3.2. Твердость и температура плавления кристаллов

Твердость и температура плавления характеризуют прочность кристалла: твердость – механическую, а температура плавления – термическую прочность.

Твердость – это степень сопротивления кристалла внешнему воздействию.

Для приближенного определения твердости пользуются методом, основанном на царапании одного кристалла другим. В 1824 году австрийский минералог Ф. Моос предложил 10-балльную шкалу твердости минералов, которая позволяет приближенно оценить их твердость.

Шкала твердости по Моосу

Минерал	Относительная твердость по Моосу
Тальк Mg3[Si4O10](OH)2	1
Каменная соль NaCl	2
Кальцит CaCO3	3
Флюорит CaF2	4
Апатит Ca5(PO4)3F	5
Полевой шпат K[AlSi3O8]	6
Кварц SiO2	7
Топаз Al2[SiO4](F,OH)2	8
Корунд Al2O3	9
Алмаз C	10

Твердость зависит от химического состава кристалла и от его строения: типа структуры, коэффициента упаковки, заряда образующих кристалл ионов. Например, различная твердость двух полиморфных модификаций карбоната кальция – кальцита (3 по шкале Мооса) и арагонита (4 по шкале Мооса) – объясняется различной плотностью их структур: для структуры кальцита с КЧ (Са) = 6 плотность равна 2,72 г/см³, для структуры арагонита с КЧ (Са) = 9 – 2,94 г/см³. В ряду кристаллов с одинаковой структурой твердость возрастает с увеличением заряда и уменьшением размера катиона. Присутствие больших анионов (фторид-иона, гидроксила) или молекул воды понижает твердость. Например, для изоструктурных минералов гематита Fe₂O₃ и корунда Al₂O₃ значения твердости составляют 5-6 и 9 соответственно (r(Fe³⁺) = 0,78 ;r(Al³⁺) = 0,57 ).

Изменение температуры плавления кристаллов связаны с изменением их твердости, чем выше твердость, тем больше температура плавления. Увеличение межатомного расстояния при сохранении типа структуры у вещества с одинаковой валентностью атомов влечет за собой, как уменьшение твердости, так и понижение температуры плавления кристаллов (табл.).

Соединение	Длина связи M – O,	Твердость по школе Мооса	Температура плавления, °С
MgO	2,10	6,5	2800
CaO	2,40	4,5	2585
SrO	2,57	3,5	2430
BaO	2,77	3,0	1923

При уменьшении валентности катионов происходит те только увеличение твердости, но и температуры плавлении (табл., приведенные вещества имеют сходные межатомные расстояния и одинаковый структурный тип).

Соединение	Длина связи M – Э,	Твердость по школе Мооса	Температура плавления, °С
NaF	2,31	3,5	988
MgO	2,10	6,5	2800
TiC	2,23	8,0	3180

Замена 8-электронного иона на 18-электронный практически не влияет на изменение твердости, но значительно уменьшает температуру плавления, например: температура плавления NaCl равна 840 °С, а AgCl – 455 °С (оба вещества кристаллизуются в структурном типе хлорида натрия).

Твердость кристалла также зависит от грани кристалла, например для граней топаза твердость 7,5 соответствует граням пинакоида, а твердость 8 – граням призмы.