Bestimmung der Härte eines Minerals

Mohs-Härtesatz

Die Härte eines Minerals ist definiert als die relative Fähigkeit eines Minerals, Kratzern oder Abrieb zu widerstehen. Der erste Versuch, die Härte eines Minerals zu quantifizieren, für den es Aufzeichnungen gibt, wurde 1812 von Friedrich Mohs, einem deutschen Geologen und Mineralogen, unternommen. Er wählte 10 relativ häufig vorkommende Mineralien aus, deren Härte vom weichsten bekannten Mineral, Talk, bis zum härtesten, dem Diamanten, reichte. Die Mohs-Skala wird von Amateur- und Berufsmineralogen, Geologen und Sammlern verwendet. Die Mohs-Skala und ihre Anwendung bei der Prüfung von Mineraleigenschaften ist das Thema dieses Artikels.
Metallurgen verwenden eine Eindringhärte (Vickers, Knoop usw.), die durch Eindrücken einer Diamantspitze in eine flache Oberfläche unter einer bekannten Belastung und Messung der Eindrucksfläche ermittelt wird. In mineralogischen Fachzeitschriften wird die Vickershärte häufig auf Mineralien angewandt, wobei sie als Härte der Kristallverformung angesehen wird.
Mohs erfand eine Ordinalskala von 1 bis 10, wobei jede Ziffer durch die Härte einer bestimmten Mineralart definiert ist. Obwohl sie eine gute Annäherung darstellen, sind die absoluten Härteunterschiede zwischen den Ordinalwerten nicht gleich. Im Vergleich zur Knoop-Skala ist jedes nachfolgende Index-Mineral 1,2 bis 2,7 Mal härter als das vorherige. Die einzige große Ausnahme ist der Unterschied zwischen der Härte von Korund und Diamant. Diamant ist fast fünfmal so hart wie Korund.

Da die Mohs-Skala eine Ordinalskala ist, gibt es keine Zwischenwerte. Deshalb werden Sie oft Werte wie 3½ oder 5½ sehen. Solche Bezeichnungen bedeuten nicht, dass die Härte auf halbem Weg zwischen 3 und 4 oder 5 und 6 liegt. Vielmehr will der Sammler oder Mineraloge damit sagen, dass die Härte größer als 3, aber kleiner als 4 ist; oder ähnlich, größer als 5, aber kleiner als 6. Sie sollten nicht versuchen, eine feinere Messung anzugeben, da sie sinnlos ist. Es ist eine Spitzfindigkeit, aber eine Härte zwischen 8 und 9 sollte als 8½ und nicht als 8,5 geschrieben werden. Der Dezimalbruch impliziert einen kontinuierlichen Bereich und nicht die diskreten Ordinalwerte.

Werkzeuge, die Sie benötigen

Ein Härtesatz von Indexmineralien kann gekauft werden, aber die meisten sind so gebräuchlich, dass Sie Ihren eigenen Satz zusammenstellen können. Idealerweise sollte jedes Stück etwa 2 x 2 x 3 cm groß sein. Gespaltene Flächen sind ideal zum Kratzen, Ecken sind gut, um Kratzer zu erzeugen, daher sind gespaltene Blöcke ausgezeichnet, wenn dies möglich ist. Wenn dies nicht möglich ist, wählen Sie einen Kristall. Nur die ersten neun Indexminerale sind notwendig, denn Sie wissen, dass ein Diamant alle anderen Mineralien zerkratzen wird. Ein kleines Kästchen mit neun Fächern bietet eine nützliche Aufbewahrungsmöglichkeit.

