном случае минералы относятся к диэлектрикам, т.е. не проводящим ток.

Горючесть и запах

Некоторые минералы загораются от спички и создают характерные запахи (сера – сернистого газа, янтарь – ароматический запах, озокерит – удушливый запах угарного газа). Запах сероводорода появляется при ударе по марказиту, пириту, при растирании кварца, флюорита, кальцита. При трении кусочков фосфорита друг о друга появляется запах жженой кости. Каолинит при смачивании приобретает запах печки.

Вкус

Вкусовые ощущения вызывают только хорошо растворимые в воде минералы (галит – соленый вкус, сильвин – горько соленый).

Шероховатость и жирность

Жирными, слегка мажущими являются тальк, каолинит, шероховатыми – боксит, мел.

Гигроскопичность

Это свойство минералов увлажняться, притягивая молекулы воды из окружающей среды, в том числе из воздуха (карналлит).

Некоторые минералы реагируют с кислотами. Для опознавания минералов, которые по химическому составу являются солями угольной кислоты, удобно пользоваться реакцией вскипания их со слабой (5 – 10%) соляной кислотой (кальцит, доломит).

Радиоактивность

Радиоактивность может служить важным диагностическим признаком. Некоторые минералы, содержащие радиоактивные химические элементы (как уран, торий, тантал, цирконий, торий) нередко обладают значительной радиоактивностью, которую легко обнаружить бытовыми радиометрами. Для проверки радиоактивности сначала измеряют и записывают фоновую величину радиоактивности, затем к детектору прибора подкладывают минерал. Увеличение показаний более чем на 15% говорит о радиоактивности минерала. Радиоактивными минералами являются: абернатиит, баннерит, гадолинит, монацит, ортит, циркон и др.

Свечение

Светящийся флюорит

Некоторые минералы, которые сами по себе не светятся, начинают светиться при различных специальных условиях (нагревание, облучение рентгеновскими, ультрафиолетовыми и катодными лучами; при разламывании и даже царапании). Различают следующие виды свечения минералов:

Фосфоресценция — способность минерала светиться минуты и часы после воздействия на него определенными лучами (виллемит светится после облучения короткими ультрафиолетовыми лучами).
Люминесценция — способность светиться в момент облучения некоторыми лучами (шеелит светится синим при облучении ультрафиолетовыми и лучами).
Термолюминесценция — свечение при нагревании (флюорит светится фиолетово-розовым цветом).
Триболюминесценция — свечение в момент царапания ножом или раскалывания (корунд).

Астеризм

Эффект астеризма или звездчатости

Астеризм или эффект звездчатости, присущ немногим минералам. Он заключается в отражении (дифракции) лучей света от включений в минерале, ориентированных вдоль определенных кристаллографических направлений. Лучшими представителями этого свойства являются звездчатый сапфир и звездчатый рубин.

В минералах с волокнистым строением (кошачий глаз), наблюдается тонкая полоска света, способная менять свое направление при повороте камня (переливчатость). Играющий свет на поверхности опала или сияющие павлиньи цвета лабрадора объясняются интерференцией света — смешением лучей света при их отражении от слоев упакованных шариков кремнезема (в опале) или от тончайших пластинчатых кристаллических вростков (лабрадор, лунный камень).

Минеральные наполнители, такие как карбонат кальция, тальк, кремнезем, весьма распространены в полимерной промышленности. Они часто, при стоимости 6-15 центов/фунт, заменяют значительно более дорогие полимеры, повышают жесткость наполненного продукта и придают полимеру более высокую огнестойкость. На мировом рынке наполнителей для пластмасс преобладают технический углерод (сажа) и карбонат кальция. Примерно из 15 млрд фунтов наполнителей в Америке и Европе около половины объема входят в состав эластомеров, одна треть - в термопласты, а остальные - в термореактивные материалы. Около 15% всех производимых пластмасс содержат наполнители.

Помимо стоимости, обычно рассматривают следующие свойства минеральных наполнителей (или должны рассматривать) при использовании их в качестве наполнителя в композитных материалах (свойства приведены без какого-либо определенного порядка):

Химический состав;

Коэффициент формы;

Плотность (удельный вес);

Размер частиц;

Форма частиц;

Распределение частиц по размерам;

Площадь поверхности частиц;

Способность поглощать масло;

Огнестойкие свойства;

Влияние на механические свойства композитного материала;

Влияние на вязкость расплава;

Влияние на усадку расплава;

Термические свойства;

Цвет, оптические свойства;

Влияние на выцветание и долговечность полимеров и композитов;

Влияние на здоровье и безопасность.

Дадим несколько предварительных общих описаний, которые будут детализированы ниже на конкретных примерах минеральных (и смешанных) наполнителей.

Общие свойства минеральных наполнителей

Химический состав

Наполнители могут быть неорганическими, органическими или смешанными, например, Biodac, как описано выше. Biodac - это гранулированная смесь целлюлозного волокна, карбоната кальция и каолина (глина). Типичные неорганические наполнители могут быть простыми солями, типа карбоната кальция (СаСО 3) или волластонита (CaSiO 3), с точной химической структурой; сложными неорганическими материалами, типа талька [гидратированный силикат магния, Mg 3 Si 4 O l0 (OH) 2 ] или каолина (гидратированный силикат алюминия, Al 2 O 3 -2SiO 2 -2H 2 O); или могут быть соединениями с неопределенным или переменным составом, типа слюды, глины и зольной пыли. Последнюю можно рассматривать как силикат алюминия с включениями других элементов.

Коэффициент формы

Это отношение длины частицы к ее диаметру. Для сферических или кубических частиц коэффициент формы равняется единице. Для частиц карбоната кальция коэффициент формы составляет обычно 1-3. Для талька коэффициент формы обычно находится в интервале 5-20. Для молотого стеклянного волокна он составляет от 3 до 25. Для слюды - 10-70. Для волластонита его значение между 4 и 70. Для рубленого стекловолокна - между 250 и 800. Для натуральных волокон, типа целлюлозы, коэффициент формы может быть от 20-80 до нескольких тысяч. Низкий коэффициент формы составляет менее 10. Однако перечисленные значения приведены для наполнителей, не переработанных в смесителе и/или экструдере. После переработки коэффициент формы может уменьшаться от нескольких дюжин и сотен до 3-10.

Плотность (удельный вес)

Хотя удельный вес минеральных наполнителей может изменяться в широком диапазоне, удельный вес наполнителей, которые применяются (или, вероятно, должны применяться) в ДПК, для всех высокий, около 2,1-2,2 (зольная пыль) и 2,6-3,0 г/см 3 (карбонат кальция, тальк, каолин, слюда, глина). Biodac, гранулированная смесь карбоната кальция с каолином и целлюлозным волокном, имеет удельный вес 1,58 г/см 3 .

В табл.1 показано, как минеральные наполнители влияют на плотность наполненных полимеров по сравнению с древесным волокном.

Таблица 1. Влияние удельного веса наполнителей на плотность наполненного полимера. Целлюлозные волокна (древесная мука, рисовая шелуха) обычно имеют удельный вес 1,3 г/см 3 ; карбонат кальция и тальк обычно имеют плотность 2,8 г/см 3

* Соответствующие экспериментальные данные для наполненного полипропилена следующие: с 20% целлюлозных волокон, 0,98-1,00 г/см3; с 40% целлюлозных волокон, 1,08-1,10 г/см 3 ; с 40% карбоната кальция или талька, 1,23-1,24 г/см 3 .

Можно видеть, что присутствие 20-40% минеральных наполнителей значительно повышает плотность наполненного ПЭВП и полипропилена по сравнению с полимерами, наполненными целлюлозным волокном.

Примечание. Эти расчеты могут быть сделаны, как показано в следующем примере. Для ПЭВП, наполненного 20% карбоната кальция, 100 г наполненного полимера содержат 20 г СаСО 3 и 80 г полимера. Соответствующие объемные доли равны 20 г/2,8 г/см 3 = 7,1429 см 3 для СаСО3 и 80 г/0,96 г/см 3 = 83,3333 см 3 для ПЭВП. Общий объем наполненного полимера - 7,1429 см 3 + 83,3333 см 3 = 90,4762 см 3 . Поскольку масса этого образца - 100 г, удельный вес наполненного полимера -100 г/90,4762 см 3 =1,105 г/см 3.

Примечание. Как не нужно вычислять удельный вес композиционного материала. Обычная ошибка состоит в смешении объемных и массовых долей в вычислениях. Например, в вышеупомянутом случае для ПЭВП, наполненного 20% карбоната кальция, неверным был бы расчет полученого удельного веса 0,2 х 2,8 г/см 3 + 0,8 х 0,96 г/см 3 = 1,328 г/см 3 . Правильным ответом, как мы знаем, является 1,105 г/см 3 (см. выше). Ошибкой было взять объемные доли 0,2 и 0,8 как массовые доли в полученной композиции.

