Таблица твердости драгоценных камней. Характеристики и определение твердости камней по шкале мооса
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.
Шкала Мооса
Краткая инструкция по пользованию шкалой Мооса
Шкала́ Мо́оса (минералогическая шкала твёрдости) - набор эталонных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания. В качестве эталонов приняты 10 минералов , расположенных в порядке возрастающей твёрдости. Предложена в 1811 году немецким минералогом Фридрихом Моосом .
Предназначена для грубой сравнительной оценки твёрдости материалов по системе мягче-твёрже. Испытываемый материал либо царапает эталон и его твёрдость по шкале Мооса выше, либо царапается эталоном и его твёрдость ниже эталона. Таким образом, шкала Мооса информирует только об относительной твёрдости минералов. Например, корунд (9) в 2 раза твёрже топаза (8), но при этом почти в 4 раза менее твёрдый, чем алмаз (10). Благодаря ей, можно определить твердость минерала методом царапания, так как в этой шкале каждый последующий минерал своим острым концом царапает предыдущий.
Для удобства пользования каждый минерал данной шкалы можно вмонтировать с помощью эпоксидной смолы в конец короткой металлической трубки. Для определения твердости нужно выбрать ровную поверхность, что бывает трудно, так как у многих минералов края их неровных участков могут крошиться, что затрудняет точное определение твердости. Когда царапина или другой отпечаток оставлены на ровной поверхности, то видно, что несмотря на хрупкость, испытуемый минерал поддается пластической деформации под воздействием острого края эталонного минерала. Царапину следует проводить короткими осторожными движениями, чтобы не испортить образец. Когда испытуемый образец близок по твердости к стандарту, оставленный след необходимо слегка протереть и рассмотреть под лупой, чтобы убедится, что царапина действительно была сделана.
Иногда для определения твердости приходится пользоваться средствами, которые обычно бывают под рукой , хотя в некоторых случаях они бывают недостаточно точны (карандаш -1, соль поваренная - 2, ноготь - 2.5,медная монета - 3, железный гвоздь - 4, стеклоь - 5, стальной нож -6, напильник - 7). стоит забывать о том, что при определении твердости всегда следует испытывать свежую поверхность минерала. Определяя твердость минерала лучше всего начинать со стекла, так как его значение твердости приходится примерно на середину шкалы. Важно помнить, что скрытокристаллические, тонкопористые и порошковатые разности минералов обладают ложными малыми твёрдостями. Например, гематит в кристаллах имеет твердость 6, а в виде красной охры меньше 4, что говорит о практически отсутствии сцепления в тонкодиспергированной массе гематита. В целом главная масса природных соединений обладает твердостью от 2 до 6. Наиболее твердые минералы, как правило, принадлежат к окислам и некоторым (чаще всего островным) силикатам.
| Твёрдость | Минерал | Абсолютная твёрдость |
|---|---|---|
| 1 | Тальк (Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2) | 1 |
| 2 | Гипс (CaSO 4 *2H 2 O) | 3 |
| 3 | Кальцит (CaCO 3) | 9 |
| 4 |
Для камнерезчика очень важно знать твёрдость обрабатываемых минералов. Почему? Потому что от твёрдости камня в первую очередь зависит трудоёмкость его обработки (сколько времени и усилий будет затрачено на обработку минерала, какой инструмент понадобится, как лучше «раскрыть» камень…).
А для драгоценных камней твёрдость очень важна ещё и потому, что именно твёрдость определяет долговечность самоцвета, от твёрдости зависит долговечность сохранения полировки камня (в таких случаях говорят, что камень «хорошо держит полировку») и его блеск.
Что такое твёрдость минерала и как её измерить
Что такое твёрдость минерала? В минералогии мирно со-существуют несколько определений твёрдости минералов, например, такое: твёрдость камня – это сопротивление, которое оказывает его поверхность при попытке поцарапать её другим камнем или иным предметом.
Для измерения твёрдости минералов делались попытки применить всевозможные методы, основанные на сопротивлении камней царапанию, истиранию, сверлению, деформации поверхности… Но все эти попытки не имели успеха. Нужен был простой, надёжный и всем доступный метод. И вот наконец, чтобы упростить различение минералов по твёрдости, в 1811 г. немецким Моосом (F. Mohs ) была предложена шкала твёрдости, которая широко применяется до сих пор, повсюду и всеми, кто работает с минералами, – геологами, камнерезчиками, ювелирами. Эту шкалу стали называть шкалой твёрдости минералов , или шкалой Мооса .
