Твердость гранита по шкале мосса. Характеристики и определение твердости камней по шкале мооса

Мы знаем, что камни и минералы – это твердые вещества. Но много кто не знает, что их твердость можно определить при помощи специальной шкалы. Создана она была еще в 19 веке минералогом из Германии Фридрихом Моосом и с тех пор носит его имя. Цель создания шкалы Мооса – оценка твердости камней путем механического повреждения одним элементом другого. Таким образом, работает схема «мягче-плотнее» и в процессе выясняется, какая относительная твердость минералов.

Основной принцип

Шкала Мооса содержит 10 минералов и принцип ее работы заключается в том, что каждый элемент в ней своими острыми углами царапает соседний. Для того, чтобы было удобнее, можно на один конец металлической трубки насадить камень, закрепив его на эпоксидной смоле. Затем эталонным минералом проводите по испытуемому камню, царапая его же. Под влиянием острия эталонного камня, проверяемый минерал будет деформироваться, несмотря не его хрупкость. Царапать необходимо стараться осторожными, нерезкими движениями, чтобы избежать каких-либо повреждений образца. Когда твёрдость камня проверена и понятно ее приближенность к нужному стандарту, сделанную царапину нужно аккуратно протереть и рассмотреть под увеличительным стеклом. Это необходимо для того, чтобы наверняка удостовериться, что царапина была сделана.

В наше время начали выпускать специальные карандаши и в них встроили вместо грифелей минеральные стержни, которые и являются составляющими шкалы Мооса. Также для определения твердости различных минералов можно использовать и подручные средства, такие как, карандаш, кухонная соль, монета из меди, гвоздь, стекло, нож из стали, и напильник. В большинстве случаев проверку лучше начинать со стекла, так как его твердый индекс равен середине показателей по шкале Мооса. Но знайте и то, что домашние приспособления и предметы не всегда могут показать правильный результат. Не стоит обходить стороной и тот факт, что во всех случаях проверки на прочность необходимо испытывать только свежую сторону камня.

Раньше определить твердость по Моосу могли только либо коллекционеры драгоценных камней, либо ювелиры. Сейчас же развили искусственное взращивание минералов, например, таких, как кварцевый камень, поэтому проверки по шкале Мооса можно получить не совсем точные. Среди недостатков данного способа можно отметить один – возможность повреждения камня, но преимущество неслабое – нет необходимости в наличие специальной лаборатории и не нужно много тратиться на оборудование.

Шкала твердости Фридриха Мооса рассортировала минералы по такому принципу – те, которые проходят проверку и их показатели превышают отметку 7, являются твердыми камнями. А вот те, которые ниже семи слабые и поддаются стиранию обычной пылью, потому как в составе этой пыли есть микроскопические частицы кварца, а они, в свою очередь по шкале имеют седьмую прочность. Минералы, имеющие показатели ниже семизначной отметки, достаточно скоро тускнеют, полировка их стирается, и очень царапаются при контактах с камнями, которые тверже их.

Существует специальная таблица минералов, по которой можно определить степень твердости по Моосу на царапанье и определить жесткость шлифования по Розивалю. Шкала Розиваля возникла после методики Мооса, которая и была взята за основу. Некие изменения коснулись только замены абстрактных номеров на значения твердости шлифовки. Показатели для этой шкалы получили при помощи такого устройства, как твердометр, где именно он показал измерение прочности камней при шлифовании их абразивами. Но, несмотря на то, что по шкале немецкого минералога можно получить меньшую точность, все же именно она более заманивает к использованию.

При исследовании камня важна не только его плотность, а еще и спайность. Это способность камней раскалываться по направлению своей кристаллической структуры и, таким способом, образовывать гладкие грани. Что интересно, камни могут раскалываться на кристаллики, которые абсолютно разные по форме.