Размер частиц

Для целей этого обсуждения наполнители можно разделить на крупные частицы (более 0,1-0,3 мм, 20-150 меш), частицы большого размера (около 0,1 мм или 100 мкм, 150-200 меш), частицы среднего размера (около 10 мкм, 250 меш), частицы маленького размера (около 1 мкм), тонкодисперсные частицы (около 0,1 мкм), и наночастицы (слоистые - толщиной 1 нм или 0,001 мкм, и длиной 200 нм или 0,2 мкм; интеркалированные - толщиной 30 нм, длиной 200 нм). Наночастицы не рассматриваются в качестве наполнителей, а скорее, в качестве добавок. Примерами частиц вышеупомянутых размеров являются Biodac (крупные частицы), молотый карбонат кальция (большой размер частиц), глина (средний размер частиц), осажденный CaCO 3 (маленький размер частиц), некоторые специальные виды двуокиси кремния (мелкий размер частиц), расслаивающиеся частицы многослойных органоглин. Стоимость этих наполнителей увеличивается очень существенно при переходе от крупных и больших до маленьких и тонкодисперсных частиц, и особо - для наночастиц. Следовательно, только крупные и большие частицы наполнителей могут привести к экономии стоимости при замене полимера, если наполнители не придают композиционному материалу действительно полезные свойства, оправдывающие повышенную стоимость.

Форма частиц

Эта характеристика частично, но не полностью связана с коэффициентом формы частиц. При одинаковом коэффициенте формы, равном 1,0, частицы могут быть сферическими или кубическими, и сферические частицы (типа технического углерода, диоксида титана, окиси цинка) улучшают текучесть и уменьшают вязкость расплава полимеров и обеспечивают равномерное распределение напряжения в отвердевшем профиле, тогда как кубические частицы (гидроокись кальция) дают хорошее упрочнение профиля. Хлопья (каолин, слюда, тальк) облегчают ориентацию полимеров. Вытянутые частицы, типа волластонита, стекловолокна и целлюлозного волокна, древесной муки (волокна), уменьшают усадку и термическое расширение-сжатие, и в частности, упрочняют монолитный материал.

Распределение частиц по размерам

Частицы могут быть монодисперсными или обладают определенным распределением по размерам - широким, узким, бимодальным и так далее. Распределение может быть неоднородным, обычно имеет место смесь частиц различных размеров. Это свойство смеси частиц в значительной степени зависит от технологии измельчения и сортировки (просеивания) частиц. Широкое распределение или бимодальное распределение частиц минерального наполнителя могут быть полезными, поскольку они могут обеспечить лучшую плотность упаковки частиц в матрице. Распределение частиц по размерам может влиять на вязкость расплава.

Площадь поверхности частиц

Она непосредственно связана с «топографией» поверхности и пористостью наполнителя. Она измеряется в квадратных метрах на грамм наполнителя и может варьироваться от долей м 2 /г до сотен м 2 /г. Например, удельная поверхность волластонита изменяется от 0,4 до 5 м 2 /г, кремнезема - от 0,8 до 3,5 м 2 /г, целлюлозного волокна - около 1 м 2 /г, талька - от 2,6 до 35 м 2 /г, карбоната кальция - от 5 до 24 м 2 /г, каолина - от 8 до 65 м 2 /г, глины - от 18 до 30 м 2 /г, диоксида титана - от 7 до 162 м 2 /г, осажденной двуокиси кремния - от 12 до 800 м 2 /г. Удельная поверхность частиц очень сильно зависит от метода, который применяется для измерения площади. Чем меньше молекула, используемая для измерений, тем больше удельная поверхность, полученная на грамм материала. Однако, при смешении с расплавом полимера, маленький молекулярный размер пор в минеральном наполнителе является неподходящим. Большие открытые поры, напротив, могут обеспечить не только площадь адгезии расплава полимера, но также и дополнительное физическое взаимодействие между наполнителем и полимером после его затвердевания.

Эти два свойства идут рука об руку и связаны до известной степени с «гигроскопичностью» наполнителя. Однако влагосодержание обычно отражает массу (процент) воды на единицу массы наполнителя в данных обстоятельствах (например, после или в процессе сушки), тогда как способность поглощать воду часто означает максимальное достижимое влагосодержание или влагосодержание после достижения кажущегося равновесия в условиях окружающей среды. Влагосодержание основной массы рисовой шелухи в летние месяцы может быть около 9,5 %масс. Влагосодержание высушенной рисовой шелухи может быть 0,2-0,5%. Высокое содержание влаги в наполнителе приводит к образованию пара в процессе компаундирования и экструзии, что может привести к высокой пористости (и низкой плотности) конечного экструдированного профиля. Это, в свою очередь, уменьшает его прочность и жесткость, и увеличивает скорость окисления в течение срока службы, следовательно, снижается долговечность.

Низкое содержание влаги в наполнителях обычно наблюдается в карбонате кальция и волластоните (0,01-0,5%), тальке и тригидрате алюминия, слюде (0,1-0,6%). Среднее содержание влаги может наблюдаться в гидроксиде титана (до 1,5%), глине (до 3%), каолине (1-2%) и Biodac (2-3%). Высокое влагосодержание часто обнаруживается в целлюлозном волокне (5-10%), древесной муке (до 12%) и зольной пыли (до 20%). Biodac поглощает до 120% воды при прямом контакте с избытком воды.

Способность абсорбировать масло

Эта свойство может быть полезным для гидрофобных полимеров, типа полиолефинов, поскольку гидрофобные наполнители могут показать хорошее взаимодействие с матрицей. Кроме того, гидрофобные наполнители могут очень существенно влиять на вязкость матрицы, следовательно, ее реологию и текучесть. Наполнители обычно абсорбируют масло в гораздо более высоких количествах по сравнению с водой. Карбонат кальция поглощает 13-21% масла, тригидрат алюминия поглощает 12-41% масла, диоксид титана 10-45%, волластонит 19-47%, каолин 27-48 %, тальк 22-51%, слюда 65-72% и древесная мука 55-60%. Biodac поглощает 150% масла по массе.

Как правило, если маслоемкость низкая, наполнитель не изменяет вязкость расплава в большой степени. Из-за этого тест на поглощение масла часто используется для характеристики влияния наполнителей на реологические свойства наполненных полимеров.

Огнестойкость

«Активные» антипирены, типа тригидрата алюминия или гидроксида магния, охлаждают область горения за счет выделения воды выше определенной температуры. Многие инертные наполнители, типа карбоната кальция, таль ка, глины, стекловолокна и так далее, могут замедлять распространение пламени только за счет «устранения топлива» для распространения пламени или замедлить выделение тепла. Однако они существенно не меняют температуру воспламенения. Они действуют скорее путем растворения топлива в твердой (полимерной) фазе. Карбонат кальция выделяет инертные газы (углекислый газ) при температуре около 825 °C, которая слишком высока для растворения горючей газообразной фазы, воспламеняющейся значительно ниже этой температуры.

Влияние на механические свойства композиционного материала

Минеральные наполнители обычно улучшают как прочность при изгибе, так и модуль упругости при изгибе наполненных пластмасс и ДПК (табл. 2), однако степень улучшения различна для прочности и модуля упругости при изгибе. Влияние на прочность при изгибе часто не более 10-20%. Влияние на модуль упругости при изгибе может достигать 200-400%, и это часто зависит от размера частиц наполнителя и его коэффициента формы. Чем выше содержание наполнителя и коэффициент формы, тем больше влияние наполнителя на модуль упругости при изгибе (хотя и не всегда, в частности, это относится к содержанию наполнителя).

На основании влияния наполнителей на прочность наполненных полимеров, наполнители могут подразделяться как раз на наполнители и армирующие наполнители.

Таблица 2. Влияние неорганических наполнителей и древесной муки на прочность при изгибе и модуль упругости при изгибе полипропилена (гомополимер)

Наполнители типа древесной муки, карбоната кальция, часто сохраняют прочность почти без изменения, обычно в пределах ±10% ненаполненного полимера. С армирующими наполнителями, такими как древесное волокно с высоким коэффициентом формы, стекловолокно, прочность наполненного полимера всегда увеличивается.

Таким образом, некоторые минеральные наполнители повышают прочность при изгибе полипропилена на 30-45%, тогда как древесная мука повышает прочность при изгибе того же полимера только на 7-10%. Влияние наполнителей на жесткость пластмасс намного более выражено, и минеральные наполнители повышают модуль упругости при изгибе полипропилена до 300%, а древесная мука повышает модуль упругости при изгибе того же полимера на 150-250%.

