Реферат - Свойства минералов

Подождите немного. Документ загружается.

руды может притягивать один конец магнитной стрелки, а другой –

отталкивать.

Электрические свойства.

В большинстве своем минералы являются плохими проводниками

электричества (обладают малой электропроводностью), исключение

составляют самородные металлы – золото, медь, серебро и другие, сульфиды,

некоторые оксиды (магнетит) и графит, удельное сопротивление которых

менее 10 Ом*м.

Ряд минералов обладает одновременно электронной и ионной

проводимостью электричества. Таковы в первую очередь марказит, пирит,

халькопирит, борнит, сфалерит и другие сульфиды металлов. В

поверхностных зонах руд, смоченных грунтовыми и другими подземными

водами, на контактах зерен сульфидов возникают микрогальванические

элементы. Измерения ЭДС показывают, что сульфиды можно выстроить по

отношению к водороду в такой же ряд напряжений, как и металлы.

Например, для раствора KCl этот ряд следующий, ЭДС дана в эВ: марказит

+0,55, пирит +0,45, халькопирит +0,40, арсенопирит +0,35, борнит +0,30,

пирротин +0,25, галенит +0,20, молибденит +0,15, сфалерит +0,10.

Возникновение ЭДС возбуждает протекание по контактам зерен различных

химических реакций.

На использовании электрических свойств минералов основаны

различные методы электроразведки месторождений полезных ископаемых –

методы сопротивления, естественного электрического поля, заряженного

тела, вызванной поляризаций и др.

Сегнетоэлектриками являются минералы с полярными направлениями

в их кристаллах. При растяжении – сжатии кристаллов – диэлектриков вдоль

полярной оси возникает ЭДС (прямой эффект), если же к концам полярной

оси приложить переменное электрическое поле, кристалл начнет сжиматься и

расширяться вдоль полярной оси (обратный эффект). Известно более 1200

веществ – пьезоэлектриков. Наиболее сильно этот эффект проявляется в

кварце, а из искусственных веществ – в сегнетовой соли NaKC

*4H

O, титаните бария BaTiO

Пироэлектричество также возникает в кристаллах – диэлектриках с

полярными направлениями. При нагревании (или охлаждении) разные концы

этих полярных направлений получают разноименные электрические заряды.

Примером минерала – пироэлектрика является турмалин. Электрические оси

в сегнетоэлектриках совпадают с полярными направлениями в их кристаллах.

Игра и переливы цвета минералов

Некоторые прозрачные и полупрозрачные минералы характеризуются

игрой переливами цвета, идущими, словно изнутри кристалла. Ярким

примером этого свойства являются игра цвета у бриллиантов и радужное

свечение, идущее из чёрных кристаллов лабрадора. Эти явления связаны с

некоторыми особенностями дисперсии и интерференции света при

прохождении его через минерал.

Дисперсией света называются зависимость показателя преломления

вещества от длины волны. Дисперсия чётко проявляется через специальные

оптические призмы, причём белый свет разлагается в спектр. Для видимой

части излучения показатель преломления n растёт с уменьшением длины

волны т. е наименьшее преломление испытывает красный, наибольшее –

фиолетовый луч света. Дисперсия и является причиной наблюдаемого в

бриллиантах «огня»: углы и форма огранки камня рассчитаны так, чтобы

красный и фиолетовый лучи разошлись наиболее сильно. Мерой дисперсии

является разность между показателями преломления красного и фиолетового

лучей. У рутила она составляет 0,250,алмаза – 0,062,рубина и сапфира –

0,018,берилла и топаза – 0,014,кварца – 0,013 и у флюорита – 0,017.

Интерференция света называется наложения друг на друга

параллельных пучков света, в результате которого часть лучей ослабляется

(гаснет), часть – усиливается. Окраски, вызванные явлением Интерференции

света ,установлены у кальцита,гипса,слюды, и некоторых полевых шпатов. У

первых трёх минералов окраска видна на хороших бесцветных прозрачных

криссталах в виде типичных радужных колец Ньютона. Чтобы наблюдать эти

кольца, в учебных лабораториях по общей физике студенты делают простой

опыт: прижимают к стеклу плосковыпуклую линзу и направляют по нормали

к ней свет. За счёт отражения света от пластины и его интерференции на

линзе образуются чередующиеся цветные и тёмные кольца равной толщины.

И такие же кольца образуются вокруг воздушного зазора в трещинах

кальцита, гипса, слюды придавая им радужную окраску. Ширина колец, их

число, цвет зависят от толщины зазора.