Применение шкалы

Ювелиры уверенны, что необходимо обязательно учитывать при огранке спайность камня, так как он может расколоться и по граням самой этой спайности. Любопытный факт, что такие драгоценные камни как изумруд и аквамарин имеют очень слабую спайность, но это не отменяет того утверждения, что они являются очень хрупкими по своей прочности. Такие же сложности при работе с огранкой имеются и с топазами. У них совершенная спайность, которая строится перпендикулярно в направлении удлинения кристалла. При работе с ними нужно быть предельно осторожными. А вот алмаз имеет свойство распадаться на правильные восьмигранники, которые состоят из таких же правильных восьми треугольников.

Существует специальная таблица наипростейшего определения плотности камней, где можно наблюдать градацию минералов по сравнительной шкале Мооса. Под первым номером в ней размещен тальк, скоблить который можно и ногтем. Затем на ступень выше поднимается гипс, царапать его можно также, как и своего предшественника, указанного выше. Третье место досталось кальциту, прочность которого выявит медная монета. За кальцитом на четвертом месте расположился флюорит и его плотность способен определить и обычный нож. Пятое место за апатитом, в твердости которого удостовериться поможет все тот же кухонный нож, а вот седьмое место досталось ортоклазу, для определения, прочности которого понадобится напильник. Кварц забрал себе восьмое место и поцарапать его может стекло. На девятом месте «засел» корунд, оставив главное место для алмаза по шкале Мооса, как самый почетный и прочный минерал.

Может, кому-нибудь будет еще интересно узнать свойства гранита, который считается одним из самых твердых камней. Он достаточно вынослив и ему не страшны кислотное воздействие, какие-либо атмосферные явления, в том числе и перепады температур, он очень стойко терпит удары. Прочность его по Моосу равняется восьми, а кварцевых частиц в нем насчитывается не так уж и мало – до целых 70%.

Каждый, кто имел дело с драгоценными камнями, не мог не слышать о шкале Мооса – таблице для измерения твердости минералов. Однако далеко не все знают, что же она собой представляет и как с ее помощью определяют твердость камня.

Автором знаменитой таблицы, созданной в 1811 году, был немецкий геолог и минералог девятнадцатого века Карл Фридрих Моос. Суть его методики – определение твердости с помощью эталонных минералов методом царапанья. Если эталон царапает исследуемый минерал, то этот минерал находится ниже по шкале Мооса (мягче эталона), если исследуемый минерал сам царапает эталон, то он, соответственно, выше по шкале, то есть тверже.

Если камни могут оставить царапины друг на друге, то по шкале Мооса их твердость одинакова. В качестве эталонов ученый выбрал десять наиболее распространенных минералов, каждый из которых занимает одно деление в шкале. Ниже приводится перечень этих минералов в порядке увеличения их твердости (цифра в скобках – твердость эталона по шкале Мооса):

Тальк (1). Самый мягкий эталон. Используется как детская присыпка, находится в составе косметических средств и некоторых таблеток, широко применяется в резиновой промышленности (внутри перчаток, велосипедных шин для уменьшения трения). Одной с ним твердости также графит.

Гипс (2). Широко применяется в медицине и строительстве (в основном для декоративных элементов). Разновидностью гипса является алебастр.

Кальцит (3). Этот минерал входит в состав мела и известняка.

Флюорит (4). Иначе называется плавиковый шпат. Используется в ювелирной промышленности, а также в металлургии для производства легкоплавких шлаков.

Апатит (5). Используется для производства фосфора, фосфорных удобрений и фосфорной кислоты.

Ортоклаз (6). Другое название – полевой шпат . Служит для производства электрокерамики и фарфора.

Кварц (7). Наиболее часто встречающийся минерал на земле. Самый известный «облик» кварца – обыкновенный песок. Разновидностями кварца являются такие драгоценные камни, как аметист, агат, кошачий глаз, цитрин, горный хрусталь и др. Помимо этого используется для изготовления стекла и керамики.

Топаз (8). Используется в ювелирной промышленности.

Корунд (9). Разновидности корунда – сапфир и рубин.

Алмаз (10). Самый твердый минерал. Удивительно, но и алмаз, и графит (находящийся на первой ступени шкалы Мооса) – это химический элемент углерод.

