Часть 3. Диагностика минералов. Дополнения и особые свойства минералов Для группы 9 -1 2012/2013
Химические реакции Еще 50 лет назад и более химические реакции были основным инструментом для диагностики минеральных видов. Широко использовались реакции серебрян (нижнее фото справа). и оловян. зеркала, реакции на йоны отдельных элементов; реакции окисления, происходящие при нагревании образца в пламени свечи или паяльной трубки с тетраборатом натрия или без него. До сих пор в некоторых учебниках по минералогии приводятся сведения о взаимодействии образцов с п. тр. , кислотами, некоторыми специфичными реактивами. Однако, они были довольно трудоемкими и анализ одного образца мог проводиться в течение одного – двух дней, что конечно очень неудобно. Ввиду опасности и специфичности некоторых реакции (например, на фото справа приведена ртуть, полученная из киновари почти в домашних условиях) мы не будем ими пользоваться, однако в качестве примера одной из них запомним реакцию взаимодействия гидроксида калия с минералом антимонитом Sb 2 S 3, которая приводит к образованию раствора ярко-оранжевого цвета (на нижнем фото слева). Кроме того, полезно помнить, что, например, …
Химические реакции • многие соли стронция (минералы стронцианит, целестин) окрашивают пламя в КРАСНЫЙ цвет, соли меди (малахит, азурит и др. ) в ЗЕЛЕНЫЙ цвет и т. д. Однако, иногда, для получения подобной окраски образец надо довольно долго нагревать, кроме того в МГУ на каждом углу стоят очень чувствительные пожарные сигнализации и мы с вами этого делать НЕ сможем и НЕ будем. А где же тогда мы будем использовать химию ?
Химические реакции • Некоторые минералы очень легко определить благодаря химическим реакциям. Наиболее распространенной из них является реакция взаимодействия СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ и карбоната кальция (в минералогии кальцита или арагонита), которая проходит согласно уравнению: В РЕЗУЛЬТЕ РЕАКЦИИ ВЫДЕЛЯЕТСЯ УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ, пузырьки которого очень легко заметить на поверхности образца. Следует помнить, что и некоторые другие карбонаты тоже реагируют с соляной кислотой, но лишь в порошке (например, доломит), или при нагревании (магнезит, иногда сидерит). Аналогичную реакцию можно проделывать и с породами, состоящими в основном из минералов: кальцита или арагонита (известняками, травертинами, карбонатитами и мраморами (хотя последние не всегда «шипят» при взаимодействии с кислотой) В геологической школе на практических занятиях по минералогии соляная кислота всегда будет под рукой и ей можно будет свободно пользоваться. Кроме того, об этом редко пишут в учебниках, но эта же кислота может быть полезна при диагностике минерала ПИРОЛЮЗИТА состава Mn. O 2. При взаимодействии этого минерального вида с кислотой выделяется ядовитый газ ХЛОР, с характерным резким запахом, напоминающим запах хлорки (которая пахнет оксидом хлора I), который вы все много раз ощущали ( в бассейнах, школе и т. д. )
Люминесценция минералов
Определение люминесценции • Люминесценцией называется способность кристаллов светится под действием разного рода излучений за пределами волн видимого спектра. Cогласно клаасическому определению Ф. Видемана. С. В. Вавилова, люминесценция есть избыточное по сравнению с тепловым излучение, которое имеет длительность намного большую по сравнению со временем световых колебаний (больше 10 -10 сек). Последний признак как раз и отличает это свойство от различных оптических эффектов. Существует множество видов люминесценции, выделяемых по способу её возбуждения, то есть по виду энергии, преобразуемое в световое излучение минерала:
Виды люминесценции
• • Флюоресценция. Длительность времени затухания вещества после снятия возбуждающего излучения не превышает 10 -2 с. Наличие и проявление флюоресцентных свойств варьируется у отдельных разновидностей одного и того же минерала и даже от зоны к зоне в одном кристалле. Это, как уже было сказано, связано с присутствием в кристаллической решетке небольших количеств «примесных» элементов (активаторные примеси). Установлено, что если содержание ионов, например, марганца составляет около 1%, то они становятся эффективными активаторами для силикатов, тогда как медь и серебро в количестве 1: 10000 активирует сфалерит и другие сульфиды. При флюоресценции электроны активных центров переходят на более высокие энергетические уровни за счет поступающей энергии излучения, а затем возвращаются обратно к своему невозбужденному (основному) состоянию, испуская видимый свет. Некоторые из этих электронов могут проникать в зону проводимости, вызывая во время облучения фотопроводимость. Частота флюоресцирующего света почти всегда ниже (следовательно, его длина волны больше), чем у возбуждающего излучения. Таким об разом, испускаемое излучение обладает меньшей энергией, так как определенное ее количество теряется в виде тепла во время возбуждения электронов и их превращения в основное состояние.
