Дослідження мінералів за їх властивостями

Дослідження мінералів за їх властивостями

Девіз сьогоднішнього заняття: «Радість бачити й розуміти – це найпрекрасніший дарунок природи»  ( А. Ейнштейн)

Викладач: Давайте пригадаємо - «Що називають мінералом?»

Студент: Мінерал - елемент або хімічна сполука, що є крис­талічною за нормальних умов і утворилася внаслідок геологічних процесів.

Викладач:  Коли утворюються мінерали?

Студент: Із самих ранніх моментів геологічної історії Землі і до наших днів. Це процес безперервний, що охоплює відразу безліч місць.

Викладач: Де утворюються мінерали?

Студент: На поверхні Землі, в морях і океанах, в глибинах планети. Скрізь ми знаходимо мінерали і складені ними гірські породи, тобто земну кору.

Викладач: Як утворюються мінерали?

Студент: Спочатку виникає кристал - зародок. Він може почати рости, і тоді природа точно і скрупульозно буде відзначати на ньому етапи біографії. Конкретний кристал, зерно якого проходить неминучі стадії зародження, зростання і руйнування, іншими словами, індивіди мінералів народжуються, можуть загинути і знову кристалізуватися. Але це буде вже інший індивід даного мінералу. Мінерали виникають, кристалізуються з гарячих водних або газових потоках, з розплавлених гірських порід - магми, з морських і океанічних вод.

Викладач: Давайте переглянемо відео «Як ростуть кристали»

Викладач: Як ви вважаєте чому утворюються мінерали?

Студент: Тому, що їх поява обумовлена дією всеосяжних законів хімії та фізики.

Викладач: Ось ми і підійшли до головного питання -  «Як проводять дослідженння мінералів за їх властивостями?»

Викладач: Ми вже знаємо, що таке мінерал, але мінералів в природі багато. За якими ознаками їх розрізняти? Чи не безнадійне це завдання?

Студент: Так, воно здавалося цілком утопічним тисячоліття тому, коли мінерали ділили, наприклад, на «руди», «солі» і «землі» і коли про хімічний склад деяких мінералів буквально нічого не було відомо, крім того, що один «жирний на дотик», а інший «дуже ковкий».

Але сучасний вчений може абсолютно точно визначити за зовнішніми ознаками, за допомогою найпростіших і більш складних приладів кожен з відомих науці мінералів по його фізичним і хімічним властивостям.

Вчитель: І все-таки що є основою досліджень мінералів?

• Колір мінералів

• Блиск мінералів

• Спайність

• Твердість мінералів

• Зовнішня форма кристалів

• Питома вага

• Магнітні властивості

• Електричні властивості мінералів

• Запах мінералів

Вчитель: Давайте переглянемо невеличке відео про мінерали та їх властивості

Вчитель: Справа в тому, що набір поєднання фізичних і хімічних властивостей у кожного мінерального виду неповторний, характерний лише для нього одного. Чим точніше, повніше і швидше вдається виявити ознаки мінералу, що цікавить нас, тим швидше можна його визначити. При цьому насамперед варто використовувати найточніший прилад - наші власні очі.

Студент: Саме через очі людина отримує 80-90 відсотків зовнішньої інформації. Вони разюче чутливі: здатні побачити вогник свічки на відстані 200 км і сприйняти спалах світла тривалістю всього 0,0003 секунди!

Вчитель: І так, кожен мінерал можна відрізнити від будь-якого іншого за його фізичними і хімічними властивостями.

Наприклад, для галита характерний такий набір ознак: питома вага 2,4, твердість по шкалі Мооса 2,5, спайність досконала за трьома площинами куба, прозорий, показник заломлення 1,544, легка розчинність у воді, смак солоний, позитивна реакція на хлор і натрій. Іншого мінералу з таким комплексом властивостей на землі немає.

КОЛІР МІНЕРАЛІВ

Вчитель: Колір мінералів, забарвлення мінералів  - видимий оком колір, що виникає внаслідок взаємодії випромінювання видимого діапазону електромагнітного спектра з речовинами мінералів. Власне забарвлення мінералу -  контрольоване його хімічним складом

Студент: Колір мінералів може бути будь-яким, включати повний спектр та всі найтонші його відтінки. У цьому відношенні з ними не можуть змагатися навіть квіти. Одні мінерали забарвлені в певний колір, і він дуже характерний - наприклад, золотистий пірит, зелений малахіт, жовтий халькопірит. Але є різнокольорові мінерали, кристали яких в кожній своїй частині можуть виглядати по-різному, - турмалін, топаз, флюорит.