Прочность при растяжении чистого и наполненного полипропилена примерно одинакова, или несколько снижается при наполнении полимера древесной мукой (табл. 3).

Таблица 3. Влияние неорганических наполнителей и древесного волокна на прочность и модуль упругости при растяжении полипропилена (гомополимер)

Стекловолокно повышает прочность при растяжении полипропилена до 15%; тальк не дает почти никаких изменений; карбонат кальция и древесная мука снижают прочность при растяжении того же полимера на 15-30%. По отношению к модулю упругости при растяжении, повышение его составило до 3,6 раз (тальк, стекловолокно) и до 1,6-2,6 раз (древесная мука, карбонат кальция).

Трудно предсказать количественно, как на прочность при изгибе и модуль ДПК будет влиять введение минеральных наполнителей, поскольку могут вмешаться свойства и количество смазок (табл. 4).

В табл. 4. показано, что, хотя прочность и модуль при изгибе увеличиваются с увеличением содержания талька по сравнению с этими же свойствами с древесной мукой, смазка снижает эффект.

Таблица 4. Влияние талька на прочность и модуль упругости при изгибе композиционного материала древесная мука-полипропилен в присутствии различных количеств смазки (данные были предоставлены Luzenac America)

Влияние на вязкость расплава

Она зависит от размера частиц, формы частиц, коэффициента формы, удельной массы наполнителя и других свойств наполнителей. Следующий пример иллюстрирует это «общее» свойство наполнителей. Когда полипропилен, имеющий показатель текучести расплава 16,5 г/10 мин., наполнили небольшим количеством минерального и целлюлозного наполнителей, его ПТР (в г/10 мин.) был следующим:

40% CaCO 3 15,1;

40% талька 12,2;

40% стекловолокна 9,6;

20% древесной (сосновой) муки 8,6;

40% древесной муки 1,9.

Очевидно, древесная мука оказывает намного большее влияние на вязкость расплава по сравнению с неорганическими наполнителями.

Влияние на технологическую усадку

Она, очевидно, зависит от содержания наполнителей (следовательно, содержания полимера) и способности наполнителей препятствовать кристаллизации полимера. Чем меньше кристаллиты в наполненном полимере, тем меньше усадка. Чем меньше полимера в наполненном композите, тем меньше усадка. При одинаковом содержании наполнители с нуклеирующим эффектом приводят к меньшей технологической усадке. Например, если полипропилен, имеющий технологическую усадку 1,91%, был наполнен небольшим количеством минерального наполнителя и целлюлозным волокном, его технологическая усадка стала следующей:

40% CaCO 3 1,34%;

20% древесного - волокна 0,94%;

40% талька - 0,89%;

40% древесного волокна - 0,50%;

40% стекловолокна -0,41%.

Видно, что все наполнители снижают технологическую усадку, причем древесная мука показывает лучшие результаты по сравнению с карбонатом кальция и тальком, но более высокую усадку по сравнению со стеклянным волокном.

Термические свойства

Термическое расширение-сжатие неорганических наполнителей значительно ниже по сравнению с полимерами. Поэтому, чем выше содержание наполнителя, тем ниже коэффициент расширения-сжатия композиционного материала. Многие неорганические неметаллические наполнители уменьшают теплопроводность композиционного материала. Например, по сравнению с теплопроводностью алюминия (204 Вт/град-К-м) для талька она составляет 0,02, диоксида титана 0,065, стекловолокна 1 и карбоната кальция 2-3. Поэтому неметаллические минеральные наполнители являются скорее теплоизоляторами, чем проводниками тепла. Это свойство наполнителей влияет на текучесть наполненных полимеров и композиционных материалов на полимерной основе при экструзии.

Цвет: оптические свойства

Цвет наполнителей должен непременно учитываться при их высоком содержании, особенно если необходимо изготовить профиль светлых тонов. Однако композиционные материалы обычно содержат достаточно многие красителей для предотвращения окраски наполнителями, за исключением очень темных, типа технического углерода. Наполнители дают непрозрачность продукта, что является несущественным фактором в цветных композиционных материалах.

Влияние на выцветание и долговечность полимеров и композитов

Минеральные наполнители часто содержат примеси (типа свободных металлов), которые являются катализаторами термо- и/или фотоокисления наполненного полимера. Эта тема будет рассматриваться более подробно в главе 15. Здесь мы дадим только два примера выцветания наполненного CaCO 3 ПЭВП и полипропилена, с 76 и 80 %масс. наполнителя, соответственно. Матрица имела показатель текучести расплава, равный 1 г/10 мин. (ПЭВП) и 8 г/10 мин. (полипропилен). Озоление обоих наполненных полимеров при 525 °C показало содержание золы 76,0±0,1% (ПЭВП-CaCO 3) и 79,9±0,1% (ПП-CaCO 3). Через 250 часов в атмосферной камере (Q-SUN 3000, УФ фильтр: дневной свет, УФ датчик: 340, 0,35 Вт/м 2 , черная пластина 63 °C, ASTM G155-97, цикл 1: свет 1:42, свет + распыление 0:18) коэффициент обесцвечивания увеличился с 83,7 до 84,3 (ΔL = +0,6) [ПЭВП-CaCO 3 76%] и с 85,6 до 88,8 (ΔL = +3,2) [ПП-CaCO 3 80%]. Поскольку карбонат кальция в этом эксперименте имел одинаковое происхождение, повышенное обесцвечивание должно быть отнесено к более высокой чувствительности полипропилена к термо- и/или фотоокислению в поверхностном слое.

Другой пример, показывающий здесь влияние минеральных наполнителей на окислении ДПК (на основе ВОИ, то есть, времени окислительной индукции), - это долговечность экспериментальных террасных досок GeoDeck, изготовленных с тальком и слюдой в дополнение к обычному составу. Доска GeoDeck без добавления антиоксидантов имела ВОИ 0,50 мин. В присутствии 3 и 10% талька значение ВОИ составило 0,51 и 0,46 минут, соответственно. В присутствии 12,5 и 28,5% слюды значения ВОИ были 0,17 и 0,15 мин., соответственно. Это означает, что в последних двух примерах слюда фактически исключила стойкость (хотя она очень низкая) композиционного материала к окислению.

Здоровье и безопасность

Некоторые наполнители являются опасными материалами и требуют специального обращения и переработки. Ниже перечислены некоторые наполнители, которые ис пользуются или легко могут использоваться в композиционных материалах, классифицированных согласно основным параметрам, принятым в промышленности. Индексы означают: нет опасности, 0; небольшая опасность, 1; умеренная, 2; серьезная, 3; чрезвычайная опасность, 4. Коды хранения: общий, оранжевый; специальный, синий; опасный, красный.

Здоровье: зольная пыль и древесная мука, не классифицируются; карбонат кальция, каолин, 0; гидроксид алюминия, глина, стекловолокно, гидроксид магния, слюда, кварц, тальк, волластонит, 1.

Воспламеняемость:

Реактивность: зольная пыль и древесная мука, не классифицируются; все другие, перечисленные выше, 0.

Цветовой код хранения: древесная мука, не классифицируется; все другие, перечисленные выше, оранжевый.

Токсичность (мг/кг): все перечисленные выше не классифицируются; исключение - гидроксид алюминия, 150.

Канцерогенность: все перечисленные выше, нет (кроме талька - если содержит асбест).

Силикоз: карбонат кальция, глина, слюда, да; все перечисленные выше, нет.

Среднее взвешенное время (СВВ, среднее значение воздействия в течение 8-часовой рабочей смены), в мг/м3 : тальк, 2; слюда, 3; зольная пыль, карбонат кальция, стекловолокна, каолин, кремнезем, древесная мука, 10; гидроксид алюминия, глина, гидроксид магния, волластонит, не классифицируется.

Как видно, перечисленные наполнители обычно рассматривают как достаточно безопасные, если это не обозначено особо.

Изобретенная во времена Клеопатры минеральная косметика, в сущности, существует уже без малого тысячу лет. Специалисты поют ей дифирамбы, ведь она выравнивает тон лица, не забивает поры, не вызывает воспалений и делает нас красивее.

Какими еще свойствами обладает минеральная косметика и чем она так полезна для нашей кожи, Passion.ru рассказали эксперты – арт-директор Jane Iredale в России Юлия Куроленко, тренинг-менеджер косметической линии Сен-Барт (LIGNE ST BARTH) Татьяна Захарова и тренер по продукции Oriflame Анастасия Фурка .

Разница между минеральной и минералосодержащей косметикой

Полезные свойства минеральной косметики открыли в Древнем Египте. Специально для Клеопатры из производных меди изготавливали тени, похожие на ярко-зеленую пасту, а верноподданные царицы использовали измельченный свинец, чтобы подводить глаза. В средневековье дамы пользовались свинцовыми белилами, чтобы лицо приобрело аристократическую бледность (румянец – привилегия крестьянок!).

