МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Р Е Ф Е Р А Т
по курсу
«Вещественный состав горных пород и руд»
Москва 2007 год
Кристаллы - твердые тела, имеющие многогранную форму, а слагающие их частицы (атомы, молекулы, ионы) расположены закономерно. Поверхность кристаллов ограничена плоскостями, которые носят название граней. Места соединения граней называются рёбрами, точки пересечения которых называются вершинами или углами.
Грани, рёбра и вершины кристаллов связаны зависимостью: число граней + число вершин = число рёбер + 2. В большинстве случаев кристаллические вещества не имеют ясно огранённой формы, хотя и обладают закономерным внутренним кристаллическим строением. Установлено, что кристаллы построены из материальных частиц - ионов, атомов или молекул, геометрически правильно расположенных в пространстве. Основные свойства кристаллических веществ следующие: 1.Анизотропность (т.е. неравносвойственность).Анизотропными называются такие вещества, которые имеют одинаковые свойства в параллельных направлениях, и неодинаковые - в непараллельных. Различные физические свойства кристаллов, такие, как теплопроводность, твердость, упругость, распространение света и др., изменяются с изменением направления. В противоположность анизотропным, изотропные тела имеют одинаковые свойства во всех направлениях. 2.Способность самоограняться.Этой специфической особенностью обладают только кристаллические вещества. При свободном росте кристаллы ограничиваются плоскими гранями и прямыми рёбрами, принимая многогранную форму. 3.Симметрия. Симметрией называется закономерная повторяемость в расположении предметов или их частей на плоскости или в пространстве. Все кристаллы являются телами симметричными.Структура кристалла, т.е. расположение в нём отдельных частиц, является симметричной. Следовательно, и сам кристалл будет обладать плоскостями и осями симметрии. Материальные частицы (атомы, ионы, молекулы) в кристаллическом веществе размещаются не хаотично, а в определённом строгом порядке. Они расположены параллельными рядами, причём расстояния между материальными частицами этих рядов одинаковы. Эта закономерность в строении кристаллов выражается геометрически в виде пространственной решётки, являющейся как бы скелетом вещества. Представить пространственную решётку можно как бесконечно большое число одинаковых по форме и размеру параллелепипедов, сдвинутых относительно другого и сложенных так, что они выполняют пространство без промежутков.Вершины параллелепипедов, в которых находятся атомы, ионы или молекулы, называются узлами пространственной решётки, а прямые линии, проведённые через них, - рядами. Любая плоскость, которая проходит через три узла пространственной решётки (не лежащих на одной прямой), называется плоской сеткой. Элементарный параллелепипед, в вершинах которого находятся узлы решётки, носит название ячейки данной пространственной решётки. Таким образом, кристаллическое вещество имеет строго закономерное (ретикулярное) строение. На приведенном ниже рисунке можно увидеть кристаллические решетки: а) - Алмаза, б) – графита.
Все важнейшие свойства кристаллических веществ являются следствием их внутреннего закономерного строения. Так, например, анизотропность кристаллов можно легко уяснить, если вести измерение каких-либо свойств в различных направлениях. Особенно чётко анизотропия выявляется в оптических свойствах кристаллов, на чём основан один из важнейших методов их изучения, применяемый в минералогии и петрографии. Способность кристаллов самоограняться также является естественным следствием их внутреннего строения. Грани кристаллов соответствуют плоским сеткам, рёбра - рядам, а вершины углов - узлам пространственной решётки.Пространственная решётка имеет бесконечное множество плоских сеток, рядов и узлов. Но реальным граням могут соответствовать лишь те плоские сетки решётки, которые имеют наибольшую ретикулярную плотность, т.е. на которых на единицу площади будет приходиться наибольшее число составляющих её частиц (атомов, ионов). Таких плоских сеток сравнительно немного, отсюда и кристаллы имеют вполне определённое число граней. Природа окраски минералов. Твердость минералов
Минерал — природное тело с определённым химическим составом и кристаллической структурой, образующееся в результате природных физико-химических процессов и являющееся составной частью Земной Коры, горных пород, руд, метеоритов.
