Во время ремонта или строительства помещения приходится сталкиваться с множеством спорных вопросов. Один из основных – выбор строительных материалов. Нужно оценить плюсы и минусы вашего предпочтения, сравнить с аналогами и принять достойное решение. Огромную популярность у строителей получила минеральная вата, как утеплитель и звукоизоляционный материал.

Утепление стен – это экономное отопление, отсутствие грибков, спасение от плесени и сырости. В летние месяцы хороший утеплитель не дает стенам чрезмерно прогреваться и поддерживает комфортную температуру в помещении.

Что такое минеральная вата?

Минеральная вата – это экономный утеплитель, выполненный из натуральных негорючих материалов. Ее изготовление происходит путем воздействия высокой температуры на базальтовое волокно и металлургические шлаки. Она обладает хорошими противопожарными свойствами, что особенно важно в строительстве домов с печным отоплением и на опасном производстве.

Сфера применения

утепление фасадов и мансарды;

внутреннее утепление стен;

изоляция горячих конструкций на производстве;

в системе отопления, при возведении трубопроводов;в строительстве плоских кровель.

Такое широкое использование возможно, благодаря различным техническим характеристикам минеральной ваты. Она имеет несколько разновидностей, различается по структуре волокон. Каждый вид выделяется своей теплопроводностью и влагоустойчивостью.

Виды минеральной ваты

Стекловата

Ее получают из битого стекла и мелких кристаллических материалов. Стекловолокно отличает хороший коэффициент теплопроводности - 0,030-0,052 Вт/м·К. Длина ее волокон от 15 до 55 мм, толщина – 5-15 микрон. Работа со стекловатой требует предельной осторожности. По своим свойствам она колкая, сломавшиеся нити могут проникнуть в глаза, повредить кожу. Поэтому для работы с материалом требуются перчатки, очки, респиратор. Оптимально нагревать стекловату до 450 градусов, не охлаждать – ниже 60 градусов. Положительные свойства стекловаты – хорошая прочность и упругость, удобная укладка, возможность обрезки.

Шлаковата

Волокна этого изделия из доменных шлаков имеют длину около 16 мм. Высокая гигроскопичность данного сырья не позволяет использовать шлаковату в утеплении фасадов, теплотрассы. Чаще всего ее применяют для утепления нежилых сооружений. Температура нагревания 250-300 градусов. По этим и другим свойствам она уступает другим видам минеральной ваты. Ее основное достоинство – низкая цена, легкий монтаж, надежная звукоизоляция.

Каменная вата

Именно она является самым качественным видом минеральных ват. По размеру ее листы не уступают шлаковолокну. Но она не колкая, очень удобная в работе. У нее довольно высокий коэффициент теплопроводности, нагреть это волокно можно до 1000-1500 градусов. При нагревании выше допустимых градусов она не будет гореть, а только плавиться. Когда мы говорим о современном материале для утепления домов, то имеем в виду как раз этот вид ваты - также ее называют базальтовой.

Внутренне утепление стен

Производство и свойства базальтовой ваты

Немного истории:

Впервые тонкие нити вулканической породы были обнаружены на Гавайях. После извержения вулкана ученые обратили внимание на интересные находки. Раскаленная лава взлетала ввысь, а ветер вытягивал породы в тонкие нити, которые застывали и превращались в комки, похожие на современную минвату.

Производство базальтового утеплителя

Благодаря термической обработке на довольно высоких температурах, материалы горных пород превращаются в волокнистый материал. После чего в них добавляют связывающие компоненты и пускают под пресс. Далее волокно попадает в камеру полимеризации, где и превращается в твердый продукт.

Базальтовый утеплитель может иметь высокую плотность, что дает изделию дополнительную жесткость и хорошее сопротивление нагрузкам. Пористая структура помогает поглощать ударные шумы. При производственном процессе можно получить вату различной структуры. Более гибкую используют в трубопроводах, полужёсткой утепляют дома, а жёсткая структура незаменима на производстве.

Свойства минеральной ваты из базальта:

звукоизоляция;

высокая теплоизоляция;

безопасность;

влагоустойчивость;

долговечность;

абсолютная негорючесть.

Базальтовое волокно выпускается в рулонах и плитах. Оно очень легкое и удобное для резки.

Обратите внимание!

