Determinazione della durezza di un minerale

Set di durezza Mohs

La durezza dei minerali è definita come la capacità relativa di un minerale di resistere a graffi o abrasioni. Il primo tentativo di quantificare la durezza di un minerale per il quale esiste una documentazione fu fatto nel 1812 da Friedrich Mohs, un geologo e mineralogista tedesco. Scelse 10 minerali relativamente comuni che variavano in durezza dal minerale più morbido conosciuto, il talco, al più duro, il diamante. La Scala Mohs è usata da mineralogisti dilettanti e professionisti, geologi e collezionisti. La Scala Mohs e la sua applicazione per testare le proprietà dei minerali è l’argomento di questo articolo.
I metallurgisti usano una durezza di penetrazione (Vickers, Knoop, ecc.) che si ottiene premendo una punta di diamante in una superficie piana sotto un carico noto e misurando l’area della rientranza. Gli articoli professionali di mineralogia spesso riportano la durezza Vickers applicata ai minerali, nel qual caso è considerata come la durezza della deformazione dei cristalli.
Mohs ha inventato una scala ordinale, da uno a dieci, con ogni numero definito dalla durezza di una specie minerale specifica. Anche se sono buone approssimazioni, le differenze assolute di durezza tra i valori ordinali non sono uguali. Rispetto alla scala Knoop, ogni minerale indice successivo è da 1,2 a 2,7 volte più duro del precedente. L’unica grande eccezione è tra la durezza del corindone e quella del diamante. Il diamante è quasi cinque volte più duro del corindone.

Siccome la scala Mohs è una scala ordinale, non ci sono valori intermedi. Detto questo, vedrete spesso valori come 3½, o 5½. Tali denominazioni non significano che la durezza è a metà strada tra 3 e 4 o 5 e 6. Invece, il collezionista o il mineralogista sta dicendo che la durezza è maggiore di 3 ma minore di 4; o allo stesso modo, maggiore di 5 ma minore di 6. Non si dovrebbe tentare di affermare qualsiasi misura più fine, in quanto non ha senso. È un punto fine, ma una durezza tra 8 e 9 dovrebbe essere scritta come 8½ e non come 8,5. La frazione decimale implica una gamma continua piuttosto che i valori discreti ordinali.

Tools You Will Need

Un set di minerali di indice di durezza può essere acquistato, ma la maggior parte sono così comuni che puoi costruire il tuo set. Idealmente, ogni pezzo dovrebbe essere grande circa 2 x 2 x 3 cm. Le facce di clivaggio sono ideali per graffiare, gli angoli sono buoni per produrre graffi quindi i blocchi di clivaggio sono eccellenti quando possibile. Quando non lo sono, scegliete un cristallo. Solo i primi nove minerali dell’indice sono necessari perché si sa che un diamante graffierà tutti gli altri minerali. Una piccola scatola divisa in nove scomparti fornisce un’utile conservazione.

Si può acquistare un set di supporti simili a matite con punte affilate, ciascuno con uno dei minerali di Mohs. Sono eccellenti per provare a graffiare uno sconosciuto ma, come sarà discusso più avanti, è necessario anche scoprire se il minerale sconosciuto può graffiare il minerale indice. Questo non è possibile con alcuni set di punti. Il set di punte e superfici di prova MineralLabs permette il protocollo completo. I supporti delle punte sono supporti in acciaio tipo matita e viene fornita una pietra di affilatura al carborundum per riaffilare le punte quando necessario. Nessuna delle punte è minerale. Il gesso è sostituito da una plastica della stessa durezza. La calcite con il rame. Le punte da 4 a 9 sono tutte leghe d’acciaio della giusta durezza per eguagliare i minerali che sostituiscono. Le punte sono utili, in particolare con piccoli campioni.
Per approssimazioni ravvicinate, un coltellino (H=5 a 5½), un pezzo di filo di rame (H=3), un frammento di quarzo (H=7), un piccolo pezzo di lamiera di rame (H=3), un quadrato di vetro di finestra (H=6½), e una rondella di parafango in acciaio lucido (H=5) andranno bene. Un altro che avete sempre con voi è l’unghia (H=2 a 2½). Usarle prima di usare le punte o il set di durezza risparmia l’usura di quest’ultimo. Lo svantaggio è che nel raffinare la vostra stima, passare ad un set di durezza richiede di fare un secondo graffio.

Fare & Osservare un graffio

Quando scegliete un posto per fare un graffio sul vostro esemplare di valore recentemente acquisito, scegliete una superficie abbastanza liscia ma non appariscente, preferibilmente sul retro o sul fondo del pezzo. Non volete rovinare una grande faccia di cristallo con una brutta cicatrice.
Se non avete idea di quale possa essere la durezza, iniziate nel mezzo… provate con 5. Questo è il momento in cui un coltellino, un piccolo pezzo di filo di rame, ecc. è utile. Ti permettono di trovare il valore approssimativo senza erodere i tuoi strumenti migliori.
Nel fare il graffio, disegnare il punto solo per circa 3 mm. E usate una lente d’ingrandimento. Un graffio di 3 mm è altrettanto facile da vedere che un graffio di 3 cm. All’inizio, usare una pressione leggera, ma se questo non produce alcun effetto, aumentare ad una pressione ferma. Dopo aver fatto il “graffio”, puliscilo con il dito o con un batuffolo di cotone per assicurarti che il segno sia effettivamente un graffio che incide la superficie, e non sia semplicemente un segno gessoso su di essa. Se possibile, passate l’unghia sul graffio per scoprire se si tratta di un graffio inciso o di un semplice segno residuo.

