Stanovení tvrdosti minerálu

Mohs Hardness Set

Tvrdost minerálu je definována jako relativní schopnost minerálu odolávat poškrábání nebo oděru. První pokus o kvantifikaci tvrdosti minerálu, o kterém existují nějaké záznamy, učinil v roce 1812 německý geolog a mineralog Friedrich Mohs. Vybral deset relativně běžných minerálů, jejichž tvrdost se pohybovala od nejměkčího známého minerálu, mastku, po nejtvrdší, diamant. Mohsovu stupnici používají amatérští i profesionální mineralogové,geologové a sběratelé. Mohsova stupnice a její použití při testování vlastností minerálů je předmětem tohoto článku.
Metalurgové používají penetrační tvrdost (Vickersovu, Knoopovu atd.), která se získává zatlačením diamantového hrotu do rovného povrchu pod známým zatížením a změřením plochy vtisku. V odborných pracích z mineralogie se často uvádí Vickersova tvrdost aplikovaná na minerály, v takovém případě se považuje za tvrdost krystalové deformace.
Mohs vynalezl pořadovou stupnici od jedné do deseti, přičemž každá číslice je definována tvrdostí určitého druhu minerálu. Přestože se jedná o dobrou aproximaci, absolutní rozdíly v tvrdosti mezi jednotlivými ordinálními hodnotami nejsou stejné. Při srovnání s Knoopovou stupnicí je každý následující indexový minerál 1,2 až 2,7krát tvrdší než předchozí. Jediná významná výjimka je mezi tvrdostí korundu a diamantu. Diamant je téměř pětkrát tvrdší než korund.

Protože Mohsova stupnice je stupnicí pořadovou, neexistují žádné mezihodnoty. Proto se často setkáte s hodnotami jako 3½ nebo 5½. Taková označení neznamenají, že tvrdost je na půli cesty mezi 3 a 4 nebo 5 a 6. Místo toho sběratel nebo mineralog říká, že tvrdost je větší než 3, ale menší než 4; nebo podobně větší než 5, ale menší než 6. Neměli byste se pokoušet uvádět jakákoli jemnější měření, protože to nemá smysl. Je to sice jemná poznámka, ale tvrdost mezi 8 a 9 by se měla psát jako 8½ a ne jako 8,5. Desetinný zlomek naznačuje spíše spojitý rozsah než diskrétní pořadové hodnoty.

Nástroje, které budete potřebovat

Sadu indexů tvrdosti minerálů lze zakoupit, ale většina z nich je natolik běžná, že si můžete sestavit vlastní sadu. V ideálním případě by každý kus měl mít rozměry přibližně 2 x 2 x 3 cm. Štěpné plochy jsou ideální ke škrábání, rohy jsou dobré k výrobě škrábanců, takže štěpné bloky jsou výborné, pokud je to možné. Když nejsou, vyberte si křišťál. Je nutné použít pouze prvních devět indexových minerálů, protože víte, že diamant poškrábe všechny ostatní minerály. Malá krabička rozdělená na devět přihrádek poskytuje užitečný úložný prostor.

Lze zakoupit sadu držáků ve tvaru tužky s ostrými hroty, každý s jedním z Mohsových minerálů. Jsou vynikající pro zkušební poškrábání neznámého, ale jak bude uvedeno později, je třeba také zjistit, zda neznámý minerál může poškrábat indexový minerál. To u některých sad hrotů není možné. Sada tvrdoměrných bodů a zkušebních ploch MineralLabs umožňuje kompletní protokol. Držáky hrotů jsou ocelové držáky tužkového typu a k hrotům se dodává karborundový brusný kámen pro případné přebroušení. Žádný z hrotů není minerální. Sádra je nahrazena plastem stejné tvrdosti. Kalcit je nahrazen mědí. Hroty 4 až 9 jsou všechny z ocelových slitin správné tvrdosti, aby odpovídaly minerálům, které nahrazují. Tyto hroty jsou užitečné, zejména u malých vzorků.
Pro přesné přiblížení postačí kapesní nůž (H=5 až 5½), délka měděného drátu (H=3), úlomek křemene (H=7), malý kousek měděného plechu (H=3), čtvereček, pokud je okenní sklo (H=6½), a podložka pod blatník z lesklé oceli (H=5). Dalším, co máte vždy u sebe, je nehet (H=2 až 2½). Jejich použití před použitím hrotů nebo sady tvrdoměrů šetří jejich opotřebení. Nevýhodou je, že při zpřesňování odhadu vyžaduje obrácení se na sadu tvrdoměrů provedení druhého škrábance.

