1. Оптические и электрические свойства минералов. Их роль в диагностике. Направления использования минералов в науке и технике

Оптиические свойства минералов.

Цвет - важный признак минералов, который, однако, можно использовать лишь в совокупности с другими свойствами. Окраска минерала определяется его химическим составом (основным и примесями), структурой, механическими примесями и неоднородностями. В связи с этим один и тот же минерал может иметь различную окраску, а разные минералы бывают окрашены в одинаковый цвет. Цвет минерала может осложняться интерференцией света в его поверхностных частях, что вызывает, например, появление серых, синих и зеленых переливов. Описывая минерал, следует стремиться к возможно более точному определению цвета. Если в одном куске минерала цвет изменяется, необходимо указать характер смены окраски.

Для непрозрачных и сильно окрашенных слабопрозрачных минералов важным диагностическим признаком является цвет минерала в порошке, или цвет черты. Он может быть и таким же, как в куске, но может от него отличаться. У прозрачных и большинства просвечивающих минералов порошок белый или слабо окрашенный. Для определения цвета порошка минералом проводят по шероховатой поверхности фарфоровой пластинки, называемой бисквитом, на которой остается черта, соответствующая цвету порошка; если твердость минерала больше твердости бисквита, на последнем остается царапина.

Прозрачность, характеризующая способность минерала пропускать свет, зависит от его кристаллической структуры, а также от характера и однородности минерального скопления. По этому признаку выделяют минералы: непрозрачные, не пропускающие световых лучей; прозрачные, пропускающие свет подобно обычному стеклу; полупрозрачные или просвечивающие, пропускающие свет подобно матовому стеклу; просвечивающие лишь в тонкой пластинке. Агрегаты многих минералов на глаз кажутся непрозрачными.

Блеск зависит от показателя преломления минерала и от характера отражающей поверхности. Выделяют минералы с металлическим блеском, к которым относятся непрозрачные минералы, имеющие темноокрашенную черту. Блеск, напоминающий блеск потускневшего металла, называют металловидным (полуметаллическим). Значительно более обширную группу составляют минералы с неметаллическим блеском, к разновидностям которого относятся: алмазный, стеклянный, жирный, перламутровый, шелковистый, восковой и, в случае отсутствия блеска, матовый.

Электрические свойства минералов.

Электропроводностью называют способность минерала проводить электричество. Электропроводность отражает тип химических связей, особенности химического состава, структуры и дефектности, т.е. электронное строение кристалла (расположение и взаимодействие атомов).

Мерой электропроводности служит удельное электрическое сопротивление W, выражаемое в омсантиметрах. В зависимости от величины электропроводности и типа электронного строения все минералы подразделяются на

проводники: W = 10-6 – 102 Ом

полупроводники: W = 103 – 1010 Ом

диэлектрики: W = 1010 – 1017 Ом

К минералам-проводникам относятся главным образом самородные металлы с металлическим типом химической связи, т.к. валентная зона у проводников занята электронами наполовину и частично перекрывается зоной проводимости, в которых атомы имеют свободные энергетические уровни. Электропроводность металлов уменьшается с ростом Т и обычно увеличивается с повышением концентрации примесей.

К минералам-полупроводникам относятся сульфиды и оксиды. Их проводимость связана с переходом при нагревании части электронов из валентной зоны в зону проводимости. Соответственно их электропроводимость увеличивается с ростом Т и особенно зависит от содержания примесей и структурных дефектов. Примесная проводимость обусловлена избыточными зарядами.

К диэлектрикам принадлежит большинство минералов. Они характеризуются наличием заполненных зон. Их называют изоляторами. Но их можно наэлектризовать путем трения, облучения. Важная роль в возникновении электропроводности принадлежит дефектным структурам, в которых создаются благоприятные условия для свободного передвижения электронов. В минералах с дефектными структурами возникает аномально высокая электропроводность.

Данные свойства важно знать при исследовании геофизическими методами, т.к. рудные залежи обычно имеют большую электропроводимость по сравнению с вмещающими породами.

В 1880 г. братья Кюри показали, что если к некоторым кристаллам приложить механическое напряжение вдоль определенных направлений, то в них возникает электрическое поле. При этом одна из граней кристалла становится положительно заряженной. Такое явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Если растяжение сменяется сжатием, знак заряда меняется на противоположный.

И, наоборот, если электрическое поле приложить к кристаллу, обладающему пьезоэлектрическим свойством, то размеры последнего несколько изменятся. Такое явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрические свойства кристаллов широко используются в технике, в частности при создании кварцевых резонаторов для контроля частоты в часах, в качестве генератора ультразвуковых колебаний, в подводной связи и радиолокации, для измерений давления в стволах орудий и цилиндрах двигателей.