Практическое значение флюоресценции • • Расшифровка природы люминесценции минералов – дело весьма сложное и трудоёмкое. Ведь свечение может вызываться примесью, содержащейся в чрезвычайно малых количествах, да еще в определенной кристаллографической позиции, часто лишь в присутствии других примесей – соактиваторов. Например, очень важный люминоген Eu 2+, вызывающий свечение флюорита, полевых шпатов, апатита и ряда других минералов, содержится в них обычно в количестве порядка 10 -5 -10 -4 атомных процента. Для установления природы люминесценции проводятся эксперименты по синтезу минералов с определенными добавками, регистрации спектров люминесценции, различные воздействия на минерал – термические, термохимические, радиационные. И до сих пор природа свечения некоторых важных минералов, таких как циркон или сподумен, до конца не ясна, несмотря на многолетние исследования. В кристаллофизической лаборатории ВИМСа развивается новое направление – создание на минералах искусственных люминесцирующих покрытий. Этим путем удается вызвать избирательную и очень яркую люминесценцию таких важных рудных минералов, как самородное золото, серебро, сульфиды серебра, свинца, сурьмы. Примесная люминесценция в минералах может дать ценную информацию о генезисе минеральных месторождений и дать большие возможности для типоморфного анализа минералов. На практике обычно полезным являются длины волн от 250 нм (коротковолновый ультрафиолет) до 360 нм (длинноволновый ультрафиолет), так как они в значительной степени поглощаются силикатами и сульфидами соответственно. Фонарик с такой длиной волны часто вмонтируют в каски шахтеров на подземных выработках. У некоторых минералов флюоресценция постоянна во времени, а у некоторых нет. В настоящее время флюоресценция искусственных кристаллов представляет собой важных способ обнаружения и измерения ионизирующей радиации.
Фосфоресценция • Фосфоресценция может продолжаться от 10 -2 с до нескольких часов. Это явление связано с возбужденными электронами атомов, ионизированных облучением. Атомы последовательно рекомбинируют с ионизирующими центрами, захватываясь на промежуточных энергетических уровнях, образованных примесными или электронно – дырочными центрами. Эти ловушки принято называть энергетическими «ямами» , которые могут удерживать электрон до тех пор, пока значительный скачок в статистических флуктуациях его тепловых колебаний не позволит ему вырваться. Высвобождение накопленной световой энергии можно ускорить, воздействуя на них инфракрасным излучением.
Практическое значение фософресценции • Люминофоры с большим временем затухания используются при изготовлении телевизионных и компьютерных экранов.
Примеры люминесцирующих минералов • • • • Круг люминесцирующих минералов не так велик: ныне их известно порядка 400, из них распространенных или практически важных порядка 40. Вот некоторые из них (собственное свечение): Виллемит Касситерит Кераргирит Киноварь Молибдошеелит Отенит Повелит Реальгар Содалит Сфалерит Шеелит Церуссит
• • • • • • • Примесная люминесценция наблюдается в таких минералах как: Алмаз Арагонит Апатит Барит Моганит (разн. халцедона) Морганит (разновидность берилла) и в колумбийских изумрудах Волластонит Галит Данбурит Датолит Кварц (в основном урансодержащий хальцедон), Кальцит Корунд Лепидолит Микроклин Муассанит (природа свечения которого не вполне ясна) Опал Плагиоклаз Скаполит Сподумен Топаз Тремолит Флогопит (очень редко, только безжелезистый), Флюорит Хризоберилл Шпинель (магнезиальная и цинковая – ганит) Эвкриптит
Применения люминесценции при диагностике минералов. • • Для некоторых минералов свечение является важным диагностическим признаком. Приведем лишь несколько примеров: По синему и желтому свечению можно легко определить рудный минерал шеелит от кальцита (розовое свечение) и кварца (который свечение не дает). Собственно говоря шеелит стал первым рудным минералом на котором использовали явление люминесценции. В последние годы в области практического применения люминесценции к поисковой геологии начало развиваться новое направление, в котором главным объектом оказался опять таки шеелит. Речь идет о дистанционном лазерн 6 ом зондировании земной поверхности с помощью радаров, установленных на автомобиле или вертолёте. Подобные работы по радарной съёмке проводятся в США, Канаде и Германии. С помощью радаров можно было легко изучить громадные площади даже со слабой обнаженностью, а получаемые в процессе съёмки люминесцентные сигналы поступают в компьютер и обрабатываются прямо на борту. Оконтуренные аномалии затем проверяются обычными геологоразведочными способами. Таким способом, кроме шеелитовых ищутся также месторождения урана, полиметаллов (со вторичными светящимися минералами) и некоторых других полезные ископаемых.
