Fyzikálne vlastnosti minerálov

Fyzikálne vlastnosti sú podmienené chemickým zložením a kryštálovou štruktúrou minerálov. Mnohé z nich, ako farba, lesk, štiepateľnosť, hustota či tvrdosť sú pre niektoré minerály diagnostickými vlastnosťami a spolu s morfológiou kryštálov slúžia na identifikáciu minerálov.

Vďaka svojim fyzikálnym vlastnostiam sú mnohé minerály dôležitou surovinou v priemysle. Napríklad diamant s extrémne vysokou tvrdosťou slúži ako abrazívny materiál. Tá istá zlúčenina alebo prvok môže mať rôzne usporiadanie stavebných častíc, čo sa prejaví ako rôzne modifikácie tej istej látky s rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami ( napr. grafit a diamant)

Fyzikálne vlastnosti minerálov sa rozdeľujú na skalárne a vektorové.
Skalárne vlastnosti sú nezávislé od smeru. Takouto vlastnosťou je merná hmotnosť (hustota).

Väčšina fyzikálnych vlastností má vektorový charakter a možno ich vyjadriť pomocou vektorov, veličín závislých od smeru. Medzi vektorové vlastnosti patrí tvrdosť, štiepateľnosť, magnetické a elektrické vlastnosti, optické vlastnosti.

MERNÁ HMOTNOSŤ (HUSTOTA)
Merná hmotnosť je hmotnosť objemovej jednotky vyjadrená v kg. m-3 , hustota nám udáva, koľkokrát je objem ľahší alebo ťažší ako ten istý objem destilovanej vody 4oC teplej. Hustota je teda pomerné číslo.

Merná hmotnosť je skalárnou vlastnosťou, jej veľkosť nezávisí od smeru ani miesta merania. Je pre minerály dôležitou diagnostickou vlastnosťou, pretože pri konštantnej teplote a tlaku je konštantnou veličinou. Merná hmotnosť závisí od kryštálovej štruktúry a chemického zloženia minerálu, mení sa zmenou tlaku a teploty.

Merná hmotnosť je definovaná ako pomer hmotnosti a objemu
(gr. ró) = m / V

Podľa hustoty delíme minerály:
a) ľahké minerály- hustota 1 – 2
- jantár, sukcinit
b) stredne ťažké minerály- hustota 2 – 4
- kremeň, sadrovec, kalcit
c) ťažké minerály- hustota 4 – 6
- sfalerit, barit
d) veľmi ťažké minerály- hustota 6 a viac
- galenit, rumelka, kasterit, rýdze kovy ( zlato 15 – 17 , platina 21)
Najnižšiu mernú hmotnosť má ľad, organické minerály a soli ľahkých kovov. Naopak najvyššiu majú rýdze, ťažké kovy.

Merná hmotnosť minerálov patrí medzi základné diagnostické vlastnosti, z toho dôvodu je dôležité a potrebné ju dobre a presne určiť. V mineralógii sa používajú


3 základné spôsoby určovania mernej hmotnosti:
1. Hydrostatická metóda
princíp je založený na Archimedovom zákone, je to metóda vhodná na orientačné stanovenie mernej hmotnosti


2. Pyknometrická metóda
na stanovenie mernej hmotnosti sa používa tzv. pyknometer, čo je sklenená nádobka s úzkym hrdlom, do ktorého je zapustená presne zabrúsená sklená zátka so zvislou kapilárou.


3. Suspenzačná metóda
je pomerne výhodnou metódou, aj keď je použiteľná len pre ľahšie minerály. Princíp tejto metódy je založený na známom jave, že pevné telesá v kvapaline rovnakej hustoty zostávajú suspendované v každej polohe. V kvapaline s menšou hustotou klesajú na dno a v kvapaline s väčšou hustotou plávajú na povrchu.
Nevýhodou tejto metódy je ohraničená merná hmotnosť ťažkých kvapalín.
Merná hmotnosť je dôležitá pri určovaní minerálov, slúži tiež pri stanovení nehomogenity minerálov. V izomorfných zmesiach pomocou nej možno určiť zastúpenie jednotlivých zložiek. Rozdielna merná hmotnosť minerálov sa využíva na ich rozdeľovanie (separáciu) ak sú v zmesi, pomocou ťažkých kvapalín.

TVRDOSŤ
Tvrdosťou nazývame stupeň odporu, ktorý kladie určitý minerál proti vonkajšej mechanickej deformácii.

