Қаттылық

1) Қаттылық (орыс. твердость ) — металдың ішіне басқа қаттырақ дененің кіруіне қарсылық жасау қабілеті; материалдардың жергілікті жанасқан күштік әсерлер кезінде беттік қабатының созымды деформацияға немесе морт қирауға қарсыласу қасиеті тексеру.

Викерстің қаттылықты тексеретін құралы

2) Қаттылық - деп минералогия ғылымында көбінесе бір минералды екінші минералмен тырнап сызғанда соған қарысу дәрежесін айтады. Мұнымен қатар минералдың қаттылығы сыртқы механикалық күштің әсеріне қарысу дәрежесі деп те аталады. Бірақ сыртқы механикалық әсердің өзі де бірнеше түрлі болады, соған қарай минералдың қарысу дәрежесі де әр түрлі болады. Мысалы, минералдың сызуға, бұрғылауға, тілуге, қайрауға, қысуға көрсететін қарысу әсері түрлі-түрлі болмақ . Сондықтан минералдың қаттылығы дегенде оның қандай механикалық әсерге қарысуы екендігін қоса айта кету керек. Мысалы, минералдың сызғандағы қаттылығы немесе минералдың қайрағандағы қаттылығы деген сияқты. Минералдардың қаттылық дәрежесін анықтау үшін шкала ретінде он түрлі минерал алынған. Мұны алғаш ұсынған неміс ғалымының атына Моос шкаласы деп атайды. Моос шкаласындағы он минералдың ең жұмсағы бірінші, ең қаттысы оныншы болып нөмірленген. Әрбір үлкен нөмірлі минерал өзінен кейінгі әрбір кіші нәмірлі минералдың бетіне сызық түсіре алады.

Ac тұзының қаттылық розеткасы

Моос шкаласының эталоны (өлшеуіші) ретінде алынған он минерал мыналар:

1. Тальк — Mg₃[Si₄O₁₀][OH]₂
2. Гипс — CaSO₄ • 2Н₂O
3. Кальцит— СаСО₃
4. Флюрит — СаF₂
5. Апатит —Са₅ (РO₄)₃F
6. Ортоклаз — K(AlSi₃ O₈)
7. Кварц — SiO₂
8. Топаз — Al₂(SiO₄) (F,ОН)₂
9. Корунд — Аl₂O₃
10. Алмаз — С

Осы қаттылық шкаласын пайдалана отырып, минералдың қаттылығын анықтау әдісіне тоқталайық. Ол үшін қаттылығы анықталатын минералдың бетін бір эталон минералмен, мысалы кварцпен сызып көреді. Егер кварц сызық қалдыратын болса, онда онан кейінгі ортоклазбен сызып көреді. Біздің қаттылығын айырайық деп отырған минералымыз ортоклаз бетіне сызат қалдыратын болса, оның қаттылығы 7-ден төмен, 6-дан жоғары, яғни 6,5 болғаны.

Моос шкаласы онша дәл өлшеуіш емес, бірақ ол іс жүзінде қолдануға қолайлы. Мұнан басқа қаттылықты дәлірек өлшейтін шкалалар бар. Солардың бірі — Ауэрбахтың абсолюттік шкаласы. Бұл шкала Моос шкаласына дәл келмейді. Мысалы, Моос шкаласында тальк 1-орында болса, Ауэрбах шкаласында ол 5-орында, Моос шкаласында корунд 9-орында болса, Ауэрбах шкаласында ол 1000-орында, алмаз—10-орында болса, кейінгі шаклада 2500-орында. Алайда 2—7 орындары аралығындағы қаттылық ты алатын болсақ , онда бұл екі шкаланың бір-біріне едәуір сәйкес келетінін көреміз. Көпшілік минералдардың каттылығы шындығында сол 2 мен 7 орындарының аралығында болады. Сондықтан Моос шкаласы көп жерде қолайлы шкала болып табылады.

