Proč se některé kameny dobře opracovávají a jiné ne?

Do některých z nich se dá rýpnout už pouhým nehtem a jiné pokoří jen diamant. Mohsova tvrdost a absolutní tvrdost minerálu. Kameny, které jsou tvrdší než minerál, který je tvoří... a kameny, které tvrdnou věkem. (délka blogu 10 mi

Na otázku ze záhlaví blogu není jednoduchá odpověď. Zatímco je systematika jednotlivých minerálů poměrně jednoduchá, komplikuje se situace u reálných kamenů - tedy hornin, které vznikly v určitých podmínkách a skládají se z různých minerálů. 

Připomeňme si nejprve, co je to tvrdost minerálů a kdo se zasloužil o její klasifikaci.

Tvrdost kamene

Pojmem tvrdost se běžně myslí schopnost odolávat vnějším mechanickým vlivům - tedy schopnost se bránit například broušení, poškrábání  nebo navrtání. V systematice, kterou vymyslel Friedrich Mohs, se minerály třídí do deseti skupin. Čím vyšší číslo, tím vyšší odolnost. 

Kdo to byl Friedrich Mohs a jak vznikl jeho pověstný systém?

Narodil se v lednu 1773 v Gernrode, ve vesničce v pohoří Harz, ve středním Německu. Jeho životní dráhu nejspíše nejvíc ovlivnila hornická akademie ve Freibergu. V této pověstné vysoké škole, v jednom z nejbohatších středověkých měst (podobně jako v Kutné Hoře se tu dolovalo stříbro) studoval mineralogii a geologii. V roce 1801 se vrátil do Harzu, kde pracoval v dolech. Už za rok na to se ale vydal do Vídně, kde měl třídil sbírku minerálů bohatého amatérského geologa. V Rakousku už zůstal a ujal se profesury na univerzitě ve Štýrském Hradci. Právě tady vyvinul před zhruba 200 roky systematiku, podle které se dnes dělí kameny podle tvrdosti na deset skupin. 

Mohsova stupnice

Stupnice tvrdosti minerálů je velice jednoduchá. Čím vyšší stupeň, tím vyšší schopnost materiálu odolávat mechanickému poškození. Každý stupeň je pro dobrou názornost (a to i pro laiky) reprezentován nějakým typickým a dobře známým minerálem. 

Mohs byl velice pečlivý. Nejen že vybíral kameny obezřetně - dokonce také určoval pro svoje etalony tvrdosti přesná naleziště. Věděl totiž, že se mohou určité minerály lišit podle toho, kde vznikaly. A tak například mastek, který definuje první a nejměkčí stupeň, má být typu “Veroneská křída” mastková břidlice s vysokou hustotou. Stejně tak určil jako etalon “sádrovce” hutnou variantu jemně krystalického minerálu a nepoužíval přímo jednotlivé krystaly. Jejich tvrdost se totiž v některých případech může měnit při změně směru vrypu do krystalu.

Anizotropie v každodenním životě

Tento jev, který se projevuje rozdílem tvrdosti krystalu podle směru krystalické osy, znáte velice dobře. Na jeho principu funguje … tužka. Krystaly tuhy mají v jednom směru tvrdost “1” a kolmo na něj dosahují tvrdosti téměř diamantu. Výsledkem je to, že se z tuhy lehce stírají jednotlivé vrstvy krystalů, které při psaní ulpívají na papíře. 

Co vlastně způsobuje rozdílnou tvrdost jednotlivých minerálů?

Odpověď je jednoduchá a jako tak často zní: chemie a fyzika. 

Tvrdost jednotlivých minerálů závisí na jejich vnitřním uspořádání (chemii) a souhře jednotlivých komponent (fyzice). Minerály mají rozdílnou tvrdost proto, že se vzájemně liší typem struktury (typem krystalické mřížky), poloměry atomů svých základních komponent (jinou velikost má například atom chromu a jinou beryllium) a také vzájemnou silou, kterou na sebe tyto jednotlivé komponenty působí. 

