Bestämning av mineralens hårdhet

Mohs hårdhetsuppsättning

Mineralens hårdhet definieras som den relativa förmågan hos ett mineral att motstå repor eller nötning. Det första försöket att kvantifiera hårdheten hos ett mineral som det finns några uppgifter om gjordes 1812 av Friedrich Mohs, en tysk geolog och mineralog. Han valde ut 10 relativt vanliga mineraler som varierade i hårdhet från det mjukaste kända mineralet, talk, till det hårdaste, diamant. Mohsskalan används av amatörer och professionella mineraloger, geologer och samlare. Mohsskalan och dess tillämpning för att testa mineralers egenskaper är ämnet för den här artikeln.
Metallurger använder en penetrationshårdhet (Vickers, Knoop etc.) som erhålls genom att trycka in en diamantspets i en plan yta under en känd belastning och mäta intrycksytan. Professionella artiklar inom mineralogi rapporterar ofta Vickers-hårdhet tillämpad på mineraler, i vilket fall den anses vara kristalldeformationens hårdhet.
Mohs uppfann en ordinalskala, från ett till tio, där varje siffra definieras av hårdheten hos en specificerad mineralart. Även om de är bra approximationer är de absoluta skillnaderna i hårdhet mellan ordinalvärdena inte lika stora. Jämfört med Knoop-skalan är varje successivt indexmineral 1,2 till 2,7 gånger hårdare än det föregående. Det enda stora undantaget är mellan hårdheten hos korund och diamant. Diamant är nästan fem gånger så hård som korund.

Då Mohsskalan är en ordinalskala finns det inga mellanliggande värden. Med det sagt kommer man ofta att se värden som 3½ eller 5½. Sådana beteckningar betyder inte att hårdheten ligger halvvägs mellan 3 och 4 eller 5 och 6. I stället säger samlaren eller mineralogen att hårdheten är större än 3 men mindre än 4, eller på samma sätt större än 5 men mindre än 6. Du bör inte försöka ange något finare mått, eftersom det är meningslöst. Det är en fin punkt, men en hårdhet mellan 8 och 9 bör skrivas som 8½ och inte som 8,5. Decimalbråket antyder ett kontinuerligt intervall snarare än de diskreta ordinala värdena.

Verktyg du behöver

En hårdhetsuppsättning av indexmineraler kan köpas, men de flesta är så vanliga att du kan bygga din egen uppsättning. Helst ska varje bit vara ungefär 2 x 2 x 3 cm stor. Klyvningsytor är idealiska för att skrapa, hörn är bra för att producera repor så klyvningsblock är utmärkta när det är möjligt. När de inte är det kan du välja en kristall. Endast de nio första indexmineralerna är nödvändiga för du vet att en diamant kommer att skrapa alla andra mineraler. En liten låda som är indelad i nio fack ger användbar förvaring.

En uppsättning pennliknande hållare med vassa spetsar, var och en med ett av Mohs mineraler, kan köpas. De är utmärkta för att provskrapa ett okänt mineral, men som kommer att diskuteras senare måste man också ta reda på om det okända mineralet kan skrapa indexmineralet. Detta är inte möjligt med vissa uppsättningar spetsar. MineralLabs uppsättning hårdhetsspetsar och testytor gör det möjligt att använda det fullständiga protokollet. Spetsarnas fästen är hållare av stål av penntyp och en karborundumvässningssten medföljer för att vässa spetsarna på nytt vid behov. Ingen av punkterna är mineraliska. Gips ersätts med en plast med samma hårdhet. Kalcit ersätts med koppar. Spetsarna 4 till 9 är alla stållegeringar med rätt hårdhet för att motsvara de mineraler de ersätter. Spetsarna är användbara, särskilt när det gäller små prover.
För nära approximationer räcker det med en fickkniv (H=5 till 5½), en bit koppartråd (H=3), en kvartsskärva (H=7), en liten bit kopparplåt (H=3), en fyrkant av fönsterglas (H=6½) och en blank stålbricka för fendrar (H=5). En annan sak som du alltid har med dig är din fingernagel (H=2 till 2½). Om du använder dem innan du använder spetsarna eller hårdhetsuppsättningen slipper du slita på de sistnämnda. Nackdelen är att när du förfinar din uppskattning måste du, när du vänder dig till en hårdhetsuppsättning, göra en andra repa.

Göra &Observation av en repa

När du väljer en plats för att göra en repa på ditt nyligen förvärvade, värdefulla exemplar, väljer du en ganska slät men diskret yta, företrädesvis på baksidan eller undersidan av stycket. Du vill inte förstöra en fantastisk kristallyta med ett fult ärr.
Om du inte har någon aning om vad hårdheten kan vara, börja i mitten … försök med 5. Det är här som en fickkniv, en liten längd koppartråd osv. är praktiskt. De gör att du kan hitta det ungefärliga värdet utan att erodera dina bättre verktyg.
När du gör skrapningen ska du rita spetsen i endast cirka 3 mm. Och använd ett förstoringsglas. En repa på 3 mm är lika lätt att se som en repa på 3 cm. Använd till en början ett lätt tryck, men om det inte ger någon effekt ökar du till ett fast tryck. När ”skrapningen” är gjord, torka av den med fingret eller en bomullspinne för att försäkra dig om att märket verkligen är en skrapning som skär in i ytan, och inte bara är ett kalkmärke på den. Om det är möjligt, dra nageln över skrapningen för att upptäcka om det är en skrapning eller bara ett resterande märke.
När du använder stiletter (spetsar) ska du hålla stiletten i en vinkel på ungefär 45o till 60o mot mineralytan och dra den mot dig själv.

