Мягкий, как воск, и твердый, как сталь

Мир камня, чарующий многоцветной радугой красок, бесконечно разнообразен по физическим свойствам минералов. Верно служат "жажде пользы" человека свойства кристаллов: механические (твердость, спайность, плотность, прочность, вязкость, ковкость), магнитные, электрические, люминесцентные и прочие.

Узнавать минералы помогают наиболее "личные" физические свойства минералов - диагностические. После цвета и блеска это прежде всего твердость, т. е. способность минерала сопротивляться разрушению при соприкосновении с другим минералом (или эталоном). "Спектр" твердости минералов по диапазону не уступает радуге их окрасок.

Яблочно-зеленый с перламутровым или жирным блеском и жирный на ощупь мыльный камень (жировик или тальк) известен как самый мягкий минерал - это эталон минимальной твердости. В косметике тальк не заменим: ни одна красавица, ни один спортсмен, ни один малыш - не обходятся без тальковой пудры, которая состоит из обломков его кристаллов - тончайших чешуек.

По архитектуре решетки кристалла, химическому составу, внешнему виду и физическим свойствам тальк весьма близок к пирофиллиту или агальматолиту (фигурному камню). Агальматолит ("агальма" - статуя) назван так за мягкость и податливость при обработке.

Черная пудра графита не менее, чем тальк и профиллит, жирна на ощупь - это экстра-смазка в косметике металлов. Свойство графита чертить бумагу - оставлять след чешуек, соскальзывающих с граней кристаллов - говорит о весьма маленькой твердости графита. Есть минерал, как близнец похожий на графит по цвету, блеску, низкой твердости, жирности на ощупь. Это молибденит - рудный минерал молибдена. Долгое время он так и считался разновидностью графита и шел на изготовление карандашей. Слоистая структура молибденита с весьма слабыми (как у графита) связями молекул между отдельными гексагональными "сотовыми" слоями, очень похожая на структуру графита и по геометрии, обусловливает его свойства. В эту же семью минералов значительной мягкости и жирных на ощупь со слоистой структурой кристаллов входят минералы вездесущих глин, в частности каолинит - сырье для фарфора и лучшего фаянса.

Нежными каменными розами "расцветает" подчас гипс - минерал также очень маленькой, но чуть большей, чем графит, твердости: он царапается ногтем. На гладких гранях параллелепипедов исландского шпата ноготь уже не оставит следа.

Более 2,5 миллионов лет назад люди постигли твердость кремня и кварца и использовали это свойство при изготовлении оружия.

"Грызи гранит науки". Вам знакомо это доброе пожелание? Самые твердые орешки в граните - это кварц и полевые шпаты (Лабрадор, альбит, ортоклаз, микроклин). В гранитной одежде берегов они стойко сопротивляются натиску времени - непрерывному, то ослабевающей му, то усиливающемуся натиску мириадов песчинок.

Бесцветный и густо-коричневый алмаз, синий корунд, красный рубин ценны не только в мире красоты, но и в мире точной техники. Для шлифовки и резания различных материалов, в том числе и камня, подобран свой "спектр" твердости: алмаз, корунд, гранат, кварц, пирит, малахит и некоторые другие минералы. Пращур минералогии Аль-Бируни в монографии о минералах, драгоценных камнях и рудах писал о твердости, как о весьма характерной особенности каждого минерала. По Аль-Бируни, три балла твердости разделяют царство минералов: самая низкая твердость у агата, выше твердость корунда и самая высокая твердость у алмаза.

Современная шкала твердости минералов также эмпирическая - десятибалльная шкала Мооса^*:

Современная шкала твердости минералов также эмпирическая - десятибалльная шкала Мооса

^* (По имени немецкого минералога Мооса, предложившего эту шкалу твердости минералов почти два века назад.)

Каждый минерал в этом ряду имеет твердость на единицу больше предыдущего (т. е. царапает его). Что значат эти интервалы в ряду твердости, удалось понять только с применением количественного измерения микротвердости - величины, соизмеримой с твердостью.

Эксперимент подтвердил эмпирическую шкалу Мооса. Более четко определилась закономерность (геометрическая прогрессия) изменения твердости минералов - эталонов этой шкалы, а также других минералов (за исключением нарушающей общий закон аномально высокой твердости алмаза).

