Określanie twardości minerału

Zestaw twardości Mohsa

Twardość minerału jest definiowana jako względna zdolność minerału do opierania się zarysowaniu lub ścieraniu. Pierwsza próba ilościowego określenia twardości minerału, dla którego istnieje jakikolwiek zapis, została podjęta w 1812 roku przez Friedricha Mohsa, niemieckiego geologa i mineraloga. Wybrał on 10 stosunkowo powszechnych minerałów, których twardość wahała się od najbardziej miękkiego znanego minerału, talku, do najtwardszego, diamentu. Skala Mohsa jest używana przez amatorów i profesjonalnych mineralogów, geologów i kolekcjonerów. Skala Mohsa i jej zastosowanie do badania właściwości minerałów jest przedmiotem tego artykułu.
Metalurgowie używają twardości penetracyjnej (Vickers, Knoop, itp.), którą uzyskuje się przez wciśnięcie punktu diamentowego w płaską powierzchnię pod znanym obciążeniem i pomiar powierzchni wgłębienia. Profesjonalne prace z zakresu mineralogii często podają twardość Vickersa stosowaną do minerałów, w którym to przypadku jest ona uważana za twardość deformacji kryształu.
Mohs wymyślił skalę porządkową, od jednego do dziesięciu, z każdą cyfrą zdefiniowaną przez twardość określonego gatunku minerału. Choć są to dobre przybliżenia, bezwzględne różnice w twardości pomiędzy wartościami porządkowymi nie są równe. W porównaniu ze skalą Knoopa, każdy kolejny Indeks Minerałów jest od 1,2 do 2,7 razy twardszy od poprzedniego. Jedynym istotnym wyjątkiem jest różnica pomiędzy twardością korundu i diamentu. Diament jest prawie pięciokrotnie twardszy od korundu.

Ponieważ skala Mohsa jest skalą porządkową, nie ma wartości pośrednich. W związku z tym, często można spotkać wartości takie jak 3½ lub 5½. Takie oznaczenia nie oznaczają, że twardość jest w połowie drogi między 3 i 4 lub 5 i 6. Zamiast tego, kolekcjoner lub mineralog mówi, że twardość jest większa niż 3, ale mniejsza niż 4; lub podobnie, większa niż 5, ale mniejsza niż 6. Nie należy próbować podawać żadnych dokładniejszych pomiarów, ponieważ jest to bez znaczenia. To drobiazg, ale twardość pomiędzy 8 a 9 powinna być zapisana jako 8½, a nie jako 8,5. Ułamek dziesiętny sugeruje ciągły zakres, a nie dyskretne wartości porządkowe.

Narzędzia, których będziesz potrzebował

Zestaw minerałów wskaźnikowych można kupić, ale większość z nich jest tak powszechna, że można zbudować własny zestaw. Idealnie byłoby, gdyby każdy kawałek miał wymiary około 2 x 2 x 3 cm. Cleavage twarze są idealne do zarysowania, rogi są dobre do produkcji zarysowań, więc bloki cleavage są doskonałe, gdy jest to możliwe. Jeśli nie są, wybierz kryształ. Tylko pierwsze dziewięć minerałów indeksu są niezbędne dla wiesz, że diament będzie zarysować wszystkie inne minerały. Małe pudełko podzielone na dziewięć przegródek zapewnia użyteczne przechowywanie.