В последнее время большой популярностью у строителей пользуется фольгированный тип изделия. Благодаря фольге получается повышенный уровень теплосбережения. Она подходит для утепления любых поверхностей, именно такой материал используют для вентиляционных и холодильных систем.

Марки

В заводских условиях можно получить продукт различной плотности. Именно по этому свойству можно выделить несколько марок минеральной ваты.

Марка П-75

Имеет плотность – 75 кг на кубический метр. Изделие небольшой плотности используется там, где не нужно выдерживать серьезную нагрузку. Например, для утепления некоторых кровлей, чердачных помещений. Также вату этой марки используют для труб тепломагистралей.

Схема утепления чердака

Марка П-125

Со своей плотностью 125 кг на кубический метр подходит для утепления пола и внутренних стен. Материал имеет неплохую защиту от шума, поэтому это идеальная минеральная вата для звукоизоляции.

Марка ПЖ-175

Материал с высокой плотностью и хорошей жесткостью. Незаменим там, где нужно утеплить перекрытия из железобетона или металла.

Марка ППЖ – 200

Обладает самой высокой жесткостью, о чем говорит указанная аббревиатура. Так же, как и ПЖ-175 используется для теплоизоляции стен из листового металла. Но, кроме этого, эту марку стоить применять там, где есть повышенная вероятность пожароопасной ситуации.

Фасадная минеральная вата

Чаще всего минеральную вату используют для утепления фасадов. Все вышеперечисленные свойства базальтового волокна существенно превосходят тот же пенопласт. Именно этот материал непросто удерживает тепло, но и помогает воздуху проникать к стенам. Особое внимание стоит уделить самому выбору изделия и монтажу конструкций.

Утепление фасада

Важно: Лучше приобретать изделия в форме плит, что значительно упростит их укладку. Плотность материала не должна быть менее 140 кг / куб.метр. Ширина самой плиты – 10 см.

Минеральная вата и вред для здоровья

Пессимистические настроения о том, что использование минеральной ваты наносит серьезный вред здоровью, основаны на технических характеристиках минеральной ваты прошлых поколений. Действительно, постоянная работа со стекловатой была очень опасна для легких. Сегодня эта продукция применяется очень редко. Современное базальтовое волокно производят, используя качественное сырье, уделяя весомое значение технологическому процессу. При соблюдении всех санитарных норм, связывающие вредные вещества - фенол и формальдегид практически теряют свои негативные свойства для окружающей среды.

Чтобы быть уверенными в безопасности материла, нужно уделять внимание выбору производителя. Если каменная вата добывается подпольными организациями, без соблюдения ГОСТов и необходимых технических условий, то нет никакой гарантии, что действия фенола не отразится на здоровье окружающих.

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.

Минералы — природные химические соединения или само-родные элементы, встречающиеся в земной коре. Из минералов состоят горные породы (грунты) и почвы, непосредственно находя-щиеся у нас под ногами. Распространение минералов крайне не-равномерно. Известно около 3000 минералов, широкое распростра-нение среди них имеет всего около 50. Эти минералы названы по-родообразующими. Если рассматривать отдельные геологические провинции, например, центральную часть Русской равнины, то по-родообразующих минералов на поверхности земли здесь еще меньше — около 20 .

В целом химических соединений значительно больше, чем ми-нералов, но они в большинстве представляют собой вещества, по-лучаемые искусственно. В последнее время минералами стали на-зывать дополнительно еще два класса веществ:

• то, что раньше было принято называть минеральными веще-ствами, — неорганические соединения, присутствующие в пи-щевых продуктах, лекарствах, косметике;
• компоненты, образующиеся в процессе изготовления строи-тельных материалов, — кирпича, бетона, керамики и т.д.

Минералы бывают в основном твердыми, значительно реже жидкими (подземные воды) и газообразными (радон, метан). Среди твердых минералов преобладают кристаллические, аморфные и коллоидные (встречаются реже). По внешнему виду минералы очень разнообразны и обладают большим количеством особен-ностей. Одно и то же сочетание химических элементов может крис-таллизоваться в различные структуры и образовывать различные минералы — это явление называется полиморфизмом. Например, модификации углерода (С) дают графит и алмаз; сульфид железа (FS 2) образует два минерала — пирит и марказит, карбонат кальция СаС0 3 — минералы кальцит и арагонит.

