Физические свойства минералов. Шкала твердости Мооса

Поваренная соль — широко используемое в пищевой промышленности, медицине, животноводстве, косметологии и пр. с древних времен вещество. Получают этот белый кристаллический порошок разными методами. Это может быть, к примеру, выпаривание морской воды, добыча в карьерах, собирание со дна озер. Но в любом случае конечный продукт всегда имеет одинаковые физические характеристики. К примеру, какова твердость соли по шкале Мооса? Об и поговорим далее в статье. Также разберемся с тем, какие еще характеристики имеет этот очень популярный продукт.

Что такое шкала Мооса

Одним из отличительных признаков многих веществ на планете является степень твердости. Определять этот параметр принято по особой схеме, называемой шкалой Мооса. Для облегчения задачи по сравнению твердости разных веществ в эту систему включены 10 эталонных элементов. Твердость этих веществ при этом проверяется просто путем царапанья.

На первом месте в шкале Мооса находится самый твердый минерал на планете — алмаз. Этот драгоценный камень, как известно, не царапается даже прочным стальным ножом. Твердость алмаза по шкале Мооса, таким образом, равна 10. На втором месте в этой схеме находятся корунды — рубины и сапфиры. Их твердость равна 9. Самыми мягкими эталонными веществами шкалы Мооса являются тальк и мел. Их твердость в этой схеме определена как 1.

Шкала твердости Мооса

Шкала Мооса (минералогическая шкала твёрдости) представляет собой качественную порядковую шкалу, характерезующую стойкость различных минералов к царапанию. Используется для определения относительной твердости образцов минералов.

Основана на способности более твердого материала царапать более мягкий материал.

Шкала содержит 10 минералов в качестве эталонных, упорядочивая их в порядке возрастания твердости от очень мягкого (тальк) до очень твердого (алмаз).

Все минералы из таблицы, кроме алмаза, относительно распространены и их легко или недорого получить.

1. — Тальк
2. — Гипс
3. — Кальцит
4. — Флюорит
5. — Апатит
6. — Ортоклаз
7. — Кварц
8. — Топаз
9. — Корунд
10. — Алмаз

Если минерал царапет эталон, значит его твердость — выше, если он царапается эталоном — ниже.

Шкала Мооса создана в 1812 году и названа в честь изобретателя немецкого геолога и минеролога Фридриха Мооса. С тех пор было изобретено множество различных методов определения твердости: метод Бринеля, Кнупа, Роквелла, Шора, Виккерса.

Определение твердости по Моосу — это относительное целочисленное сравнение устойчивости к царапинам.

Другие методы измерения твердости оперируют устойчивостью к вдавливанию. Для испытаний используется «Индентор» который вдавливается в исследуемый образец с тщательно измеренной силой. Затем размер или глубина выемки на образце и величина силы используются для расчета значения твердости. Поскольку в каждом из этих тестов используются разные аппараты и разные расчеты, их нельзя сравнивать напрямую друг с другом.

Шкала Мооса получила широкое распространение т.к. метод определения твердости прост в исполнении, недорог и люди быстро его понимают.

Несмотря на недостаточную точность, шкала актуальна для полевых геологов, которые используют её для грубой идентификации минералов когда исследуются легко идентифицируемые образцы или когда нет возможности использовать более сложные тесты.

Некоторые используют легкодоступные предметы для быстрого испытания. Например геолог может иметь карманный нож, которым можно определить является ли образец тверже или мягче чем значение 5-6,5 по Моосу.

• 1 — Карандаш
• 2 — Повареная соль
• 2-2,5 — Можно поцарапать ногтем
• 2,5-3 — Золото, серебро
• 3 — Медная манета
• 4-4,5 — Гвоздь
• 4-5 — Железо
• 5 — Стекло
• 5-6,5 — Лезвие ножа
• 6,5 — Стальной напильник
• 7 — Легко царапает стекло
• 7+ — Напильник из закаленной стали
• 8 — Наждачная бумага, минерал очень легко царапает стекло
• 9 — Минерал режет стекло
• 10 — Используется как стеклорез

Ниже представлена расширенная таблица веществ, минералов, драгоценных камней:

Что представляет собой соль

Химическая формула этого вещества выглядит следующим образом: NaCl. По-другому поваренную соль называют также хлористым натрием или каменной солью. В измельченном виде этот пищевой продукт представляет собой бесцветные кристаллы. Последние при этом могут иметь разные размеры. В любом случае в массе соль имеет белый цвет.