Сложнее проходит Интерференция света в некоторых полевых

шпатах – в олигоклазе, лабрадоре и ортоклазе. Кристаллы олигоклаза,

например, состоят из тончайших (около 100 нм) пластинок,

характеризующихся несколько отличающимся химическим составом и,

следовательно, разными показателями преломления. Интерференция

отраженных от таких пластинок лучей света приводит к радужному

внутреннему сиянию олигоклаза в ярких голубых тонах – иризации. Для

лабрадора также характерна иризация. Радужные многоцветные переливы

благородного опала объясняются интерференцией (по другим авторам -

дифракцией) света из-за особого строения опала: он состоит из мельчайших

(150-300 нм) глобул SiO2 с водой в межглобулярном пространстве. Сходную

природу имеет такое привычное для нас явление, как свечение и переливы

цветами радуги перисто-кучевых и перисто-слоистых облаков, сквозь

которые просвечивает солнце.

Люминесценция.

Цвет, двойное лучепреломление и поляризация света, блеск минерала

связаны с явлениями взаимодействия с ним лучей видимой части спектра

электромагнитных колебаний. Люминесценцией называется способность

кристаллов светится под влиянием разного рода излучений за пределами

длин волн видимого света. В зависимости от вида излучения, используемого

для возбуждения, различают фотолюминесценцию (возбуждение

ультрафиолетовыми лучами), катодолюминесценцию (возбуждение потоком

электронов), электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем),

термолюминесценцию (возбуждение нагреванием), триболюминесценцию

(возбуждение упругими колебаниями, ударом) и т.д.

Наиболее просто люминесценция минералов наблюдается в

ультрафиолетовых лучах в темноте. Нелюминесцирующие минералы

остаются черными, у других появляется свечение разного цвета и

интенсивности. Иногда свечение продолжается некоторое время в полной

темноте после отключения ультрафиолетовой лампы, этот вид

люминесценции, послесвечение, называется фосфоресценцией. Принцип

появления люминесценции тот же, что и принцип появления окраски в

видимых лучах. Возбудителями люминесценции (люминофорами) чаще

всего являются ионы переходных металлов - Mn

2

, Cr

, TR

комплексные катионы (UO

)

, точечные дефекты типа О

, центры перехода

(рекомбинации), переноса заряда т.д.

Известны минералы с фиолетовым, голубым, синим, зеленым, желтым,

оранжевым, красным свечением в ультрафиолетовых лучах. Иногда разное

по силе и цвету свечение наблюдается в пределах одного кристалла. Цвет и

интенсивность свечения одного и того же минерала зависят также от его

состава и особенностей структуры. Для некоторых минералов

люминесценция является важным диагностическим признаком. По яркому

голубому или желтому свечению легко определяется алмаз (на этом основан

способ его выявления в массе дробленой руды на ленте транспортера на

обогатительных фабриках). По синему и желтому свечению легко отличают

рудный минерал вольфрама шеелит от кальцита и кварца (у кальцита чаще

всего бывает розовое свечение, кварц люминесцирует), по красному

свечению рубин отличают от его имитации и т.д.

Оптические свойства.

В естественном свете колебания электрического и магнитного векторов

совершаются в каждый момент в различных направлениях, всегда

перпендикулярных к направлению распространения световой волны (т.е.

перпендикулярно к световому лучу) . Такой свет носит название

неполяризованного, или простого. При прохождении через оптически

анизотропную среду свет становится поляризованным. Колебания

поляризованного света проходят лишь в одной плоскости, проходящей через

направление движения световой волны.

Поляризация света происходит при прохождении через все кристаллы,

за исключением кристаллов кубической сингонии; последние в оптическом

отношении изотропны. Естественный свет, поступающий в кристалл,

распадается на две световые волны, распространяющиеся с различными

скоростями. Обе волны становятся поляризованными, причём плоскости их

колебаний взаимно перпендикулярны. Это явление называется

двупреломлением, или двойным светопреломлением. Двупреломление было

открыто Бартолином в 1669 г. и в дальнейшем было изучено Х. Гюйгенсом.

В кристаллах тригональной, тетрагональной и гексагональной

сингоний имеется только одно направление, по которому не происходит

двойного светопреломления. Это направление называется оптической осью,

оно совпадает с осью симметрии высшего порядка. Поэтому кристаллы

средних сингоний называются оптически одноосными. В кристаллах

триклинной, моноклинной и ромбической сингоний имеются два

направления, по которым не происходит двойного светопреломления; они в

оптическом отношении двуосны.