Минералы бывают изотропными и анизотропными: изотропные одинаковы по свойствам во всех направлениях, а анизотропные различны в непараллельных направлениях.

По происхождению минералы принято подразделять на эндо-генные (глубинные) и экзогенные (образовавшиеся на поверх-ности; к ним же относятся минералы, образовавшиеся на дне моря). Многие минералы могут иметь как эндогенное, так и экзогенное происхождение. С фактором происхождения не следует объединять фактор присутствия минерала в породе — многие эндогенные ми-нералы далее слагают осадочные (экзогенные) породы или присут-ствуют в них (например, кварц, имеющий магматическое или мета-морфическое происхождение, образует пески или песчаные и пы-леватые фракции и является существенной составной частью осадочных глинистых пород).

Диагностика минералов

Минералы обладают различными свой-ствами, одни из которых могут определяться визуально, другие — при помощи специальной аппаратуры. Свойства, определяемые визуально или с помощью простейших приспособлений (соляной кислоты, лупы, ножа, шкалы твердости), называют внешними, а соответствующую диагностику — макроскопической. Обычно ее вполне достаточно, чтобы определить названия породообразующих минералов и сложенных ими пород и в предварительной, оце-ночной форме судить о свойствах геологической среды.

К внешним свойствам минералов, определяемым макроскопи-чески, относятся: форма выделения, окраска, цвет порошка (черта), блеск, излом, спайность, твердость, удельный вес и некоторые особые свойства.

Форма выделения

Наиболее распространенные формы — крис-таллические, землистые и аморфные массы. Кристаллы называют изометричными, если они примерно одинаково развиты по всем трем направлениям. Вытянутые в одном направлении кристаллы называют столбчатыми, призматическими, игольчатыми, а вытяну-тые в двух направлениях — таблитчатыми, пластинчатыми, листо-ватыми. Прочие формы — это щетки (жеоды), конкреции и секре-ции, псевдоморфозы (окаменелости), оолиты и др..

Один минерал может иметь различные формы выделения, со-храняя при этом"неизменными прочие свойства.

Окраска

Окраска — цвет минерала. В природе имеются минералы, обла-дающие как какой-либо одной окраской, так и различными окрас-ками. Графит всегда темно-серый, а полевой шпат может иметь цвет от белого до черного — розовый, красный, серый, зеленый, коричневатый.

Цвет порошка (черта)

Как правило, цвет минерала имеет более темный оттенок, чем цвет минерала в порошке. Многие цветные минералы имеют белый порошок. Порошок получают посредством черчения образцом по фарфоровой пластинке — отсюда название свойства — черта. При черчении по фарфору получается идеальный порошок, тонким слоем лежащий на белом фоне. Про минералы с твердостью больше, чем у фарфора (> 6,5), говорят, что они черты не дают. Некоторые минералы хорошо диагностируются с по-мощью черты (например, черная роговая обманка имеет темно-зе-леную черту, черный лабрадор (полевой шпат) — белую или светло-серую, темно-серый гематит — вишневую).

Формы выделения минералов (схемы)

а — вытянутые кристаллы; б — плоские; в — изометричные; г — кристаллическая масса (порода); д — окаменелость (псевдоморфоза); е — дендрит; ж — почковидная натечная форма; з — сталактиты; и — сталагмиты; к — конкреция; л — секреция; м,н — оолиты; о — щетка (друза, жеода); п — роза (розетка)

Блеск

Блеск — это свойство минералов, как и всех предметов, отражать, преломлять, поглощать лучи света, а также наше восприятие отра-женного света. Блеск минерала следует определять по тем местам, где он блестит ярче всего — по поверхностям свежего скола (при необходимости скол надо получить). У одного минерала может на-блюдаться различный блеск (например, у пластинчатого гипса — стеклянный и перламутровый; у кварца — жирный на сколах и стек-лянный на выросших гранях). Назовем виды блеска, расположив их в списке по мере убывания интенсивности отраженного света.