Provedení &pozorování škrábance

Při výběru místa pro provedení škrábance na nedávno získaném cenném exempláři zvolte poměrně hladký, ale nenápadný povrch, nejlépe na zadní nebo spodní straně kusu. Nechcete přece zničit skvělou křišťálovou plochu ošklivým šrámem.
Pokud nemáte představu, jaká by mohla být tvrdost, začněte uprostřed… zkuste číslo 5. Zde se hodí kapesní nůž, malá délka měděného drátu apod. Umožní vám zjistit přibližnou hodnotu, aniž byste si zničili lepší nástroje.
Při vytváření rýhy nakreslete hrot jen asi na 3 mm. A použijte lupu. Škrábanec o průměru 3 mm je stejně dobře viditelný jako škrábanec o průměru 3 cm. Zpočátku použijte lehký tlak, ale pokud to nepřinese žádný efekt, zvyšte tlak na pevný. Po vytvoření „škrábance“ jej otřete prstem nebo vatovou tyčinkou, abyste se ujistili, že jde skutečně o škrábanec, který nařízne povrch, a ne pouze o křídovou stopu na něm. Pokud je to možné, přejeďte po škrábanci nehtem, abyste zjistili, zda se jedná o naříznutý škrábanec, nebo pouze o zbytkovou stopu.
Při použití stylií (hrotů) držte stylii přibližně pod úhlem 45o až 60o k povrchu minerálu a kreslete ji směrem k sobě.
Pokud hrot na apatitu (H=5) nepoškrábe váš vzorek, zkuste živec (H=6). Pokud živec váš vzorek nepoškrábe, zkuste křemen (H=7). Pokud křemen vytvoří škrábanec, je důležité zkusit křemen poškrábat nenápadným bodem na vzorku.

Ačkoli je tvrdost většiny minerálů ve všech směrech téměř stejná, existují malé rozdíly. Pokud to tedy váš vzorek dovoluje, vyzkoušejte, aniž byste ho znehodnotili, škrábance v různých směrech (podél krystalu a příčně). Nejznámějším minerálem s rozdílnou tvrdostí je kyanit. Jeho tvrdost rovnoběžně s délkou krystalu je 5½, zatímco kolmo na délku je tvrdost 7. U diamantů je osmistěnný povrch nejtvrdší a bez rozdílů ve směrové tvrdosti by diamant nebylo možné vybrousit.

Interpretace výsledků

Řekněme, že váš vzorek neznámého minerálu nebyl poškrábán živcem (H=6), byl poškrábán křemenem (H=7) a sám poškrábal křemen. Pak neznámý minerál musí mít tvrdost stejnou jako křemen; neboli H=7.
Pokud váš neznámý vzorek nebyl poškrábán živcem (H=6), byl poškrábán křemenem (H=7) a sám křemen nepoškrábal. Pak jeho tvrdost musí být menší než křemene, ale větší než živce ( 6 < H < 7). Tato hodnota se často vyjadřuje jako 6½, což znamená „mezi“ 6 a 7.
Pokud index poškrábe neznámou, poškrábe neznámá index? Je důležité testovat poškrábání oběma směry. Jedině tak můžete určit, zda je tvrdost neznámého stejná nebo menší než indexového minerálu, který má větší tvrdost.