Кто такой Моос
Моос [Мос] (нем. Mohs ; 29 января 1773 г., Гернроде, Германия – 29 сентября 1839 г., Агордо, Италия) – немецкий и геолог. Учился в Галле и Фрейберге. В 1812 г. стал профессором в Граце, в 1818 г. переехал в Горную академию в Фрейберг, в 1826 г. – в Вену.
Что такое шкала Мооса
Шкала Мооса – это минералогическая шкала твёрдости, набор эталонных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастающей твёрдости:
1. Тальк , Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 ; царапается ногтем.
2. Гипс (каменная соль), CaSO 4 2H 2 O ; царапается ногтем.
3. Кальцит (известковый шпат), CaCO 3 ; царапается медной монетой.
4. Флюорит (плавиковый шпат), CaF 2 ; царапается ножом, кусочком оконного стекла.
5. Апатит , Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl) ; царапается ножом, кусочком оконного стекла.
6. Полевой шпат , KAlSi 3 O 8 ; царапается напильником.
7. Кварц , SiO 2 .
8. Топаз , (Al 2 SiO 4 (OH, F) 2 .
9. Корунд , Al 2 O 3 .
10. Алмаз , C ; самый твёрдый минерал.
Как пользоваться шкалой Мооса
Значения шкалы от 1 до 10 соответствуют 10-ти достаточно распространенным минералам – от талька до алмаза. При этом твёрдость минерала по шкале Мооса определяется номером соответствующего минерала-эталона, например, твёрдость талька – 1, алмаза – 10, апатита – 5. Твёрдость испытуемого минерала определяется путём поиска самого твёрдого эталонного минерала, который оставляет царапину на испытуемом минерале; и/или самого мягкого эталонного минерала, на котором оставляет царапину испытуемый минерал. То есть, испытуемый минерал либо царапает эталонный (при этом его твёрдость по шкале Мооса выше/равна эталонному), либо царапается эталонным минералом (при этом его твёрдость ниже/равна твёрдости эталонного минерала). Если минерал оставляет царапину на каком-либо эталонном минерале и сам «царапается» этим минералом, то твёрдость обоих минералов считают одинаковой.
Например, если испытуемый минерал царапается апатитом, а сам оставляет царапину на флюорите, то его твёрдость находится в диапазоне от 4 до 5.
Шкала Мооса очень удобна для практического применения, – для грубой сравнительной (относительной) оценки твёрдости материалов по системе «мягче-твёрже»: номер по шкале Мооса указывает только на порядок в распределении минералов по твёрдости (мягче , тверже , такой же ), но не имеет какого-либо количественного значения. Следует помнить, что величина твёрдости, определяемая с помощью шкалы Мооса, весьма относительна и неточна. Более точное определение твёрдости производится, например, с помощью склерометра.
Для практических («походных») целей можно запомнить, что:
– человеческий ноготь имеет твёрдость по шкале Мооса – 2,5; оставляет царапину на гипсе (и более мягких минералах);
– медная монета имеет твёрдость по шкале Мооса – 3,5; твёрже кальцита, но мягче флюорита;
– кусочек обычного оконного стекла и лезвие перочинного ножа имеют твёрдость по шкале Мооса – 5,5; немного мягче полевого шпата;
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:
- 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.
- Алмазный эталон вполне можно заменить сделанным из эльбора, т. е. нитрида бора.
- 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.
- Разные плоскости одного и того же кристалла могут иметь различную прочность. Такие особенности характерны для кианита.
- 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.
Более двухсот лет геммологи всего мира пользуются шкалой грубого разграничения твердости минералов. Составленная в 1811-м году немецким ученым Фридрихом Моосом (Carl Friedrich Christian Mohs, 1773-1839), она не утратила актуальности до сих пор. Принцип сравнительного определения твердости пород оказался на редкость удобным. Даже далеко не эталонные параметры человеческого ногтя нашли применение в таблице.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.