Со временем была забыта и былая техника, и сырье. То, что такая минеральная косметика была крайне вредной для организма, даже ядовитой, тоже сыграло свою роль. К жизни минеральную косметику возродили около 40 лет назад, когда ученые обнаружили, что измельченная до крайне малых частиц слюда отлично заменяет пудру, обеспечивает хорошее покрытие и выравнивает тон лица. Благодаря натуральным пигментам и невесомым текстурам, минеральная косметика стала очень популярна как среди профессиональных визажистов, так и среди обычных девушек.

В наше время при всей доступности различных косметических линий коллекции с пометкой «минеральная» не сдают своих позиций. Особенно в последние годы, когда стремление к натуральности, естественности и слиянию с природой переросло в настоящий бум.

Сейчас многие косметические компании добавляют в свои линии минералы, уповая на то, что баночки, содержащие в своем составе дары со дна морского, производят чудодейственный эффект, однако такую косметику нельзя назвать минеральной.

Настоящая минеральная косметика имеет сухую пудровую, прессованную текстуру и не содержит ГМО. Как только в дело вступают масла , эмульгаторы, загустители и консерванты, необходимые для производства тональных кремов, жидких теней, румян и блесков для губ , такая косметика тут же становится в ряды содержащей минералы, и не является полностью натуральной.

Домашние рецепты косметики

9 лучших тушей весны

Эффективная нутрикосметика

Производители минеральной косметики «выращивают» сырье для ее создания в лабораторных условиях, подвергают его тщательной очистке (например, от тяжелых металлов) и синтезу. В составе готовых линий измельченные минералы присутствуют в стерилизованном виде и не требуют введения дополнительных консервантов и парабенов. Даже пудра в таких коллекциях косметики не содержит тальк. Если же средства включают высокое содержание водной фазы, то для их консервации применяются натуральные вещества.

Обычно в составе линеек минеральной косметики можно встретит следующие компоненты:

диоксид титана (Titanium dioxide (TiO2)) - доказанный по эффективности физический солнцезащитный фильтр, чаще всего его можно найти в пляжном песке. В косметике он работает как антиоксидант и отражает UV-излучение.
оксид цинка (Zinc oxide (ZnO)) - получают из минерала под названием цинкит. Оксид цинка работает как солнцезащитный фильтр и оказывает противомикробное обеззараживающее действие.
слюда (mica) - минеральный кремнезем, первичная составляющая гранитов. Во всех видах минеральной косметики используется особый вид слюды – серицит. Сам по себе этот материал бесцветен, поэтому не влияет на цвет конечного продукта, но в зависимости от степени обработки создает различные эффекты в косметике. Крупные частички слюды работают как шиммер, измельченный продукт делает покрытие матовым и более стойким, так как слюда хорошо впитывает себум и излишки влаги.
нитрид бора (Boron nitride (BN)) - производится в виде белой, шелковистой пудры, которая придает легкое сияние и лоск коже. Это вещество еще называют soft focus за способность рассеивать свет.
оксид железа (Iron oxides (Fe203)) -известен как обычная ржавчина на железе. Этот материал синтезирует в лабораторных условиях, в косметике он исполняет роль пигмента, в компании со слюдой, измельченными драгоценными и полудрагоценными камнями придает текстуре блеск, сияние и цвет.

4 свойства минеральной косметики

1. Не вызывает воспалений

Минеральная косметика по природе своей считается гипоаллергенной . Ее компоненты не вступают в реакцию с составляющими других косметических линий и липидами кожи, а, следовательно, не могут вызвать аллергических реакций.

2. Обладает лечебными свойствами

Минеральная косметика не закупоривает поры и не вызывает воспалений, а, наоборот, оказывает на кожу бактерицидное и регенерирующее действия, благодаря содержанию того же оксида цинка. Поэтому пластические хирурги и дерматологи рекомендуют минеральную косметику даже после операций, лазерной терапии и шлифовки кожи.

Поскольку минеральные линии обладают противовоспалительными и успокаивающими свойствами, специалисты рекомендуют использовать их для создания макияжа больным акне и розацеа (демодекозом).

3. Защищает от солнца

Оксид цинка и диоксид титана являются натуральными солнцезащитными фильтрами. Их степень защиты приравнивается к SPF 15. Эти компоненты влагостойкие, впитывают излишки себума, обеспечивая стойкость макияжа – а это настоящий подарок для обладателей жирной кожи.

Но очень важно помнить, что минеральная косметика не защищает от всех спектров УФ-лучей, поэтому, находясь на активном солнце, наносите защитный крем.

4. Ровно ложится

Минеральная косметика не содержит в составе тальк, поэтому не забивается в поры, морщины и заломы, ложится ровным слоем, подчеркивая только достоинства кожи и добавляя ей здорового сияния.

Спектр цветов

Минеральной косметике обычно вменяют в вину ограниченный спектр оттенков. Действительно, цветовая гамма уступает обычным декоративным линиям, ведь для производства используют натуральные минералы, а они имеют свой уникальный цвет.

Однако минеральные линии, представленные обычно в рассыпчатой форме, дарят вам огромное поле для экспериментов – позволяют смешивать цвета теней, румян, пудр и получать новые тона.

Как наносить минеральную косметику

1. Прежде чем наносить минеральную косметику, нужно тщательно увлажнить кожу, дабы не было шероховатостей и шелушений.

2. Затем, для того чтобы тени, пудра и румяна лучше легли, необходимо проработать рельеф лица праймером, он же послужит хорошим закрепителем для косметики.

3. Для того чтобы наносить декоративную минеральную косметику, стоит обзавестись набором кистей . Например, пудру наносят на лицо специальной кистью кабуки, совершая круговые движения.

4. Минеральную косметику можно смешивать с обычными декоративными линиями. Специалисты даже рекомендуют это делать для получения тональных средств , кремовых теней и помад уникальных оттенков.

Ваши бьюти-помощники:

1. Альго-минеральный корректор Giordani Gold Oriflame ,
2. Тени для век Idyllic Metallic Ga-De ,
3. Румяна-бронзатор Jane Iredale ,
4. Пудра Priori CoffeeBerry Natureceuticals Natural Perfecting Minerals Foundation SPF15 ,
5. Тени Era Minerals ,
6. Компактная пудра Even Skintone Compact Ultraceuticals ,
7. Тональная основа Liquid Minerals™ A Foundation Amber Jane Iredale .

Минералам присущ комплекс физических свойств, по которым их различают и определяют. Рассмотрим наиболее важные из этих свойств.

Оптические свойства . Окраска или цвет минерала является важной диагностической характеристикой. Некоторые минералы имеют определенный цвет, по которому его можно практически безошибочно определить. Окраска других минералов может широко варьировать в пределах одного минерального индивида. Цвет минералов зависит от их химического состава, внутренней структуры, механических примесей и, главным образом, от химических примесей элементов-хромофоров: Cr, V, Ti, Mn, Fe, Al, Ni, Co, Cu, U, Mo и др.

По окраске все минералы в целом подразделяются на темноокрашенные и светлоокрашенные. Характеризуя цвет минерала в диагностических целях, следует стремиться к наиболее точному его описанию. При описании цвета используют сложные определения, например, голубовато-зеленый, молочно-белый и т.д., основной цвет в таких прилагательных стоит на втором месте.

Цвет минерала в порошке , или цвет черты , является также важной характеристикой, играющей иногда решающую роль в определении минерала. Цвет минерала в порошке может значительно отличаться от цвета минерального агрегата в куске. Для определения цвета минерала в порошке минералом проводят по шероховатой поверхности фарфоровой пластинки, очищенной от эмали. Такая пластинка называется бисквитом (от фр. Biscuite – непокрытый глазурью фарфор). Именно на ней и остается черта, позволяющая оценить цвет минерала в порошке. Однако если твердость минерала превышает твердость бисквита, получить черту подобным путем невозможно.

Прозрачность – способность минералов пропускать свет без изменения направления его распространения. Прозрачность зависит от кристаллической структуры минерала, интенсивности его окраски, наличия тонкодисперсных включений и прочих особенностей его строения, состава и условий образования.. По степени прозрачности минералы делятся на: прозрачные, полупрозрачные, просвечивающие, непрозрачные.

Прозрачные – пропускают свет по всему объему. Через такие минералы можно видеть как через оконное стекло.

Полупрозрачные – через них видны лишь очертания предметов. Свет проходит сквозь минерал, как через матовое стекло.

Просвечивающие – пропускают свет по тонкому краю или в тонких пластинках.

Непрозрачные – не пропускают света даже в тонких пластинках.