Минералы, находящиеся в таблице ниже 7-ой ступени, считаются мягкими, выше – твердыми.

Конечно, такое определение твердости очень грубо и относительно, кроме того, существуют и более точные методики (например, с использованием склерометра). Однако шкала Мооса очень удобна в практическом применении: сравнивая материалы по системе «мягче – тверже», ювелиры выясняют, чем их обрабатывать. Дополнительное практическое удобство – определение твердости, так сказать, «вручную», с помощью самых простых предметов.

Например, твердость человеческого ногтя – 2,5 (может поцарапать гипс и более мягкие минералы), медная монета – 3,5, гвоздь – 4, стекло – приблизительно 5, лезвие ножа – 6, напильник – около 7. Используя тот же напильник, можно отличить, к примеру, изделия из кварца (а многие драгоценные камни, как было сказано выше, являются разновидностями кварца и по шкале Мооса их твердость одинакова) от более «мягких» подделок из стекла. Естественно, для подобных экспериментов лучше вынуть камень из оправы и стачивать его боковую поверхность, чтобы потом легко закрыть поцарапанное место.

Следует признать, что метод выявления устойчивости любого минерала к процарапывынию для установления показателей его твердости и прост, и остроумен. Моос предложил взять десять весьма распространенных пород – от самой мягкой до самой твердой – и расположить их в таблице так, чтобы с нарастанием номера возрастала степень прочности межмолекулярных связей минерала, понимаемая наукой как твердость.

Естественно ожидать, что самый мягкий минерал (тальк) не в состоянии оставить царапину ни на одном из более прочных материалов. Самый твердый – алмаз – прорезает след на любом из камней естественного происхождения.

Диагностируемый минерологом камень может быть испытан процарапыванием любым из эталонных образцов – что позволяет определить относительную и предположить (пусть и весьма приблизительно) абсолютную твердость породы.

К примеру, зеленый прозрачный минерал, царапаемый топазом, и оставляющий след на кварце, вполне может оказаться бериллом. Камень, похожий на изумруд и найденный на Урале, при проверке не способен процарапать горный хрусталь, зато оставляет след на ортоклазе. Значит, это – хризолит.

Несмотря на условность и несовершенство подобной классификации (многие минералы характеризуются твердостью достаточно широкого диапазона), таблица Мооса прижилась как удобное прикладное средство диагностики камня.

Для геммологов подобные характеристики обрабатываемых материалов оказались ключевыми: твердость драгоценного камня – показатель его устойчивости к абразивному износу, определяющий сферу практического использования кристалла.

Список минералов, использованных Моосом для построения таблицы эталонов твердости, остался неизменным, однако к нашему времени дополнился аналогами, помогающими диагностировать испытуемые образцы:

• . Тальк наиболее мягкий минерал, абсолютная твердость (определяется инструментальным методов в лабораторных условиях) равна единице. Поддается процарапыванию ногтем (твердость около 2,5 единиц). Сходными параметрами обладает .

• . Гипс более чем вдвое тверже талька, однако почти так же легко процарапывается ногтем. Слюда, кристаллы поваренной соли, некоторые другие хлориты характеризуются подобным уровнем твердости.

• . Он же известковый шпат, почти втрое превосходит слюду по твердости, и уже не поддается ногтю. Зато его без затруднений царапает стальное лезвие перочинного ножа (твердость около 5,5 единиц), а также медь и ее сплавы. Благородные металлы – червоное золото, чистое серебро, а также слоистый биотит тверды в той же мере, что и кальцит.

• . Или плавиковый шпат, поддается стальному резцу и осколку стекла, но более чем вдвое превосходит твердостью предыдущий эталонный минерал. Сходной твердостью (но меньшей эстетической выразительностью самоцветных камней) характеризуются доломит и сфалерит.

• . Апатит, востребованный ювелирной промышленностью самоцвет, процарапывается не всякой сталью. Он в два с лишним раза тверже флюорита. Оконное стекло оставляет малозаметную царапину на поверхности апатита. Строго блестящий гематит и ослепительно синий лазурит столь же тверды, как и апатит.

