第二章-矿物的基本性质

矿物的基本性质 本章的主要内容 矿物的光学性质矿物的力学性质矿物的热学性质矿物的电磁学性质矿物的表面性质矿物的化学性质 1 矿物的光学性质 矿物对光线的吸收 反射和折射表现出的各种性质 颜色光泽白度透明度发光性 颜色 颜色是具有一定波长的电磁波 一定波长的可见光会呈现一定的颜色 矿物对可见光区域内不同波长的光选择吸收后透射 反射出其余光波的混合色即为矿物的颜色 红橙黄绿兰青紫 770620592578500464446390nm 矿物颜色的描述 单色法 标准色 程度词 深 浅 浓 淡 暗等 如深兰色 浅黄色 暗红色二名法 次色 主色如黄绿色 紫红色 棕黑色类比法 以常见物质的颜色相比拟如苹果绿 咖啡色 玫瑰红 矿物颜色一般用目测法作定性描述 在某些情况下 宝石鉴定 用定量表征 色调 亮度与饱和度 黄铜矿的铜黄色 自然金的金黄色 abcdefghijklmnop 孔雀石 翠绿色 孔雀石的翠绿色 辰砂 朱红色 辰砂的朱红色 硫化汞 磁铁矿的铁黑色 石英 紫水晶洞 蛋白石 蛋白石脱水成石髓 彩色 具同心圆条带结构者称为玛瑙 暗色的燧石 燧石是古人类制作石器的主要材料 蔷薇辉石 橄榄石 基性 超基性岩浆岩的造岩矿物 典型的橄榄绿色 矿物呈色的原因 1 成分中过渡金属元素的电子跃迁 离子间的电荷转移或结构中存在色心等引起 色素离子 能使矿物呈色的过渡型离子 主要有Ti V Cr Mn Fe Co Ni离子 次有W Mo U Cu和稀土元素等的离子 2 矿物中的裂纹 包裹体 双晶纹以及表面存在氧化薄膜等引起的干涉 衍射 散射 条痕色 根据矿物颜色产生的原因可分为自色 他色和假色 自色与矿物本身的化学成分和内部结构直接相关 他色是外来杂质混入所染成的颜色 也可以是气 液包裹体的存在而引起的颜色 假色是由于某些物理原因造成的与本质无关的颜色 如转动矿物出现颜色变化 条痕色是指矿物在白色无釉瓷上划擦时所留下粉末的颜色 只有硬度低于瓷板的矿物才能测其条痕色 条痕 黄铁矿 赤铁矿 墨绿色 樱红色 光泽 矿物的光泽是指矿物表面对可见光的反光能力 光泽的强弱与折射率N及反射率R 吸收系数有关 一般矿物学中根据折射率的大小将光泽进行分级 金属光泽 N 3反光极强 如光亮的金属器皿半金属光泽 N 2 6 3反光强度介于金属光泽和非金属光泽之间 比较暗淡金刚光泽 N 1 9 2 6玻璃光泽 N 1 3 1 9油脂光泽 松脂光泽 土状光泽 自然金的金属光泽 布达拉宫的金顶 黄铁矿 愚人金 金属光泽 黄铁矿 愚人金 的金属光泽 赤铁矿 半金属光泽 赤铁矿的半金属光泽 金刚石的金刚光泽 钻石 水晶的玻璃光泽 晶簇 叶腊石的油脂光泽 青田石的油脂光泽 叶腊石 花好月圆 田黄石的油脂光泽 田黄石的油脂光泽 叶腊石 价值1800万的清朝康熙印章套装 叶腊石的光泽 鸡血石的油脂光泽 叶腊石 朱红色的为辰砂 硫化汞 翡翠 硬玉 缅甸玉 硬玉是钠和铝的硅酸盐 归入辉石矿物 而软玉则是钙和镁的硅酸盐 属闪石矿物 珍珠光泽 如白云母 滑石等 高岭石的土状光泽 白度和透明度 白度矿物的白度是指矿物 多指粉末 反射白光的能力 亦指其洁白的程度 白度是陶瓷 造纸 涂料等填料矿物重要技术指标之一 