Jak badać twardość minerałów - skala twardości Mohsa i inne techniki.
Czym jest twardość minerałów ?
Twardość jest to odporność powierzchni minerału na zarysowanie (ścieranie) innym minerałem (przedmiotem). Cecha ta wynika z budowy wewnętrznej minerału - sieci krystalicznej oraz rodzaju wiązań chemicznych pomiędzy atomami i/lub jonami.
Należy pamiętać, że w większości minerały to substancje anizotropowe, czyli posiadające różne właściwości fizyczne, zależnie od kierunku osi krystalograficznych / płaszczyzn sieciowych (ryc. 1).
Najbardziej znanym minerałem o wyraźnych właściwościach anizotropowych, w naszym przypadku omawianej twardości, jest cjanit (cyanit) - dysten. Równolegle do kierunku osi Z, twardość tego minerału wynosi ok. 5 st. wg skali Mohsa, natomiast w kierunku prostopadłym do tej osi wynosi ok.6,5-7 st. wg skali Mohsa. Zatem twardość minerału jest zazwyczaj wielkością wektorową !
Ryc. 1. Krzywe twardości minerałów.
Widoczne różnice w twardości na różnych ścianach kryształów, zależnie od kierunków badania.
Techniki badania twardości minerałów.
Sposoby określania twardości minerałów możemy podzielić na bezpośrednie i pośrednie.
W wyniku badań bezpośrednich uzyskujemy konkretną wartość liczbową, natomiast techniki pośrednie to badania porównawcze w stosunku do wzorców.
Jednym z urządzeń do badań bezpośrednich jest
sklerometr, skonstruowany po raz pierwszy przez
Seebecka (ryc. 2). Badanie polega na umieszczeniu próbki minerału o gładkiej powierzchni na stoliku obrotowym opatrzonym podziałka kątową. Następnie na powierzchni badanego minerału umieszcza się ostrze stalowe lub diamentowe (dla twardszych minerałów), po czym zwiększa się obciążenie ciężarka pociągającego stolik, aż do pojawienia się rysy na próbce minerału. W ten sposób możemy dokładnie określić potrzebne obciążenie do powstania rysy. Dodatkowo używając obrotowego stolika, można określić tą wartość w stosunku do konkretnych kątów w krysztale, otrzymując tym samym krzywą twardości (ryc. 1).
Ryc. 2. Sklerometr.
Kolejną metodą określania twardości jest
metoda Rosivala. Polega ona na oznaczaniu straty na wadze zeszlifowywanej powierzchni minerału, przy użyciu określonego proszku ściernego w określonej jednostce czasu. Następnie twardość oblicza się z odpowiedniego wzoru. Generalnie metoda dość skomplikowana i czasochłonna.
Twardość minerałów można również określić stosując pomiary
metodami Vickersa, Rockwella lub Brinella. Polegają one na wciskaniu diamentowego stożka lub kulki stalowej w powierzchnię próbki z odpowiednią siłą. Po wykonaniu badania mierzy się przekątną wgłębienia (lub głębokość) i znając zastosowaną siłę oblicza się twardość z odpowiedniego wzoru. Trzeba tu przyznać iż owe metody nie są tak dokładne dla minerałów jak w przypadku użycia sklerometru i stosuje się je głownie w badaniach metalograficznych (stopy metali).
Metoda pośrednia - "prymitywne ale skuteczne" !
Niemiecki fizyk, geolog i mineralog
Friedrich Mohs (1773 - 1839) jest autorem znanego szeregu, który pozwala na określenie względnej twardości minerałów w prosty sposób. Mowa tutaj oczywiście o skali Mohsa, która została przez niego przedstawiona w 1812 roku. Badacz ten, opracowując swoja skalę częściowo opierał się na obserwacjach m.in.
Pliniusza Starszego.
Właśnie ten sposób określania twardości najczęściej stosuje się w geologii, szczególnie w badaniach terenowych choć równie dobrze sprawdza się w pracach kameralnych.
Metoda polega na względnym (porównawczym) pomiarze twardości minerałów poprzez zarysowanie powierzchni badanego minerału, minerałem wzorcowym o znanej twardości (i na odwrót). W skali tej występuje 10 minerałów wzorcowych, od najmiększego (tw.1) do najtwardszego (tw.10), przy czym każdym kolejnym minerałem można zarysować poprzednie.
1 talk - można zarysować paznokciem
2 gips, halit - można zarysować paznokciem
3 kalcyt - można zarysować ostrzem miedzianym
4 fluoryt - można zarysować ostrzem stalowym
5 apatyt - można zarysować ostrzem stalowym
6 ortoklaz - można zarysować szkłem, stalą narzędziową
7 kwarc - rysuje szkło
8 topaz - rysuje szkło
9 korund - rysuje szkło
10 diament - tnie szkło
Stosując skalę Mohsa można określić twardość minerału z dokładnością do 0,5 stopnia.
Ryc. 3. Skala twardości Mohsa. wg "Was ist das fur ein Stein?" R. Borner, 1938.
Po wykonaniu próby zarysowania należy obejrzeć pod lupą powstałą rysę i określić jej charakter, tzn. czy jest wyraźna, czy zarysował się minerał badany, czy starł się na powierzchni badanego minerał wzorcowy. Następnie należy wykonać odwrotną próbę.
Do określania twardości należy wybierać okazy niezwietrzałe, najlepiej o gładkich płaszczyznach i ostrych krawędziach. Należy pamiętać, że skupienia ziarniste i ziemiste minerałów mogą podczas zarysowania wykruszać się i tym samym powodować zafałszowanie wyników badań.
Pamiętajmy jeszcze, że minerały w skali Mohsa są rzeczywiście ułożone wg wzrastającej twardości, jednakże nie jest to wzrost o wartość bezwzględną. Tzn, np: różnica pomiędzy twardością korundu a topazu wg skali Mohsa wynosi 1, natomiast po wykonaniu pomiaru bezwzględnego różnica ta wynosi ok 6,5. Znaczy to iż korund jest 6,5 razy twardszy od topazu i aż 25000 razy twardszy od gipsu.
Zestaw minerałów wzorcowych skali Mohsa, to nieodłączne wyposażenie każdego mineraloga, geologa i kolekcjonera, zarówno profesjonalisty jak i amatora. Większość minerałów na pewno można znaleźć we własnej kolekcji. Można też skorzystać z gotowych rozwiązań jakie proponuje firma GeoGut:
http://www.sklep.geogut.pl/pl/p/Skala-twardosci-Mohsa-zestaw-edukacyjny-/5982.
Pozdrawiam sympatyków i zachęcam do własnych badań i eksperymentów z twardością minerałów.
Piotr Gut