Tvrdosť je vektorová vlastnosť a patrí medzi najdôležitejšie fyzikálne vlastnosti minerálov. Ako diagnostickú vlastnosť pri určovaní minerálov využívame najmä relatívnu tvrdosť.


Tvrdosť určujeme dvoma základnými spôsobmi:
1. Dynamickými metódami určujeme tvrdosť minerálov ako odpor voči vrypu – vrypová tvrdosť a odpor voči brúseniu – brúsna tvrdosť.

2. Statické metódy sú založené na meraní odporu voči vnikaniu nejakého telieska do plochy minerálu, to je tzv. tlaková tvrdosť.

VRYPOVÁ TVRDOSŤ
Na jej určenie najčastejšie používame jednoduchú metódu porovnávania skúmaného minerálu s etalónom (vzorkou o známej tvrdosti). Môžeme tak pravdaže určiť len približnú tvrdosť minerálu. Na tento účel používame tzv. Mohsovu stupnicu tvrdosti , ktorá pozostáva z desiatich etalónov. Každý stupeň je reprezentovaný známym minerálom.

Mohsova stupnica tvrdosti
1. mastenec 6. živec
2. sadrovec 7. kremeň
3. kalcit 8. topás
4. fluorit 9. korund
5. apatit 10. diamant

Každý minerál zaradený v tejto stupnici, rýpe predchádzajú minerál a sám je rýpaný nasledujúcim minerálom stupnice. Minerály do tvrdosti 2 môžeme rýpať nechtom, do tvrdosti 3 medenou ihlou, do tvrdosti 5 nožom, do tvrdosti 6 sklom.
Tvrdosť je vektorová vlastnosť a teda závisí od smeru a tiež od prítomnosti a polohy plôch štiepateľnosti. Nápadné rozdiely v hodnotách tvrdosti pozorujeme pri štiepateľných mineráloch. Tvrdosť v smere k plochám štiepateľnosti je najväčšia a v smere paralelnom je najmenšia.

BRÚSNA TVRDOSŤ
Je to relatívna tvrdosť, ktorej hodnota je daná objemovou stratou kryštálu pri brúsení. Tvrdosť je v obrátenom pomere k vybrúsenému objemu. Pre kremeň bola stanovená hodnota brúsnej tvrdosti 100. Vychádzajúc z tohto základu bola zistená tvrdosť všetkých minerálov Mohsovej stupnice tvrdosti.

TLAKOVÁ TVRDOSŤ
Tlakovú tvrdosť môžeme definovať ako odpor minerálu proti vnikaniu cudzieho telesa, tvrdšieho než minerál, do steny minerálu. Tvrdosť je potom určená tlakom, ktorý vyvoláva zmeny na povrchu plochy.

Medzi najviac používané statické metódy merania tvrdosti patria Brinellova a Vickersova metóda. Pri Brinellovej metóde sa do skúmaného materiálu vtláča oceľová guľôčka. Meranie plochy odtlačku guľôčky však bolo pomerne zložité, preto bola nahradená Vickersovou metódou, pri ktorej sa ako tlakové teliesko používa tetragonálna pyramída.

ŠTIEPATEĽNOSŤ
Ak pôsobením nejakej vonkajšej sily porušíme súdržnosť kryštálu, kryštál sa nám rozpadne. Ak sa rozpadne podľa plôch, ktoré sú viac či menej hladké, hovoríme o štiepateľnosti. Plochy podľa ktorých sa takýto kryštál rozpadá sa nazývajú plochy štiepateľnosti. Tieto plochy zodpovedajú štruktúrnym rovinám s veľkou retikulárnou hustotou.

Pod štiepateľnosťou rozumieme schopnosť kryštálu rozpadať sa podľa jednej alebo viacerých kryštálových plôch, pod vplyvom mechanických účinkov, ako sú tlak, ťah a úder.


Podľa akosti plôch štiepateľnosti rozoznávame nasledovné stupne štiepateľnosti:
1. veľmi dokonalá – plocha sú hladké a rovné, s vysokým leskom (sľudy, kalcit, halit)
2. dokonalá – plochy sú rovné (fluorit, amfibol)
3. dobrá – na plochách vznikajú drobné nerovnosti (pyroxény, živce)
4. nedokonalá – na štiepnych plochách sú väčšie nerovnosti (sfalerit)
5. zlá – plocha rozpadu sú nerovné, hovoríme, že minerály majú lom (kremeň, granáty)
Pod vplyvom mechanického účinku sa minerál rozpadne na štiepne tvary, ktorých vzhľad závisí od polohy, charakteru a počtu plôch štiepateľnosti.