矿物中的有机质 碳质 铁钛等杂质的存在会影响白度 透明度透明度是指矿物晶体允许可见光透过的程度 矿物的颜色 包体 解理 裂纹以及集合体特征等都影响透明度 透明度是鉴定宝石品种和质量的重要依据之一 发光性 矿物的发光性是指矿物在外来能量的激发下 发出可见光的性质 矿物发光性不是全部物质发光 只是某些受激部分发光 发光中心 而且不伴随大量的热辐射 是冷光 当激发作用停止发光持续10 8秒以上者称磷光 10 8秒内迅速消失者称荧光 不是所有矿物在受激时能发光 少数矿物的发光是有用它们本身固有的特性 大多数矿物则常因微量杂质元素存在有关 如含稀土元素的萤石和方解石常常产生荧光 含钙的磷酸盐中有镧族元素代替钙时常发出磷光 玛瑙的荧光 短波紫外线下 方解石的荧光 短UV下 长UV下 石英和云母的荧光 短UV下 锌黄长石的荧光 短UV下 2 矿物的力学性质 矿物在外力作用下所表现出的各种物理性质 相对密度硬度与耐磨性解理 断口与裂开机械形变抗压 抗折及抗拉强度 相对密度 矿物的相对密度是指矿物 纯净的单矿物 的质量与4 时同体积水的质量之比 矿物的相对密度主要取决于化学组成中所含元素的原子量大小和晶体结构中质点堆积的紧密程度 矿物的相对密度对矿物的鉴定 分离和选矿具有重要作用 硬度 矿物的硬度是指当矿物受到刻划 压入或研磨等作用时 所表现出来的机械强度 硬度的表征方法 1 用摩斯硬度计 用相互刻划的方法测定其相对硬度 2 利用显微硬度仪测定其显微硬度 亦称压入硬度或绝对硬度 摩斯硬度HM与显微硬度H之间的关系大致为 指甲为2 2 5 小刀约5 5 5 摩氏硬度计 F Mohs 德 滑石1 石膏2 方解石3 萤石4 夜明珠 磷灰石5 正长石6 石英7 黄玉8 刚玉9 金刚石10 有色钻石 镶金刚砂的钻头 耐磨性 矿物的耐磨性是指矿物受摩擦时所表现出来的机械强度 用耐磨率 或耐磨度 来表征 矿物的耐磨率是指一定尺寸和形状的晶体在耐磨试验机上承受一定的荷重 并置于一定的磨损条件下 经过规定的磨程磨削后 试样单位受磨面积上的磨蚀量 矿物的耐磨性随硬度的增高而增高 矿物的硬度和耐磨性主要取决于矿物的结构和键强 影响硬度的主要因素有 原子价态和原子间距配位数离子键和共价键的状态 解理 解理是矿物晶体受外来作用时 沿一定的结晶学方向作平面破裂的性质 破裂的平面称解理面 解理的方向服从于晶体的对称性 解理的发生及其完善程度取决于晶体结构中不同方向上键强的差异 解理平行于强健 解理面一般平行于网面密度最大或阴阳离子电性中和或同号离子相邻的网面 解理是鉴定矿物的重要标志之一 极完全解理云母完全解理方解石中等解理正长石不完全解理磷灰石极不完全解理石英 云母的极完全解理 冰洲石的完全解理 方铅矿的完全解理 锂辉石 110 中等解理 橄榄石 100 010 不完全解理 断口 断口是矿物晶体在外力作用下所产生的不规则破裂面 化学键强度在个方向差别不大的矿物晶体 如石英 石榴子石等 的断口发育 高硬度矿物易于形成尖锐的棱角 矿物断口的形态主要有 贝壳状断口纤维状及多片状断口锯齿状断口参差状断口阶梯状断口 璞玉的贝壳状断口 燧石的贝壳状断口 燧石为玉髓的隐晶结构 裂开 