• металлический. Минералы похожи на металлические пред-меты;
• полуметаллический, алмазный смоляной. Это яркие виды блеска; минералы, обладающие ими, довольно редки в природе, многие являются ценными полезными ископаемыми, но вряд ли будут встречаться при работах в области природообустройства;
• жирный. Поверхность минерала производит впечатление по-крытой тонким слоем масла. Чаще наблюдается у минералов, имеющих неровную поверхность, например, у кварца и опала;
• перламутровый. Наблюдается на ровных гладких поверх-ностях, дает легкий цветной отлив (примеры: тальк, в меньшей сте-пени гипс, слюды);
• стеклянный. Наблюдается на ровных гранях многих мине-ралов. Блестит одновременно вся поверхность (примеры: кальцит, ангидрит, полевые шпаты);
• шелковистый. Наблюдается у минералов с игольчатым из-ломом, когда поверхность скола напоминает длинные нитки блес-тящей капроновой ткани (примеры: асбест, роговая обманка, во-локнистый гипс);
• . матовый (слабый, тусклый). Поверхность даже на свежем сколе блестит слабо (примеры: кремень, халцедон, фосфорит в кон-крециях);
• минералы без блеска (примеры: фосфорит в землистых массах, монтмориллонит, каолинит).

Излом

Излом — форма поверхности минерала, получающаяся при раз-ламывании образца. Излом одного и того же образца можно оха-рактеризовать несколькими словами, которые без противоречия будут дополнять друг друга. Например, излом лимонита землистый и неровный одновременно, излом сахаровидного гипса зернистый и неровный у всего образца и ступенчатый, если присмотреться к кристаллам. Некоторые виды излома, поддающиеся схематич-ному изображению, представлены ниже.

Некоторые виды излома (схемы)

а — ступенчатый в кристалле; б — ступенчатый в кристаллической массе; в — игольчатый в кристаллической массе; г — крупнозернистый; д — раковистый

Виды излома:

• ступенчатый. Легко определяется у одиночных кристаллов, имеющих плоскости излома, например, у кальцита и слюд. Сложнее бывает увидеть ступенчатый излом у кристаллов внутри кристалли-ческих масс. В таких случаях следует найти кристаллы и обратить внимание на небольшие плоскости у них, в то время как весь об-разец будет производить впечатление неровного или зернистого, как, например, у лабрадора или доломита;
• игольчатый (занозистый, волокнистый). Похож на излом древесины или какого-то волокнистого материала; наблюдается у роговой обманки, асбеста;
• зернистый (сахаровидный). Наблюдается у минералов с мел-кокристаллической формой выделения; кристаллы еще видны, а их излом виден уже плохо (примеры: ангидрит, мелкокристаллический апатит);
• землистый. Наблюдается у минералов с негладкой поверх-ностью, у которых кристаллы не видны из-за малых размеров. Об-разцы похожи на сухую землю, не имеют блеска, часто пачкают руки (примеры: лимонит, фосфорит, глинистые минералы);
• раковистый. Чаще наблюдается у аморфных минералов. По-верхности излома блестящие, выпуклые или вогнутые, гладкие,
  с острыми краями, что использовалось древними людьми при изго-товлении инструмента и оружия (примеры: кремень, халцедон, об-сидиан, кварц);
• неровный. Минерал при раскалывании образует непра-вильные, незакономерные поверхности (примеры: мелкокристал-лический кварц, фосфорит).

Спайность

Спайность — это способность кристаллических минералов рас-калываться по особым направлениям кристаллической решетки. У предметов, окружающих нас в повседневной жизни, это свойство не наблюдается. За счет спайности при раскалывании минералов могут образовываться плоскости, иголки или волокна. Спайностью обладает большинство кристаллических минералов и не могут об-ладать аморфные минералы. Поверхности спайности не следует пу-тать с гранями, образовавшимися при росте кристалла. Спайность хорошо видна в крупных кристаллах (пример: слюда или полевой шпат). В разбитых образцах крупнокристаллических масс спай-ность определяется уже потому, что видны сами кристаллы — каждый дал свою плоскость, отличную от соседней.

Схема спайности

а — крупный кристалл расколется только по трещинам, параллельным граням; б — в кристаллической массе хорошо видны сколы, проходящие по плоскостям спайности

Спайность бывает различной. Она может проявляться очень хорошо, как у слюды, и отсутствовать, как у кристаллов кварца. По степени совершенства выделяется пять видов спайности: весьма совершенная, совершенная, средняя, несовершенная, весьма несо-вершенная (спайности фактически нет). Если спайности нет, часто бывает невозможно понять, где закончился один кристалл и на-чался следующий. Спайность совсем не видна у минералов, пред-ставленных землистыми массами. В этом случае она определяется под микроскопом, а данные публикуются. Вследствие анизотро-пии кристаллов даже внутри одного минерала спайность может проявляться по-разному, например, полевой шпат имеет совер-шенную спайность по двум направлениям и среднюю — по треть-ему. Слюды имеют весьма совершенную спайность в одном направлении и не имеют ее по двум другим.