Студент: У стародавніх народів існувала думка, що дорогоцінні камені мають якийсь специфічний вплив на їхнього власника. Рубіни, наділені інтенсивним червоним кольором, збуджують в людині мужність, енергію, рішучість. Сапфіри ж, камені блакитні і густо-сині, - заспокоюють, умиротворяють, гасять припадки гніву і дратівливості.

Вчитель: Зараз існує переконання, що в приписуванні мінералам таких властивостей немає реального сенсу. Але виявилося, що сенс є, і більш глибокий, ніж можна було припускати.

Студент: Експерименти психологів Ф. Горбатова та Б. Душкова підтвердили стару гіпотезу, що люди далеко не байдужі до того, які кольори їх оточують. Буйство і напади сказу легко знімалися, коли хворого поміщали в кімнату з синім освітленням (значить, правильно все сказане про сапфір). А червоний колір збуджує, привертає увагу до зовнішнього світу. Хіба це не схоже з дією, яка приписується рубіну?

Студент: «Фарби викликають в людях велику радість, - писав Гете. - Око потребує їх так само, як потребує світла. Згадайте, як ми оживаємо, коли в похмурий день сонце раптом освітить частину місцевості і фарби стають там яскравішими. З глибокого почуття цієї невисловленої насолоди, ймовірно, і народилося те уявлення, що кольорові благородні камені володіють цілющою силою».

Вчитель: Наскільки непростим завданням є з’ясування фізичної (кристаллохимічної) природи забарвлення мінералів, можна показати на прикладі амазоніта, гарного зеленого калієвого польового шпату. Виявилося, що вона ідіохроматична, тобто власне забарвлення амазоніта залежить не тільки від домішок заліза, рубідію і свинцю, а й від тонких перетворень в кристалічній структурі мінералу.

БЛИСК

Вчитель: Блиск – властивість мінералу відбивати від своєї поверхні частину світлових променів

Відчуття блиску зумовлене кількістю і характером світла, відбитого поверхнею мінералу.

Блиск залежить від якості поверхні; на різних гранях кристала він може відрізнятись.

Студент: Блиск мінералів буває металевим і неметалевим. Металевий блиск зазвичай мають непрозорі мінерали, такі як молібденит, пірротин, пірит.

У групі мінералів з неметалевим блиском розрізняються відтінки - алмазний (циркон, каситерит, сфалерит), скляний (кварц, кальцит), шовковистий (азбест, селенит), перламутровий (мусковіт, цеоліти), жирний (тальк).

Причому різко переважають види зі скляним блиском, їх близько 70 відсотків.

До мінералів з металевим блиском відносяться і здавна відомі людині руди. У науковій літературі їх і досі нерідко називають за цією ознакою: галенит - свинцевий блиск, антимонит - сурьмяний блиск.

СПАЙНІСТЬ

Вчитель: Спайність – властивість мінералів розколюватися під дією механічних сил паралельно існуючим або можливим граням кристалів з утворенням різного ступеня дзеркальності площин.

У різних мінералах вона проявляється по-своєму.

Студент: Розрізняють п’ять її різновидів:

1. Спайність дуже досконала (наприклад, слюди, хлорити). Від слюди можна відщепити як завгодно тонкий листок, а от отримати злам в поперечному напрямку - справа зовсім не легка.

2. Спайність досконала. Кальцит легко розколюється на ромбоедричні осколки, він має спайність в 3 площинах; галит - на кубики, спайність теж в 3 площинах; сфалерит має спайність по площинах ромбічного додекаедра (дванадцятигранник).

3. Спайність середня (польові шпати, рогові обманки). На кристалі одночасно видні і площини спайності, і ділянки з нерівним зламом.

4. Спайність недосконала (апатит, каситерит, сірка, олівин ). Це мінерали з раковистим зламом.

5. Спайність вельми недосконала, тобто така, яку важко виявити або якапроявляється дуже рідко (наприклад, золото, платина, корунд, магнетит).

Вчитель: Від спайності мінералоги відрізняють окремість - здатність кристала розпадатися на не дуже рівні тонкі пластинки, паралельні яким-небудь його граням (кристали магнетиту, піроксену). Ці пластинки вже не можна розділити на ще меньші: цим по суті і відрізняється окремість від спайності.

ТВЕРДІСТЬ

Вчитель: Твердість – це ступінь опору мінерального індивіду зовнішній механічній дії

Студент: Роль цієї ознаки знали ще древні ювеліри. Досить точно охарактеризував алмаз, найтвердіший мінерал землі, знаменитий учений давнини Аль-Біруні (973-1048): «…алмаз діє на яхонт (корунд), чинний в свою чергу на те, що нижче його, а сам не піддається впливу з сторони будь-чого, що вище його, і не зазнає впливу від того, що нижче його… Положення його серед таких предметів подібне положенню пана, якому підпорядковуються низи і чернь».

