Twardość minerałów (i skala Mohsa)

Twardość minerału to jego odporność na zarysowanie innym minerałem lub przedmiotem. W geologii twardość badana jest przez porównanie z zestawem minerałów wzorcowych.

Dziesięć minerałów wzorcowych tworzy tak zwaną skalę Mohsa. To powszechnie przyjęta skala twardości, stosowana przez geologów. Dziesięć wzorcowych minerałów to kolejno:

  • najbardziej miękki talk – twardość w skali Mohsa wynosi 1,
  • twardszy od talku gips – jego twardość w skali Mohsa to 2,
  • kalcyt – twardość 3,
  • fluoryt – 4,
  • apatyt – 5,
  • ortoklaz (jedna z odmian minerału skalenia) – 6,
  • kwarc – 7,
  • topaz – 8,
  • korund – 9,
  • i najtwardszy diament – 10.

Liczby w skali Mohsa mają znaczenie względne. Nie oznaczają one więc, że kwarc jest siedem razy twardszy od talku, a diament – dziesięć. Wręcz przeciwnie, względne różnice twardości pomiędzy minerałami wzorcowymi są o wiele większe, a relacje pomiędzy nimi – nieliniowe. Oznacza to, że:

  • gips (2) jest około trzy razy twardszy od talku,
  • kalcyt (3) jest dziewięć razy twardszy od talku i trzy razy twardszy od gipsu,
  • fluoryt (4) jest 21 razy twardszy od talku,
  • apatyt (5) jest 48 razy twardszy od talku,
  • ortoklaz (6) jest ponad 70 razy twardszy od talku,
  • kwarc (7) jest sto razy twardszy od talku,
  • topaz (8) jest dwa razy twardszy od kwarcu,
  • korund (9) jest cztery razy twardszy od kwarcu,
  • diament (10) jest 15 razy twardszy od kwarcu i 750 razy twardszy od gipsu!

Jak w praktyce zbadać twardość minerału?

  • Aby ustalić twardość minerału trzeba sprawdzić, jakimi minerałami wzorcowymi można go zarysować. Przykładowo, jeśli badana próbka jest zarysowana fluorytem (twardość 4), a nie da się jej zarysować apatytem (twardość 5), to twardość minerału wynosi pomiędzy 4 a 5.
  • Jeśli w trakcie badania oba używane minerały (badany i wzorcowy) ulegają wzajemnemu zarysowaniu, to mają one taką samą twardość.
  • Badanie twardości polega na przyciśnięciu minerału wzorcowego (najlepiej wierzchołka kryształu) do jednej ze ścian kryształu, którego twardość chcemy zbadać.
  • Jeżeli na krysztale badanego minerału pojawi się rysa, której nie udaje się oczyścić palcem (a więc powierzchnia kryształu została nieodwracalnie uszkodzona), oznacza to, że badany minerał został zarysowany, a jego twardość jest niższa niż twardość minerału wzorcowego.
  • Jeśli na badanym krysztale pojawiła się rysa, która znika po oczyszczeniu okazu palcem, to kryształ nie został zarysowany, pozostał na nim natomiast proszek pochodzący ze ścierania minerału wzorcowego. Minerał wzorcowy ma więc niższą twardość niż badana próbka.
  • Jeśli mamy trudności z oceną, czy doszło do zarysowania minerału, to warto rozpocząć badanie twardości od prób zarysowania innych, dużych przedmiotów – na przykład kawałka szkła. Jeśli spróbujemy tego dokonać za pomocą plastikowego narzędzia, to będzie się ono ślizgało po powierzchni szkła, nie rysując go (ponieważ szkło jest twardsze). Jeśli jednak weźmiemy do ręki stalowe narzędzie, to zazgrzyta ono na szkle, rysując je przy tym. Podobnie jest w przypadku minerałów, i po odrobinie ćwiczeń będziemy w stanie poczuć już w momencie rysowania, czy minerał bądź przedmiot wzorcowy dokonuje poślizgu na powierzchni kryształu, czy też uszkadza ją.
  • Badanego minerału nie należy naciskać z całej siły. Pod wpływem dużego nacisku krawędź ściany może się ukruszyć, nawet jeśli minerał wzorcowy ma niższą twardość! W trakcie zajęć przez nas prowadzonych dzieci często kruszą kryształy kwarcu drewnianym tłuczkiem, choć minerał ten jest o wiele twardszy od miękkiego drewna.
  • Jeżeli badany minerał nie wykształca kryształów (tworzy tak zwane skupienia ziarniste, ziemiste lub naskorupienia; kryształy są w nich małe i słabo widoczne, lub w ogóle niedostrzegalne), to możemy zbadać na nich twardość, pamiętając jednak, że często jest ona wyraźnie niższa niż twardość dużych kryształów tego samego minerału. W podręcznikach podawana jest twardość dobrze wykształconych kryształów, co może prowadzić do niepoprawnego rozpoznania badanej próbki.

