Diament rysuje wszystko, ale czy zwykły gwóźdź poradzi sobie z kalcytem, a paznokieć z gipsem? Już w 1812 roku niemiecki mineralog Friedrich Mohs zauważył, że minerały można uporządkować według tego, który rysuje który. Ty możesz zrobić to samo przy kuchennym stole, używając przedmiotów, które masz w szufladzie.

Co nam będzie potrzebne?

  • paznokieć (własny, bez lakieru)
  • miedziana moneta, na przykład grosz sprzed 1998 roku, lub kawałek miedzianego drutu
  • zwykły stalowy gwóźdź lub scyzoryk (do użycia z dorosłym)
  • kawałek zwykłego szkła, na przykład słoik lub szyba (najlepiej stłuczka z odgładzonymi brzegami)
  • pilnik do paznokci lub kawałek drobnego papieru ściernego
  • minerały i skały do badania: kawałek gipsu lub kredy szkolnej, kalcyt (np. wapień, marmur), kwarc (kamyk z rzeki lub piasku), skaleń lub granit
  • lupa i ściereczka
  • kartka i ołówek do tabelki wyników

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotuj „zestaw wzorców” i ułóż go od najmiększego do najtwardszego: paznokieć, miedziana moneta, gwóźdź, szkło. Na kartce narysuj tabelkę, w której wierszami będą badane próbki, a kolumnami wzorce. Dzięki niej nie pogubisz się w wynikach, a pod koniec zobaczysz wyraźny wzór.

Krok 2: Wybierz pierwszą próbkę, na przykład kawałek kredy lub gipsu, i połóż ją na stabilnym blacie. Dociśnij do niej paznokieć i pociągnij raz, mocno, ale spokojnie. Następnie zetrzyj ściereczką pył i obejrzyj miejsce pod lupą. Jeśli został rowek, który czujesz opuszkiem palca, to próbka jest miększa od paznokcia. Pamiętaj: biała smuga, którą da się zetrzeć, to nie rysa, lecz ślad po wzorcu, który sam się starł.

Krok 3: Jeśli paznokieć nie zostawił rysy, weź monetę i powtórz próbę, potem gwóźdź, a na końcu szkło. Zawsze zaczynaj od najmiększego wzorca i idź w górę, aż pojawi się trwała rysa. Zapisz w tabelce, który wzorzec jako pierwszy zarysował próbkę. Następnie odwróć próbę: spróbuj zarysować wzorzec badaną próbką. Szkło zarysowane kwarcem, a nie odwrotnie, potwierdzi, że kwarc jest twardszy.

Krok 4: Przebadaj kolejno kalcyt lub marmur, skaleń lub granit oraz kwarc. Zauważysz, że kalcyt ustępuje gwoździowi, ale nie paznokciowi i monecie, że granit składa się z ziaren o różnej twardości, a kwarc zarysuje nawet szkło, choć gwóźdź nie zrobi na nim nic. Wynik zapisuj nie według wrażeń, lecz według tego, co naprawdę widzisz pod lupą.

Krok 5: Na koniec podsumuj tabelkę. Przypisz każdej próbce przedział twardości, na przykład „między paznokciem a monetą”, i porównaj go z tabelą Mohsa. Jeśli gdzieś wyszły sprzeczności, powtórz próbę w innym miejscu próbki, bo minerały bywają zwietrzałe lub zanieczyszczone.

Wyjaśnienie naukowe

Twardość minerału to jego odporność na zarysowanie. Skala Mohsa ma dziesięć stopni i opiera się na dziesięciu wzorcowych minerałach: 1 – talk, 2 – gips, 3 – kalcyt, 4 – fluoryt, 5 – apatyt, 6 – skaleń (ortoklaz), 7 – kwarc, 8 – topaz, 9 – korund, 10 – diament. Każdy minerał rysuje wszystkie te o niższym numerze, a sam jest rysowany przez te o wyższym. To skala porządkowa, a nie liniowa: różnica między diamentem a korundem jest znacznie większa niż między talkiem a gipsem. Domowe wzorce wpisują się w nią dość dobrze: paznokieć ma około 2,5, miedziana moneta około 3, stalowy gwóźdź około 5, a zwykłe szkło około 5,5.