裂开也是矿物受外力作用沿一定结晶学方向产生的平面破裂 但与解理不同的是它并非矿物固有的特征 其产生系在一定网面间有离溶成因的夹层等因素造成的 机械形变 机械形变是指矿物受到外力作用时所产生的形状 体积的变化 根据变形物体在外力停止作用后能否恢复原状 可分为弹性形变和塑性形变 塑性形变的实质是形变结果使晶体内部质点处于新的平衡或准平衡位置 使晶体达到了新的势能最小值 从而是形变不能再自动恢复 产生塑性形变的机理 一种是形成机械双晶 另一种是晶格滑移 晶格滑移是塑性形变的主要形式 它未导致晶格破坏 但可以使晶体伸长或变扁 从而表现出延性和展性 金砖 俗话说 一斤黄金包一亩地 1g黄金可制成约50m2的金箔 经过2万多次敲击 金箔厚度仅0 15 m 相当于头发的1 500 抗压 抗折 抗拉强度 抗压 抗折及抗拉强度是矿物材料机械强度的主要性能参数 矿物材料抵抗单轴压力破坏时的最大能力为抗压强度 抗折强度是指一定尺寸和形状的样品 在静弯曲负荷作用下抵抗断裂的强度 抗拉强度指矿物材料抵抗单轴拉伸破坏的最大能力 影响上述三种强度的主要因素有 矿物的成分和结构 尤其是键强及其分布方向 晶体中的包裹体及裂隙矿物颗粒的大小 胶结物的种类 3 矿物的热学性质 一 导热性热传导是指物质直接接触部分之间的热传递 这种传热过程是依靠物质微观质点 分子 原子或电子的能力传递而实现的 与宏观运动无关 导热是物质的本能 影响矿物材料导热系数的因素主要有 矿物的成分及晶体结构晶体缺陷杂质裂隙和包裹体 二 热膨胀性矿物的热膨胀以线热膨胀率表征 热膨胀率指矿物每升高绝对温度1度 矿物长度增长量同原长度的比值 根据热膨胀曲线的形状与温度的关系 可分为 正常热膨胀 随温度升高 热膨胀曲线连续上升 两者具有良好的线性关系 异常热膨胀 热膨胀曲线随温度升高呈现非一致的上升或下降 曲线与温度没有良好的线性关系 矿物的热膨胀性与其晶体结构和化学键性质密切相关 矿物的热膨胀服从矿物对称性 等轴晶系和非晶质矿物只有一个热膨胀率 中级晶族矿物有两个主热膨胀率 低级晶族有三个主热膨胀率 晶体结构以氧的最紧密堆积为基础的 具有较大的热膨胀率 热膨胀在具有开阔空隙结构的矿物中除温度效应外 还有两种附加效应 1 原子或离子能够朝向结构中开阔空隙呈现非均一振动的效应 结果在此方向膨胀率减小 2 伴有配位多面体转动的效应 矿物的热膨胀性随化学键强度不同而异 键力强的方向热膨胀小 分子键方向膨胀率大 离子键次之 共价键最小 常有负膨胀现象 三 耐热性耐热性是矿物抵抗由于加热而引起的成分和晶体结构破坏的能力 在加热过程中 矿物成分的破坏主要通过氧化 还原 分解 失水 放出气体等方式 晶体结构的破坏主要有相变 分解 熔融等 矿物的耐热性与晶体类型及化学成分密切相关 共价键 离子键 金属键 分子键含水 氢氧根 易与氧形成挥发性气体的元素 如C S N 以及含助熔成分 如K2O Na2O CaO MgO 的矿物耐热性较差 Al代Si将增加硅酸盐矿物的热稳定性 4 矿物的电磁学性质 一 磁性矿物的磁性指矿物受外磁场作用时 因被磁化而呈现出能被外磁场吸引或排斥或对外界产生磁场的性质 矿物磁性主要来源于组成成分中的原子磁矩或离子磁矩 