Вчитель: Відносна твердість мінералу визначається за допомогою шкали Мооса, щоб порівняти оцінку твердості мінералів за системою м’якіше-твердіше

Шкала Мооса складається з десяти мінералів, твердість яких умовно прийнята за еталони (1, 2, 3 … 10):

Студент: Мені відомо, що професор Н. К. Розумовський запропонував наступні «замінники» шкали Мооса:

• Олівець (М, ТМ) - 1

• Голка алюмінієва - 2

• Монета мідна - 3

• Голка залізна м’яка - 4

• Скло віконне - 5

• Лезо ножа з гарної сталі - 6

• Напилок - 7

Вчитель: Потрібно пам’ятати при цьому, що одиниці твердості в шкалі Мооса - відносні. Це означає, що алмаз, наприклад, твердіший тальку зовсім не в десять разів, а значно більше. Наведу лише дві цифри: твердість алмазу, визначена методом вдавлювання, - 10 000 кг/мм², а тальку - 43 кг/мм², тобто алмаз твердіше тальку 234 рази!

Студент: Ця корисна властивість мінералів здавна використовувалася і використовується людиною: перші знаряддя праці і перша зброя були з кременю, жорна - з пісковика, точильні круги - з корунду і граната, для ювелірних та граверних робіт - алмазні різці.

Студент: Відкриття алмазних родовищ у Якутії надзвичайно інтенсивно вплинуло на металообробну і гірничо-бурову промисловість. І все це обумовлено особливо високою твердістю і пружністю алмазу. А корунд, що стоїть після нього на другому місці, - незамінна сировина для абразивної промисловості. Камені в годиннику - це синтетичний рубін, різновид корунду.

ЗОВНІШНЯ ФОРМА

Вчитель: Щоб зрозуміти якою може бути форма кристалів перегляними відео.

Зовнішня форма кристалів дуже мінлива навіть у одного і того ж мінерала. Правильна зовнішня форма кристалів пов’язана із закономірним розміщенням часток, що утворюють кристал.

Студент: Серед кристалів легко виявити такі вигляди:

1. Округлі (ізометричні) - куби галиту, піриту, октаедри магнетиту, ромбододекаедри гранату.

2. Призматичні, голкові - витягнуті в одному напрямку. Їх ще називають стовпчастими або волокнистими. Такі форми утворюють рутил (голки), кварц (призми), гіпс (волокна).

3. Плоскі, пластинчасті, стрічкові або дощаті. Це, відповідно, слюди, хлорити, пластинчасті кристали бариту і кальциту, гематит та інші.

Студент: А ще дуже характерні для деяких мінералів закономірні зростки - двійники, трійники або четверники.

Грані кристалів вражають досконалістю і чистотою. Але нерідко вони далекі від ідеальних: покриті ямками, штрихуванням, наросшими кристалами інших мінералів. Все це - важливі ознаки, які допомагають не тільки правильно встановити мінерал, але і зрозуміти умови його утворення.
                                                     

ГУСТИНА

Студент: Густина – це відношення ваги мінералу до його об'єму або маси, яка припадає на 1 см³ дистильованої води при температурі 40⁰ С

Густина мінералів коливається в широких межах: від значень, менших, ніж 1 г/см³ (озокерит тощо), до 22,5 г/см³ (мінерали групи осмієвого іридію). Але переважають в природі мінерали з густиною від 2,0 до 4,0 г/см³.

При макроскопічному визначенні мінералів їх густина приблизно оцінюється зважуванням у руці. Відповідно до такого зважування мінерали поділяються на дуже легкі, легкі, середні, важкі, дуже важкі.

Вчитель: Розподіл мінералів за густиною і деякі приклади відповідних мінералів наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 - Густина мінералів

Студент: Густина мінералів залежить від їхнього хімічного складу і структури (будови). Особливо важливу роль відіграє при цьому атомна вага елементів, які входять до складу мінералів, а також їх валентність і розмір іонних радіусів.

Відповідно до коливань хімічного складу один і той же мінерал може мати різну густину. Наприклад густина сфалериту залежно від домішок коливається від 3,5 до 4,2. Характерним прикладом, залежності густини від кристалічної будови, є мінерали графіт і алмаз. Дані мінерали складаються з одного і того ж хімічного елемента – вуглецю, але внаслідок різної будови вони мають різну густину: графіт – 2,2; алмаз – 3,5.

Густина є важливою діагностичною ознакою мінералів. Крім того, густина має велике практичне значення у процесі природного або штучного збагачення мінералів, коли завдяки різниці в густині одні мінерали відділяються від інших.

Вчитель: Для точного визначення густини мінералів існує багато лабораторних методів, найбільш поширеними з яких є: метод визначення густини з допомогою гідростатичної ваги, пікнометричний метод і метод важких рідин.