• . Ортоклаз, он же полевой шпат, примерно вдвое более тверд, нежели апатит. Ортоклаз уже сам царапает стекло, и поддается только твердосплавным сталям. Опал и часто врастающий в кристаллы рутил характеризуются твердостью ортоклаза.

• . Кварц в полтора раза тверже ортоклаза. Обрабатывать кварц можно корундами и алмазом. Оцвеченная разновидность окиси кремния – гранат – и двуцветный турмалин не менее тверды, чем горный хрусталь (то есть кристаллический кварц).

• . Топаз один из весьма твердых самоцветов. Он вдвое тверже кварца, и сходен по твердости со шпинелью и аквамарином.

• . Корунд вчетверо более тверд, чем топаз. В одном ряду с корундом стоят карбид вольфрама (в последние годы ювелиры научились делать из этого материала впечатляющие мужские кольца), сапфиры, рубины.

• . Алмаз чемпион твердости среди минералов природного происхождения. Он вчетверо тверже корунда, и даже теоретически приближается к пределу возможной твердости для любых материальных объектов.

Практикующему минерологу полезно иметь в арсенале инструментов набор эталонов Мооса, вмонтированных (для удобства пользования) в металлические трубчатые оправы. Без самого дорого элемента шкалы – алмаза – можно и обойтись, заменив его эльбором, искусственным материалом, по твердости близким к природному алмазу.

Диагностику материалов следует проводить аккуратными короткими движениями эталонных образцов по плоской (и желательно гладкой) поверхности. Нанесенные царапины необходимо рассматривать при оптическом увеличении: невооруженный глаз не всегда в состоянии отличить, какой именно из испытуемых материалов раскрошился, а какой уцелел.

Поскольку основная масса минералов естественного происхождения обладает твердостью в диапазоне от 2-х до 6-ти единиц, проверку полезно начинать с процарапывания исследуемого образца апатитом или стеклом (твердость 5).

Нужно иметь в виду, что различные плоскости кристаллов одного минерала в некоторых случаях могут обладать различными показателями твердости (таков, в частности, кианит) – что само по себе является характерным диагностическим признаком.

Отдельные материалы, структура которых отлична от кристаллической, могут давать ложные результаты исследования. Гематит, находимый в агрегатном состоянии красной охры, может показаться менее твердым, чем есть на самом деле.

Проверка ювелирных вставок, проводимая с целью определения подлинности камня, должна затрагивать участки камня, скрытые от наблюдателя оправой. Оставляя царапину на видимой грани драгоценного камня, можно испортить дорогое изделие!

Справедливости ради нужно отметить, что попытки создать еще более подробную шкалу относительной твердости минералов предпринимались и после Мооса – однако настоящий успех пришелся на долю универсальной шкалы относительной твердости, созданной Карлом Фридрихом Моосом.

Твёрдость материала по шкале Мооса определяется путём сравнения с эталоном из таблицы. Если исследуемый образец царапает апатит, находящийся на пятом месте в таблице, но не оставляет следов на ортоклазе, занимающем шестое место, то его твёрдость лежит в промежутке между 5 и 6.

Необходимо учесть при проведении измерений и некоторые их особенности:

1. Если подбираются эталоны из шкалы Мооса себе самостоятельно, то стоит обратить внимание на то, что одни и те же минералы, но из разных частей света часто различаются по своим характеристикам. Алмазы из Австралии более твёрдые, чем добытые в ЮАР, а сапфиры родом из Шри-Ланки превосходят по прочности любой рубин. Сапфиры же из индийского Штата Кашмир - самые «мягкие» и уступают рубинам.
2. Алмазный эталон вполне можно заменить сделанным из эльбора, т. е. нитрида бора.
3. Начинать тестировать любой минерал имеет смысл с царапанья его стеклом. Делается это из-за того, что основное количество природных минералов расположены по шкале Мооса в диапазоне от 2 до 6, а твёрдость стекла по шкале Мооса равна 5.
4. Разные плоскости одного и того же кристалла могут иметь различную прочность. Такие особенности характерны для кианита.
5. Проверять драгоценные камни в ювелирных изделиях нужно с особой осторожностью, чтобы не испортить их. Лучше всего это делать со стороны оправы.