В кристаллах средних сингоний скорость распространения световых

волн различна. Световая волна, распространяющаяся с одинаковой

скоростью во всех направлениях, называется обыкновенной, а

распространяющаяся в различных направлениях с различной скоростью

необыкновенной. Поверхностью первой световой волны является шар, а

второй эллипсоид вращения.

Оптические свойства минералов относятся к числу наиболее важных.

На них основана методика определения минералов

под микроскопом, а такие

свойства, как блеск и цвет, для многих минералов

определяют их

практическую ценность.

Световой луч, падая на поверхность минерала, частично отражается от нее,

частично преломляется или поглощается минералом. Эти явления называют

светопреломлением, светоотражением и светопоглощением. С ними связаны

цвета минералов и явления люминесценции.

Светопреломление происходит в результате изменения направления

светового луча при прохождении его через минерал, обусловленное

различными скоростями распространения света в воздухе и в минерале. Для

выражения особенностей светопреломления минералов пользуются

вспомогательной поверхностью — оптической индикатрисой, имеющей

форму эллипсоида. Размер каждого радиуса-вектора индикатрисы

представляет показатель преломления (п) кристалла для тех волн, колебания

которых совершаются в направлении этого вектора. Для

однородноаморфных минералов и минералов кубической сингонии

индикатриса имеет форму шара, так как все ее радиусы-векторы одинаковы.

Такие минералы называются оптически изотропными и для них характерен

один показатель преломления.

В минералах других сингонии показатели преломления изменяются с

изменением направления поэтому такие минералы называются оптически

анизотропными.

Для минералов, кристаллизующихся в тетрагона и гексагональной

сингониях, оптическая индикатриса представляет эллипсоид вращения, ось

которого является оптической осью. Перпендикулярно к оси располагается

круговое сечение, которое означает, что луч проходящий в направлении

оптической оси, не испытывает двойного лучепреломления, а колебания

световой волны, распространяющиеся перпендикулярно световой нормали,

по всем направлениям одинаковы.

Оптическая ось совпадает с осями симметрии четвертого, третьего или

шестого порядка. Минералы этих сингоний в оптическом отношении

являются одноосными. В них показатели преломления изменяются с

изменением направления хода лучей в минерале от некоторого

максимального показателя (ng) до минимального (пр). Оптически одноосные

минералы, у которых в круговом сечении лежит наименьший показатель

преломления, называются положительными. Если в круговом сечении

лежит наибольший показатель преломления, то они являются

отрицательными.

Минералы, кристаллизующиеся в ромбической, моноклинной и

триклинной сингониях, характеризуются индикатрисой в виде трехосного

эллипсоида. Оси этого эллипсоида отвечают по значению трем показателям

преломления ng, run, пр. В трехосных эллипсоидах есть два круговых сече-

ния, перпендикулярно к которым проходят две оптические оси. Минералы

ромбической, моноклинной и триклинной сингоний оптически двуосны.

Угол, образуемый двумя оптическими осями, обозначается 2V. в зависимости

от того, каким направлениям в оптической индикатрисе отвечают

наибольший (ng), средний (пт) и наименьший (пр) показатели преломления,

различают оптически положительные и оптически отрицательные минералы.

Оптически положительными являются такие, в которых наибольший

показатель преломления (ng) отвечает положению острой ,т.е биссектрисы

острого угла между оптическими осями. Если этому положению отвечает

наименьший показатель, то минералы будут оптически отрицательными.

При определении минерала важное значение имеет также характер

удлинения минерала, или знак зоны. Если с направлением удлинения мине-

рала совпадает больший показатель преломления (ng), то такой минерал

относят к имеющим положительное удлинение (+) и наоборот: если с направ-

лением удлинения совпадает меньший показатель преломления, минерал

имеет отрицательное удлинение (—).

Минералы по характеру удлинения делятся на четыре категории: 1)

минерал положительный, удлинение положительное (кварц — SiO

, циркон

— Zr[SiO

], рутил — ТiО

); 2) минерал отрицательный, удлинение

отрицательное (апатит Са

Са

(С1, F, ОН)[РО

]

» доломит — CaMg[CO

]

); • 3)

минерал положительный, удлинение отрицательное (мелилит—Са

(Mg, Al)

[(Si, Al)

Si0

], брусит—Mg(OH)

); 4) минерал отрицательный, удлинение

положительное (гематит — Fe

, тальк — Mg

(OH)

[Si

]).

