Определение удельного веса минералов

Для точного определения удельного веса минерал должен быть однородным и чистым — требование, не всегда легко выполнимое. Необходимо также, чтобы он был компактным и не содержал трещин и полостей, в которых могли бы захватываться пузырьки воздуха. Для нормальной минералогической работы образец должен иметь объем около одного кубического сантиметра. Если эти условия соблюсти нельзя, любые быстрые и упрощенные методы определения удельного веса большого значения не имеют.

Методика обычного определения удельного веса вкратце такова: сначала минерал взвешивают в воздухе. Этот вес обозначают Ba. Затем минерал погружают в воду и взвешивают снова. Теперь он весит меньше, так как на него действует выталкивающая сила, равная объему вытесненной воды. Вес в воде обозначим Bb. Тогда Ba — Bb равно потере веса в воде, т. е. весу соответствующего объема воды. Таким образом, выражение Ba/(Ba — Bb) будет равно удельному весу.

Весы Джолли. Поскольку удельный вес представляет собой отношение, нет необходимости в определении абсолютного веса образца, достаточно определить величины, пропорциональные весам в воздухе и в воде. Это делается на весах Джолли (рис. 5.7). Исходные данные для расчета получают при помощи натянутой спиральной пружины.

При этом методе образец сначала помещают на чашечку, расположенную рядом с верхней частью шкалы, по которой отмечают удлинение спиральной пружины. Оно пропорционально весу в воздухе (Ba). Затем образец переносится на нижнюю чашечку и погружается в воду. Теперь удлинение пропорционально весу образца в воде (Bb)

Для определения удельного веса мелких частиц, весящих менее 25 мг, используются весы Гарри Бермана (рис. 5.8) (ныне покойного) из Гарвардского Университета. Эти весы особенно необходимы для исследователей более высокого уровня, заинтересованных в точных определениях, потому что зачастую удается выделить лишь крошечные фрагменты исследуемого минерала, свободные от примесей. Однако, работая с этими весами, необходимо вводить температурную поправку и использовать жидкость с малым поверхностным натяжением.

Пикнометр. Если минерал нельзя получить в виде гомогенной массы, достаточно большой, чтобы использовать один из методов, основанных на взвешивании, удельный вес порошка или обломочного агрегата можно точно определить с помощью пикнометра. Пикнометр представляет собой бутылочку (рис. 5.9) с притертой массивной стеклянной пробкой, сквозь которую просверлено капиллярное отверстие. Для определения удельного веса сначала взвешивается пустая сухая бутылочка с пробкой (P). Затем в нее помещают обломки исследуемого минерала и делается повторное взвешивание (M). (М—Р) представляет вес образца в воздухе. Далее бутылочку (содержащую образец минерала) частично наполняют дистиллированной водой и кипятят несколько минут, чтобы удалить пузырьки воздуха. После охлаждения пикнометр полностью заполняется дистиллированной водой и взвешивается (S), при этом нужно следить, чтобы вода в капиллярном отверстии доходила доверху, но чтобы не было ее избытка. Последнее взвешивание (W) делается после того, как пикнометр освобождается от образца и заполнен только дистиллированной водой. В этот последний момент пикнометр содержит больше воды, чем в момент предыдущего взвешивания. Дополнительный объем воды равен объему образца.

Удельный вес вычисляется из уравнения:

где M—P — вес образца; W — вес пикнометра с водой; S — вес пикнометра с образцом и водой, W+(M—Р)—S — вес воды, вытесненной образцом.

Тяжелые жидкости. Иногда при определениях удельного веса минералов применяют некоторые жидкости с относительно высокими плотностями. Особенно широко используют две — бромоформ (G — 2,89) и иодистый метилен (G = 3,33). Каждая из них может смешиваться с ацетоном (G = 0,79), благодаря чему можно получить раствор любого промежуточного удельного веса. Зерно минерала погружается в тяжелую жидкость, которую разбавляют ацетоном, пока минерал не окажется во взвешенном состоянии. В этот момент удельные веса жидкости и минерала равны, причем удельный вес жидкости легко определить с помощью весов Вестфаля.

Тяжелые жидкости часто используют для разделения смеси нескольких минералов. Например, можно быстро разделить шлих, состоящий из кварца (G = 2,65), турмалина (G = 3,20) и граната (G = 4,25). В бромоформе кварц всплывает, а турмалин и гранат тонут. Удалив и промыв эти "тяжелые минералы" в ацетоне, их можно разделить в иодистом метилене, в котором турмалин всплывает, а гранат тонет.

Расчет плотности. Если известны число различных сортов атомов в элементарной ячейке и ее объем, можно рассчитать удельный вес. Химическая формула минерала дает нам соотношения различных атомов, но не дает представления о числе формульных единиц на элементарную ячейку. Это число, как правило, небольшое, обозначается Z. Например, в арагоните, CaCO3, соотношение атомов составляет 1Ca : 1C : 3O, но на ячейку приходится четыре формульных единицы, т. е. 4Са : 4С : 120. Молекулярная масса M для СаСО3 равна 100,09; молекулярная масса одной элементарной ячейки (Z = 4) равна 4x100,09 = 400,36.

Объем элементарной ячейки V в прямоугольной системе координат получаем умножением параметров ячейки а*b*с = V. Для минералов, углы между ребрами ячейки которых не являются прямыми, нужны поправки на величину угла. Арагонит орторомбический с параметрами ячейки а = 4,95А, b = 7,9бА, с = = 5,73А. Следовательно, V = 225,7бА. Переводя A3 в см3, мы получим (10в8)3 = 10в24, или V = 225,76*10в-24 см3. Зная величины M и V, плотность D можно рассчитать по формуле:

где N — число Авогадро 6,02338*10в23. Подставляя данные для арагонита,

Величина 2,945 — расчетная плотность арагонита — прекрасно согласуется с наиболее точными измеренными данными, равными 2,947 ± 0,002. При изучении новых минералов величина Z, как правило, неизвестна. Поэтому нужно сделать несколько последовательных попыток вышеприведенного расчета, подставляя различные величины Z до тех пор, пока не удастся получить наилучшее согласие с измеренным удельным весом. Z всегда целое число и, как правило, небольшое.