Основной особенностью хлористого натрия, как известно, является характерный вкус. В быту и в пищевой промышленности поваренная соль может добавляться в самые разные продукты. Как выяснили ученые, хлористый натрий является веществом, без которого жизнедеятельность человека невозможна вообще.

Какова твердость соли по шкале Мооса

В природе хлористый натрий является веществом очень распространенным. Поэтому каменная соль и была, помимо всего прочего, включена в качестве эталона в шкалу Мооса. Находится хлористый натрий в этой схеме на предпоследнем девятом месте. То есть твердость поваренной соли равна двум. Кристаллы хлористого натрия, как известно, отличаются хрупкостью и легко растворяются в воде. Выглядят соляные крупинки достаточно твердыми. Однако впечатление это по-большей мере обманчивое. На самом деле кристаллы соли легко царапаются даже просто ногтем.

Линейная твердость

Таким образом, как мы выяснили, занимает NaCl предпоследнее место в шкале твердости Мооса. Линейную твердость минералов по этой схеме также определять очень легко. Разумеется, и для эталонного хлористого натрия эта характеристика известна.

Относительный показатель для соли, как мы выяснили, равен 2. Какова же у соли твердость по шкале твердости Мооса абсолютная? Для NaCl этот показатель равен 3.

Минералы с аналогичной твердостью

Соль, таким образом — вещество достаточно мягкое. В природе подобных минералов существует множество. К примеру, такие же, как и у NaCl, показатели твердости абсолютной и относительной имеют гипс, слюда, хлорит. Все эти вещества легко царапаются ногтем.

Разумеется, есть свое место на относительной шкале твердости Мооса и у сахара. Соль на шкале используется как одно из эталонных веществ. Сахар, несмотря на то что он также является очень распространенным пищевым продуктом, на схеме Мооса изначально не отмечен. Однако твердость этого вещества, как и любого другого, конечно же, также известна. Сахар чуть мягче соли, но по шкале Мооса показатель его твердости также равен 2.

Механические методы определения твердости.

Твердость материала – это способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого материала. Она определяется величиной нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Твердость делится на относительную и абсолютную. Относительная твердость – это твердость одного материала по отношению к другому. Абсолютная твердость определяется с помощью методов вдавливания.

Твёрдость зависит от множества факторов. Среди них: межатомные расстояния вещества, валентность, природа химической связи, хрупкости и ковкости материала, гибкости, упругости, вязкости и других качеств.

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода — лонсдейлит, который твёрже алмаза в полтора раза и фуллерит с превышением твёрдости алмаза в два раза. Однако среди распространённых веществ по-прежнему самым твёрдым является алмаз.

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения). Для разных материалов они будут разными. Для измерения твердости металлов применяются методы:

Метод Бринелля

— твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка.

Существуют два вида методов расчета твердости:

По методу восстановленного отпечатка твёрдость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка:

,

• — приложенная нагрузка, H;
• — диаметр шарика, мм;
• — диаметр отпечатка, мм.

По методу невосстановленного отпечатка твёрдость определяется как отношение приложенной нагрузки к площади внедрённой в материал части и ндентора :

,

где — глубина внедрения индентора, м м .

Единицами измерения являются кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль. Это одни из самых старых методов, применявшиеся еще в XIX веке.

Метод Роквелла

— твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, обозначается HR, где H – hardness, а R — Rockwell. Твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100. 3-й буквой в обозначении идёт наименование типа шкалы, напр. HRA, HRB, HRC и т.д. Для ножей твердость определяется по шкале HRC, которая фактически заканчивается на 70 единицах, так как большая твердость ножа не позволяет им полноценно пользоваться из-за снижения ударной вязкости, повышения хрупкости и т.д. Эта система была самой распространенной в XX веке.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

1) Алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 62 HRC). Метод позволяет определять твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

2) Алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;

3) Стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по шкале B. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости на приборе Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки к поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика. Твердость измеряется не менее 3 раз на одном образце, затем выводится среднее значение. Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Метод Виккерса

— самая широкая по охвату шкала, твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Обозначается HV, где H — Hardness (твёрдость, англ.), V — Vickers (Виккерс, англ.). При испытании твердости по методу Виккерса, в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка. Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с. Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

Твёрдость по Шору
(Метод вдавливания)
— твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерения используется прибор — дюрометр. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, предполагает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с указанием метода. В качестве примера, можно привести резину в покрышке колеса легкового автомобиля, которая имеет твердость примерно 70A, а школьный ластик — примерно 50A.