Изучением минералов занимается наука минералогия. В последнее время минералами ошибочно называют биологически значимые элементы (микро- и макроэлементы), входящие в состав биодобавок.
Понятие «минерал» подразумевает твёрдое природное неорганическое кристаллическое вещество.
Минералами считаются также некоторые природные вещества, представляющие из себя в обычных условиях жидкости (например, самородная ртуть, которая приходит к кристаллическому состоянию при более низкой температуре). Воду, напротив, к минералам не относят, рассматривая её как жидкое состояние (расплав) минерала лёд.
Некоторые органические вещества — нефть, асфальты, битумы — часто ошибочно относят к минералам, либо выделяют их в особый класс "органические минералы", целесообразность чего весьма спорна.
Некоторые минералы находятся в аморфном состоянии и не имеют кристаллической структуры. Это относится главным образом, к так называемым метамиктным минералам. Они имеют внешнюю форму кристаллов, но находятся в аморфном, стеклоподобном состоянии. Это происходит вследствие разрушения их изначальной кристаллической решетки под действием жёсткого радиоактивного излучения, входящих в их собственный состав радиоактивных элементов.
Различают минералы явнокристаллические, аморфные — метаколлоиды (например, опал, лешательерит и др.) и метамиктные минералы, имеющие внешнюю форму кристаллов, но находящиеся в аморфном, стеклоподобном состоянии.
Вот фотографии некоторых минералов:
1. Минерал - Бирюза
2. Минерал – Кварц
3. Минерал – Гранат
Окраска минералов
Свойство, которое, прежде всего, обращает на себя внимание любого исследователя - это цвет или окраска минералов . Одни минералы имеют определенный цвет, по которому можно практически безошибочно определить минерал: красного цвета киноварь, золотисто-желтого цвета пирит, зеленого цвета малахит и другие. Другие минералы - турмалин, гранат, флюорит, берилл, кварц - имеют различную окраску.
Встречаются и такие минералы, которые имеют разный цвет в одном и том же кристалле: один конец кристалла турмалина может быть окрашен в черный, другой - в зеленый цвет, а середина бесцветная или розовая. Это полихромные минералы . К таким минералам можно отнести флюорит, кварц, кальцит, топаз и др.
Цвет минералов зависит от их внутренней структуры, от механических примесей и, главным образом, от присутствия элементов-хромофоров, т.е. элементов - носителей окраски. Это Cr, V, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, U, Mo и некоторые другие. Эти элементы могут быть основными элементами минерала ( Cu в малахите; Mn в родоните), а могут входить в состав минерала лишь в виде примесей. Так, примесь Cr вызывает зеленую окраску в изумруде - разновидности берилла Be3Al2[Si6O18] и красную окраску в рубине - разновидности корунда Al2O3.
А.Е.Ферсман выделял следующие цвета (окраски) минералов:
1. Идиохроматическая (собственная) окраска, обусловленная особенностями химического состава, кристаллической структуры, присутствием ионов-хромофоров или электронно-дырочных центров окраски.
2. Аллохроматическая, связанная с механическими включениями ярко окрашенных посторонних минералов (например, буро-коричневый авантюрин - кварц, содержащий тонко рассеянные чешуйки гематита Fe2O3; розовый ортоклаз за счет механической примеси гематита; зеленый шеелит за счет тонко рассеянной примеси малахита по микротрещинам и др.).
3. Псевдохроматическая окраска, связанная с рассеянием света, интерференцией световых волн (побежалость, иризация, опалесценция). Например, яркая фиолетовая и синяя побежалость у борнита Cu5FeS4; зеленоватая и красная побежалость у халькопирита CuFeS2; яркая синяя иризация лабрадора.