Кристалл слюды

Спайность в одном направлении, по двум другим направлениям спайности нет, слюда разрывается наподобие листа бумаги. Выросшие грани не учитываются.

Как можно понять из сказанного, спайность довольно тесно свя-зана с изломом. Она имеется у минералов со ступенчатым, игольча-тым и крупнозернистым изломом и отсутствует у минералов с ра-ковистым изломом. О спайности минералов с мелкозернистым, землистым, неровным изломом следует читать в справочниках.

Плотность (удельный вес)

Определяется она на глаз. Боль-шинство минералов имеет плотность 2,5—3,5 г/см 3 . Плотность по-могает узнать легкие породы — трепел, опоку, диатомит, высохшую глину, так как у них плотность менее 2,0 г/см 3 , у тяжелых мине-ралов плотность более 4 г/см 3 .

Твердость

Твердость — сопротивление поверхности материала царапанью, резанию, вдавливанию, истиранию. Это очень удобное свойство для простейшей диагностики минералов. У минералов постоянная твердость. Образец всегда можно попробовать поцарапать ногтем,

ножом, кусочком стекла. Можно также острым углом образца по-царапать другие материалы.

В геологической практике при простейшей диагностике принято сравнивать рассматриваемый образец с минералами-эталонами путем царапанья их друг о друга. В качестве эталона используется шкала немецкого геолога Фридриха Мооса. Шкала в условных еди-ницах имеет размах от 1 до 10.

Твердость минералов

Шкала Мооса			твердости	Заменители шкалы Мооса
Твердость		Минерал		Материалы	Твердость замени- теля
Относи- тельная	кг/см 2
		Тальк	Мягкая	Мягкий карандаш
		Гипс		Ноготь	2,0-2,5
		Кальцит		Бронзовая мо-нетка	2,5-4,0
		Флюорит		Железный гвоздь	4,0-4,5
		Апатит		Стекло
		Полевой шпат (микроклин, ортоклаз, альбит, анортит)	Твердая	Обычная сталь, лезвие бритвы	5,0-6,0
	1120	Кварц		Инструменталь-ная сталь	7,0-7,5
	1427	Топаз	Очень твердая
	2060	Корунд
	10 060	Алмаз

С помощью шкалы Мооса удается измерить твердость мине-ралов с точностью до 0,5 или 1. Полученный результат объявляется, например, так: доломит имеет твердость 3,5.

Особые свойства. Сюда относятся необычные свойства, име-ющиеся лишь у отдельных минералов.

1. Реакция с кислотами. В нее вступают кальцит, доломит и другие карбонаты: СаС0 3 (кальцит) + 2НС1 (соляная кислота) —> СаС1 2 + Н 2 0 + С0 2 .
2. Запах при трении. Его может иметь фосфорит.
3. Соленый вкус имеет галит (NaCl), горький вкус — сильвин (КС1).
4. Восприятие на ощупь. Жирными, скользкими могут быть тальк и каолинит.
5. Иризация — появление красивого синего отблеска на сколах спайности лабрадора.
6. Магнитность. Проверяется по реакции стрелки компаса. Ею обладают некоторые минералы, содержащие железо, кобальт, никель.
7. Двойное лучепреломление. Некоторые прозрачные минералы раздваивают изображение. Хорошо видно, если положить такой об-разец на текст и смотреть сквозь него.

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.

ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ МИНЕРАЛОВ

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее руководство призвано оказать помощь студентам, изучающим краткий курс инженерной геологии, в самостоятельной работе по определению минералов. Определитель составлен в форме таблицы, что упрощает выбор минерала, соответствующего набору определенных студентом свойств. Свойства минералов и характеристика классификационных групп приведены в специальных разделах.

1. Определение блеска минерала.

2. Определение твердости.

3. Определение цвета черты.

4. Выбор подходящих минералов по вертикальным графам определенных свойств пунктов 1, 2, 3.

5. Идентификация посредством определения прочих свойств по горизонтальным строкам определителя.

