О природе минералов 1 Введение

глава 6 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
МИНЕРАЛОВ
Физические свойства минералов определяются
взаимодействием между структурой и химиче-
ским составом. В число этих свойств входят и
такие, которые влияют на внешний вид минера-
ла, например, его блеск и цвет. Другие свойства
сказываются на физических характеристиках ми-
нералов — твердости, пьезоэлектричестве, магне-
тизме. Сначала мы рассмотрим плотность мине-
ралов, поскольку это свойство находится в прямой
связи с их структурой и составом.
6.1 Плотность
Плотность минерала определяется как величина
массы, занимающей единицу объема, и выражает-
ся в граммах на кубический сантиметр (г/см
3
)
1
.
Это фундаментальное физическое свойство, кото-
рое изменяется в зависимости как от химического
состава, так и от структуры. В гл. 2 уже упоми-
налось, что полиморфные разновидности минера-
лов имеют разные плотности. Это прекрасно вид-
но на примере трех полиморфных модификаций
Al
2
SiO
5
: андалузита (3,14-3,16 г/см
3
), силлимани-
та (3,23-3,27 г/см
3
) и кианита (3.53-3.65 г/см
3
).
Плотность также изменяется в сериях твердых
растворов. В простых двухкомпонентных твердых
растворах, таких, как оливин, плотность меняет-
ся линейно в зависимости от содержания Fe: от
3,22 г/см
3
у магнезиального конечного члена фор-
стерита до 4,39 г/см
3
у железистого конечного
члена фаялита. Плотность минерала прямо свя-
зана с объемом элементарной ячейки и атомными
массами ее атомов, что определяется соотноше-
нием
где
 р —
плотность в г/см
3
,
 AW —
сумма атом-
ных масс атомов в элементарной ячейке и V —
объем элементарной ячейки в нм
3
. Коэффициент
1,6602 x 10
-24
(значение, обратное числу Авога-
дро) представляет собой единицу атомной массы,
выраженную в граммах, а для перевода объема
ячейки в см
3
необходимо ее объем в нм
3
умно-
жить на 10
-21
(если объем ячейки дан в А
3
, то
его следует умножить на 10
-24
).
Для иллюстрации рассчитаем плотность гали-
та (каменной соли), его ячейка содержит 4NaCl
(см. разд. 8.6) и представляет собой кубическую
элементарную ячейку с
 a
= 0,564 нм.
Такой расчет часто полезен для проверки резуль-
татов химического анализа минерала, с одной сто-
роны, и результатов измерений его плотности и
размера элементарной ячейки — с другой.
Вследствие изоморфных замещений большин-
ство минералов не имеет тех точных значений
плотности и размера ячейки, которых можно ожи-
дать исходя из формулы гипотетического чистого
соединения. Если накоплено достаточное количе-
ство данных по влиянию атомных замещений на
плотность, то результаты ее измерения или опре-
деления размера ячейки могут оказаться полезны-
ми для получения сведений о составе. Например,
на рис. 11.3 показана зависимость между плотно-
стью и составом минералов ряда оливина.