Интенсивность окраски зависит от агрегатного состояния и характера поверхности минералов. В крупных кристаллах и грубозернистых агрегатах окраска многих минералов обычно темнее, чем в мелких зернах, тонкозернистых или дисперсных агрегатах.Природа окраски многих минералов до настоящего времени не установлена. Вместе с тем, умение правильно определять и интерпретировать цвет минералов очень важно для геологов. Так, зеленые примазки малахита указывают на наличие первичных медных руд; розовые порошковатые налеты - на руды кобальта; бурые и ржавые окраски гидроксидов железа могут свидетельствовать о наличии зоны окисления рудного месторождения.Важным приемом определения цвета минерала при его диагностике является определение цвета его порошка или цвета черты, оставленной минералом на не глазурованной шероховатой фарфоровой пластинке (бисквите ). Цвет минерала в порошке может отличаться от цвета самого минерала. В тонком порошке часто легче оценить истинную окраску минерала. Однако, это возможно лишь для минералов, твердость которых невелика. Часто одинаковые на вид минералы имеют разную черту. Так, черта гематита вишнево-красного цвета, хромита - желто-бурая, сфалерита - темно-коричневая, хотя все эти минералы в образце могут иметь черную окраску. Напротив, золотисто-желтый пирит имеет черного цвета черту. Это различие используется как важный прием в диагностике минералов .Твердость минералов
Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела.
Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день материалов является ультратвёрдый фуллерит (примерно в 1,17—1,52 твёрже алмаза). Однако этот материал доступен только в микроскопических количествах. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса, см. ниже)
Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения):
1. Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга); единицей твёрдости служит кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — наименование шкалы;
2. Метод Роквелла — твёрдость определяется по глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, бесконечной твёрдости соответствует HR 100; мягкие материалы могут иметь отрицательные значения твёрдости.
3. Метод Виккерса — твёрдость определяется по размеру отпечатка, оставляемого четырёхугольной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь квадрата); единицей твёрдости служит кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;
4. Метод Шора — твёрдость определяется по высоте отскакивания стального шарика от поверхности изучаемого металла или по глубине введения алмазной иглы под действием пружины. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HSD;
5. Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;
6. Шкала Мооса — используется главным образам для указания твёрдости минералов, определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый, и какой материал из десяти стандартных царапается тестируемым.
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, так называемая шкала Мооса (табл.).
| Таблица. ШКАЛА ТВЕРДОСТИ МООСА |
|
| Минерал |
Относительная твердость |
| Тальк |
1 |
| Гипс |
2 |
| Кальцит |
3 |
| Флюорит |
4 |
| Апатит |
5 |
| Ортоклаз |
6 |
| Кварц |
7 |
| Топаз |
8 |
| Корунд |
9 |
| Алмаз |
10 |
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.
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 (так называемой микротвердости) при помощи прибора склерометра, которая выражается в кг/мм2 .
Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, имеющейся аппаратуры и др.
Для инструментального определения твёрдости методом вдавливания используются твердометры. Большим плюсом твёрдости, как характеристики материала является то, что методы определения твёрдости являются неразрушающими и занимают мало времени.
Характеристика алмаза
Алмаз - это кристаллическая модификация чистого углерода, образованная в глубоких недрах Земли, в верхней мантии на глубинах более 80-100 километров, при исключительно высоких давлении и температуре.
Это самый драгоценный камень, самый твердый и износостойкий минерал, самый блестящий и неподверженный времени самоцвет. История алмазов насчитывает тысячи лет, однако и в наше время бриллианты привлекают миллионы людей своей магической красотой.
Во все времена этот завораживающий и уникальный камень притягивал человека. «Он остаётся невредимым в самом сильном огне, это свет солнца, сгустившийся в земле и охлаждённый временем, он играет всеми цветами, но сам остаётся прозрачным, точно капля воды...» - писали об алмазе в древности. Первые упоминания об использовании человеком алмазов относятся к Индии и появились примерно за три тысячи лет до нашей эры.