Ein Satz bleistiftähnlicher Halter mit scharfen Spitzen, die jeweils eines der Mohs-Mineralien enthalten, kann erworben werden. Sie eignen sich hervorragend zum Probekratzen eines unbekannten Minerals, aber, wie später besprochen wird, muss man auch herausfinden, ob das unbekannte Mineral das Indexmineral ritzen kann. Das ist bei einigen Punktesätzen nicht möglich. Das MineralLabs Set von Härtepunkten und Testflächen ermöglicht das komplette Protokoll. Die Halterungen für die Spitzen sind Bleistifthalter aus Stahl, und ein Karborundum-Schleifstein wird mitgeliefert, um die Spitzen bei Bedarf nachzuschleifen. Keine der Spitzen ist mineralisch. Gips wird durch einen Kunststoff der gleichen Härte ersetzt. Calcit durch Kupfer. Die Spitzen 4 bis 9 sind alle aus Stahllegierungen mit der richtigen Härte, um den Mineralien zu entsprechen, die sie ersetzen. Die Punkte sind nützlich, besonders bei kleinen Proben.
Für genaue Annäherungen genügen ein Taschenmesser (H=5 bis 5½), ein Stück Kupferdraht (H=3), ein Quarzsplitter (H=7), ein kleines Stück Kupferblech (H=3), ein Quadrat aus Fensterglas (H=6½) und eine Unterlegscheibe aus blankem Stahl (H=5). Ein weiteres Werkzeug, das Sie immer dabei haben, ist Ihr Fingernagel (H=2 bis 2½). Die Verwendung dieser Unterlegscheiben vor der Verwendung der Spitzen oder des Härtesatzes erspart die Abnutzung des Härtesatzes. Der Nachteil ist, dass Sie zur Verfeinerung Ihrer Schätzung einen zweiten Kratzer machen müssen.

Kratzen &Beobachten eines Kratzers

Wenn Sie eine Stelle wählen, an der Sie einen Kratzer in Ihr kürzlich erworbenes, wertvolles Stück machen, wählen Sie eine ziemlich glatte, aber unauffällige Oberfläche, vorzugsweise auf der Rückseite oder Unterseite des Stücks. Sie wollen ein großartiges Kristallgesicht nicht mit einer hässlichen Narbe verunstalten.
Wenn Sie keine Ahnung haben, wie hoch die Härte sein könnte, beginnen Sie in der Mitte … versuchen Sie es mit 5. Hier ist ein Taschenmesser, ein kleines Stück Kupferdraht usw. sehr nützlich. Damit können Sie den ungefähren Wert ermitteln, ohne Ihre besseren Werkzeuge zu zerstören.
Ziehen Sie den Punkt nur etwa 3 mm weit an, wenn Sie den Kratzer machen. Und benutze eine Lupe. Ein 3 mm langer Kratzer ist genauso gut zu sehen wie ein 3 cm langer Kratzer. Üben Sie zunächst leichten Druck aus, aber wenn das keine Wirkung zeigt, erhöhen Sie den Druck auf einen festen Wert. Wischen Sie nach dem „Kratzer“ mit dem Finger oder einem Wattestäbchen darüber, um sich zu vergewissern, dass es sich tatsächlich um einen Kratzer handelt, der die Oberfläche einschneidet, und nicht nur um einen Kreidestrich. Wenn möglich, fahren Sie mit dem Fingernagel über den Kratzer, um festzustellen, ob es sich um einen eingeschnittenen Kratzer oder nur um eine Restspur handelt.

Bei der Verwendung von Taststiften (Spitzen) halten Sie den Taststift in einem Winkel von etwa 45o bis 60o zur Mineraloberfläche und ziehen Sie ihn zu sich hin.
Wenn eine Spitze auf Apatit (H=5) Ihre Probe nicht ritzt, versuchen Sie es mit Feldspat (H=6). Wenn der Feldspat Ihre Probe nicht zerkratzt, versuchen Sie es mit Quarz (H=7). Wenn der Quarz einen Kratzer verursacht, ist es wichtig, dass Sie versuchen, den Quarz an einer unauffälligen Stelle Ihrer Probe zu zerkratzen.
Die Härte der meisten Minerale ist zwar in allen Richtungen nahezu gleich, aber es gibt kleine Unterschiede. Versuchen Sie daher, wenn es Ihre Probe zulässt, ohne sie zu verunstalten, in verschiedene Richtungen zu kratzen (in Längsrichtung des Kristalls und quer dazu). Das Mineral, das am besten für unterschiedliche Härte bekannt ist, ist Kyanit. Seine Härte beträgt parallel zur Länge des Kristalls 5½, während die Härte senkrecht zur Länge 7 beträgt. Bei Diamanten ist die oktaedrische Oberfläche die härteste, und ohne Unterschiede in der Richtungshärte könnte ein Diamant nicht geschliffen werden.