Teoretické pozadí

Tvrdost je funkcí síly vazby mezi atomy a/nebo ionty. Zatímco pevnost vazby mezi atomy v molekule (např. mezi vodíkem a kyslíkem ve vodě) je v podstatě konstantní, pevnost vazby mezi ionty (např. Fe2+ a (CO3)2-) se mění v závislosti na elektrostatickém náboji iontů, vzdálenosti mezi nimi a způsobu balení. Protože vzdálenost mezi rovinami iontů je v různých směrech různá, liší se i pevnost vazby. Rovina s maximální tvrdostí je rovinou s největší bodovou hustotou. To je rovina s největším počtem iontů na nejmenší ploše. U diamantů je největší bodovou hustotou a rovinou s maximální tvrdostí oktaedrická rovina.
Obecně platí, že menší ionty vytvářejí tvrdší minerály. Kationty (kladně nabité ionty kovů) uhličitanových minerálů kalcitu Ca2+, magnezitu Mg2+, sideritu Fe2+ a rodochrocitu Mn2+ mají stejný vzorec uspořádání neboli krystalovou strukturu; a stejný elektrostatický náboj. Mají téměř stejnou velikost s výjimkou vápenatého iontu, který je výrazně větší. Kalcit má tvrdost 3, zatímco magnezit, siderit a rodochrozit mají tvrdost 4.
Uhličitan, kalcit, a dusičnan, nitratin, mají stejný vzorec balení (krystalovou strukturu) a přibližně stejnou velikost iontů. Náboj vápenatých a uhličitanových iontů v kalcitu je však dvakrát větší než náboj sodných a dusičnanových iontů v nitrátu. Proto je elektrostatická přitažlivost mezi vápenatými a uhličitanovými ionty v kalcitu silnější než přitažlivost mezi sodnými a dusičnanovými ionty v nitrátu. Tvrdost kalcitu, jak jsme viděli, je 3. Tvrdost nitrátu je 1½ až 2.
Těsnější uspořádání iontů v krystalové struktuře způsobuje větší tvrdost. Aragonit i kalcit jsou uhličitan vápenatý, CaCO3. Kalcit krystalizuje v trigonální krystalové soustavě, aragonit v ortorhombické soustavě; a, ionty jsou u aragonitu těsněji zabaleny než u kalcitu . Tvrdost kalcitu, jak víte, je 3. Tvrdost aragonitu je 3½ nebo 4.
Minerály s kovalentními vazbami mezi atomy jsou obecně tvrdší než ty s vazbami iontovými. Diamant má kovalentní vazby mezi atomy uhlíku. Nativní měď má iontové vazby mezi ionty mědi. Oba krystalizují v izometrické (kubické) soustavě. I když je iont mědi podstatně větší než atom uhlíku, síla kovalentní vazby mezi atomy uhlíku je obrovsky větší než síla elektrostatické vazby mezi ionty mědi.
Odkazy na „Determining . . . .“ Série: Jak na to
Co je to minerál? Definice minerálu
Určení barvy a pruhu
Určení lesku: Pro začínající sběratele
Určení tvrdosti minerálu
Určení měrné hmotnosti minerálu
Určení symetrie krystalů: Úvod
Determining Fracture and Cleavage in Minerals

Mason, Brian and Berry, L.G. (1968) Elements of Mineralogy. W. H. Freeman and Company, San Francisco.
Peck, Donald B (2007) Mineral Identification: A Practical Guide for the Amateur Mineralogist. The Mineralogical Record, Tucson Arizona.
Pough, Frederick H, (1996) A Field Guide to Rocks and Minerals. Houghton Mifflin Company, Boston.
Stránky Mineralogické společnosti Ameriky, http://www.minsocam.org/msa/collectors_corner/id/mineral_id_keyi1.htm , Mineral Identification Key II. Plante, Alan; Peck, Donald; Von Bargen, David.

Uveďte autora

.