Греки называли его «адамас» или «адамантос» — непобедимый, несокрушимый, непреодолимый. Римляне — «диамонд»; арабы — «алмас», наитвердейший; древние евреи — «шамир»; индусы называли его «фарий».
Древнерусский литературный памятник, «Изборник» 1073 г., в равной степени использует термины «адамас» и «адамант». А «Хождение за три моря» Афанасия Никитина (1466-1472 г. г.) впервые, и навсегда, «узаконило» в русском языке название «алмаз».
В древней Индии считали, что алмазы образованы из пяти начал природы - земли, воды, воздуха, неба и энергии.
Алмаз, минерал, единственный драгоценный камень, состоящий из одного элемента.
Алмаз – это кристаллический углерод. Углерод существует в нескольких твердых аллотропных модификациях, т.е. в различных формах, имеющих разные физические свойства. Алмаз – одна из аллотропных модификаций углерода и самое твердое из известных веществ (твердость 10 по шкале Мооса).
Другая аллотропная модификация углерода – графит – одно из самых мягких веществ. Исключительно высокая твердость алмаза имеет большое и важное практическое значение. Он широко используется в промышленности как абразив, а также в режущих инструментах и в буровых коронках.
Алмаз кристаллизуется в кубической (изометрической) сингонии и обычно встречается в виде октаэдров или кристаллов близкой формы. При обкалывании алмаза от материнской массы отщепляются обломки минерала. Это становится возможным благодаря совершенной спайности.
Цвет разнообразный. Обычно алмазы бесцветные или желтоватые, но известны также голубые, зеленые, ярко-желтые, розово-лиловые, дымчато-вишневые, красные камни; встречаются и черные алмазы. Алмаз прозрачен, иногда просвечивает, бывает и непрозрачным. Черты алмаз не дает; порошок его белый или бесцветный.
Плотность алмаза – 3,5. Показатель преломления 2,42, самый высокий среди обычных драгоценных камней. Поскольку критический угол полного внутреннего отражения у этого минерала составляет всего 24,5, фасеты ограненного алмаза отражают больше света, чем другие камни с аналогичной огранкой, но с меньшим показателем преломления.
Алмаз обладает очень сильной оптической дисперсией (0,044), вследствие чего отраженный свет разлагается на спектральные цвета. Эти оптические свойства в сочетании с необыкновенной чистотой и прозрачностью минерала придают алмазу яркий блеск, сверкание и игру.
Алмазы обычно люминесцируют в рентгеновских и ультрафиолетовых лучах. У некоторых разностей алмаза люминесценция выражена очень резко. Алмазы прозрачны для рентгеновских лучей. Это облегчает идентификацию алмаза, так как некоторые стекла и бесцветные минералы, например циркон, подчас внешне похожие на него, непрозрачны для рентгеновских лучей той же длины волны и интенсивности.
Люминесценция алмаза обусловлена присутствием в нем примеси азота. Примерно 2% алмазов не содержат азота и не флуоресцируют; обычно это мелкие камни. Исключение составляет «Куллинан» – самый большой ювелирный алмаз в мире (см. рисунок).
Для измерения веса алмазов принят метрический карат, — 0,2 грамма или 200 миллиграммов. Алмазы массой более 15 карат — редкость, массой в сотни карат — величайшая редкость. Некоторые камни получают собственные имена, мировую известность и прочное место в истории. Подробнее об исторических алмазах.
В настоящее время общемировой объем добычи алмазов составляет порядка 130 миллионов карат. Главное использование природных алмазов – в ювелирном деле, но далеко не из каждого алмаза можно сделать бриллиант. Безусловно, ювелирными считаются около 15% добываемых алмазов, еще 45% считаются околоювелирными, т.е. уступают ювелирным по размеру, цвету или чистоте.
Главные производители алмазов – Австралия, Россия, ЮАР и Демократическая Республика Конго, на которые в совокупности приходится более 3/5 мировой добычи алмаза. Другие крупные производители – Ботсвана, Ангола и Намибия.
29-04-2015, 00:55