Применения люминесценции при диагностике минералов. Из многих разновидностей природного корунда яркой фотолюминесценцией обладает только рубин. Люминесценция синтетического рубина имеет большое техническое значение, так как на ней основано действие рубиновых лазеров. Природный же рубин своей красотой в немалой степени обязан флюоресценции, цвет которой практически совпадает с его окраской. Поэтому на солнечном свету рубин выглядит особенно ярким – благодаря свечению под действием солнечного ультрафиолета. По свечению рубин легко отличим от стекла в изделиях, это свойство можно использовать и для отличия природного рубина от синтетического, так как последний светится гораздо ярче (благодаря отсутствию гасящего люминесцентного железа). Некоторые разновидности природного корунда тоже обладают фотолюминесценцией – это, например, оранжево – желтый сапфир (папараджа). Синтетические камни можно отличить от природных жёлтых сапфиров по наличию у них красной флюоресценции и особенно фосфоресценции, вызванной следами хрома. По желтому или ярко голубому свечению, а также их комбинаций (из-за центров примесного азота) легко определяется алмаз. Такое свечение алмаза помогает при анализе шлихов, в которых он содержится. Вероятность пропуска многократно снижается при использовании УФподсветки: даже если кристаллик светится другим светом он обязательно бросится в глаза и будет проверен с помощью иммерсии и твердости. На этом основан способ и его выявления в массе дробленой руды на ленте транспортера на обогатительных фабриках. Кроме того на качество алмазов сказывается наличие газовых и минеральных включений. И те и другие могут быть легко выявлены благодаря фотолюминесценции.
Применениe люминесценции в минералогии. Вторым минералом – признаком изумруда на Уральских месторождениях является апатит опять таки со свечения двухвалентного европия. А также церия. , дающими фиолетово-синюю фотолюминесценцию минерала. Бедных изумрудами зонах преобладает апатит с розовато-желтым свечением двухвалентного марганца.
Применениe люминесценции в минералогии. • • Кальцит, вследствие своей полигенности, обладает ярко выраженной зависимостью своих люминесцентных свойств от условий, прежде всего от температуры образования. Ведь с ростом последней растёт изоморфная емкость структуры кальцита, поэтому в ионах активно накапливается марганец. Как раз яркость этого яркого красно-оранжевого свечения может дать ценную информацию об условиях его образования. Ярче всего светятся кальциты из карбонатитов и скарновых месторождений. Зато у гипергенного кальцита, например карстового – нередко наблюдается ярко белое свечение и зеленая фосфоресценция сорбированных органических веществ. Необычайно эффективна фосфоресценция, наблюдаемая, например, во многих пещерах у сталактитов, сталагмитов и сталагматов после их облучения фотовспышкой. Для этого достаточно закрыть глаза и, «порхнув» вспышкой, тут же их открыть: зеленая, желто-зеленая, голубоватая фосфоресценция иногда не затухает в течение 10 -20 секунд и подчеркивает красоту и без того богатого убранства пещеры. Для минералога, очевидно, что такой чувствительный и неразрушающий метод как люминесценция, должен быть особенно эффективен при изучении гипергенных, то есть практически всегда дисперсных минералов.