Oprócz minerałów wzorcowych w pracy geologa wykorzystywane są też przedmioty o znanej twardości w skali Mohsa. Możemy ich użyć, zwłaszcza gdy nie posiadamy minerałów wzorcowych.

Przedmioty wykorzystywane jako uzupełnienie minerałów wzorcowych to:

  • paznokieć – zarysuje minerały o twardości 2 (oraz niższej),
  • drut miedziany – zarysuje minerały o twardości nie wyższej niż 3,
  • stalowy nóż – zarysuje minerały o twardości do 5,
  • szkło – zostanie zarysowane minerałami o twardości wyższej niż 5,
  • węglik spiekany (np. w rysikach traserskich) – zarysuje minerały o twardości 9 oraz niższej.

W zależności od rodzaju wykorzystywanego stalowego narzędzia zarysowane zostaną minerały o twardości od 5 do ponad 6. Klucze do zamków patentowych mają stosunkowo niewielką twardość i nie poradzą sobie z minerałami o twardości ponad 5 w skali Mohsa, natomiast pilniki i profesjonalne scyzoryki mogą zarysować nawet minerały o twardości 6. Mając na uwadze zróżnicowane twardości stopów warto wypróbować wykorzystywane ostrza na już rozpoznanych minerałach.

Badając twardość trzeba też pamiętać o tym, że niektóre grupy minerałów (takie jak skalenie, amfibole i pirokseny) mogą mieć zróżnicowaną twardość w zależności od odmiany. Zazwyczaj różnice twardości nie przekraczają 1-1,5 stopnia w skali Mohsa, ale w niektórych przypadkach może to doprowadzić do niepoprawnego rozpoznania okazu.

Niektóre z minerałów wykazują zróżnicowaną twardość w zależności od kierunku zarysowania. Klasycznym przykładem jest cyjanit (dysten). Inne minerały wykazują wyższą twardość na krawędziach ścian kryształów niż na ich ścianach. W praktyce jednak błędy z tego wynikające zdarzają się dużo rzadziej niż te, do których doprowadza badanie zwietrzałych lub zabrudzonych powierzchni, a także skupień ziarnistych.

Jak badać twardość mając do dyspozycji wiele minerałów i przedmiotów wzorcowych?

Zaczynając pracę nie będziemy mieli zapewne wiele próbek minerałów wzorcowych. Z czasem kolekcja się powiększy i do oznaczenia twardości użyjemy wielu wzorców. W takiej sytuacji powinniśmy zarysować badaną próbkę posiadanymi minerałami wzorcowymi zaczynając od tego o najniższej twardości.

Postępując ku minerałom o wyższej twardości znajdziemy kryształ, który jako pierwszy zarysuje badaną próbkę. Jeżeli on również zostanie przy tym uszkodzony (krawędź lub wierzchołek zetrze się trochę), to oba minerały mają podobną twardość. Jeśli zarysowana została tylko badana próbka, to minerał wzorcowy ma nieco mniejszą twardość.

Nie należy natomiast przeprowadzać badania w odwrotnej kolejności, to jest od najtwardszych minerałów wzorcowych. Jeśli analizowany okaz ma twardość 1-2, to zostanie zarysowany kilkoma lub kilkunastoma przedmiotami i minerałami, które zniszczą jego powierzchnię przed ustaleniem twardości w skali Mohsa!