Quando si usano gli stili (punte), tenere gli stili con un angolo da 45o a 60o rispetto alla superficie del minerale e tirarli verso di sé.
Se una punta sull’apatite (H=5) non graffia il campione, provare il feldspato (H=6). Se il feldspato non graffia il vostro campione, provate il quarzo (H=7). Se il quarzo produce un graffio, allora è importante provare a graffiare il quarzo con un punto non appariscente sul vostro campione.
Mentre la durezza della maggior parte dei minerali è quasi la stessa in tutte le direzioni, esistono piccole differenze. Quindi, se il vostro campione lo permette, senza deturparlo, provate a graffiare in direzioni diverse (nel senso della lunghezza del cristallo e nel senso trasversale). Il minerale più noto per la durezza differenziale è la cianite. La sua durezza parallela alla lunghezza del cristallo è 5½ mentre perpendicolarmente alla lunghezza la durezza è 7. Con i diamanti, la superficie ottaedrica è la più dura e senza differenze di durezza direzionale un diamante non potrebbe essere tagliato.

Interpretare i risultati

Diciamo che il tuo campione di minerale sconosciuto non è stato graffiato dal feldspato (H=6), è stato graffiato dal quarzo (H=7), e ha graffiato il quarzo stesso. Allora l’incognita deve avere una durezza uguale a quella del quarzo; o H=7.
Se il tuo campione sconosciuto non è stato graffiato dal feldspato (H=6), è stato graffiato dal quarzo (H=7), e non ha graffiato lui stesso il quarzo. Allora la sua durezza deve essere minore del quarzo ma maggiore del feldspato ( 6 < H < 7). Questo valore è espresso spesso come 6½, che significa “tra” 6 e 7.
Se l’indice graffia l’ignoto, l’ignoto graffia l’indice? È importante testare il graffio in entrambi i modi. Questo è l’unico modo per determinare se la durezza dell’incognita è uguale o inferiore al minerale indice che ha la durezza maggiore.

Sfondo teorico

La durezza è una funzione della forza di legame tra atomi e/o ioni. Mentre la forza di legame tra gli atomi in una molecola (ad esempio tra idrogeno e ossigeno in acqua) è essenzialmente costante, la forza di legame tra gli ioni (ad esempio Fe2+ e (CO3)2-) varia a seconda della carica elettrostatica sugli ioni, la distanza tra di loro, e lo schema di impacchettamento. Poiché la distanza tra i piani degli ioni è diversa nelle diverse direzioni, lo è anche la forza di legame. Il piano con la massima durezza è il piano con la più alta densità di punti. Cioè il piano con il maggior numero di ioni nella minore area. Per i diamanti, la massima densità di punti e il piano con la massima durezza è il piano ottaedrico.

In generale, gli ioni più piccoli producono minerali più duri. I cationi (ioni metallici caricati positivamente) dei minerali carbonati calcite Ca2+, magnesite Mg2+, siderite Fe2+ e rodochrocite Mn2+ hanno tutti lo stesso schema di impacchettamento, o struttura cristallina, e la stessa carica elettrostatica. Hanno quasi le stesse dimensioni ad eccezione dello ione calcio, che è significativamente più grande. La calcite ha una durezza di 3 mentre la magnesite, la siderite e la rodocrosite hanno una durezza di 4.
Il carbonato, la calcite, e il nitrato, la nitratina, hanno lo stesso schema di impacchettamento (struttura cristallina) e circa le stesse dimensioni degli ioni. Tuttavia, la carica degli ioni calcio e carbonato nella calcite è il doppio della carica degli ioni sodio e nitrato nella nitratina. Questo rende l’attrazione elettrostatica tra gli ioni calcio e carbonato nella calcite più forte dell’attrazione tra gli ioni sodio e nitrato nella nitratina. La durezza della calcite, come abbiamo visto, è 3. La durezza della nitratina è 1½ a 2.
L’impacchettamento più stretto degli ioni nella struttura cristallina produce una durezza maggiore. L’aragonite e la calcite sono entrambe carbonato di calcio, CaCO3. La calcite cristallizza nel sistema cristallino trigonale, l’aragonite nel sistema ortorombico; e gli ioni sono più vicini per l’aragonite che per la calcite. La durezza della calcite, come sapete, è 3. Quella dell’aragonite è 3½ o 4.
I minerali con legami covalenti tra gli atomi sono generalmente più duri di quelli con legami ionici. Il diamante ha legami covalenti tra gli atomi di carbonio. Il rame nativo ha legami ionici tra gli ioni di rame. Entrambi cristallizzano nel sistema isometrico (cubico). Mentre lo ione rame è considerevolmente più grande dell’atomo di carbonio, la forza del legame covalente tra gli atomi di carbonio è enormemente più grande di quella dei legami elettrostatici tra gli ioni di rame.
Collegamenti alla “Determinazione . . .” Serie: Come fare
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Determinare la simmetria dei cristalli: An Introduction
Determining Fracture and Cleavage in Minerals

Mason, Brian and Berry, L.G. (1968) Elements of Mineralogy. W. H. Freeman and Company, San Francisco.
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Sito web della Mineralogical Society of America, http://www.minsocam.org/msa/collectors_corner/id/mineral_id_keyi1.htm , Mineral Identification Key II. Plante, Alan; Peck, Donald; Von Bargen, David.

Attribuzione