Применениe люминесценции в минералогии. 1. Золото часто бывает малозаметно в кусках, особенно среди блестящих рудных минералов, или когда бывает покрыто корками, «рубашками» кварца или гидроксидов железа. При обычном содержании золота в рудах (4 -8 г/т), отдельные золотинки в породе обнаружить нелегко, и для этого требуется кропотливая работа. Между тем, часто требуется быстро найти и оценить содержание золота в пробах, чтобы выявить рудные интервалы в керне, бонанцы и рудные столбы на месторождениях. Здесь и помогает высокоэкспрессный люминесцентный метод, не требующий к тому же пробоподготовки – дробления и истирания руды. Куски смачиваются разбавленными растворами некоторых неядовитых реактивов и через несколько минут вскрытые золотины покрываются тонкой (в несколько микрон) пленкой комплексных соединений золота. Эти соединения ярко светятся при комнатной температуре в ультрафиолетовых лучах ярко – красным или же жёлто-оранжевым светом. Покрытия устойчивы (сохраняются несколько месяцев). Иногда даже удается по такому свечению найти скопления золотин микронных размеров, если просматривать образцы под бинокуляром с ультрафиолетовой подсветкой.
Применениe люминесценции в минералогии. • • Плагиоклаз с фиолетово-синим свечением центров двухвалентного европия характерен для гранитных пегматитов мусковитовой формации и контролирующих их зон мигматизации в метаморфических толщах. Слюдоносные пегматиты формируются на больших глубинах в сильно восстановительной обстановке (в газово-жидких включениях найден метан и водород), что должно приводить к восстановлению ионов трехвалентного европия до двухвалентного. Кроме накопления такого европия в жилах, часть его рассеивается во вмещающих породах образуя «люминесцентные» ореолы в полевых шпатов вокруг жил. Яркость свечения и количество светящихся порфиробластов и прожилков полевого шпата в породе являются хорошим поисковым признаком «слепых» слюдоносных жил и может применяться (и применяется в Карелии) при документации керна буровых скважин. Мощность ореолов вокруг пучков сближенных жил может достигать многих десятков метров и резко увеличивается возле богатой слюдой участков жил. Светящийся плагиоклаз характерен и для замечательных уральских месторождений изумруда, относящихся к слюдитовому типу. Олигоклаз промышленных изумрудных зон в основном ярко светится, тогда как гнёзда олигоклаза в бедных зонах светится в несколько раз слабее. Это объясняется тем, что и хром (краситель в изумруде), и европий (люминоген в плагиоклазе) при образовании месторождений заимствовались из вмещающих основных и ультраосновных пород, богатых этими элементами. Поэтому по яркости свечения плагиоклаза, которого в слюдитовых зонах на несколько порядков больше по массе, чем изумруда, можно разбраковывать зоны месторождения. Этот метод чрезвычайно экспрессен и прост в реализации; он успешно применяется на Малышевском ГОКе.
Фотографии люминесцирующих минералов
Люминесцирующие минералы в коллекции ГШ • В этом году я планирую создать в геологической школе новую коллекцию по люминесцирующим минералам. Уже подобрано более 10 образцов со всего МИРА для этой коллекции, осталось лишь ее оформить. Вы будете первой группой школьников, которые увидят эти образцы на практическом занятии, еще до того, как коллекция будет составлена с чем вас и поздравляю.
Магнитность • Подробнее о магнитных свойствах минералов вы сможете прочитать в моей статье, которую я выложу в группу VK. Здесь, приведу лишь основные сведения, которые будут полезны вам при диагностике некоторых минералов
Магнитность • • • Существует очень немного минералов, которые обладают явно выраженными магнитными свойствами. Минералы со слабыми парамагнитными свойствами легко притягиваются магнитом (бедные серой разности пирротина). Но имеются и такие минералы, которые сами представляют собой магнит, т. е. являются ферромагнитными и притягивают к себе железные опилки, булавки, гвозди. Таким свойством обладают магнетит, никелистое железо, некоторые разности ферроплатины. Наконец, известны диамагнитные минералы, отталкивающиеся магнитом (самородный висмут). Так как число минералов, обладающих магнитными свойствами, невелико, то этот признак имеет важное диагностическое значение. Испытание на магнитность производится с помощью свободно вращающейся магнитной стрелки, к концам которой подносится испытуемый образец. Допускается и употребление магнита, при этом предпочтительно использовать мелкие зерна минерала, а магнит прикрывать бумагой. Слабыми магнитными свойствами, не устанавливаемыми с помощью магнитной стрелки, обладает довольно большое количество минералов. На различии этих слабо выраженных магнитных свойств основано разделение минералов на фракции с помощью электромагнита при исследовании так называемых шлихов, т. е. тяжелой фракции минералов, получающейся при промывании.