ПИТОМА ВАГА

Вчитель: Питома вага - це відношення маси мінералу до маси ідентичного об’єму чистої води.

   За вагою мінерали поділяють на:

легкі мінерали (сірка, опал)

важкі мінерали (алмаз, пірит, барит)

дуже важкі мінерали (мідь, золото, платина)

Студент:  У легких мінералів питома вага до 2,5, у середніх - від 2,5 до 4 і у важких мінералів - більше 4.

Питома вага залежить від хімічного складу мінералу і упаковки атомів, що його складають. Кристалічна структура визначає, наскільки щільно, компактно або «пухко» будуть укладені атоми хімічних елементів у даному обсязі.

Вирішальний вплив структури на питому вагу можна показати на добре відомому прикладі графіту і алмазу - вони мають один і той же склад (чистий вуглець), але різну кристалічну структуру. Відповідно питома вага графіту - 2,2, а алмазу, в структурі якого атоми вуглецю укладені більш щільно - 3,5.

МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ

Студент: У різних народів є варіанти фантастичних легенд про магнітні властивості мінералів: в одному випадку магнітна скеля «вийняла» всі залізні цвяхи з корабля, в іншому - «зняла» ланцюг з в’язня. Магнетит і його здатність притягувати залізо були відомі ще в класичній античності. Згадка про магнітну стрілку (пракомпас) в Європі датована 1100 роком.

Пірротин, сульфід заліза, також має яскраво виражені магнітні властивості. Аналогічні якості багатьох рудних мінералів розрізняються досить чітко. При пропущенні порошку їх суміші через магнітні сепаратори (роздільники) відбувається розсортування цієї суміші на складові мінерали.

Вчитель: Магнітна сепарація рудних мінералів - поширений прийом збагачення та концентрування руд гірничорудної промисловості. Пошуки рудних родовищ, що містять магнітні мінерали, проводиться геофізиками за допомогою приладів. Вони можуть бути встановлені на автомобілі або літаку (аеромагнітна розвідка).

ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Вчитель: Електричні властивості мінералів вже давно відомі людям. Добре описана здатність бурштину наелектризовуватися при терті. Самородні метали, наприклад мідь і срібло, - чудові провідники електрики. А такі мінерали, як кальцит або слюди, - не менш чудові діелектрики. Досить згадати мармурові щити-ізолятори.

Студент: Електричні та магнітні властивості мінералів тісно пов’язані між собою. П’єзоелектричний ефект, виявлений братами П’єром і Жаком Кюрі (фізиком і мінералогом) в 1880 році, характерний для цілого ряду мінералів: турмаліну, нефеліну, сфалериту, але надзвичайно важливо, що він чудово проявлений в кварці.

Якщо на пластинку, певним чином вирізану з кристала гірського кришталю, чинити тиск, то на різних її сторонах з’являються протилежні електричні заряди. А якщо, навпаки, докладати до пластинки змінні заряди, то вона почне стискатися і розтискати, вібрувати, випромінюючи електромагнітні коливання. Завдяки кварцу геофізиками вирішене і завдання пошуків рудних тіл, основу яких складають агрегати кварцових зерен: вибухова хвиля змушує подібне тіло «відповісти» коливаннями п’єзоелектричного відлуння.

ЗАПАХ МІНЕРАЛІВ

Вчитель: Запах мінералів поки не став діагностичною ознакою, що пояснюється традиційним переконанням, ніби всі мінерали «пахнуть глиною», якщо на них попередньо подихати.

Студент: Але це абсолютно необгрунтоване твердження, пов’язане з майже повним невивченям подібної властивості. Звертають на себе увагу експерименти по використанню спеціально тренованих собак для пошуків ртутних і інших руд, що успішно проводяться зараз на Кавказі. Рудні мінерали пахнуть по-різному, з різною інтенсивністю, а собаки, які взагалі відрізняються видатним нюхом, їх розрізняють і фіксують. Перші такі експерименти закінчилися дуже обнадійливо.

І є ще одне недавнє відкриття, яке підтверджує значення запаху мінералів як діагностичної властивості. Були виявлені феромони - хімічні речовини, які регулюють поведінку комах і, мабуть, деяких більш високоорганізованих тварин. Бути може, з часом з’являться чутливі прилади або будуть виявлені тварини, здатні реагувати на «феромонові» запахи мінералів…    

Вчитель: Наука про запахи - взагалі захоплююча і перспективна область досліджень. Про це багато цікавого написано в книзі Р. Райта «Наука про запахи».

Вчитель: Відео про вироби з мінералів

Домашнє завдання: підготувати повідомлення на тему «Оптичні властивості мінералів»