Interpretation der Ergebnisse

Angenommen, Ihre unbekannte Mineralprobe wurde von Feldspat (H=6) nicht zerkratzt, wurde von Quarz (H=7) zerkratzt und hat selbst Quarz zerkratzt. Dann muss das unbekannte Mineral eine Härte haben, die der von Quarz entspricht; oder H=7.
Wenn Ihre unbekannte Probe nicht von Feldspat (H=6) zerkratzt wurde, von Quarz (H=7) zerkratzt wurde und selbst nicht an Quarz gekratzt hat. Dann muss seine Härte kleiner als die von Quarz, aber größer als die von Feldspat sein ( 6 < H < 7). Dieser Wert wird oft als 6½ ausgedrückt, was „zwischen“ 6 und 7 bedeutet.
Wenn der Index den Unbekannten zerkratzt, zerkratzt dann der Unbekannte den Index? Es ist wichtig, das Kratzen in beide Richtungen zu testen. Nur so kann man feststellen, ob die Härte des unbekannten Minerals gleich oder geringer ist als die des Indexminerals, das die größere Härte aufweist.

Theoretischer Hintergrund

Die Härte ist eine Funktion der Bindungsstärke zwischen Atomen und/oder Ionen. Während die Bindungsstärke zwischen Atomen in einem Molekül (z. B. zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser) im Wesentlichen konstant ist, variiert die Bindungsstärke zwischen Ionen (z. B. Fe2+ und (CO3)2-) je nach elektrostatischer Ladung der Ionen, dem Abstand zwischen ihnen und dem Packungsmuster. Da der Abstand zwischen den Ebenen der Ionen in verschiedenen Richtungen unterschiedlich ist, ist auch die Bindungsstärke unterschiedlich. Die Ebene mit der größten Härte ist die Ebene mit der höchsten Punktdichte. Das ist die Ebene mit der größten Anzahl von Ionen auf der kleinsten Fläche. Bei Diamanten ist die größte Punktdichte und die Ebene mit der größten Härte die oktaedrische Ebene.

Im Allgemeinen erzeugen kleinere Ionen härtere Mineralien. Die Kationen (positiv geladene Metallionen) der Karbonatminerale Calcit Ca2+, Magnesit Mg2+, Siderit Fe2+ und Rhodochrokit Mn2+ haben alle das gleiche Packungsmuster oder die gleiche Kristallstruktur und die gleiche elektrostatische Ladung. Sie sind fast gleich groß, mit Ausnahme des Calcium-Ions, das deutlich größer ist. Calcit hat eine Härte von 3, während Magnesit, Siderit und Rhodochrosit eine Härte von 4 haben.
Das Carbonat, Calcit, und das Nitrat, Nitratin, haben das gleiche Packungsmuster (Kristallstruktur) und ungefähr die gleiche Größe der Ionen. Die Ladung der Calcium- und Carbonat-Ionen im Calcit ist jedoch doppelt so groß wie die Ladung der Natrium- und Nitrat-Ionen im Nitrat. Dadurch ist die elektrostatische Anziehung zwischen den Calcium- und Carbonat-Ionen in Calcit stärker als die Anziehung zwischen den Natrium- und Nitrat-Ionen in Nitratin. Die Härte von Calcit beträgt, wie wir gesehen haben, 3. Die Härte von Nitratin beträgt 1½ bis 2.
Die engere Packung der Ionen in der Kristallstruktur bewirkt eine größere Härte. Aragonit und Calcit sind beide Calciumcarbonat, CaCO3. Calcit kristallisiert im trigonalen Kristallsystem, Aragonit im orthorhombischen System, und die Ionen sind bei Aragonit dichter gepackt als bei Calcit. Die Härte von Calcit beträgt 3, die von Aragonit 3½ oder 4.
Mineralien mit kovalenten Bindungen zwischen den Atomen sind im Allgemeinen härter als solche mit ionischen Bindungen. Diamant hat kovalente Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen. Natives Kupfer hat ionische Bindungen zwischen Kupfer-Ionen. Beide kristallisieren im isometrischen (kubischen) System. Obwohl das Kupferion wesentlich größer ist als das Kohlenstoffatom, ist die Stärke der kovalenten Bindung zwischen den Kohlenstoffatomen wesentlich größer als die der elektrostatischen Bindung zwischen den Kupferionen.
Links zur „Bestimmen . . .“ Serie: How To
Was ist ein Mineral? Die Definition eines Minerals
Bestimmung von Farbe und Schlieren
Bestimmung des Glanzes: Für angehende Sammler
Bestimmen der Härte eines Minerals
Bestimmen des spezifischen Gewichts eines Minerals
Bestimmen der Symmetrie von Kristallen: An Introduction
Determining Fracture and Cleavage in Minerals

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