Радиоактивность • • Сравнительно легко обнаруживаемая в минералах радиоактивность почти целиком обусловлена присутствием в них урана или тория. Другие радиоактивные изотопы (например, 40 K 87 Rb) удается обнаружить, как правило, лишь с помощью высокоточных приборов, применяемых в специальных лабораториях или для зондирования буровых скважин. Каждый радиоактивный изотоп распадается с некоторой постоянной для него скоростью, характеризующейся обычно временем его распада. Распад сопровождается испусканием частиц с определенной энергией, а также радиацией. Альфа – частицы идентичны ядрам (4 Не) и, являются наименее опасными для человека (их, например, задерживает слой бумаги толщиной в 0. 1 мм); бета – частицы представляют собой электроны; гамма – лучи являются одним из типов электромагнитных излучений и по длине волны идентичны коротковолновым рентгеновым лучам. При распаде выделяются также другие заряженные частицы (например, позитроны), наблюдается явление ядерной отдачи. Поэтому радиоактивность легко обнаружить по излучению, которое регистрируется либо фотопленкой, либо такими приборами, как счетчик Гейгера – Мюллера или сцинтилляционный счетчик.
Радиоактивность. • Считается, что эти структурные изменения вызваны различиями размеров и зарядов между исходными атомами и теми, которые получились в процессе их распада. Даже в тех случаях, когда исходный элемент (например, 238 U) и стабильный конечный продукт его распада (например, 206 Pb) имеют такие размеры и заряды атомов, что могут занимать идентичные структурные позиции, содержащая эти исходные элементы структура все же будет подвергаться разрушению. Это связано с присутствием некого промежуточного продукта полураспада (например, 226 Ra), заметно отличающегося по размеру и заряду от исходного или конечного элемента. В результате таких изменений и образуются метамиктные минералы…
Метамиктные минералы • • В большинстве определений понятия минерал сказано, что он должен представлять собой кристаллически твердое тело. Существует, однако, несколько природных твердых тел, не имеющих кристаллического строения, но представляющих интерес для минералогии. Это метамиктные минералы и некоторые аморфные вещества. Метамиктные минералы можно рассматривать как некристаллическую псевдоморфозу по кристаллическому минералу. Метамиктные минералы сначала имели кристаллическую структуру, которая затем была разрушена под действием радиоактивных излучений. Свидетельством их аморфного состояния являются: Оптическая изотропность Отсутствие дифракции рентгеновских лучей Отсутвие спайности Метамиктные минералы по внешнему виду напоминают стекла и, как правило, имеют раковистый излом. Вокруг метамиктных минералов часто наблюдается кольцо буровато – красного цвета. При нагревании метамиктные минералы рекристаллизуются; при этом часто выделяется такое количество тепла, что происходит самораскаливание минерала, иногда до красного каления. Также, при рекристаллизации заметно повышается плотность минерала. Метамиктные минералы радоактивны, так как сдержат уран или торий, хотя содержание этих элементов может быть невысоким (менее 1%). При переходе в метамиктное состояние разрушается кристаллическая решетка минералов под влиянием бомбардировки альфа – частицами, испускаемых при распаде радиоактивных элементов. Учеными было установлено, что усиленная бомбардировка альфа – частицами нейтронами в атомных реакторах переводит в метамиктное состояние многие вещества. Однако само по себе присутствия примеси радиоактивных элементов еще недостаточно для того, чтобы вызвать метамиктное состояние. Так, например, торианит (диоксид тория) практически никогда не бывает метамиктным, а ортит может встречаться как в обычном, так и в метамиктном виде.