При прочих равных условиях более мелкозернистые агрегаты кажутся менее прозрачными.

Блеск – способность минерала отражать свет. Отражение света от поверхности минерала воспринимается как блеск различной интенсивности. Это свойство также зависит от структуры минерала, его отражательной способности и характера отражающей поверхности. Различают следующие виды блеска.

Металлический – сильный блеск, свойственный самородным металлам и многим рудным минералам.

Металловидный или полуметаллический - напоминающий блеск потускневшей поверхности металла.

Алмазный блеск (самый яркий) характерен для алмаза, некоторых разновидностей сфалерита и серы.

Стеклянный – распространен довольно широко и напоминает блеск стекла.

Жирный – блеск, при котором поверхность минерала как будто покрыта пленкой жира или смазана маслом. Жирный блеск возникает за счет неровностей поверхности излома или грани минерала, а также за счет гигроскопичности – поглощения воды с образованием водяной пленки на поверхности.

Восковой – в целом похож на жирный, только более слабый, тусклый, характерен для скрытокристаллических минеральных агрегатов.

Перламутровый – напоминает радужный блеск поверхности перламутровой раковины.

Шелковистый – наблюдается у агрегатов, имеющих волокнистое или игольчатое строение. Он напоминает блеск шелковой ткани.

Матовый блеск характерен для мелкозернистых агрегатов с неровной землистой поверхностью. Матовый блеск практически означает отсутствие блеска.

Иногда блеск на гранях кристалла, на его сколе и на поверхности спайности может отличаться, например, у кварца блеск на гранях может быть стеклянным, тогда как на сколе он практически всегда жирный. Как правило, блеск на поверхностях спайности более яркий и интенсивный, чем на гранях кристалла.

Механические свойства. Спайность – способность минерала раскалываться по определенным направлениям с образованием относительно гладких поверхностей (поверхностей спайности).

Некоторые минералы при воздействии на них разрушаются по закономерным параллельным плоскостям, направление и количество которых обусловлено особенностями кристаллической структуры минерала. Разрушение происходит предпочтительно по тем направлениям, по которым в кристаллической решетке существуют наиболее слабые связи. Характер спайности устанавливается путем изучения отдельных минеральных зерен. Аморфные минералы спайностью не обладают.

По легкости раскалывания и характеру образуемых поверхностей выделяют несколько видов спайности.

Весьма совершенная спайность – минерал без особых усилий раскалывается или расщепляется руками на тонкие пластины. Плоскости спайности гладкие, ровные, часто зеркально-ровные. Весьма совершенная спайность обычно проявляется только в одном направлении.

Совершенная спайность – минерал легко раскалывается слабым ударом молотка с образованием ровных блестящих плоскостей. Количество направлений спайности у разных минералов неодинаковое (рис. 8).

Средняя спайность – минерал раскалывается при ударе на осколки, ограниченные примерно в одинаковой степени как относительно ровными плоскостями спайности, так и неправильными плоскостями излома.

Несовершенная спайность – раскалывание минерала приводит к образованию обломков, большая часть которых ограничена неровными поверхностями излома. Распознавание такой спайности затруднено.

Весьма несовершенная спайность , или отсутствие спайности, - минерал раскалывается по случайным направлениям и всегда дает неровную поверхность излома.

Количество направлений спайности, угол между ними, степень ее совершенства являются одними из главных диагностических признаков при определении минералов.

Рис. 8. Совершенная спайность:

а – выколки по спайности – кубик галита, ромбоэдры кальцита; б – заметны трещинки, развитые вдоль направлений спайности; в – различная ориентировка и количество плоскостей спайности: 1 – спайность в одном направлении, слюда; 2 – спайность в двух взаимно перпендикулярных направлениях, ортоклаз; 3 – спайность в двух неперпендикулярных направлениях, амфибол; 4 – спайность в трех взаимно перпендикулярных направлениях, галит; 5 - спайность в трех неперпендикулярных направлениях, кальцит; 6 – спайность в четырех направлениях, параллельных граням октаэдра, алмаз; 7 – спайность в шести направлениях, сфалерит

Излом – вид поверхности, образующейся при раскалывании минерала. Эта характеристика особенно важна при изучении минералов, обладающих несовершенной и весьма несовершенной спайностью. Для таких минералов вид поверхности излома может являться важным диагностическим признаком. Различают несколько характерных видов излома.

У некоторых минералов на изломе может возникать характерная вогнутая или выпуклая концентрически-ребристая поверхность, напоминающая по форме раковину. Такой излом называется раковистым . Чаще всего минерал раскалывается по неровной поверхности, не имеющей никаких характерных особенностей. Такой излом называется неровным , им обладают многие минералы лишенные спайности. Самородные металлы, медь, железо и другие минералы обнаруживают крючковатый излом; самородное серебро имеет рубленый излом. Минералы, обладающие совершенной спайностью в 1-2 направлениях, дают ровный излом. Кроме того, излом может быть ступенчатым , занозистым , зернистым .

Твердость – способность минерала сопротивляться внешнему механическому воздействию – царапанию, резанию, вдавливанию. Этот признак, как и большинство других, зависит от внутреннего строения минерала и отражает прочность связей между узлами решетки в кристаллах. В полевых условиях относительная твердость минералов определяется царапаньем одного минерала другим.

Для оценки относительной твердости минерала используется эмпирическая шкала, предложенная в начале прошлого столетия австрийским минерологом Ф.Моосом (1772-1839) и известная в минералогии как шкала твердости Мооса (табл. 1). В шкале в качестве эталонов используются десять минералов с известной и постоянной твердостью. Эти минералы располагаются в порядке возрастания твердости. Первый минерал – тальк – соответствует самой низкой твердости, принятой за 1, последний минерал – алмаз – соответствует самой высокой твердости 10. Каждый предыдущий минерал шкалы царапается последующим минералом.

Таблица 1 - Шкала твердости минералов

Шкала Мооса является шкалой относительной, возрастание твердости в ее пределах происходит от эталона к эталону очень неравномерно, например, измеренная абсолютная твердость алмаза больше твердости талька не в 10 раз, а примерно в 4200 раз. Абсолютное значение твердости возрастает с уменьшением радиусов и увеличением заряда ионов, слагающих кристалл. Для определения относительной твердости минерала по его свежей (невыветрелой) поверхности с нажимом проводят острым углом минерала-эталона. Если эталон оставляет царапину, значит, твердость изучаемого минерала меньше твердости эталона, если не оставляет – твердость минерала больше. В зависимости от этого выбирают следующий эталон выше или ниже по шкале до тех пор, пока твердость определяемого минерала и твердость минерала-эталона совпадут или окажутся близкими, т.е. оба минерала не царапаются друг другом или оставляют слабый след. Если исследуемый минерал по твердости оказался между двумя эталонами, его твердость определяется как промежуточная, например 3,5.

Для ориентировочной оценки относительной твердости минералов в полевых условиях можно использовать грифель простого карандаша (твердость 1), ноготь (2-2,5), медную проволоку или монету (3-3,5), стальную иголку, булавку, гвоздь или нож (5-5,5), стекло (5,5-6), напильник (7).

Плотность минералов меняется от 0,8-0,9 (у природных кристаллических углеводородов) до 22,7 г/см 3 (у осмистого иридия). Точное определение проводится в лабораторных условиях. По плотности все минералы могут быть разбиты на три категории: легкие – плотность до 2,5 г/см 3 (гипс, галит), средние – плотность до 4 г/см 3 (кальцит, кварц, полевые шпаты, слюды) и тяжелые – плотность более 4 г/см 3 (галенит, магнетит). Плотность большинства минералов от 2 до 5 г/см 3 .

К механическим свойствам, которые могут быть использованы как диагностические признаки минералов, относятся также хрупкость и ковкость.

Хрупкость – свойство вещества крошиться под давлением или при ударе.

Ковкость – свойство вещества под давлением расплющиваться в тонкую пластинку, быть пластичным.

Особые свойства. Для некоторых минералов характерны особые, только им присущие свойства – вкус (галит, сильвин) запах (сера), горение (сера, янтарь), магнитность (магнетит), реакция с соляной кислотой (минералы класса карбонатов), электропроводность (графит) и некоторые другие.

Магнитные свойства минералов определяются их магнитной структурой, т.е. во-первых, магнитными свойствами атомов, входящих в минерал, и, во-вторых, расположением и взаимодействием этих атомов. Магнетит и пирротин – два важнейших магнитных минерала, действующих на магнитную стрелку.

Электропроводность. В большинстве своем минералы являются плохими проводниками электричества, исключение составляют сульфиды, некоторые оксиды (магнетит) и графит, удельное сопротивление которых менее 10 Ом м. Однако, общая электропроводность минеральных агрегатов зависит не только от свойств самого минерала, но и от структуры, и, главное, от степени пористости и обводненности агрегата. Большинство минералов проводят электричество за счет пор, заполненных природными минерализованными водами – растворами электролитов.