До настоящего времени шкала твёрдости Мооса не потеряла своего прикладного значения, невзирая на многочисленные попытки создать что-то более удобное и надёжное.

К успешным попыткам можно отнести создание так называемой шкалы Роквелла, фиксирующей глубину проникновения в исследуемый образец специального наконечника под определённым давлением. Этот метод, дающий не относительные, а абсолютные величины, используется при лабораторных исследованиях материалов.

Твердость оценивается силой сопротивления, которое оказывает поверхность испытуемого минерала царапающему действию какого-либо острия. Твердость можно выразить в абсолютных единицах, но практически при описании и определении минералов удобнее пользоваться шкалой из небольшого числа минералов, твердость которых принята за эталоны для сравнения. В шкале Мооса, заключающей 10 минералов разной твердости, твердость образцов условно обозначается баллами 1, 2, 3, и т. д., до 10

Как определить твердость минералов?

Твердость минерала определяется путем сравнения ее с твердостью минералов этой шкалы.
Необходимо установить, действительно ли при царапании одного минерала другим на каком-либо из них получается царапина, так как только в этом случае можно говорить, что один минерал тверже другого. Это можно сделать, рассматривая след от царапания через лупу. Для суждения о твердости порошковатого минерала следует минерал шкалы потереть порошковатым минералом. Если при этом блестящая поверхность первого покроется царапинами, то испытуемый минерал тверже эталона.
Кроме образцов шкалы Мооса, для определения твердости можно пользоваться разными легко доступными предметами, твердость которых известна в цифрах Мооса. Таковы, например, ноготь пальца (тв. около 2,5), медная монета (тв. 3), кусочек оконного стекла (тв. 5,5-6), стальной перочинный ножик (тв. 5,5-6).
Если минерал пишет на бумаге, не царапая ее, - тв. 1. Если минерал царапает бумагу, но сам чертится ногтем, то твердость минерала 2 или <2. Если ноготь не оставляет царапины на минерале, но кончик стального ножа легко, без заметного усилия, чертит по нему, то твердость минерала 3. Если твердость минерала такова, что для получения царапины при помощи ножа надо применить небольшое усилие - тв. 4. Если это усилие значительно, то тв. 5. И, наконец, если минерал чертится ножом при крайнем усилии - тв. 5,5. Минералы с твердостью 6 и больше сами оставляют царапины на ноже и стекле. Таким образом, для испытания твердости минералов до 6 при небольшом навыке вполне достаточно применения ногтя и перочинного ножа. Преобладают минералы с твердостью не выше 7. Минералы с большей твердостью встречаются редко. Из числа последних наиболее обычны некоторые гранаты - тв. 7,5-8, топаз - 8, берилл - 8, турмалин - 8 и корунд - 9. Корунд является единственным минералом с твердостью 9, так же как и алмаз - с твердостью 10. Твердость минерала может быть различной в зависимости от кристаллографического значения грани кристалла, которая подвергнута испытанию. Иногда это различие легко наблюдается: у дистена твердость на плоскости спайности вдоль кристалла 4, а поперек на той же плоскости 6. У кальцита твердость на гранях ромбоэдра (по спайности) 3, а на гранях призмы около 4.
Различаются пассивная и активная твердости. Первая определяется способностью минерала воспринимать царапание, а вторая - его способностью царапать. Твердость, о которой здесь говорилось, следует называть твердостью царапания в отличие от иных твердостей - сверления, шлифования, удара и т. д., с которыми при определении и описании минералов не приходится иметь дела. Имеются методы количественного определения твердости царапания при помощи особых приборов - склерометров. Кроме того, имеется прибор для определения твердости по фигурам давления.