Значение радиоактивности в геологии • • • Благодаря тому, что скорость распада радиоактивных изотопов постоянна и известна, можно рассчитать возраст радиоактивного минерала, исходя, например, из содержания в нём урана, тория или изотопов свинца (если минерал не содержит первичного свинца не подвергался изменениям или выветриванию, а также не испытывал потерь или привноса исходных изотопов и продуктов их распада, за исключением тех, которые вызваны радиоактивным распадом). Поэтому свежие образцы радиоактивных минералов имеют высокую научную ценность, так как дают информацию о геологическом возрасте заключающих их пород. Использование атомной энергии привело к резкому расширению поиску радиоактивных минералов во всем мире. Особенно это относится к урансодержащим минералам, так как уран нашел наиболее широкое применение. Такие поиски сильно упрощались благодаря возможности обнаружения радиоактивных минералов с помощью сцинтилляционных счетчиков ил счетчиков Гейгера – Мюллера. Двумя важными аспектами бурного развития минералогии в период после второй мировой войны явилось открытие большого числа новых урановых минералов развитие фундаментальных исследований многих веществ, которые ранее были слабо изучены. Важным следствием радиоактивности является ёё вклад во внутреннее тепло Земли. А. Холмс утверждает, что общие потери тепла Землёй могут быть компенсированы 36 граммами урана, содержащимися в каждый 109 тоннах руды. Породы земной коры в среднем содержат в 50 раз больше урана, хотя очевидно, что с глубиной его содержание значительно уменьшается.
Радиоактивность. Меры безопасности • Важно помнить, что при работе с любым источником радиации необходимо принимать меры по радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения. Самый простой метод защиты – это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние. Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Поэтому радиоактивные препараты не следует брать голым руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длиной ручкой. • В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстоянием невозможна, используют для защиты от излучения преграды из поглощающих материалов. Наиболее сложна защита от гамма – лучей из – за их большой проникающей способности. Лучшим поглотителем гамма – лучей является свинец. Медленные нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием. Быстрые – графитом.
Примеры радиоактивных минералов • Вам неплохо бы было бы знать хотя бы два примера: • 1. Уранинит (диоксид урана UO 2) пожалуй самый радиоактивный минерал на земле. • 2. Несколько минералов из группы урановых слюдок (отенит, торбернит и др. ), внешне они очень красивые. Многие урановые слюдки обладают яркой люминесценцией в УФ лучах. Как правило цвет люминесценции, вызванный вхождением ионов уранила ярко-зеленый, такое свечение можно наблюдать даже на поверхности некоторых кремней из Подмосковья.
Электрические свойства кристаллов • Электрические свойства кристаллов – комплекс явлений, описываемых тензорами разных рангов, связаны с электрической поляризацией, либо самопроизвольной, либо происходящей под влиянием внешних воздействий: нагревания, приложенного электрического поля, механического воздействия.
Электрические свойства кристаллов. Электропроводность. • • • ЭТИ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ МИНЕРАЛОВ ДОВОЛЬНО СЛОЖНЫ ДЛЯ ПОНИМАНИЯ, Я ПРЕДЛАГАЮ ВАМ ПОКА ПОНЯТЬ ЛИШЬ ИХ СУЩНОСТЬ И ЗАПИСАТЬ ПРИМЕРЫ ТЕХ ВЕЩЕСТВ, ГДЕ ОНИ ПРОЯВЛЯЮТСЯ! Электропроводность описывается тензором второго ранга. Все вещества можно разделить на проводящие электрический ток (проводники), полупроводники и диэлектрики (изоляторы). В электропроводящих кристаллах, помещенных в электрическое поле, возникает электрический ток — перенос электрического заряда. Причем в большинстве случаев связь между плотностью тока (j) и напряженностью электрического поля (Е) линейная, подчиняется закону Ома и в однородных изотропных электропроводящих кристаллах выражается простой пропорциональностью: j = о • Е, где а — коэффициент электропроводности (электропроводимости), зависящий от рода и температуры проводника. В монокристаллах направления векторов j и Е в общем случае не совпадают. Коэффициент о зависит от направления тока в кристалле, и характеристической поверхностью (индикатрисой) для него будет эллипсоид, форма и ориентация которого соответствуют симметрии кристалла: для кристаллов низшей категории индикатрисой электропроводности будет трехосный эллипсоид, т. е. кристаллы имеют три главных коэффициента электропроводности; для кристаллов средней категории — эллипсоид вращения с двумя главными коэффициентами электропроводности; для кристаллов высшей категории — сфера с одним главным коэффициентом электропроводности. Таким образом, в отношении электропроводности кристалл выступает как непрерывная однородная среда. Кристаллы-диэлектрики, при обычных условиях не проводящие ток (ионные и ковалентные кристаллы), можно наэлектризовать путем различных воздействий на них: трением, давлением, облучением, нагреванием и т. д. С практической точки зрения наибольший интерес для кристаллографической диагностики и технического применения представляет электризация при изменении температуры и механических деформаций.