Минералы — это химические соединения (исключение составляют самородные элементы). Однако даже бесцветные, оптически прозрачные образцы этих минералов почти всегда содержат небольшие количества примесей.

Природные растворы или расплавы, из которых кристаллизуются минералы, обычно состоят из многих элементов. В процессе образования соединений немногочисленные атомы менее распространенных элементов могут замещать атомы главных элементов. Такое замещение настолько обычно, что химический состав многих минералов лишь очень редко приближается к составу чистого соединения.

Например, состав распространенного породообразующего минерала оливина меняется в пределах составов двух т.н. конечных членов ряда: от форстерита, силиката магния Mg2SiO4, до фаялита, силиката железа Fe2SiO4. Отношения Mg:Si:O в первом минерале и Fe:Si:O — во втором составляют 2:1:4.

В оливинах промежуточного состава значения отношений те же, т.е. (Mg + Fe):Si:O равно 2:1:4, а формула записывается в виде (Mg,Fe)2SiO4. Если относительные количества магния и железа известны, то это можно отразить в формуле (Mg0,80Fe0,20)2SiO4, из которой видно, что 80% атомов металла представлены магнием, а 20% — железом.

Структура. Все минералы, за исключением воды (которую — в отличие от льда — обычно не относят к минералам) и ртути, при обычных температурах представлены твердыми телами. Однако, если воду и ртуть сильно охладить, они затвердевают: вода — при 0° С, а ртуть — при -39° С. При этих температурах молекулы воды и атомы ртути образуют характерную правильную трехмерную кристаллическую структуру (термины «кристаллический» и «твердый» в данном случае почти равноценны).

Таким образом, минералы представляют собой кристаллические вещества, свойства которых определяются геометрическим расположением составляющих их атомов и типом химической связи между ними. Элементарная ячейка (наименьшее подразделение кристалла) построена из регулярно расположенных атомов, удерживаемых вместе благодаря электронным связям.

Эти мельчайшие ячейки, бесконечно повторяющиеся в трехмерном пространстве, образуют кристалл. Размеры элементарных ячеек в разных минералах различны и зависят от размеров, числа и взаимного расположения атомов в пределах ячейки. Параметры ячейки выражаются в ангстремах или нанометрах (1 =10 -8 см = 0,1 нм).

Составленные вместе элементарные ячейки кристалла плотно, без зазоров заполняют объем и образуют кристаллическую решетку. Кристаллы подразделяются по признаку симметрии элементарной ячейки, которая характеризуется соотношением между ее ребрами и углами.

Обычно выделяют 7 сингоний (в порядке повышения симметрии): триклинную, моноклинную, ромбическую, тетрагональную, тригональную, гексагональную и кубическую (изометрическую). Иногда тригональную и гексагональную сингонии не разделяют и описывают вместе под названием гексагональной сингонии.

Сингонии подразделяются на 32 кристаллических класса (вида симметрии), включающих 230 пространственных групп. Эти группы впервые были выделены в 1890 российским ученым Е.С.Федоровым. При помощи рентгеноструктурного анализа определяют размеры элементарной ячейки минерала, его сингонию, класс симметрии и пространственную группу, а также расшифровывают кристаллическую структуру, т.е. взаимное расположение в трехмерном пространстве атомов, составляющих элементарную ячейку.

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ (МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ) КРИСТАЛЛОГРАФИЯ

Кристаллы с их плоскими, гладкими, блестящими гранями издавна привлекали внимание человека. Со времени появления минералогии как науки кристаллография стала основой изучения морфологии и структуры минералов. Было установлено, что грани кристаллов имеют симметричное расположение, позволяющее отнести кристалл к определенной сингонии, а подчас — и к одному из классов (симметрии) (см. выше).

Рентгенографические исследования показали, что внешняя симметрия кристаллов соответствует внутреннему закономерному расположению атомов. Размеры кристаллов минералов варьируют в очень широких пределах — от гигантов весом в 5 т (масса хорошо образованного кристалла кварца из Бразилии) до столь мелких, что их грани можно различить только под электронным микроскопом.

Форма кристалла даже одного и того же минерала в разных образцах может несколько отличаться; например, кристаллы кварца бывают почти изометричными, игольчатыми или уплощенными. Однако все кристаллы кварца, крупные и мелкие, остроконечные и плоские, образуются при повторении идентичных элементарных ячеек.

Если эти ячейки ориентированы в каком-то определенном направлении, кристалл имеет удлиненную форму, если в двух направлениях в ущерб третьему — то форма кристалла таблитчатая. Поскольку углы между соответствующими гранями одного и того же кристалла имеют постоянное значение и специфичны для каждого минерального вида, этот признак обязательно включается в характеристику минерала.

Минералы, представленные отдельными хорошо ограненными кристаллами, редки. Гораздо чаще они встречаются в виде неправильных зерен или кристаллических агрегатов. Нередко минерал характеризуется определенным типом агрегата, который может служить диагностическим признаком. Выделяют несколько типов агрегатов.

Дендритовидные ветвящиеся агрегаты похожи на листья папоротника или мох и характерны, например, для пиролюзита. Волокнистые агрегаты, состоящие из плотно уложенных параллельных волокон, типичны для хризотила и амфибол-асбеста.

Колломорфные агрегаты , имеющие гладкую округлую поверхность, построены из волокон, которые радиально отходят от общего центра. Крупные округлые массы имеют сосцевидную форму (малахит), а более мелкие — почковидную (гематит) или гроздевидную (псиломелан).

Чешуйчатые агрегаты , состоящие из мелких пластинчатых кристаллов, характерны для слюды и барита.

Сталактиты — натечно-капельные образования, свисающие в форме сосулек, трубок, конусов или «занавесок» в карстовых пещерах. Они возникают в результате испарения минерализованных вод, просачивающихся по трещинам известняка, и часто сложены кальцитом (карбонатом кальция) или арагонитом.

Оолиты — агрегаты, состоящие из маленьких шариков и напоминающие рыбью икру, встречаются в некоторых кальцитовых (оолитовый известняк), гетитовых (оолитовая железная руда) и других подобных образованиях.

После накопления рентгенографических данных и их сопоставления с результатами химических анализов стало очевидно, что особенности кристаллической структуры минерала зависят от его химического состава. Таким образом были заложены основы новой науки — кристаллохимии.

Многие на первый взгляд не связанные между собой свойства минералов могут быть объяснены на основе учета их кристаллической структуры и химического состава. Некоторые химические элементы (золото, серебро, медь) встречаются в самородном, т.е. чистом, виде. Они построены из электронейтральных атомов (в отличие от большинства минералов, атомы которых несут электрический заряд и называются ионами). Атом с недостатком электронов заряжен положительно и называется катионом; атом с избытком электронов имеет отрицательный заряд и называется анионом.

Притяжение между противоположно заряженными ионами называется ионной связью и служит главной связующей силой в минералах. При другом типе связи внешние электроны вращаются вокруг ядер по общим орбитам, соединяя атомы между собой. Ковалентная связь — самый прочный тип связи.

Минералы с ковалентной связью обычно имеют высокие твердость и температуру плавления (например, алмаз). Значительно меньшую роль в минералах играет слабая ван-дер-ваальсова связь, возникающая между электронейтральными структурными единицами.

Энергия связи таких структурных единиц (слоев или групп атомов) распределена неравномерно. Ван-дер-ваальсова связь обеспечивает притяжение между противоположно заряженными участками в более крупных структурных единицах. Такой тип связи наблюдается между слоями графита (одной из природных форм углерода), образованными благодаря сильной ковалентной связи атомов углерода. Из-за слабых связей между слоями графит имеет низкую твердость и весьма совершенную спайность, параллельную слоям. Поэтому графит используют как смазочный материал.

Противоположно заряженные ионы сближаются между собой до расстояния, на котором сила отталкивания уравновешивает силу притяжения. Для любой конкретной пары «катион — анион» это критическое расстояние равно сумме «радиусов» двух ионов. Путем определения критических расстояний между различными ионами удалось установить размеры радиусов большинства ионов (в нанометрах, нм). Поскольку для большинства минералов характерны ионные связи, их структуры можно наглядно представить в виде соприкасающихся шаров.

Структуры ионных кристаллов зависят в основном от величины и знака заряда и относительных размеров ионов. Так как кристалл в целом электронейтрален, сумма положительных зарядов ионов должна быть равна сумме отрицательных. В хлориде натрия (NaCl, минерал галит) каждый ион натрия имеет заряд +1, а каждый ион хлора -1 (рис. 1), т.е. каждому иону натрия соответствует один ион хлора. Однако во флюорите (фториде кальция, CaF2) каждый ион кальция имеет заряд +2, а ион фтора -1. Поэтому для сохранения общей электронейтральность ионов фтора должно быть вдвое больше, чем ионов кальция (рис. 2).

