3.2. Твердость и температура плавления кристаллов
Твердость и температура плавления характеризуют прочность кристалла: твердость – механическую, а температура плавления – термическую прочность.
Твердость – это степень сопротивления кристалла внешнему воздействию.
Для приближенного определения твердости пользуются методом, основанном на царапании одного кристалла другим. В 1824 году австрийский минералог Ф. Моос предложил 10-балльную шкалу твердости минералов, которая позволяет приближенно оценить их твердость.
Шкала твердости по Моосу
|
Минерал |
Относительная твердость по Моосу |
|
Тальк Mg3[Si4O10](OH)2 |
1 |
|
Каменная соль NaCl |
2 |
|
Кальцит CaCO3 |
3 |
|
Флюорит CaF2 |
4 |
|
Апатит Ca5(PO4)3F |
5 |
|
Полевой шпат K[AlSi3O8] |
6 |
|
Кварц SiO2 |
7 |
|
Топаз Al2[SiO4](F,OH)2 |
8 |
|
Корунд Al2O3 |
9 |
|
Алмаз C |
10 |
Твердость
зависит от химического состава кристалла
и от его строения: типа структуры,
коэффициента упаковки, заряда образующих
кристалл ионов. Например, различная
твердость двух полиморфных модификаций
карбоната кальция – кальцита (3 по шкале
Мооса) и арагонита (4 по шкале Мооса) –
объясняется различной плотностью их
структур: для структуры кальцита с КЧ
(Са) = 6 плотность равна 2,72 г/см3,
для структуры арагонита с КЧ (Са) = 9 –
2,94 г/см3.
В ряду кристаллов с одинаковой структурой
твердость возрастает с увеличением
заряда и уменьшением размера катиона.
Присутствие больших анионов (фторид-иона,
гидроксила) или молекул воды понижает
твердость. Например, для изоструктурных
минералов гематита Fe2O3
и корунда Al2O3
значения твердости составляют 5-6 и 9
соответственно (r(Fe3+)
= 0,78
;r(Al3+)
= 0,57
).
Изменение температуры плавления кристаллов связаны с изменением их твердости, чем выше твердость, тем больше температура плавления. Увеличение межатомного расстояния при сохранении типа структуры у вещества с одинаковой валентностью атомов влечет за собой, как уменьшение твердости, так и понижение температуры плавления кристаллов (табл.).
|
Соединение |
Длина связи M
– O,
|
Твердость по школе Мооса |
Температура плавления, °С |
|
MgO |
2,10 |
6,5 |
2800 |
|
CaO |
2,40 |
4,5 |
2585 |
|
SrO |
2,57 |
3,5 |
2430 |
|
BaO |
2,77 |
3,0 |
1923 |
При уменьшении валентности катионов происходит те только увеличение твердости, но и температуры плавлении (табл., приведенные вещества имеют сходные межатомные расстояния и одинаковый структурный тип).
|
Соединение |
Длина связи M
– Э,
|
Твердость по школе Мооса |
Температура плавления, °С |
|
NaF |
2,31 |
3,5 |
988 |
|
MgO |
2,10 |
6,5 |
2800 |
|
TiC |
2,23 |
8,0 |
3180 |
Замена 8-электронного иона на 18-электронный практически не влияет на изменение твердости, но значительно уменьшает температуру плавления, например: температура плавления NaCl равна 840 °С, а AgCl – 455 °С (оба вещества кристаллизуются в структурном типе хлорида натрия).
Твердость кристалла также зависит от грани кристалла, например для граней топаза твердость 7,5 соответствует граням пинакоида, а твердость 8 – граням призмы.