Пироэффект • • • Пироэлектрический эффект Изменение спонтанной поляризации с колебанием температуры приводит к специфическому для анизотропных кристаллов явлению — пироэлектрическому эффекту — возникновению разноименных зарядов на противоположных концах кристалла. Это явление, открытое случайно на кристаллах турмалина, попавшего в горячую золу и притянувшего частицы золы лишь одним своим концом, было наглядно и весьма эффективно подтверждено опытом Кундта в 1883 г. , который опылял нагретый кристалл турмалина (с симметрией Зт) смесью порошка серы и сурика (Pbg. O, , ), пропущенной через шелковое сито. По-разному наэлектризованные при трении о шелк частицы этих минералов притягиваются к различным концам кристалла турмалина (отвечающим концам оси 3 -го порядка), подтверждая этим появление противоположных зарядов на концах нагретого кристалла. Знание знаков заряда порошков — «-» у серы и «+» у сурика позволило установить характер электризации турмалина (рис. 7. 23). При охлаждении такого кристалла знаки зарядов меняются на противоположные. И поскольку скалярное воздействие на кристалл (нагрев, охлаждение) само по себе не обусловливает проявление векторного свойства, то симметрия полярного свойства должна быть заложена в самом кристалле. Поэтому пироэлектрический эффект, как векторное свойство, может возникнуть лишь в диэлектрических кристаллах с единственным полярным направлением — направлением (вектором), противоположные концы которого не могут быть совмещены ни одной операцией данной группы симметрии. Таким образом, пироэлектрический эффект может возникнуть в кристаллах, относящихся к одному из десяти полярных (гемиморфных) классов симметрии: 1, 2, 3, 4, 6, т, тт2, 3 m, 4 mm, 6 mm. Кроме турмалина пироэлектрическим эффектом обладают кристаллы обыкновенного сахара, винной кислоты, кристаллизующиеся в классе 2 моноклинной сингонии. Пироэлектрические кристаллы широко используются для изготовления чувствительных приемников инфракрасного излучения, датчиков ударных волн, измерителей напряжения и изменений температуры с высокой точностью и др.
Пьезоэффект • • Другое интересное явление связано с электризацией диэлектриков — возникновением электрической поляризации под действием механических напряжений. Любопытно также обратное явление — деформация кристалла под действием электрического поля. Пьезоэлектрический эффект, описываемый тензором третьего ранга, — это совокупность явлений, прямо пропорционально связывающих механические напряжения (растяжения или сжатия), описываемые тензором второго ранга, с электрическим полем (поляризацией) — векторным свойством. Величины возникших зарядов пропорциональны приложенной к кристаллу силе. Знак заряда при этом зависит от типа кристаллической структуры. Поскольку пьезоэлектрический эффект характеризуется полярным вектором и проявляется под воздействием цен-тросимметричного (неполярного) тензора напряжений второго ранга, то это свойство возникает только в кристаллах, лишенных центра инверсии, т. е. имеющих полярные направления и принадлежащих к одному из 20 ацентричных классов симметрии. В кристаллах с симметрией 432, также без центра инверсии, полярных направлений нет (!), поэтому кристаллы с такой симметрией не могут быть пьезоэлектриками. Ярким примером проявления пьезоэлектрического свойства являются кристаллы кварца Si. O 2 с одним неполярным направлением вдоль оси 3 -го порядка, в структуре которых множество полярных направлений, три из которых параллельны трем осям 22. Вдоль этих осей 2 -го порядка и наблюдается пьезоэффект, а сами направления называются электрическими осями. Структура кварца построена из кремнекислородных спиралей, закрученных вокруг осей 3 -го порядка. Схематическая проекция одной из спиралей на плоскость (0001) структуры минерала показана на рис. 7. 24 а. Сжатие такой спирали вдоль одной из полярных осей 2 -го порядка (рис. 7. 246) приводит к смещению атомов Si 4+ и О 2 - с образованием электрических диполей и появлению разноименных зарядов на поверхностях, перпендикулярных направлению сжатия. Растяжение вдоль этого же направления приводит к смене знаков заряда (рис. 7. 24 в). Если же кварцевую пластинку, вырезанную перпендикулярно оси 2 -го порядка, поместить в переменное электрическое поле, то она начнет вибрировать — то сжиматься, то расширяться (за 1 сек. совершается до 105 колебаний), т. е. играть роль колебательного контура высокого качества. Благодаря этому свойству кварцевые пластины нашли широкое применение в радиоэлектронике в качестве стабилизаторов частот в радиоаппаратуре, для генерации и приема ультразвуковых волн и т. д. К настоящему времени изучены сотни веществ, кристаллы которых обладают пьезоэлектрическими свойствами. Кроме кварца и турмалина наиболее распространенными пьезоэлектриками являются кристаллы сегнетовой соли , тертрата калия К 3 С 4 Н 4 О 6 • 0, 5 Н 2 О, сульфата лития