В конце пособия помещен алфавитный указатель описанных в нем 116 минералов и приведены их формулы.

I. СВОЙСТВА И ГЕНЕЗИС МИНЕРАЛОВ

Основные свойства минералов

Минералы – относительно конкретные и достаточно устойчивые химические соединения и самородные элементы, характеризующиеся строго постоянным внутренним строением. Обычно к минералам относят природные образования, возникшие в результате физико-химических процессов в недрах и на поверхности земной коры. Однако к ним нельзя не отнести и выращиваемые в лабораториях и на заводах драгоценные камни, минеральные образования, получаемые при моделировании геологических процессов, жемчуг, выращиваемый как аквакультура.

На сегодня известно до 4000 минералов. Разумеется, существуют различные их систематики. В пособии использован принцип, базирующийся на выделении классов, подклассов, групп дробных химических классификационных единиц. Деление на основе химической конституции отражает многие свойства минералов, позволяющие их диагностировать. В определителе приведены основные свойства наиболее типичных представителей самородных элементов, сульфидов, сульфатов, галоидов, фторидов, фосфатов, карбонатов, окислов и силикатов.

Основные свойства присущи всем минералам, поэтому диагностика основывается на различиях в характеристиках этих признаков. Кроме того, диагностике помогают дополнительные признаки, отражающие специфические свойства, присущие далеко не всем, и даже единственным в своем роде, минералам, но позволяющие быстро и однозначно идентифицировать их. В определителе учтены как основные (химизм, строение, минеральные агрегаты, твердость, плотность, спайность, излом, цвет, черта, блеск, генезис), так и дополнительные (магнитные и электрические свойства, гигроскопичность, запах, вкус, горючесть, упругость, ковкость, радиоактивность) свойства и приведены сведения относительно практического использования минералов.

Строение минералов. В природе существуют твердые, жидкие и газообразные минеральные образования. Твердые минералы могут быть кристаллическими и аморфными. Кристаллические состоят из множества одинаковых структурных элементов, образующих упорядоченную пространственную (кристаллическую) решетку. Различают атомный, ионный и молекулярный типы решеток, которые определяют анизотропность (различные свойства), изотропность (одинаковые свойства) кристаллов и их способность самоограняться. Кристаллы – как природные, так и искусственные – имеют форму многогранников. Они могут быть изотропными и анизотропными. Аморфные минералы всегда изотропны. Способность веществ при одинаковом химическом составе кристаллизоваться в разных формах называется полиморфизмом (многоформностью). Например: алмаз и графит, пирит и марказит, кальцит и арагонит. Разная структура полиморфных разновидностей объясняет их различные свойства. Некоторые вещества разного химического состава могут образовывать сходные кристаллографические формы. Такие вещества могут создавать смешанные формы, содержащие исходные компоненты в разной пропорции. Это явление называется изоморфизмом , а смеси именуются изоморфными. В качестве примера можно назвать полевые шпаты, изоморфный ряд которых формируется при смешивании альбитовой и анортитовой молекул.

В природных условиях чаще всего вырастают не вполне правильные кристаллические формы, имеющие некоторые дефекты, но при любых изъянах углы между соответствующими гранями кристаллов одного и того же вещества остаются одинаковыми и постоянными. Этот закон постоянства гранных углов дает возможность устанавливать идеальную форму кристаллов и точно диагностировать мельчайшие минеральные зерна.

Разная степень симметрии кристаллов объясняется различными комбина-циями плоскостей, осей центров и симметрии в них. Таких комбинаций может быть 32, и называются они классами (или видами) симметрии. Последние объединяются в 7 систем, или сингоний : кубическую, тетрагональную, гексагональную, ромбическую, тригональную, моноклинную и триклинную. Кубические кристаллы обладают высшей симметрией: их простейший элемент – куб, они изотропны. Кристаллы гексагональной, тетрагональной и тригональной сингоний характеризуются средней симметрией. Они имеют столбчатый, шестоватый, игольчатый, листоватый, таблитчатый, пластинчатый габитус (облик) и шести-, четырех- и трехгранные сечения (соответственно), перпендикулярные длинной оси. Анизотропность выражается в различии основных свойств по длинным и коротким осям. Ромбическая, моноклинная и триклинная сингонии относятся к низшей группе симметрии. Им свойственны весьма разнообразные формы с анизотропными свойствами. У ромбических кристаллов сечение, перпендикулярное длинной оси, имеет форму ромба.