而原子磁矩或离子磁矩又主要来自核外电子的自旋磁矩和轨道磁矩 矿物的磁性由磁化率X来表征 它等于磁化强度M与外磁场强度H的比值 根据选矿需要 可分为 磁性矿物 磁铁矿 雌黄铁矿 电磁性矿物 黑云母 角闪石 无磁性矿物 方解石 石英 二 导电性矿物的导电性指矿物对电流的传导能力 导电性的强弱用电阻率 电阻系数 来表示 矿物的导电能力很大程度上取决于化学键的类型 具有金属键的矿物导电性强 离子键 共价键或分子键矿物导电性弱或不导电 另外 它还受组分 温度 湿度 裂隙等因素的影响 根据导电能力不同 矿物可分为良导体矿物 半导体矿物和非导体矿物 三 介电性矿物的介电性指矿物在外加电场中产生感应电荷的性质 它由介电常数来表征 矿物的介电常数反映矿物在外加电场中的极化作用 极化作用越大 介电常数越大 矿物微粒在电场作用下电荷发生位移 产生出偶极矩 称为极化 从微观上可分为电子极化 离子极化 偶极子转向极化和空间电荷极化 矿物的介电性是评价绝缘材料和制作电容材料的重要指标 四 压电性矿物的压电性指矿物晶体在垂直极轴方向受到压应力或张应力时 在极轴两端产生电荷的性质 两端电荷数量相等而符号相反 且荷电量正比于应力的大小 应力方向反转时 两端电荷易号 如果在极轴两端使之分别有电性相反的电荷时 则发现两端之间产生伸长或缩短 称为电致伸缩 只有不具对称中心而有极轴存在的晶体才有可能具有压电性 晶体的压电性在各种换能器 超声波发生器及谐振片等方面应用广泛 5 矿物的表面性质 矿物表面上的质点 原子 离子或分子 所处的状态与内部质点不同 从而使矿物表面具有一系列特殊的性质 矿物的表面性质与矿物的表面成分 表面结构 表面电子态 比表面积 表面能以及所处的介质性质密切相关 比表面积和表面能吸附性表面电性矿物与液体亲和性 一 比表面积和表面能单位重量矿物所具有的表面积称为比表面积 比表面积是表征矿物表面性质的基本指标之一 影响矿物比表面积的主要因素有多种 粒度越小 颗粒间胶结力越弱 解理越发育 分散程度越高 比表面积越大 位于表面的质点处于矿物晶体与介质 气体或液体 的界面上 电价不饱和 同时受到晶体内部质点和介质质点的引力 两者引力不平衡使矿物表面形成一定的势能 称之为表面能 单位面积上的表面能称比表面能 表面能与比表面积 温度 压力及介质条件有关 并对矿物吸附性 表面电性等产生重要影响 二 吸附性由于表面能的存在 一切矿物都不同程度地具有吸附介质质点到其表面上的能力 矿物的这种性质称为吸附性 矿物的吸附有物理吸附和化学吸附 影响矿物吸附的主要因素有 矿物和被吸附物质的种别表面积温度湿度 压力 三 表面电性矿物由于化学吸附 表面层中离子的溶解或置换等原因使表面带电 矿物分散在溶液中 由于静电引力可吸附溶液中的离子形成双电层结构 吸附层和扩散层的分界面为滑动面 滑动面与溶液深处的电位差为电动点位 矿物表面电性是决定矿物絮凝 凝聚 分散等作用的重要因素 影响矿物表面电性的主要因素有 矿物的种类溶液的性质矿物表面形态和颗粒大小表面被风化 杂质 四 矿物与液体亲和性吸湿性指矿物在一定条件下从空气中吸附水分的性质 它主要与矿物细度 比表面积 环境温度和湿度有关 润湿性指液体使矿物表面湿润的难易程度 流变性指含水量超过液限时