Om en spets på apatit (H=5) inte revor ditt prov, prova fältspat (H=6). Om fältspat inte reder ditt prov, prova kvarts (H=7). Om kvartsen ger en repa är det viktigt att försöka repa kvartsen med en oansenlig punkt på provet.
Men även om hårdheten hos de flesta mineral är mycket nära nog densamma i alla riktningar finns det små skillnader. Om ditt exemplar tillåter det, utan att göra det vanställt, kan du därför försöka göra repor i olika riktningar (på längden av kristallen och tvärs över kristallen). Det mineral som är mest känt för differentiell hårdhet är kyanit. Dess hårdhet parallellt med kristallens längd är 5½ medan den vinkelrätt mot längden är 7. Med diamanter är den oktaedriska ytan den hårdaste och utan skillnader i riktningshårdhet skulle en diamant inte kunna slipas.

Tolkning av resultaten

Låt oss säga att ditt okända mineralprov inte revs av fältspat (H=6), att det revs av kvarts (H=7) och att det i sig själv revs av kvarts. Då måste den okända ha en hårdhet som är lika med kvartsens, eller H=7.
Om ditt okända exemplar inte revs av fältspat (H=6), revs av kvarts (H=7) och inte själv revs av kvarts. Då måste dess hårdhet vara mindre än kvarts men större än fältspat ( 6 < H < 7). Detta värde uttrycks ofta som 6½, vilket betyder ”mellan” 6 och 7.
Om indexet skrapar det okända, skrapar det okända då indexet? Det är viktigt att testa skrapningen åt båda hållen. Det är det enda sättet att avgöra om hårdheten hos det okända är lika med eller mindre än indexmineralet som har den högre hårdheten.

Teoretisk bakgrund

Hårdheten är en funktion av bindningsstyrkan mellan atomer och/eller joner. Medan bindningsstyrkan mellan atomer i en molekyl (t.ex. mellan väte och syre i vatten) är i huvudsak konstant, varierar bindningsstyrkan mellan joner (t.ex. Fe2+ och (CO3)2-) beroende på jonernas elektrostatiska laddning, avståndet mellan dem och packningsmönstret. Eftersom avståndet mellan jonernas plan är olika i olika riktningar är även bindningsstyrkan annorlunda. Planet med maximal hårdhet är det plan som har den högsta punkttätheten. Det vill säga det plan som har det största antalet joner på den minsta ytan. För diamanter är den största punkttätheten och planet med maximal hårdhet det oktaedriska planet.
I allmänhet ger mindre joner hårdare mineral. Kationerna (positivt laddade metalljoner) i karbonatmineralerna kalcit Ca2+, magnesit Mg2+, siderit Fe2+ och rhodokrokit Mn2+ har alla samma packningsmönster, eller kristallstruktur, och samma elektrostatiska laddning. De är nästan lika stora med undantag för kalciumjonen, som är betydligt större. Kalcit har en hårdhet på 3 medan magnesit, siderit och rhodokrosit har en hårdhet på 4.
Karbonaten, kalcit, och nitratet, nitratin, har samma packningsmönster (kristallstruktur) och ungefär lika stora joner. Laddningen på kalcium- och karbonatjonerna i kalcit är dock dubbelt så stor som laddningen på natrium- och nitratjonerna i nitratin. Detta gör att den elektrostatiska attraktionen mellan kalcium- och karbonatjonerna i kalcit är starkare än attraktionen mellan natrium- och nitratjonerna i nitratin. Hårdheten hos kalcit är, som vi har sett, 3. Hårdheten hos nitratin är 1½ till 2.
En tätare packning av joner i kristallstrukturen ger en större hårdhet. Aragonit och kalcit är båda kalciumkarbonat, CaCO3. Kalcit kristalliserar i det trigonala kristallsystemet, aragonit i det ortorhombiska systemet, och jonerna är närmare packade för aragonit än för kalcit. Hårdheten för kalcit är som bekant 3. Hårdheten för aragonit är 3½ eller 4.
Mineraler med kovalenta bindningar mellan atomer är i allmänhet hårdare än de med joniska bindningar. Diamant har kovalenta bindningar mellan kolatomer. Nativ koppar har joniska bindningar mellan kopparjoner. Båda kristalliserar i det isometriska (kubiska) systemet. Även om kopparjonen är betydligt större än kolatomen är styrkan hos den kovalenta bindningen mellan kolatomer enormt mycket större än styrkan hos de elektrostatiska bindningarna mellan kopparjoner.
Länkar till ”Determining . . .” Serie: Hur man
Vad är ett mineral? Definitionen av ett mineral
Bestämning av färg och strimmor
Bestämning av lyster: För nybörjarsamlare
Bestämning av en minerals hårdhet
Bestämning av en minerals specifika vikt
Bestämning av kristallers symmetri: 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: 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.
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.

Tillskrivning