Mohsova tvrdost versus absolutní tvrdost kamene

Znát tvrdost určitého kamene může být někdy velice důležité. Například tehdy, když ho chcete tvarovat. Tehdy chcete vědět, kolik námahy vás to bude stát. 

Mohsova stupnice není přímo lineární (ani nemůže být, protože nám příroda nedává k dispozici certifikované kameny s lineární závislostí tvrdosti - reálné kameny se neřídí matematikou ale zákony chemie a fyziky). 

Lidé si samozřejmě umí poradit. Zkonstruovali přístroj, kterému říkáme sklerometr. Ten měří absolutní tvrdost minerálu nebo kamene. S jeho pomocí se dá zkonstruovat podobná stupnice - a srovnat se s tou, kterou zavedl Friedrich Mohs. I ona má deset stupňů - dá se z ní ale navíc odečíst energie, kterou musíte vynaložit na opracování kamene. 

Z tabulky je zřejmé, jak se mění “úpornost” kamene s narůstající tvrdostí. Na zpracování kamene s tvrdostí 4 musíte vynaložit ne dvakrát (jak by se mohlo zdát) ale hned sedmkrát více úsilí než na zpracování kamene s tvrdostí 2. 

Podobná skoková změna je vidět na rozdílu tvrdosti korundu (9) a diamantu (10). 

Proč se dají některé kameny zpracovávat lépe než jiné? 

U reálných materiálů, například stavebních kamenů nebo kamenů určených k ozdobě, je situace poněkud komplikovanější. 

Minerál vápenec má například Mohsovu tvrdost č. 3. Když se vám dostane do rukou slín (což je geologický název pro směs jílu a vápence, který vzniká jako sedimentární hornina), zjistíte, že má tvrdost jen kolem 2,5 stupně. Jiné vápence naopak stupeň 3 překračují a dosahují téměř 4. 

A nejen to. Některé kameny mohou být dokonce tvrdší, než minerály, ze kterých se skládají. Jak k tomu dochází? 

Alabastr - kámen, který je tvrdší, než minerál, ze kterého je vytvořen 

Alabastr je materiál, který se skládá z krystalů sádrovce. Bílý alabastr má také skutečně Mohsovu tvrdost, která odpovídá jeho chemickému složení (tedy č. 2). Překvapením zde mohou být zbarvené alabastry. Modrá varianta (a obzvláště její silně zbarvené oblasti) vykazují tvrdost až 3,5 stupně. 

Za zvýšenou tvrdost jsou tu zodpovědné příměsi, které způsobují napětí v krystalické mřížce. Situace by se dala přirovnat k tvrzení oceli. Ocel, do které byly přidány určité specifické příměsi, je tvrdší a odolnější než čistý materiál. Podobně je na tom i modře zbarvený alabastr.

To ale pořád ještě není všechno. Existují dokonce i …

.. materiály, které se vytvrzují až postupem času (při “stárnutí”)

Je to zajímavé - ale takové chování vykazují mimo jiné  mramory. Příkladem může být mramor typu Carrara. Čerstvý materiál, který byl právě vyříznut z bloku kamene v dole, je pořád ještě nasycený vodou. Ta se nachází v malých pórech uvnitř materiálu. Tato voda samozřejmě není úplně čistá, ale je v ní rozpuštěno určité množství vápence. 

Když se pak voda časem z materiálu odpaří, zůstane tento původně rozpuštěný vápenec uvnitř kamene a “cementuje” jeho krystaly, takže se materiál zpevňuje. 

Podobný jev se děje také během zvětrávání vápence. Postupné rozpouštění a znovu usazování malých množství vápence zpevňuje v průběhu času jeho nejsvrchnější vrstvu - vápenec dostává tvrdší povrch.

Tvrdost konkrétního kamene je tedy závislá i na jiných okolnostech než jen na jeho chemickém složení. To všechno dělá mineralogii ještě zajímavější… a napínavější.