Жаңадан жасалған тағы бір абсолюттік шкаланы қарастырайық. Ол шкала ПМТ-3 атты аспаппен елшеу арқылы жасалған. Бұл аспап кәдімгі микроскоп, оның тубусына алмаз пирамида орнатылған ерекше жабдығы бар. Микроскоп столын 180° айналдыруға болады. Минералдың қаттылығы өлшенетін жеріне (бетіне) алмаз ұшын (пирамида ұшын) қояды да, оның үстіне салмақ түсіреді. Салмақ қысымының әсерінен минералдың бетіне алмаз ұшының батқан дағы түседі. Столды 180°-қа айналдырғанда ол дақ микроскоп астынан көрініп тұрады. Алмаз пирамидасының минерал бетіне батқан дағын микроскоп арқылы өлшейді. Минерал бетіне дақ түсіретін пирамиданың үстін басқан салмақ шамасы минералдық қаттылық саны болады. Мұнда қолданылатын салмақ 2—200 г шамасында. Пирамиданың, табаны квадрат болады, ал оның қарама-қарсы жақтары арасындағы бұрышы $~{\alpha }$=136°, бет ауданы мм²-мен өлшенеді. Осы әдіспен өлшенген минералдың микроқаттылығы (Н) әрбір мм² бетке түсетін кг салмақ (яғни кг/мм²) түріндегі сан болып табылады. Сонымен, қаттылық саны төмендегі формула бойынша табылады: $H=2\sin {\frac {\alpha }{2}}\bullet {\frac {P}{d^{2}}}$ (25)

мұнда,

d — пирамида дағының диагоналі (мм),

Р — салмақ (кг),

$~{\alpha }$ — пирамиданың қарсы беттері арасындағы бұрыш (136°).

(25) формуладағы $\sin {\frac {\alpha }{2}}$ мәнін орнына қойғанда формула мына түрге келеді:

$H=1,854{\frac {P}{d^{2}}}$

Осы қаттылық саңының куб түбірі Моос шкаласының нөміріне шамалас деп есептейді. Сонда микроқаттылық дәрежесін мынадай формула бойынша белгілеу ұсынылады:

$H_{0}=0.7\cdot {\sqrt[{3}]{H}}$

Минералдардың барлық бағытындағы қаттылығы бірдей бола бермейді. Кейбір минералдардың қаттылығы, оның оптикалық қасиеті сияқты, әр бағытында әр түрлі, яғни анизотроп болады. Дистен (Al₂SiO₅) минералы қаттылық анизотропиянық айқын мысалы бола алады. Оның ұзынша кристалынық бойлық бағыты бойынша қаттылығы 4,5, оған көлденең қысқа бағыты бонынша қаттылығы 6,5. Дистен деген атының өзі сол екі түрлі қаттылығына байланысты қойылған: ди — грекше екі (екі түрлі), стенос — қарысу деген мағынада. Кейінгі кездегі зерттеулерге қарағанда кристалдардың анизотроп (векторлық қаттылығы көп минералдарда болатындығы байқалған. Тіпті кубтық сингонияға жататын минералдардың өзінде векторлық қаттылық болатын көрінеді. Мысалы, ас тұзы кристалы кубының бір жағындағы қаттылығы көрсетілген (оны «қаттылық розеткасы» дейді). Сонымен минералдың жымдастығы көрініп тұратын бағытында қаттылығы нашар, оған көлденең бағытта жақсы болады.

Біз жоғарыда кристаллохимияда және баска да бөлімдерде минералдардың, кристалдардың барлық қасиеттері олардың ішкі құрылысына байланысты екенін көрдік. Қаттылық қасиеттер де сол атомдардың (иондардыд) орналасу құрылысына байланысты беріктігіне негізделген.

Мұнда ерекше көзге түсетіні су молекуласы (Н₂O) бар минералдар әр қашанда жұмсак келеді.

Катиондардың валенттігі өскен сайын минералдың қаттылығы арта беретіні байқалған. Сонымен қатар, координация санының артуы да қаттылықтың артуына себепші болады. Оған керісінше, иондық радиус артқан сайын қаттылық кеми береді.

Бірақ қаттылық женінде біздің білгеніміз әлі де жеткіліксіз. Кейбір жағдайларда координациялық сан кеп болса да, атомдардың орналасуы өте тығыз болса да зат жұмсақ болады. Мысалы: алтын, күміс, мыс сияқты металдардың координациялық саны 12 болғанмен, олардың каттылығы 3—4-тен артпайды.

Дүниедегі ең катты минерал — алмаз. Минералдардың басым көпшілігі орташа қаттылықта болады (2-ден 6-ға дейін). Орташадан көрі жоғарырақ қатты минералдар сусыз тотықтар мен кейбір силикаттар қатарына жатады. Мысалы: кварц — SiO₂ ( қаттылығы 7), касситерит — SnO₂ (6—7), корунд — Аl₂O₃ (9), шпинельдер — MgAl₂O₄ (8), топаз (8), берилл (7,5—8), турмалин (7—7,5), анарлар (7 шамасы) т. б.