Poznáme nasledovné štiepne tvary:
1. uzavreté: - štiepateľnosť je vyvinutá podľa troch v rovine neležiacich smerov
kockový (galenit)
oktaedrický (fluorit)
romboedrický (karbonáty)
rombododekaedrický (sfalerit)

2. otvorené – štiepateľnosť je vyvinutá podľa
a) jedného smeru – lístkový, šupinkový, doštičkový (sľudy, grafit, mastenec)
b) dvoch smerov – prizmatický, stĺpčekovitý, ihličkovitý (pyroxény, amfiboly)
Štiepateľnosť je typickou vektorovou vlastnosťou, teda je vyvinutá len podľa určitých smerov (ak je vyvinutá podľa niekoľkých smerov, bývajú v jej kvalite rozdiely).

Minerály so zlou štiepateľnosťou sa pod vplyvom mechanických účinkov lámu. Vytvárajú sa úlomky ohraničené nerovnými plochami rôznych tvarov. Hovoríme o lome lastúrovom, zrnitom, trieskovom, vláknitom.

Štiepateľnosť je tiež dôležitou diagnostickou vlastnosťou. Podľa charakteru štiepateľnosti môžeme určiť kryštálovú sústavu minerálnych úlomkov. Napríklad kryštály so štiepateľnosťou podľa jednej plochy nemôžeme zaradiť do kubickej sústavy.

OPTICKÉ VLASTNOSTI MINERÁLOV
Optické vlastnosti minerálov patria medzi najdôležitejšie fyzikálne vlastnosti, ktoré v praxi využívame na určovanie minerálov. Optické metódy boli podrobne preštudované, čo dalo podnet k vzniku nového vedného odboru – kryštalooptiky, dôležitej pre také vedné disciplíny ako kryštalografia, mineralógia a petrológia.

FARBA
Farba je jedným z najnápadnejších znakov každého minerálu a má význam pri ch určovaní, ale nie je vždy charakteristickým a spoľahlivým identifikačným znakom. Niekedy je farba základnou vlastnosťou, ktorá vyplýva z chemického zloženia, inokedy závisí od typu väzieb v štruktúre. V niektorých prípadoch je farba zapríčinená cudzími prímenami jemne rozptýlenými v mineráli.

Podľa farby rozdeľujeme minerály na:
chromatické – bezfarebné minerály, ktoré neabsorbujú viditeľné svetlo
idiochromatické – majú stálu charakteristickú farbu, ktorá súvisí s chemickým zložením

tieto prvky nemajú celkom zaplnené elektrónové obaly v atómovej stavbe, preto farba
vzniká v dôsledku absorpcie časti radiačnej energie svetla labilnými elektrónmi
ióny ktoré spôsobujú farbu nazývame chromofory
alochromatické – minerály s variabilnou farbou, ktorá je vyvolaná prímesami obsahujúcimi chromofor

intenzity závisí od množstva, veľkosti a charakteru dispergovanej látky
pseudochromatické – minerály s nevlastnou farbou
ich farba nie je skutočná farba minerálu ale farba podmienená rôznymi
fyzikálnymi efektami

Tenké povlaky sekundárnych minerálov na primárnych spôsobujú tzv. nábehové farby.

LESK
Pri pozorovaní voľným okom sa odrazené svetlo javí ako lesk minerálov. Závisí od spôsobu odrazu, lomu a absorpcie svetla, kvality a povrchu minerálu.

Lesk poznáme:
kovový lesk – minerály, ktoré odrážajú väčšinu svetla
patrí sem galenit, pyrit, tetraedrit a i.
polokovový lesk – tvorí prechod medzi kovovým a nekovovým leskom
nekovový lesk - podľa intenzity a kvality rozoznávame niekoľko stupňov

a) diamantový
majú priehľadné minerály so silným svetelným lomom
diamant, síra, zirkón

b) sklený
majú mnohé, v prírode rozšírené minerály
kremeň a väčšina kremičitanov

c) mastný a voskový
spôsobuje odraz svetla od nerovného povrchu
chalcedón, opál, mastenec

d) hodvábny
majú jemnovláknité agregáty
azbest, vláknitý sadrovec - selenit

e) perleťový
je vyvolaný odrazom svetla na jemných, obyčajne štiepnych šupinkách
sľudy

f) matný
najnižší typ lesku typický pre minerály zemitého vzhľadu
kaolinit, pyroluzit