---

6.1.1 Оценка плотности
Полезным показателем при оценке плотности слу-
жит такой простой факт, что образец минерала
ощущается в руке тяжелым или легким относи-
тельно его размера. Если образец мономинераль-
ный и весит не меньше 30 г, можно приблизи-
тельно оценить его плотность, плавно приподни-
мая или опуская на руке. Минералы, содержащие
тяжелые атомы — Fe и находящиеся за ним в пе-
риодической системе, — имеют, естественно, боль-
шую массу. В отдельных случаях может оказаться
информативной зависимость между плотностью и
цветом. Так, темноокрашенные минералы часто
бывают относительно тяжелыми, а светлоокра-
шенные—легкими. Однако имеются исключения
из этого правила: например темный графит (С,
ρ
= 2,23
г/см
3
) ощущается на руке легким, тог-
да как барит (BaSO
4
,
 ρ
= 4,5
г/см
3
) неожидан-
но оказывается тяжелым несмотря на его светлую
окраску.
Такая качественная оценка плотности прино-
сит большую пользу в практической работе при
идентификации минералов в поле.
6.1.2 Измерение плотности
В старой литературе по минералогии содержат-
ся подробные описания множества различных
устройств и методик для точного определения
плотности. В современной минералогии плотность
минералов обычно измеряется в повседневной
практике только в ходе определения кристалли-
ческих структур (когда она используется для рас-
чета числа формульных единиц в элементарной
ячейке) либо при описании новых минералов (ког-
да она позволяет проверить соответствие хими-
ческого состава данным по элементарной ячей-
ке) Процессы сепарации и очистки, использую-
щие различие в плотностях минералов, широко
применялись для концентрации веществ при их
подготовке к опробованию методами мокрой хи-
мии, в которых для анализа требовалось около
0,1 г чистого минерала. Сепарация по плотности
все еще используется в горной промышленности,
например при извлечении циркона и рутила из
прибрежных песков.
Здесь мы только кратко опишем методы опре-
деления плотности, а детали их можно найти в бо-
Рис. 6.1 Пружинные весы Джолли, используемые для
определения плотности.
лее старых минералогических руководствах, а так-
же в предыдущих изданиях этой книги. Основные
методы делятся на две группы. К первой относит-
ся взвешивание минерала на воздухе, а затем в
воде или другой жидкости. Тогда плотность опре-
деляется выражением
где
 w
1
и
 w
2
 —
масса минерала соответственно в
воздухе и в воде. Следует также замерить тем-
пературу, при которой проводились измерения,
и ввести соответствующую поправку в получен-
ное значение плотности. Плотность воды равна
1 г/см
3
только при 4
0
C, и имеются таблицы
поправок к значениям плотностей, полученным
при других температурах (табл. 6.1). Существу-
ет большое количество специальных типов весов
для определения плотности данным методом —
торзионные весы, безмен Уокера, пружинные весы
Джолли (рис. 6.1).
Другой метод определения плотности, обычно
используемый при исследовании структур моно-
кристаллов, заключается в наблюдении за пове-
дением взвесей минеральных зерен или кристал-
лов в тяжелых жидкостях. Плотность жидкости
подбирается путем ее разбавления другой, смеши-

---

Таблица 6.1 Поправки к плотности воды
 (К)
при раз-
личных температурах*
Температура
воды,
0
C
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
К
0,0003
4
5
6
8
9
0,0011
12
14
16
Температура
воды,
0
C
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
К
0,0018
20
22
25
27
30
32
35
38
41
* Поправка вводится следующим образом
D
изм
(Н
2
О) = 1 -
 К,
где D
изм
(H
2
O)-плотность
воды при температуре измерения, 1 — плотность воды
при 4
0
C в г/см
3
,
 К
— табличная поправка
вающейся с ней жидкостью более низкой плотно-
сти до тех пор, пока кристалл или зерно пере-
станут тонуть или всплывать, оставаясь во взве-
шенном состоянии. После этого взвешивается из-
вестный объем жидкости и рассчитывается плот-
ность. Наиболее часто используются три тяже-
лые жидкости: бромоформ (СНВr
з
) с плотностью
2,90 г/см
3
(разбавляется ацетоном), дииодометан
(CH
2
I
2
) с плотностью 3,325 г/см
3
(может разба-
вляться хлороформом CHCI
3
) и жидкость Клери-
чи (водный раствор формиата и малоната таллия),
которая имеет плотность 4,4 г/см
3
и может разба-
вляться водой. Плотность жидкости Клеричи уве-
личивается с температурой и поэтому при ее ис-
пользовании можно измерять плотность прибли-
зительно до 5,4 г/см
3
. Все три тяжелые жидкости
токсичны и обладают коррозионными свойствами.
Поэтому в процессе работы с ними следует соблю-
дать большую осторожность.