Твердость

Микротвердометр кафедры минералогии МГУ

сопротивление, оказываемое кристаллом царапающему, сверлящему, шлифующему или давящему предмету. На преодоление этого сопротивления должна быть затрачена определенная работа, которая может быть принята за меру твердости.Прибор для измерения твердости вещества называется склерометром. В минералогии твердость минерала определяется по 10-бальной шкале, придуманной австрийским химиком и минералогом Фридихом Моосом.

Источник: А.Г.Булах; Общая минералогия, Спб, 2002

Твердость различных классов минералов:

Иногда по сопротивлению минерала можно предположить к какому классу он скорее всего относится. В данном списке приведены некоторые значения твердости для различных классов минералов:

1. Самородные элементы не считая алмаза, обычно мягкие. Вместе с тем платина (4 – 4,5) и железо (4,5) достаточно твердые; еще большей твердостью (6 – 7 ) обладает иридосмин.
2. Соединения тяжелых металлов (серебра, меди, свинца, висмута и ртути) являются мягкими (твердость меньше 4).
3. Большинство сульфидов и сульфосолей мягкие, хотя допустим у пирита твердость 6 – 6.5.
4. Галогениды мягкие.
5. Карбонаты и сульфаты обычно мягкие.
6. Фосфаты обладают средним (5) значением твердости.
7. Безводные силикаты чаще всего твердые, а водные силикаты (слюды, цеолиты) мягкие.
8. Оксиды, как правило, твердые, а гидроксиды относительно мягкие.

Взаимосвязь между твердостью и структурой минералов.

Основные положения этой связи молжно сформулировать кратко, в виде тезисов.

1. Твердость тем больше, чем меньше размеры атомов или ионов.
2. Твердость увеличивается с увеличением валентности или заряда катионов, входящих в данный минерал.
3. Твердость возорастает с увеличением плотности упаковки.
4. Большое значение на твердость, по мнению академика В.С.Соболева оказывает степень координации атомов в соединениях. В окислах и силикатах наибольшая твёрдость принадлежит соединениям тех катионов, для которых отношение радиуса катиона к радиусу аниона отвечает нижнему пределу устойчивости координационного числа. Для доказательства этого утверждения смотрите таблицу в статье о плотности минералов. Причем, для силикатов, содержащих алюминий в шестерной координации, твердость выше, чем в алюмосиликатах, с четверной координацией алюминия.
5. Присутствие в соединении гидроксильных ионов воды несколько понижает твердость.

Как следствие этих двух закономерностей можно выделить еще две:
1. Твердость изменяется обратно пропорцонально межатомным расстояниям, а именно расстоянием между катионом и анионом.
2. Твердость изменяется прямо пропорционально плотности химических связей. Влияние размера иона легче всего проследить на примере изоморфной группы, где все вещества имеют одну и ту же кристаллическую структуру. Так, например, в группе кальцита радиус ионов изменяется от 1.00А⁰ (Ca) до 0.75А⁰ (Mg), а твердость при этом повышается от 3 у кальцита до 4 у магнезита. Другим хорошим примером может служить твердость гематита (4.5) и корунда 9.0. Влияние валентности или заряда четко проявляется при сравнении соединений с одинаковой структурой и близкими размерами ионов. Так натриевая селитра и кальцит и размеры ионов кальция и натрия близки друг к другу. Однако твердость натриевой селитры равна 2, а кальцита 3. Еще большая разница наблюдается между калиевой селитрой (2) и арагонитом (4), так как в этих минералах не только различаются ионные радиусы элементов, но и заряды этих двух ионов. Влияние плотности упаковки хорошо иллюстрируется на примере различных полиморфных модификаций минералов. В частности это отностся, например, к паре, кварц (удельный вес – 2,65; твердость – 7) и тридимит (удельный вес - 2,26, твердость – 6.5). Такая же взаимосвязь существует между твердостью и коэффицентом плотност упаковк: чем выше коэффицент плотности упаковки, тем твердость выше. Невероятно, но иногда, если коэффицент плотности упаковки больше 6, то обычно и минерала равна 6 или больше.

Имеются и некоторые второстепенные закономерности, например, чем ниже твердость, тем ниже точка плавления. За некоторым исключением, та из двух полиморфных модификаций, которая образовалась при более высоком давлении, плотнее и тверже, чем низкотемпературная модификация. Кроме того, твердость повышается с понижением температуры; так, твердость льда приближается к 6 при температуре – 40 градусов Цельсия. Известны также некоторые аномалии в изменении твердости, в частности, её значения для промежуточных членов некоторых рядов твердых растворов могут быть несколько выше, чем твердость обоих конечных членов таких рядов.