Твёрдость по Шору (Метод отскока)

— метод определения твёрдости очень твёрдых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк, падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Обозначается HSx, где H — Hardness, S — Shore и x — латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Метод Либу (твердомеры)

Это самый широко применяемый на сегодня метод в мире, твёрдость определяется как отношение скоростей до и после отскока бойка от поверхности. Обозначается HL, где H — Hardness (твёрдость, англ.), L — Leeb (Либ, англ.), а 3-й буквой идёт обозначение типа датчика, напр. HLD, HLC и т.д. При использовании данного метода падающий нормально к поверхности исследуемого материала боек сталкивается с поверхностью и отскакивает. Скорость бойка измеряют до и после отскакивания. Предполагается, что боек не подвергается необратимой деформации.

Метод Аскер

— твёрдость определяется по глубине введения стальной полусферы под действием пружины. Используется для мягких резин. По принципу измерения соответствует методу Шора, но отличается формой поверхности щупа. Аскер использует полусферу диаметром 2.54 мм.

Метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера

— твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.

Метод Польди (двойного отпечатка шарика)

— твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно и в образец, и в эталон.

Твёрдость минералов.

Шкала твёрдости минералов Мооса

(склерометры царапающие) – метод определения твёрдости минералов путём царапания одного минерала другим, для сравнительной диагностики твёрдости минералов между собой по системе мягче-твёрже. Испытываемый минерал либо не царапается другим минералом (эталоном Мооса или склерометром) и тогда его твёрдость по Моосу выше, либо царапается — и тогда его твёрдость по Моосу ниже. Шкала Мооса — опредедяет, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

Другие физические характеристики

Итак, какова твердость соли по шкале твердости Мооса, мы выяснили. Но какие же еще свойства имеет это вещество?

В минералогии обычная пищевая или каменная поваренная соль называется галитом. История этого прозрачного камня насчитывает миллионы лет. Формируется галит в виде кубических кристаллов, цвет которых может варьироваться от бесцветного до розоватого или желтого. Окраска этого минерала бывает связана с видом имеющихся в его толще примесей.

Найти галит в дикой природе можно чаще всего в пластах хемогенных осадочных пород, а также в донных отложениях пересыхающих озер и лиманов.

Основными физическими свойствам соли являются:

• способность растворяться в воде;
• способность кристаллизоваться на предметах;
• соленый вкус;
• плотность — 2.165 г/см3 при температуре 20 °С;
• температура плавления — 801 °С;
• точка кипения — 1413 °С;
• растворимость в воде — 359 г/л при 20 °С.

Вкус NaCl имеет ярко выраженный. Но никто никогда не сможет почувствовать запах соли. Твердость по шкале Мооса у этого вещества небольшая, к тому же оно является хрупким. Мелкие частички соли, к примеру, в местах ее залегания, могут летать в воздухе и даже попадать в нос человека. Однако рецепторов, ответственных за восприятие этого вещества, у человека не имеется. Некоторые люди утверждают, что они могут чувствовать запах соли. Однако в данном случае речь идет все же не NaCl, а о разного рода примесях, содержащихся в этом веществе.

Единицы измерения твердости

Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.

Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.

Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:

• сплавы железа – 30 кгс/мм2;
• медь и никель – 10 кгс/мм2;
• алюминий и магний – 5 кгс/мм2.

Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.

Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.

В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.

Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.

Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

В основном, используются шкалы измерения А и С. Например, твердость стали HRC 26…32, HRB 25…29, HRA 70…75.

Измерению твердости по Виккерсу подвергаются изделия небольшой толщины или детали, имеющие тонкий, твердый поверхностный слой. В качестве клинка используется правильная четырехгранная пирамида угол при вершине, которой составляет 136°. Отображение значений твердости выглядит следующим образом: 220 HV.

Измерение твердости по методу Шора производится путем замера высоты отскока упавшего бойка. Обозначается цифрами и буквами, например, 90 HSD.

К определению микротвердости прибегают, когда необходимо получить значения мелких деталей, тонкого покрытия или отдельной структуры сплава. Измерение производят путем измерения отпечатка наконечника определенной формы. Обозначение значения выглядит следующим образом:

0,196 — нагрузка на наконечник, Н;

2800 – численное значение твердости, Н/мм 2 .

Степень растворимости

К особенностям соли, помимо всего прочего, можно отнести и то, что ее растворимость в воде мало зависит от температуры последней. Этот показатель у NaCl увеличивается на 7 г от 0 до 100 °С. Однако при этом растворимость соли значительно снижается в том случае, если в воде содержится MgCl2 или CaCl2. Резко же увеличивается этот показатель у NaCl при повышении давления. Протекает процесс растворения соли со значительным поглощением тепла. В спирте это вещество практически не растворяется.