Вкус и запах • Некоторые водорастворимые минералы легко диагностировать с помощью вашего языка, если вы не слишком брезгливы. Так, например, минерал галит (каменная соль Na. Cl) обладает соленым, а сильвин KCl, который на него очень похож и иногда встречается с галитом в одном образце имеет горьковатосоленый вкус. Кристаллы нашатыря на языке я бы сказал «обжигающе-холодные» , а многие водорастворимые сульфаты имею вяжущий неприятный вкус (например, халькантит (на фото), мелантерит). При определенном опыте вы научитесь отличать некоторые минералы друг от друга по вкусу, но будьте осторожны, далеко не все из них можно пробовать, а некоторые могут вызвать тошноту или привести к отправлению.
Запах минералов • Очень ограниченное количество минералов имеет специфический запах. Сами по себе пахнут пожалуй лишь буссенготит (так как содержит ион аммония). Самородный мышьяк, а например, арсенопирит Fe. As. S и другие арсениды металлов при резком ударе издают характерный чесночный запах МЫШЬЯКА, особенно хорошо чу4 вствующийся при нагревании или прокалывании на огне. Иногда жильный кварц, с которым бывают связаны минералы редких металлов, при раскалывании выделяет своеобразный резкий неприятный запах, что в рудокопной практике в некоторых случаях является руководящим признаком. У ряда полезных ископаемых различают глинистые запахи и т. п. Также сама по себе пахнет сера. Иногда, особенно в закрытых горных выработках, вы можете почувствовать запах сероводорода (пахнет как тухлые яйца или рыба), который образуется в результате разложения жил с сульфидными минералами (пример Белореченское месторождение и некоторые другие).
Тактильные свойства • Некоторые минералы, особенно в порошковатых массах очень легко определить благодаря тому, что они жирные на ощупь. В качестве примеров можно привести тальк (он есть в нашем развале по свойствам минералов), аурипигмент, молибденит и др. Точно также порошковатые разности ярозита при растирании между пальцами дают ощущение жирного, салящего вещества, что отличает ярозит от охристых, похожих по цвету масс минералоподобной фазы лимонита, кажущихся при той же манипуляции жесткими, песчанистыми.
Звуковые ощущения • Наконец, некоторую помощь в рудокопной практике, оказывают звуковые явления. Забойщики в этом отношении нередко обладают виртуозными способностями. Известно, например, что массы церуссита Pb. CO 3, при падении на пол издают звук, похожий на звук, производимый падением стекла. Точно также звуки, которые издают в забоях различные по крепости породы и руды при ударе горными инструментами, отличаются друг от друга, но это можно заметить лишь при большой практике.
Краткие итоги • Таким образом, как мы видим, в определении минералов в полевой практике могут принимать участие все пять органов чувств: зрение, осязание, обоняние, вкус и слух. Исключительную роль играет, конечно, зрение, и развивающаяся в результате опыта зрительная память…
Небольшая проверка на 7 -8 минут • Напишите пожалуйста САМОСТОЯТЕЛЬНО: • 1. Шкалу Мооса (порядковый номер и название минерала), можно пока без формул. • 2. Определение спайности • 3. Типы окрасок минералов (чем они различаются, с примерами) • 4. Приведите примеры минералов с совершенной спайностью. • 5. Напишите формулу апатита
• Перерыв строго 10 минут. На второй половине занятия будем, при помощи наших многочисленных стажеров, учиться определять и правильно записывать свойства минералов. Со следующего занятия начнем знакомство с конкретными минералами.
Скачать презентацию Часть 3 Диагностика минералов Дополнения и особые свойства
Lektsiya_3_Diagnostika_mineralov_part(3)3.ppt