Dlaczego jedne minerały są twarde, a inne miękkie? Odpowiedź tkwi w budowie kryształu i w rodzaju wiązań między atomami. W diamencie każdy atom węgla jest połączony czterema silnymi wiązaniami kowalencyjnymi z sąsiadami we wszystkich kierunkach, więc przesunięcie jednej warstwy względem drugiej jest niemal niemożliwe. W grafitie, zbudowanym z tego samego węgla, atomy tworzą płaskie warstwy, które trzymają się słabo i łatwo ześlizgują, dlatego grafit w ołówku zostawia ślad na papierze. Ta sama substancja może więc mieć twardość 10 albo 1, zależnie od ułożenia atomów. Podobnie kwarc, zbudowany z krzemu i tlenu, jest twardy, bo tworzy gęstą, trójwymiarową sieć wiązań.

Skala Mohsa ma wiele praktycznych zastosowań. Jubilerzy używają jej, by wiedzieć, które kamienie można nosić na co dzień: szafir (korund, 9) zniesie lata noszenia, a opal czy turkus łatwo się porysują. Geolodzy w terenie, nie mając laboratorium, rozpoznają minerały po twardości, rysie i połysku. Piasek zawiera dużo kwarcu o twardości 7, dlatego tak skutecznie ściera szkło i metal, a papier ścierny zawdzięcza działanie właśnie twardym ziarnom. Z tego samego powodu kurz niesiony przez wiatr rysuje szybki samochodów. Warto jednak pamiętać, że twardość nie oznacza kruchości: diament, najtwardszy minerał, rozłupie się po uderzeniu młotkiem, bo w kierunkach łupliwości jest kruchy.

Skałę można badać także na poziomie ziaren. Granit składa się z kwarcu, skalenia i miki, więc rysa pojawi się tylko na niektórych ziarnach. Jak z tych minerałów powstają kryształy w warunkach domowych, zobaczysz, hodując kryształy siarczanu miedzi albo kryształy ałunu . Wapień i kalcyt, które w twoim zestawie zajmują trzeci stopień skali, tworzą też naciekowe formy opisane w doświadczeniu o stalaktytach z sody .

Warianty

Własna skala z domowych wzorców: Zamiast kupować komplet minerałów, zbuduj skalę z przedmiotów: paznokieć (2,5), moneta miedziana (3), gwóźdź (5), szkło (5,5), pilnik stalowy (6,5). Przebadaj dziesięć dowolnych kamieni z podwórka lub plaży i uszereguj je od najmiększego do najtwardszego. Gdy porównasz wyniki z ilustrowanym atlasem minerałów, przekonasz się, że niemal każdą skałę da się wstępnie rozpoznać bez żadnego sprzętu.

Test rysy na porcelanie: Weź niepolerowany spód porcelanowej płytki lub talerza i przeciągnij po nim próbką. Minerały miększe od porcelany zostawią kolorową kreskę, a twardsze nie zostawią nic poza zarysowaniem płytki. Kolor kreski bywa inny niż kolor samej próbki, co jest kolejną cechą diagnostyczną, stosowaną na co dzień przez geologów.

Twardość a ścieranie: Potrzyj dwa takie same kawałki szkła: jeden papierem ściernym z korundu, a drugi kawałkiem gipsu, tyle samo razy. Porównaj powierzchnie pod lupą. Zobaczysz, że korund wyraźnie matowi szkło, a gips nie robi prawie nic. To najprostszy sposób, by zrozumieć, dlaczego w narzędziach tnących i szlifierskich używa się twardych minerałów.

Często zadawane pytania

Czy twardszy minerał zawsze jest bardziej wytrzymały? Nie, bo twardość oznacza tylko odporność na zarysowanie, a nie na uderzenie. Diament jest najtwardszy, ale można go rozłupać jednym ciosem wzdłuż płaszczyzn łupliwości. Wytrzymałość na pękanie i na ściskanie to zupełnie inne właściwości, które mierzy się osobnymi metodami.

Dlaczego grosz sprzed 1998 roku, a nie nowszy? Starsze grosze były wykonane z brązu, stopu zawierającego miedź, a nowsze są stalowe powlekane miedzią lub mosiądzem. Twardość stopów bywa inna niż czystej miedzi, więc wynik byłby mniej wiarygodny. Jeżeli nie masz starej monety, użyj kawałka miedzianego drutu lub rurki, bo to czysty wzorzec o twardości około 3.

Czy rysowanie minerałów gwoździem to bezpieczne doświadczenie? Tak, jeśli robisz to ostrożnie, na stabilnym podłożu i najlepiej w okularach ochronnych, bo odpryski mogą odskoczyć. Gwóźdź lub scyzoryk trzymaj tak, by ruch był skierowany od ciała, a małe dzieci powinny pracować z dorosłym. Nigdy nie próbuj rysować minerałów, które ktoś zbiera lub które są własnością muzeum, bo rysa jest nieodwracalna.