От величины ионов зависит также возможность их вхождения в данную кристаллическую структуру. Если ионы имеют одинаковый размер и упакованы таким образом, что каждый ион соприкасается с 12 другими, то они находятся в соответствующей координации.

Существуют два способа упаковки шаров одинакового размера (рис. 3): кубическая плотнейшая упаковка, в общем случае приводящая к образованию изометрических кристаллов, и гексагональная плотнейшая упаковка, образующая гексагональные кристаллы. Как правило, катионы меньше по размеру, чем анионы, и их размеры выражаются в долях радиуса аниона, принятого за единицу.

Обычно используют отношение, получаемое путем деления радиуса катиона на радиус аниона. Если катион лишь немного меньше анионов, с которыми сочетается, он может соприкасаться с восемью окружающими его анионами, или, как принято говорить, находится в восьмерной координации по отношению к анионам, которые располагаются как бы в вершинах куба вокруг него. Эта координация (называемая также кубической) устойчива при отношениях ионных радиусов от 1 до 0,732 (рис. 4,а).

При меньшем отношении ионных радиусов восемь анионов не могут быть уложены так, чтобы касаться катиона. В таких случаях геометрия упаковки допускает шестерную координацию катионов с расположением анионов в шести вершинах октаэдра (рис. 4,б), которая будет устойчивой при отношениях их радиусов от 0,732 до 0,416.

С дальнейшим уменьшением относительного размера катиона осуществляется переход к четверной, или тетраэдрической, координации, устойчивой при значениях отношений радиусов от 0,414 до 0,225 (рис. 4,в), затем к тройной — в пределах отношений радиусов от 0,225 до 0,155 (рис. 4,г) и двойной — при отношениях радиусов менее 0,155 (рис. 4,д).

Хотя другие факторы также определяют тип координационного полиэдра, для большинства минералов принцип отношения радиусов ионов — одно из эффективных средств прогнозирования кристаллической структуры.

Рис. 4. КООРДИНАЦИОННЫЕ ПОЛИЭДРЫ образуются при размещении анионов вокруг катионов. Возможные типы расположения зависят от относительных размеров анионов и катионов. Выделяют следующие типы координации: а — кубическую, или восьмерную координацию; б — октаэдрическую, или шестерную; в — тетраэдрическую, или четверную; г — треугольную, или тройную координацию; д -двойную координацию.

Минералы совершенно разного химического состава могут иметь аналогичные структуры, которые можно описать с помощью одних и тех же координационных полиэдров. Например, в хлориде натрия NaCl отношение радиуса иона натрия к радиусу иона хлора составляет 0,535, указывая на октаэдрическую, или шестерную, координацию.

Если шесть анионов группируются вокруг каждого катиона, то, чтобы сохранить соотношение катионов и анионов, равное 1:1, вокруг каждого аниона должно быть шесть катионов. Так образуется кубическая структура, известная как структура типа хлорида натрия.

Хотя ионные радиусы свинца и серы резко отличаются от ионных радиусов натрия и хлора, их отношение также предопределяет шестерную координацию, поэтому галенит PbS имеет структуру типа хлорида натрия, т. е. галит и галенит изоструктурны.

Примеси в минералах обычно присутствуют в виде ионов, замещающих ионы минерала-«хозяина». Подобные замещения в большой мере влияют на размеры ионов. Если радиусы двух ионов равны или отличаются менее чем на 15%, они легко взаимно замещаются. Если это различие составляет 15-30%, такое замещение ограничено; при различии свыше 30% замещение практически невозможно.

Существует много примеров пар изоструктурных минералов со сходным химическим составом, между которыми происходит замещение ионов. Так, карбонаты сидерит (FeCO3) и родохрозит (MnCO3) имеют аналогичные структуры, а железо и марганец могут замещать друг друга в любых соотношениях, образуя т.н. твердые растворы. Между этими двумя минералами существует непрерывный ряд твердых растворов. В других парах минералов ионы возможности взаимного замещения ограничены.

Поскольку минералы электронейтральны, заряд ионов также влияет на их взаимное замещение. Если происходит замещение противоположно заряженным ионом, то в каком-либо участке этой структуры должно иметь место второе замещение, при котором заряд замещающего иона компенсирует нарушение электронейтральности, вызванное первым. Такое сопряженное замещение отмечается в полевых шпатах — плагиоклазах, когда кальций (Ca2+) замещает натрий (Na+) с образованием непрерывного ряда твердых растворов.

Избыточный положительный заряд, возникающий в результате замещения ионом Ca2+ иона Na+, компенсируется путем одновременного замещения кремния (Si4+) на алюминий (Al3+) в соседних участках структуры.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

Хотя главные характеристики минералов (химический состав и внутренняя кристаллическая структура) устанавливаются на основе химических анализов и рентгеноструктурного метода, косвенно они отражаются в свойствах, которые легко наблюдаются или измеряются. Для диагностики большинства минералов достаточно определить их блеск, цвет, спайность, твердость, плотность.

Блеск — качественная характеристика отраженного минералом света. Некоторые непрозрачные минералы сильно отражают свет и имеют металлический блеск. Это характерно для рудных минералов, например, галенита (минерал свинца), халькопирита и борнита (минералы меди), аргентита и акантита (минералы серебра).

Большинство минералов поглощают или пропускают значительную часть падающего на них света и обладают неметаллическим блеском. Некоторые минералы имеют блеск, переходный от металлического к неметаллическому, который называется полуметаллическим.

Минералы с неметаллическим блеском обычно светлоокрашенные, некоторые из них прозрачны. Часто бывают прозрачными кварц, гипс и светлая слюда. Другие минералы (например, молочно-белый кварц), пропускающие свет, но сквозь которые нельзя четко различить предметы, называют просвечивающими. Минералы, содержащие металлы, отличаются от прочих по светопропусканию.

Если свет проходит сквозь минерал, хотя бы в самых тонких краях зерен, то он, как правило, нерудный; если же свет не проходит, то он — рудный. Бывают, впрочем, и исключения: например, светлоокрашенный сфалерит (минерал цинка) или киноварь (минерал ртути) нередко прозрачны или просвечивают.

Минералы различаются по качественным характеристикам неметаллического блеска. Глина имеет тусклый землистый блеск. Кварц на гранях кристаллов или на поверхностях излома — стеклянный, тальк, разделяющийся на тонкие листочки по плоскостям спайности, — перламутровый. Яркий, сверкающий, как у алмаза, блеск называется алмазным.

Когда свет падает на минерал с неметаллическим блеском, то он частично отражается от поверхности минерала, а частично преломляется на этой границе. Каждое вещество характеризуется определенным показателем преломления. Поскольку этот показатель может быть измерен с высокой точностью, он является весьма полезным диагностическим признаком минералов.

Характер блеска зависит от показателя преломления, а оба они — от химического состава и кристаллической структуры минерала. В общем случае прозрачные минералы, содержащие атомы тяжелых металлов, отличаются сильным блеском и высоким показателем преломления. К этой группе относятся такие распространенные минералы, как англезит (сульфат свинца), касситерит (оксид олова) и титанит, или сфен (силикат кальция и титана).

Минералы, состоящие из относительно легких элементов, также могут иметь сильный блеск и высокий показатель преломления, если их атомы плотно упакованы и удерживаются сильными химическими связями. Ярким примером является алмаз, состоящий только из одного легкого элемента углерода.

В меньшей степени это справедливо и для минерала корунда (Al2O3), прозрачные цветные разновидности которого — рубин и сапфиры — являются драгоценными камнями. Хотя корунд состоит из легких атомов алюминия и кислорода, они так крепко связаны между собой, что минерал имеет довольно сильный блеск и относительно высокий показатель преломления.

Некоторые блески (жирный, восковой, матовый, шелковистый и др.) зависят от состояния поверхности минерала или от строения минерального агрегата; смоляной блеск характерен для многих аморфных веществ (в том числе минералов, содержащих радиоактивные элементы уран или торий).

Цвет — простой и удобный диагностический признак. В качестве примеров можно привести латунно-желтый пирит (FeS2), свинцово-серый галенит (PbS) и серебристо-белый арсенопирит (FeAsS2). У других рудных минералов с металлическим или полуметаллическим блеском характерный цвет может быть замаскирован игрой света в тонкой поверхностной пленке (побежалостью). Это свойственно большинству минералов меди, особенно борниту, который называют «павлиньей рудой» из-за его радужной сине-зеленой побежалости, быстро возникающей на свежем изломе. Однако другие медные минералы окрашены в хорошо всем знакомые цвета: малахит — в зеленый, азурит — в синий.