Zestaw ołówkowych uchwytów z ostrymi końcówkami, każdy z jednym z minerałów Mohsa, może być zakupiony. Są one doskonałe do testowego zarysowania nieznanego, ale, jak zostanie to omówione później, konieczne jest również odkrycie, czy nieznany minerał może zarysować minerał wskaźnikowy. Nie jest to możliwe w przypadku niektórych zestawów punktów. Zestaw MineralLabs punktów twardości i powierzchni testowych pozwala na wykonanie pełnego protokołu. W zestawie znajduje się stalowy uchwyt do ołówków oraz kamień do ostrzenia punktów. Żaden z punktów nie jest mineralny. Gips zastępuje się tworzywem sztucznym o tej samej twardości. Kalcyt zastępuje się miedzią. Punkty od 4 do 9 są wykonane ze stopów stali o odpowiedniej twardości, odpowiadającej minerałom, które zastępują. Punkty te są przydatne, szczególnie przy małych okazach.
Do bliskich przybliżeń wystarczy nóż kieszonkowy (H=5 do 5½), odcinek drutu miedzianego (H=3), odłamek kwarcu (H=7), mały kawałek blachy miedzianej (H=3), kwadrat szkła okiennego (H=6½) i jasna stalowa podkładka pod błotnik (H=5). Innym, który zawsze masz przy sobie jest paznokieć (H=2 do 2½). Użycie ich przed użyciem ściernic trzpieniowych lub zestawu do pomiaru twardości oszczędza zużycie tych ostatnich. Wadą tego narzędzia jest to, że w celu dopracowania szacunku, zwrócenie się do zestawu twardości wymaga wykonania drugiej rysy.

Wykonywanie &Obserwacja rys

Wybierając miejsce do wykonania rysy na niedawno nabytym, cennym okazie, wybierz dość gładką, ale niepozorną powierzchnię, najlepiej z tyłu lub na spodzie kawałka. Nie chcesz markować wspaniałej kryształowej twarzy z brzydką blizną.
Jeśli nie masz pojęcia, co twardość może być, zacząć w środku … spróbuj 5. Tutaj przydaje się scyzoryk, mały kawałek drutu miedzianego itp. Pozwalają one na znalezienie przybliżonej wartości bez erodowania lepszych narzędzi.
Wykonując rysę, narysuj punkt tylko na około 3 mm. I użyj lupy. Rysa 3 mm jest tak samo łatwa do zauważenia jak 3 cm. Na początku używaj lekkiego nacisku, ale jeśli to nie daje żadnego efektu, zwiększ nacisk do mocnego. Po wykonaniu „rysy” przetrzyj ją palcem lub wacikiem, aby upewnić się, że ślad jest rzeczywiście rysą, która nacina powierzchnię, a nie tylko kredowym śladem na niej. Jeśli to możliwe, przeciągnij paznokciem po zadrapaniu, aby sprawdzić, czy jest to zadrapanie nacięte, czy tylko ślad szczątkowy.
Przy użyciu trzpieni (punktów), trzymaj trzpień pod kątem około 45o do 60o do powierzchni minerału i przyciągaj go do siebie.
Jeśli punkt na apatycie (H=5) nie zarysuje twojego okazu, spróbuj skalenia (H=6). Jeśli skaleń nie zarysuje twojej próbki, spróbuj kwarcu (H=7). Jeżeli kwarc spowoduje zarysowanie, należy spróbować zarysować kwarc w niewidocznym miejscu próbki.

Pomimo, że twardość większości minerałów jest prawie taka sama we wszystkich kierunkach, istnieją niewielkie różnice. Tak więc, jeśli twój okaz pozwala, bez zniekształcania go, spróbuj zadrapania w różnych kierunkach (wzdłuż kryształu i w poprzek). Najbardziej znanym minerałem o zróżnicowanej twardości jest kyanit. Jego twardość równoległa do długości kryształu wynosi 5½, a prostopadła do długości 7. W przypadku diamentów, powierzchnia oktaedryczna jest najtwardsza i bez różnic w twardości kierunkowej diament nie mógłby zostać oszlifowany.

Interpretacja wyników

Powiedzmy, że nieznany minerał nie został zarysowany przez skaleń (H=6), został zarysowany przez kwarc (H=7), a sam nie zarysował kwarcu. Wtedy nieznany okaz musi mieć twardość równą twardości kwarcu; lub H=7.
Jeśli nieznany okaz nie został zarysowany przez skaleń (H=6), został zarysowany przez kwarc (H=7), i sam nie zarysował kwarcu. Wówczas jego twardość musi być mniejsza niż kwarcu, ale większa niż skalenia ( 6 < H < 7). Wartość ta jest często wyrażana jako 6½, co oznacza „pomiędzy” 6 a 7.
Jeśli indeks zarysowuje nieznane, czy nieznane zarysowuje indeks? Ważne jest, aby przetestować drapanie w obie strony. Jest to jedyny sposób, w jaki można określić, czy twardość nieznanego jest równa lub mniejsza od minerału wskaźnika, który ma większą twardość.