Наибольшее практическое значение среди минералов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, имеют совершенные кристаллы кварца, горного хрусталя и мориона. Ввиду дефицита природного пьезокварца используют синтетический кварц.

В Индии и Шри-Ланке уже много столетий известно, что если турмалин нагревать над тлеющими углями, то пепел поначалу притягивается к нему, а затем снова опадает. Это явление, связанное с поверхностными электрическими зарядами, называется пироэлектричеством. Это явление тесно связано с пьезоэлектричеством. Когда кристаллы при нагревании (охлаждении) расширяются (сжимаются), они оказываются в деформированном состоянии, и поэтому разделить пиро- или пьезоэлектричество бывает очень сложно.

Пироэлектрические кристаллы используются в качестве преобразователя тепловой энергии в электрическую (солнечные батареи).

Нет ни одной отрасли промышленности, где бы не применялись те или иные полезные ископаемые либо непосредственно в сыром виде, либо в виде продуктов соответствующей переработки. Всем известно колоссальное значение в жизни человека железа, добываемого из богатых этим элементом руд путем металлургической переработки последних на различные сорта чугунов и сталей. Железо—главный нерв промышленности. Оно является основой металлургии, машиностроения, судостроения, железных дорог, мостов, железобетонных сооружений, оснащения военных армий, изготовления товаров широкого потребления и т. д. В свою очередь металлургия одного только железа поглощает около 40% добываемого твердого минерального топлива в виде каменных углей, перерабатываемых на кокс. Громадную роль в развитии промышленности играет и жидкое минеральное топливо—нефть и продукты ее переработки. Все большее значение приобретают горючие газы. В развитии цветной металлургии, электропромышленности, судостроения, машиностроения и других отраслей промышленности крупную роль играют так называемые цветные металлы, добываемые из руд меди, цинка, свинца, алюминия, никеля, кобальта. Исключительное оборонное значение имеют так называемые редкие металлы: вольфрам, молибден, ванадий, хром и др. Развитие сельского хозяйства тесно связано с использованием минеральных удобрений: калиевых минералов (калийные соли), минералов, содержащих фосфор (апатит, фосфориты), азот (селитра) и пр. Химическая промышленность в значительной мере базируется на минеральном сырье. Так, для сернокислотного производства используются богатые серой колчеданы (пирит); многочисленные минералы употребляются для приготовления химических препаратов—самородная сера, селитра, плавиковый шпат, минералы бора, калия, натрия, магния, ртути и др.; в резиновом производстве используются сера, тальк, барит; в изготовлении взрывчатых веществ—сера, селитра, инфузорная земля; для производства кислотоупорных и огнеупорных материалов—асбест, кварц, графит и др.; в красильном деле и в изготовлении эмали и глазури—галенит, сфалерит, барит, минералы титана, меди, железа, мышьяка, ртути, кобальта, бора, криолит, ортоклаз, циркон; в писчебумажном производстве—тальк, каолин, сера, квасцы, магнезит и т. д. Каменная и поваренная соли служат необходимой составной частью пищи человека. Ряд минералов и продуктов их химической переработки применяется в виде лекарств (мирабилит—глауберова соль; минеральные воды—нарзан, боржом и др.; соли висмута, бария, бора, иода). Для лечебных целей используются также минеральные источники (сероводородные, углекислые, железистые, соляные и пр.) и природные грязи. В медицине применяются радиоактивные вещества, добываемые из радиоактивных минералов. Большую роль в жизни человека играют и поделочные камни. Помимо драгоценных камней, идущих большей частью на украшения и художественные изделия, многие цветные камни используются для облицовки стен. Лучшие сооружения нашей родины украшаются розовым родонитом, разноцветной яшмой, мрамором, кварцитами. Кварц, исландский шпат, слюда, турмалин, флюорит идут для изготовления оптических приборов. Из агата, корунда, циркона и других твердых минералов изготовляются подшипники для часов и других точных приборов. Алмаз (карбонадо), корунд, гранат, кварц употребляются в качестве абразивных материалов при шлифовке и полировке предметов. Мягкие и жирные минералы (тальк, графит) применяются в качестве наполнителей, для смазки трущихся частей механизмов и т. п. Из приведенного, далеко не полного перечня применения минералов и по- получаемых из них продуктов переработки видно, насколько велико значение минерального сырья в народном хозяйстве и в человеческом быту.