Некоторые неметаллические минералы безошибочно узнаются по цвету, обусловленному главным химическим элементом (желтому — серы и черному — темно-серому — графита и др.). Многие неметаллические минералы состоят из элементов, которые не обеспечивают им специфической окраски, но у них известны окрашенные разновидности, цвет которых обусловлен присутствием примесей химических элементов в малых количествах, не сопоставимых с интенсивностью вызываемой ими окраски. Такие элементы называют хромофорами; их ионы отличаются избирательным поглощением света. Например, густо-фиолетовый аметист обязан своей окраской ничтожной примеси железа в кварце, а густой зеленый цвет изумруда связан с небольшим содержанием хрома в берилле.

Окраска обычно бесцветных минералов может появляться вследствие дефектов кристаллической структуры (обусловленных незаполненными позициями атомов в решетке или вхождением посторонних ионов), которые могут вызвать селективное поглощение некоторых длин волн в спектре белого света. Тогда минералы окрашиваются в дополнительные цвета. Рубины, сапфиры и александриты обязаны своей окраской именно таким световым эффектам.

Бесцветные минералы могут быть окрашены механическими включениями. Так, тонкая рассеянная вкрапленность гематита придает кварцу красный цвет, хлорита — зеленый. Молочный кварц замутнен газово-жидкими включениями. Хотя цвет минералов — одно из самых легко определяемых свойств при диагностике минералов, его надо использовать с осторожностью, так как он зависит от многих факторов.

Несмотря на изменчивость окраски многих минералов, цвет порошка минерала весьма постоянен, а потому является важным диагностическим признаком. Обычно цвет порошка минерала устанавливают по черте (т.н. «цвету черты»), которую оставляет минерал, если им провести по неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквиту). Например, минерал флюорит бывает окрашен в разные цвета, но черта у него всегда белая.

Спайность. Характерным свойством минералов является их поведение при раскалывании. Например, кварц и турмалин, поверхность излома которых напоминает скол стекла, имеют раковистый излом. У других минералов излом может быть описан как шероховатый, неровный или занозистый.

Для многих минералов характеристикой служит не излом, а спайность. Это означает, что они раскалываются по гладким плоскостям, непосредственно связанным с их кристаллической структурой. Силы связи между плоскостями кристаллической решетки могут быть различными в зависимости от кристаллографического направления.

Если в каких-то направлениях они гораздо больше, чем в других, то минерал будет раскалываться поперек самой слабой связи. Так как спайность всегда параллельна атомным плоскостям, она может быть обозначена с указанием кристаллографических направлений. Например, галит (NaCl) имеет спайность по кубу, т.е. три взаимоперпендикулярных направления возможного раскола.

Спайность характеризуется также легкостью проявления и качеством возникающей спайной поверхности. Слюда обладает весьма совершенной спайностью в одном направлении, т.е. легко расщепляется на очень тонкие листочки с гладкой блестящей поверхностью. У топаза спайность совершенная в одном направлении.

Минералы могут иметь два, три, четыре или шесть направлений спайности, по которым они одинаково легко раскалываются, либо несколько направлений спайности разной степени. У некоторых минералов спайность вообще отсутствует. Поскольку спайность как проявление внутренней структуры минералов является их неизменным свойством, она служит важным диагностическим признаком.

Твердость — сопротивление, которое минерал оказывает при царапании. Твердость зависит от кристаллической структуры: чем прочнее связаны между собой атомы в структуре минерала, тем труднее его поцарапать. Тальк и графит — мягкие пластинчатые минералы, построенные из слоев атомов, связанных между собой очень слабыми силами. Они жирные на ощупь: при трении о кожу руки происходит соскальзывание отдельных тончайших слоев. Самый твердый минерал — алмаз, в котором атомы углерода так прочно связаны, что его можно поцарапать только другим алмазом.

В начале 19 в. австрийский минералог Ф.Моос расположил 10 минералов в порядке возрастания их твердости. С тех пор они используются как эталоны относительной твердости минералов, т.н. шкала Мооса.

ШКАЛА ТВЕРДОСТИ МООСА

Чтобы определить твердость минерала, необходимо выявить самый твердый минерал, который он может поцарапать. Твердость исследуемого минерала будет больше твердости поцарапанного им минерала, но меньше твердости следующего по шкале Мооса минерала.

Минерал	Относительная твердость





Ортоклаз

Для быстрого определения твердости можно пользоваться следующей, более простой, практической шкалой.

Силы связи могут меняться в зависимости от кристаллографического направления, а поскольку твердость является грубой оценкой этих сил, она может различаться в разных направлениях. Эта разница обычно невелика, исключение составляет кианит, у которого твердость 5 в направлении, параллельном длине кристалла, и 7 — в поперечном направлении. В минералогической практике используется также измерение абсолютных значений твердости (т.н. микротвердости) при помощи прибора склерометра, которая выражается в кг/мм 2 .

Плотность. Масса атомов химических элементов меняется от водорода (самый легкий) до урана (самый тяжелый). При прочих равных условиях масса вещества, состоящего из тяжелых атомов, больше, чем у вещества, состоящего из легких атомов. Например, два карбоната — арагонит и церуссит — имеют сходную внутреннюю структуру, но в состав арагонита входят легкие атомы кальция, а в состав церуссита — тяжелые атомы свинца. В результате масса церуссита превышает массу арагонита того же объема.

Масса единицы объема минерала зависит также от плотности упаковки атомов. Кальцит, как и арагонит, представляет собой карбонат кальция, но в кальците атомы упакованы менее плотно, потому он имеет меньшую массу единицы объема, чем арагонит. Относительная масса, или плотность, зависит от химического состава и внутренней структуры.

Плотность — это отношение массы вещества к массе того же объема воды при 4° С. Так, если масса минерала составляет 4 г, а масса того же объема воды — 1 г, то плотность минерала равна 4. В минералогии принято выражать плотность в г/см3.

Плотность — важный диагностический признак минералов, и ее нетрудно измерить. Сначала образец взвешивается в воздушной среде, а затем — в воде. Поскольку на образец, погруженный в воду, действует выталкивающая сила, направленная вверх, его вес там меньше, чем в воздухе. Потеря веса равна весу вытесненной воды. Таким образом, плотность определяется отношением массы образца на воздухе к потере его веса в воде.

Пироэлектричество. Некоторые минералы, например турмалин, каламин и др., при гревании или охлаждении электризуются. Это явление можно блюдать с помощью опыления охлаждающегося минерала смесью порошков серыи сурика. При этом сера покрывает положительно заряженные участки поверхности минерала, а сурик - участки с отрицательным зарядом.

Магнитность – это свойство некоторых минералов действовать на магнитную стрелку или притягиваться магнитом. Для определения магнитности используют магнитную стрелку, помещенную на остром штативе, или магнитную подковку, брусок. Очень удобно также пользоваться магнитной иглой или ножом.

При испытании на магнитность возможны три случая:

а) когда минерал в естественном виде («сам по себе») действует на магнитную стрелку,

б) когда минерал становится магнитным лишь после прокаливания в восстановительном пламени паяльной трубки

в) когда минерал ни до, ни после прокаливания в восстановительном пламени магнитности не проявляет. Для прокаливания восстановительном пламени нужно брать мелкие кусочки величиной 2-3 мм.

Свечение. Многие минералы, не светящиеся сами по себе, начинают светиться при некоторых специальных условиях (при нагревании, действии рентгеновскими, ультрафиолетовыми и катодными лучами, при разламывании, царапании и т. д.).

Различают фосфоресценцию, люминесценцию, термолюминесценцию и триболюминесценцию минералов.

Фосфоресценция-способность минерала светиться после воздействия на него теми или другими лучами (виллемит).

Люминесценция - способность светиться в момент облучения (шеелит при облучении ультрафиолетовыми и катодными луча кальцит и др.).

Термолюминесценция - свечение при нагревании (флюорит, апатит).

Триболюминесценция - свечение в момент царапания иглой или раскалывания (слюды, корунд).

Радиоактивность. Многие минералы, содержащие такие элементы как ниобий, тантал, цирконий, редкие земли, уран, торий часто имеют довольно значительную радиоактивность, легко обнаруживаемую даже бытовыми радиометрами, которая может служить важным диагностическим признаком. Для проверки радиоактивности сначала измеряют и записывают величину фона, затем минерал подносят, возможно, ближе к детектору прибора. Увеличение показаний более чем на 10-15% может служить показателем радиоактивности минерала.

Электропроводность. Целый ряд минералов обладает значительной электропроводностью, которая позволяет их однозначно отличить от похожих минералов. Может проверяться обычным бытовым тестером.