С помощью количественного определения микротвердости удалось выяснить, что физический смысл твердости кристалла выражает прочность связи отдельных элементов - "кирпичиков" кристаллической решетки, твердость минералов - один из показателей прочности связей решетки.

Аномально твердый алмаз (эталон твердости 10) имеет уникальную решетку из атомов четырехвалентного углерода, решетку с наипрочнейшими химическими связями между ее элементами - тетраэдрами углерода (фигуры в форме пакетов молока). Кристалл алмаза - одна гигантская молекула из одинаковых совершенно однотипно расположенных атомов. Тот же атом углерода (с той же валентностью) способен соединиться в сотообразные плоские молекулы, которые в стопках-слоях между этими "сотами" держатся очень слабыми связями и образуют "слоистый" кристалл графита (эталон твердости 1), склонного расщепляться на тончайшие чешуйки.

Анизотропия - векториальность твердости - наиболее ярко проявляется у дистена ("дистен" - по-гречески две твердости): наибольшая (6) на грани, перпендикулярной к удлинению кристалла, а наименьшая (4, 5) - на грани параллельной удлинению. Это обусловлено различной силой связи элементов решетки кристалла дистена в разных направлениях.

Как оказалось, твердость некоторых классических минералов - эталонов шкалы Мооса тоже резко анизотропна, и их пришлось заменить. Новая шкала твердости, с более изотропными эталонами и более равномерная рекомендована А. С. Поваренных. Для практических целей можно пользоваться также примерной шкалой твердости, составленной из следующих предметов: мягкий грифель (1), ноготь (2), медная монета (3), оконное стекло (5), лезвие ножа (6), напильник (7), синтетический рубин кольца (9).

Эталоны высокой твердости, близкой к твердости алмаза (с числами твердости 10 -14), - искусственные, они получены по "программе структуры" алмаза.

Твердости наиболее близки три физических свойства минералов: спайность, отдельность, излом. Жирность на ощупь мягких минералов (талька, графита, молибденита, каолинита и др.) по своей природе связана не только с низкой твердостью этих минералов, но и с весьма совершенной их спайностью. Спайность выражает "спаянность" в отдельные слои "кирпичиков" кристалла. По качеству "спаянности" - способности расщепляться по закономерным кристаллографическим направлениям - выделяют несколько классов спайности: весьма совершенная; совершенная; хорошая; плохая; спайность отсутствует.

Весьма совершенная спайность, в частности, у всех минералов слоистой структуры. Это кроме уже знакомых нам минералов группы талька, каолинита - группа слюд (мусковит, биотит), хлориты (широко распространенные зеленые минералы, нередко сплошь слагающие горные породы) и некоторые другие группы минералов. Весьма совершенная и совершенная спайность у минералов часто проявлена в нескольких направлениях: например, у барита (тяжелого шпата) - в двух, а у похожего иногда на барит кальцита - в трех направлениях; здесь спайность образует ромбоэдрические, легко выкалывающиеся кусочки кристаллов или, как говорят, отдельность. Свойство кальцита выкалываться ромбоэдрами, даже из совершенно иных по форме кристаллов (например удлиненных, призматических) натолкнуло ученых на мысль о наличии кристаллической решетки и послужило ее первой моделью.

Способность минералов раскалываться не по плоскостям спайности, а по сложной кривой поверхности называют изломом. Эта особенность также весьма характерна для многих минералов. С раковистым изломом кремня человек познакомился в каменном веке ведь именно излом дает такие острые режущие края. Волокнистый и занозистый изломы - как у асбеста и у пироксенов - обычны в цепочечных и близких к ним структурах минералов, их кристаллы отщепляются волокнами.

С глубокой древности люди использовали еще одно весьма характерное свойство минералов - их плотность. Это свойство, как и твердость, связано с их структурой.

Наиболее тяжелые на нашей планете минералы - самородные элементы и окислы металлов - накапливались в морских и речных отложениях, образуя россыпи. В россыпях известны алмазы, золото, платина, касситерит, киноварь, гематит, ильменит и другие. Из россыпей человек добывает эти тяжелые минералы промывкой. А самые легкие минералы это драгоценный лазурит, нефрит, лучистые цеолиты - силикаты с "ажурной" каркасной структурой.