Твердость основных металлов и сплавов

Измерение значения твердости проводится на готовых деталях, отправляющихся на сборку. Контроль производится на соответствие чертежу и технологическому процессу. На все основные материалы уже составлены таблицы значений твердости как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

Цветные металлы

Твердость меди по Бринеллю составляет 35 НВ, значения латуни равны 42-60 НВ единиц в зависимости от ее марки. У алюминия твердость находится в диапазоне 15-20 НВ, а у дюралюминия уже 70НВ.

Черные металлы

Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.

Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.

Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.

Химические свойства

По своему составу NaCl относится к группе средних солей. Химический состав поваренной соли выглядит следующим образом:

• Na — 39.34;
• Cl – 60.66.

В чистом виде состав этого вещества полностью соответствует теоретическому. В виде изоморфной примеси поваренная соль содержит Br (до 0,098%). Также в состав галита могут входить: NH3, Не, As, J, Pb и некоторые другие вещества. Атомы в структуре Na и Cl чередуются равномерно в узлах кристаллической кубической решетки.

Размеров кристаллы соли могут достигать значительных. Также для галита характерны скелетные образования — хрупкие, мутно-белы пирамидки-лодочки.

Способы искусственного получения

Получать каменную соль для пищевой промышленности или, к примеру, медицины могут с использованием разных технологий. В лабораториях для выделения NaCl обычно применяют рассолы подземного растворения каменной соли. Это позволяет получить максимально чистый продукт без примесей промышленных производств. Подземные рассолы в данном случае подвергаются обычному выпариванию. В этом случае получается чистая соль с твердостью по шкале твердости Мооса 2. Выпаривание рассолов при использовании такой методики производится в специальных многокорпусных установках.

Способы измерения твёрдости

Степень крепости материала оценивают посредством вдавливания в него более прочного предмета, а также шлифования и царапания его поверхности. Выбор, по какой шкале измерять твёрдость минералов, большой. Кроме оставления борозды эталонными кристаллами Мооса существует 6 основных методов измерения:

1. Шкала Роквелла – фиксируется глубина проникновения идентора с алмазным наконечником в материал. Применяется в отношении металлов и сплавов.
2. Твёрдость по Шору определяют так же. Дополнительно метод позволяет исследовать крепкость пластмассы и эластичных предметов.
3. Шкала Кнупа работает по принципу вдавливания. Оценка результата производится в единицах Кнупа: алмаз – 8500, корунд – 2000.
4. Твёрдость горной породы по методу Шрейнера количественно определяется отношением нагрузки на пуансон к площади штампа. Сопровождается измерение вычерчиванием диаграммы деформации.
5. Шкала Розиваля построена по примеру таблицы Мооса: показатели для ряда минералов получены с помощью прибора твердомера по результатам шлифования образцов. Трудоёмкость метода не позволила ему вытеснить классику.
6. Пирамида Виккерса, армированная алмазами, статически вдавливается в предмет испытаний, а результат смотрят по площади отпечатка через микроскоп. Приборы называются твердомерами (например, ПМТ-3).

Все точные методы нахождения крепкости уступают быстрому табличному способу определения по сравниванию прочностных свойств минералов. Не всегда необходимо видеть разрушающую нагрузку, в большинстве случаев достаточно знать, какой камень является более твёрдым.

Интересные факты

Твердость соли по шкале твердости Мооса определена точно. Этот показатель для NaCl равен 2. Задумались о физических и химических свойствах соли люди не так давно. Но само это вещество человек использовал для разных целей с глубокой древности. В первую очередь соль во все времена применялась, конечно же, прежде всего как пищевой продукт. Однако иногда она могла выполнять в обществе и другие функции. К примеру, в Эфиопии это вещество вплоть до XX века применялось в качестве валюты.

В Средние века соль была настолько дорогой, что ее иногда называли белым золотом. В Германии, к примеру, до сих пор существует особый «соляной тротуар», по которому этот ценный пищевой продукт когда-то перевозили между городами, расположенными на берегу Балтийского моря.

Для человеческого организма соль действительно является очень важным продуктом. Если выпить очень большое количество воды, это вещество вымоется из тканей. В этом случае у человека может наступить даже и летальная гипонатриемия.

Недостаток соли в организме человека, таким образом, очень опасен. Но и переизбыток этого вещества полезным быть, разумеется, не может. Есть слишком много соли за один прием ни в коем случае нельзя. К смерти может привести принятие этого вещества уже в количестве 1 г на 1 кг веса.