Как известно, в различных средах скорость распространения света

неодинакова для разных длин волн. Вследствие этого наблюдается различие

в показателях преломления для различных длин волн. Это явление, носящее

название дисперсии показателей преломления, обусловливает дисперсию

хилы двупреломления и дисперсию угла оптических осей, т. е. разную

величину угла оптических осей в кристалле для света разных длин волн.

Положение круговых сечений, нормалями к которым являются

оптические оси, определяется в двуосных кристаллах относительной

величиной главных осей индикатрисы Ng, Nm, Np. Для света разных длин

волн эти величины различны, следовательно, и индикатриса для каждой

длины волны имеет свою величину. Если форма всех этих индикатрис одна и

та же, т. е. если оси Ng, Nm, Np, увеличиваясь или уменьшаясь, сохраняют

отношение своих величин, то круговые сечения для света всех длин волн

занимают одинаковое положение, и дисперсия оптических осей не имеет

места. Чаще всего индикатрисы .для разных длин волн не вполне подобны

друг другу следствием чего является несколько различное положение

круговых сечений и дисперсия оптических осей. Различают два вида

дисперсий угла оптических осей:

1. Угол оптических осей для длинных волн (красных) больше, чем для

коротких (фиолетовых). Такой вид дисперсии обозначается r>v (r — rot —

красный, v — violett — фиолетовый) или р > v (р — розеос — розовый, v —

виакиндинос — фиолетовый).

2. Угол оптических осей для длинных волн меньше, чем для коротких и

обозначается r < v или



< v.

В некоторых случаях в результате сильной дисперсии меняется поло-

жение плоскости оптических осей. Примером может служить брукит (TiO

минерал ромбической сингонии, оптически положительный), у которого оси

индикатрисы с уменьшением длины волны увеличиваются несколько нерав-

номерно: та ось, которая для красных лучей была наименьшей {Np), для

синих становится средней (Nm); в связи с этим положение плоскости опти-

ческих осей меняется на перпендикулярное.

Явления светопреломления изучают при помощи поляризационного

микроскопа в тонких шлифах (толщиной около 0,02 мм) или в порошках,

погружаемых в специальные иммерсионные жидкости. Этот метод получил

название иммерсионного. Поляризационным микроскопом можно

сравнительно быстро определять минералы, так как каждому минералу

свойственны характерные для него оптические константы.

Мы не будем здесь излагать методики исследования каждого из

свойств, что детально дается в курсах кристаллооптики, но отметим, что

отдельные явления светопреломления непосредственно связаны друг с

другом и являются функцией химического состава минералов и их

структуры, следовательно, определение оптических констант позволяет

делать выводы о химическом минерала. Делается это с помощью диаграмм,

связывающих химического состав физические свойства минералов.

Диаграммы значительно облегчают работу по определению минералов.

Термические свойства.

При нагревании минералов в зависимости от температуры в них могут

наблюдаться различные явления: дегидратация, диссоциация, разложение,

превращение и плавление.

Поведение минералов при нагревании имеет важное диагностическое

значение. На плавкости минералов построены многие определители. Пове-

дение минералов при нагревании имеет важное практическое значение, в

частности, для минералов, используемых в керамической и огнеупорной

промышленности.

Дегидратация (от лат. dehydratatio —'обезвоживание) представляет

собой процесс потери минералом молекул воды в результате нагревания или

под влиянием водопоглощающих веществ. К минералам, испытывающим

дегидратацию, относятся кристаллогидраты, минералы, содержащие в своем

составе гидроксил, водород, а также тонкодисперсные (коллоидные) агре-

гаты. Кристаллогидраты содержат кристаллизационную, а тонкодисперсные

агрегаты — адсорбционную воду.

Термическая диссоциация (от лат. dissociatio — разъединение) мине-

ралов выражается в разложении их при нагревании на более простые состав-

ные части (например, окислы). Обычно она совершается под влиянием

выделения минералов определенных летучих составных частей (Н

0, (ОН),

СО

, S и др.). Для минералов, содержащих воду, она связана с дегидратацией.

В минералогии важное значение принадлежит термической диссоциа-

ции карбонатов, которая является результатом выделения из них при

нагревании углекислоты. Реакция диссоциации карбонатов протекает с

поглощением тепла (эндотермично) и может быть представлена такой

схемой:

Me[CO

] = MeO + CO

Температура диссоциации карбонатов колеблется в значительных пределах.

Так, диссоциация смитсонита — Zn[CO

] происходит при 450°C,а арагонита

— Са[СО

] при 950° С.

Плавление представляет собой процесс, при котором за счет притока

внешнего тепла происходит разрушение минерала и резкий переход его из

твердого состояния в жидкое. Температура, при которой происходит этот