Природные минеральные формы (скопления). Природные скопления минеральных зерен, или кристаллов, принято называть минеральными агрегатами. Они могут быть моно- и полиминеральными, т.е. состоять из одного или нескольких минералов. Форма минеральных агрегатов зависит от их состава и условий формирования.

Группа кристаллов, наросших на общем основании, образует друзу. Друза с ориентированными в одном направлении мелкими сросшимися кристаллами называется щеткой. Эти формы образуются при кристаллизации минералов в пустотах горных пород (кварц, кальцит, гипс). Тот же генезис имеют секреции – минеральные образования, частично или полностью выполняющие полости и растущие от периферии к центру. Секреции могут образовывать как аморфные (халцедон), так и кристаллические (кварц, кальцит) минералы. Крупные секреции именуют жеодами , мелкие – миндалинами.

Желваковые образования, возникшие в рыхлых осадочных образованиях на дне древних и современных водоемов как результат стяжения минерального вещества вокруг инородных центров кристаллизации, именуются конкрециями . Конкреции растут от центра к периферии, по строению могут быть радиально-лучистыми и концентрическими. Их формы и размеры весьма различны. Мельчайшими конкрециями являются оолиты (кальцит, арагонит, фосфорит, кремень, сидерит, железомарганцевые конкреции дна современного океана).

В пустотах, в том числе и в пещерах, широко распространены натечные формы. Они могут иметь самый различный размер и состав (кальцит, малахит, глинистые минералы, лед и т.д.). Это прежде всего сталактиты, сталагмиты и сталагнаты, почковидные и гроздевидные образования пещер.

При быстрой кристаллизации в мелких трещинах и глине солей, выпадающих из подземных вод, образуются тонкие ветвистые древовидные образования – дендриты . Наиболее часто обнаруживаются дендриты самородной меди, железистых и марганцевых соединений и т.п.

Минеральные агрегаты неупорядоченных зерен и кристаллов делят на крупно- (более 3 мм), средне- (1–3 мм) и мелкозернистые (менее 1 мм). Облик их может быть не только зернистый (кристаллический), но и пластинчатый, листоватый, шестоватый, полосчатый, волокнистый, оолитовый и т.д. Именно характер минеральных агрегатов определяет структурно-текстурные признаки горных пород. Агрегаты неразличимых под лупой зерен именуют скрытокристаллическими ; мягкие, пачкающие руки, напоминающие рыхлые почвы – землистыми (каолин, боксит, лимонит и т.д.).

Ложные формы, не соответствующие истинному габитусу слагающего их вещества, называются псевдоморфозами. В соответствии с генезисом различают псевдоморфозы превращения, или метаморфозы , как, например, образование лимонита по пириту; вытеснения (халцедона, кремня по кальциту), выполнения (опала, лимонита по дереву).

Физические свойства минералов определяют набор его основных признаков, к которым следует относить: твердость, плотность, спайность, излом, цвет, черту, блеск.

Твердость , или сопротивление разрушению при диагностике определяют царапанием одного минерала другим. Таким способом выясняют, какой минерал тверже, т.е. определяют относительную твердость. Определения производятся по 10-балльной шкале Ф. Мооса, состоящей из 10 минералов, в которой каждый последующий минерал на балл тверже предыдущего и поэтому царапает его. Ниже приведена шкала Ф. Мооса с некоторыми практическими рекомендациями.

1. Тальк (скоблится ногтем).

2. Гипс (царапается ногтем).

3. Кальцит (скоблится ножом).

4. Флюорит (легко царапается ножом).

5. Апатит (трудно царапается ножом).

6. Ортоклаз (трудно царапается стеклом).

7. Кварц, (не царапаются стеклом).

8. Топаз, (оставляет царапину на ноже и стекле).

9. Корунд, (оставляет царапину на ноже и стекле).

10. Алмаз, (оставляет царапину на ноже и стекле).

При определении твердости не следует путать царапину с чертой. С черты пыль породы бесследно стирается пальцем. Надо помнить, что анизотропные минералы имеют разную твердость по различным направлениям, а скрытокристаллические, пористые и порошковатые массы всегда мягче кристаллов с хорошей огранкой (охра гематита – 1, кристалл гематита – 6).