Tło teoretyczne

Twardość jest funkcją siły wiązania między atomami i/lub jonami. Podczas gdy siła wiązania między atomami w cząsteczce (np. między wodorem i tlenem w wodzie) jest zasadniczo stała, siła wiązania między jonami (np. Fe2+ i (CO3)2-) zmienia się w zależności od ładunku elektrostatycznego na jonach, odległości między nimi i sposobu upakowania. Ponieważ odległość między płaszczyznami jonów jest różna w różnych kierunkach, różna jest też siła wiązania. Płaszczyzna o największej twardości to płaszczyzna o największej gęstości punktów. Jest to płaszczyzna z największą liczbą jonów na najmniejszej powierzchni. W przypadku diamentów największą gęstością punktową i płaszczyzną o maksymalnej twardości jest płaszczyzna oktaedryczna.
Na ogół mniejsze jony dają twardsze minerały. Kationy (dodatnio naładowane jony metali) minerałów węglanowych: kalcytu Ca2+, magnezytu Mg2+, syderytu Fe2+ i rodochrocytu Mn2+ mają ten sam wzór upakowania, czyli strukturę krystaliczną i ten sam ładunek elektrostatyczny. Mają one prawie taki sam rozmiar z wyjątkiem jonów wapnia, które są znacznie większe. Kalcyt ma twardość 3, podczas gdy magnezyt, syderyt i rodochrozyt mają twardość 4.
Węglan, kalcyt, i azotan, nitratyna, mają ten sam wzór pakowania (struktura kryształu) i około tej samej wielkości jonów. Jednak ładunek na jonach wapnia i węglanu w kalcycie jest dwa razy większy niż ładunek na jonach sodu i azotanu w azotanach. To sprawia, że elektrostatyczne przyciąganie pomiędzy jonami wapnia i węglanu w kalcycie jest silniejsze niż przyciąganie pomiędzy jonami sodu i azotanu w azotatynie. Twardość kalcytu, jak widzieliśmy, wynosi 3. Twardość azotanu wynosi od 1½ do 2.
Bardziej ścisłe upakowanie jonów w strukturze krystalicznej powoduje większą twardość. Aragonit i kalcyt są węglanami wapnia, CaCO3. Kalcyt krystalizuje w układzie trygonalnym, aragonit w układzie ortogonalnym; jony są bliżej upakowane w aragonicie niż w kalcycie. Twardość kalcytu, jak wiadomo, wynosi 3. Twardość aragonitu wynosi 3½ lub 4.
Minerały z wiązaniami kowalencyjnymi pomiędzy atomami są generalnie twardsze niż te z wiązaniami jonowymi. Diament ma wiązania kowalencyjne między atomami węgla. Miedź rodzima ma wiązania jonowe między jonami miedzi. Oba krystalizują w układzie izometrycznym (kubicznym). Podczas gdy jon miedzi jest znacznie większy od atomu węgla, siła wiązania kowalencyjnego między atomami węgla jest ogromnie większa niż siła wiązań elektrostatycznych między jonami miedzi.
Linki do „Determining …” Series: How To
What Is a Mineral? Definicja minerału
Determinowanie koloru i smugi
Determinowanie połysku: For Beginning Collectors
Determining the Hardness of a Mineral
Determining the Specific Gravity of a Mineral
Determining Symmetry of Crystals: 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.
Peck, Donald B (2007) Mineral Identification: Praktyczny przewodnik dla amatora Mineralogist. The Mineralogical Record, Tucson Arizona.
Pough, Frederick H, (1996) A Field Guide to Rocks and Minerals. Houghton Mifflin Company, Boston.
Website of the 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.

Atrybucja

.