PRIEPUSTNOSŤ SVETLA
Druhá zložka svetla je pri dopade na minerál absorbovaná, teda pohltená. Podľa stupňa absorpcie rozdeľujeme minerály priezračné, polopriezračné a nepriezračné (opakné)

Priezračné minerály
absorbujú len veľmi malú časť svetla
patrí sem: krištáľ, kalcit, kremeň

Polopriezračné minerály
absorbujú viac svetla
patrí sem: rumelka, sfalerit


Nepriezračné minerály
absorbujú alebo odrážajú väčšinu svetla
patrí sem: magnetit, grafit

Absorpcia svetla závisí od vlnovej dĺžky použitého svetla, od stavu kryštalickej látky a od jej chemického zloženia. Polokryštalické agregáty absorbujú viac svetla ako monokryštály.

Ak kryštál absorbuje prednostne svetlo niektorej vlnovej dĺžky, vyznačuje sa farbou. Výsledná farba minerálu je daná odčítaním absorbovanej vlnovej dĺžky od bieleho svetla. Tmavé minerály absorbujú prakticky všetky vlnové dĺžky bieleho svetla.

PRECHOD SVETLA MINERÁLOM
Tretia zložka svetla prechádza cez minerál do ďalšieho prostredia. Táto zložka svetla mení svoj charakter v závislosti od vlastností prostredia. Podľa optických vlastností delíme látky ne opticky izotropné a opticky anizotropné.

Izotropné látky
Patria sem plyny, kvapaliny, amorfné tuhé látky a minerály, ktoré kryštalizujú v kubickej sústave. Svetlo sa v nich šíri vo všetkých smeroch rovnakou rýchlosťou, čo je spôsobené ich vysokou kryštalickou súmernosťou, pričom táto rýchlosť je v každej látke iná. Hovoríme, že optická hustota týchto látok je vo všetkých smeroch rovnaká. Ak svetlo prechádza dvoma prostrediami, rýchlosť svetla sa mení a nastáva lom svetelného lúča.

Anizotropné látky
Patria sem minerály kryštalizujúce v sústavách s nižšou ako kubickou súmernosťou. Svetlo sa v nich šíri rôznymi smermi rôznou rýchlosťou. Svetelný lúč prechádzajúci takýmito minerálmi sa štiepi na dva lúče, z ktorých každý má iný index lomu a preto hovoríme o dvojlome svetla.
V anizotropných látkach existujú dva smery, v ktorých nedochádza k dvojlomu a svetelný lúč sa správa, akoby prechádzal izotropným prostredím.


Tieto smery sa nazývajú optické osi, podľa nich delíme minerály na:
opticky jednoosé – minerály kryštalizujúce v tetragonálnej, hexagonálnej alebo trigonálnej sústave
( stredná kategória súmernosti)
majú jednu optickú os
opticky dvojosé – minerály kryštalizujúce v rombickej, monoklinickej alebo triklinickej sústave
(nižšia kategória súmernosti)
majú dve optické osi

INDEX LOMU
Index lomu je dôležitou diagnostickou vlastnosťou minerálov, pretože je charakteristickou nemennou veličinou pre každý minerál. Označujeme ho n
Metódy jeho určovania sú preto v mineralógii pomerne detailne rozpracované. Delia sa na priame a nepriame metódy.

Pri priamych metódach meriame index lomu priamo na mineráli, používame na to goniometre a refraktometre.

Najrozšírenejšou nepriamou metódou je imerzná metóda, pri ktorej určujeme index lomu v polarizačnom mikroskope pomocou tzv. imerzných kvapalín. Pri tejto metóde určujeme relatívnu hodnotu indexu lomu porovnávaním s hodnotou indexu lomu kanadského balzamu (n = 1,54).

MAGNETICKÉ VLASTNOSTI
Magnetizmom nazývame súbor charakteristických javov, ktoré sprevádzajú magnetické látky, magnety. Oblasť pôsobenia magnetu sa nazýva magnetické pole. Podľa toho, ako sa látky správajú v magnetickom poli, delíme ich na feromagnetické, paramagnetické a diamagnetické. Kritériom delenia je magnetická susceptibilita (gr. kappa ), ktorá vyjadruje magnetizovateľnosť látky.
Magnetická susceptibilita feromagnetických minerálov je vysoká, u ostatných má hodnotu blízku 0. Minerály u ktorých kappa >