Плотность (удельный вес) – всегда отражает химический состав и структуру минерала. Ее определяют приблизительно, “взвешивая” минерал на ладони. Обычно выделяют три весовые категории: легкие (до 3 г/см 3), средние (3–4 г/см 3) и тяжелые (более 4 г/см 3) минералы. При удельном весе более 10 г/см говорят об очень тяжелых минералах. К ним относят самородные золото, серебро, платину, ртуть. Самый тяжелый минерал, известный на Земле, – осмистый иридий, имеющий плотность 23 г/см 3 . Большая часть минералов, слагающих земную кору, – это легкие и средние минералы.

Спайность – это способность минералов раскалываться (расщепляться) по параллельным ровным блестящим поверхностям, именуемым плоскостям спайности. Спайность – свойство исключительно кристаллических минералов. Плоскость спайности соответствует грани кристалла. Выделяют следующие виды спайности:

Весьма совершенная – минерал легко расщепляется на листочки, пластинки (слюды, тальк, пластинчатый гипс);

Совершенная – при ударе молотком образуются обломки, ограниченные плоскостями спайности (кальцит, галит);

Средняя – обломки ограничены как плоскими, так и неровными границами (ортоклаз, авгит);

Несовершенная – плоскости спайности обнаруживаются редко (апатит, оливин);

Весьма несовершенная – плоскости спайности практически отсутствуют (кварц, пирит, магнетит).

Излом – поверхности раскола, ориентированные вопреки спайности. Различают раковистый (халцедон, кремень, кварц), занозистый (селенит, асбест), зернистый (горные породы), землистый (боксит, лимонит, ступенчатый (ортоклаз, галенит) и др. поверхности излома.

Цвет нельзя считать основным диагностическим признаком минералов, ибо он переменчив и зависит от многих факторов. Это и структурные особенности, и присутствие красителей (хромофоров), механических примесей, трещин и пустот. Цвет контролируется и такими параметрами среды, как температура, влажность и т.д. Восприятие цвета глазами также не однозначно. Однако ряд минералов имеет постоянную окраску. Например, галенит всегда серый, киноварь – красная, малахит – зеленый, лазурит – синий и т.д. Примеси же, обусловливающие различия в окраске и оттенки, очень часто дают информацию о химическом составе. Например, в группе гранатов магниево-алюминиевый пироп – темно-красный, кальциево-алюминиевый гроссуляр – светло-зеленый, кальциево-железистый андрадит – буровато-зеленый и т.д. (см.: Определитель. “Гранаты”, № 75). Описывая цвет минерала, следует охарактеризовать основной цвет, его глубину и оттенок. Например: темно-серый с голубоватым оттенком (для молибденита). В минералогии зачастую используют нестандартные характеристики цвета типа: “кошенильно-красный”, “фисташковый”, “латунно-желтый”, “соломенно-желтый” и т.д. Однако, несмотря на образность таких определений, лучше применение их свести до минимума.

Черта (цвет черты) – это след, который остается на неглазурованной фарфоровой пластинке (бисквите), если чертить по ней минералом. В ряде случаев он совпадает с цветом минерала в куске (киноварь, магнетит, малахит и т.д.). Но многие минералы характеризуются резкими отличиями в цвете черты и куска (пирит, гематит). Черта – более постоянный, нежели цвет в куске, диагностический признак.

Цвет и черту следует определять в свежем изломе.

Блеск отражает как внутреннее строение, так и характер отражающей поверхности минерала. Легко различаются минералы с металлическим блеском. Минералы с металлическим и металловидным блеском чаще всего имеют черную или очень темную черту (магнетит, галенит, графит); минералы с белой и цветной чертой обычно обладают неметаллическим блеском (гипс, сера, киноварь). В группе минералов с металлическим блеском исключение представляют: самородное золото, медь, серебро, платина, халькопирит и блеклые руды. Имея металлический блеск, они дают цветную черту: золото – зеленоватую, серебро – серебряно-белую, медь – медно-красную, халькопирит – зеленоватую, блеклые руды – темно-бурую. Неметаллический блеск разделяют на: полиметаллический (минерал имеет блеск металла, но черта и порошок у него цветные), алмазный, стеклянный, жирный, шелковистый, перламутровый, матовый и т.д.