Minerały PDF

Najmniejszą jednostką (w sensie geologicznym), z jakiej zbudowana jest skorupa ziemska stanowi minerał. Minerały to naturalne związki chemiczne lub pierwiastki rodzime, powstałe w wyniku różnorodnych procesów geologicznych zachodzących w skorupie ziemskiej. Nauka zajmująca się minerałami nosi nazwę...

Najmniejszą jednostką (w sensie geologicznym), z jakiej zbudowana jest skorupa ziemska stanowi minerał. Minerały to naturalne związki chemiczne lub pierwiastki rodzime, powstałe w wyniku różnorodnych procesów geologicznych zachodzących w skorupie ziemskiej. Nauka zajmująca się minerałami nosi nazwę mineralogii. W mineralogii stosuje się szereg różnych metod badawczych. Wśród nich najprostszą jest metoda makroskopowa, która znajduje szerokie praktyczne zastosowanie. Metoda ta polega na badaniu cech fizycznych minerałów, uzupełnianym w miarę potrzeby prostymi badaniami chemicznymi. Posługując się metodą makroskopową można identyfikować wiele pospolitych minerałów. Natomiast do metod laboratoryjnych stosowanych w mineralogii, zalicza się chemiczne analizy ilościowe i jakościowe, badanie makroskopowe minerałów, metody rentgenograficzne, termiczne i inne. Minerały mają z reguły budowę krystaliczną, często przejawiającą się na zewnątrz charakterystyczną postacią foremnych wielościanów - kryształów. Kryształ jest ciałem o prawidłowej budowie wewnętrznej, fizycznie jednorodnym, anizotropowym, o określonych właściwościach chemicznych i fizycznych, ograniczonym ścianami płaskimi. Prawidłowa budowa wewnętrzna – oznacza, że atomy lub jony zajmują określone miejsce w przestrzeni tworząc sieć przestrzenną (krystaliczną). Najmniejsza cząstka sieci nosi nazwę równoległościanu elementarnego. Jednorodność fizyczna – oznacza, że w każdym punkcie kryształ wykazuje jednakowe własności fizyczne skalarne np. ciężar właściwy, ciepło topnienia. Natomiast anizotropia kryształu polega na tym, iż własności fizyczne wektorowe np. prędkość rozchodzenia się światła, twardość, przewodnictwo cieplne itd. są różne w różnych kierunkach. Prawidłową geometryczną formę zewnętrzną, będącą wyrazem uporządkowanej budowy wewnętrznej, osiąga kryształ w warunkach swobodnego wzrostu (np. w środowisku ciekłym). Jeśli kryształy tworzą się w przestrzeni ograniczonej, np. pomiędzy istniejącymi już kryształami, to wykształca jedynie część swych elementów granicznych, czyli ścian, krawędzi i naroży, lub nie wykształca ich wcale. Mówimy wówczas o ciele krystalicznym. Przeciwieństwem ciał krystalicznych są ciała bezpostaciowe, tzn. nieposiadające uporządkowanej budowy wewnętrznej. Z biegiem czasu lub pod wpływem ciśnienia i temperatury, ciała bezpostaciowe przechodzą w ciała krystaliczne. Nauka zajmująca się kryształami, zarówno minerałów jak i substancji otrzymanych sztucznie, nosi nazwę krystalografii. Proces powstawania kryształów i ciał krystalicznych nazywamy krystalizacją. Kryształy mogą krystalizować: - ze stopów (np. magmy) - z roztworów (np. wody morskiej) Różne minerały powstają w morzu, zarówno w wyniku parowania, jak i zmiany składu chemicznego wód; w ten sposób tworzą się złoża soli kamiennej (halitu), gipsu, wapieni i niektórych minerałów żelaza. - ze stanu gazowego - z roztworów koloidalnych - z ciał bezpostaciowych. Wielkość kryształów jest różna: od ułamka milimetra do wielu metrów. Najczęściej spotykane kryształy mają wielkość od kilku do kilkudziesięciu milimetrów. Wykształcenie kryształów uzależnione jest od warunków powstawania. Najczęściej krystalizacja odbywa się w przestrzeni ograniczonej: powstają kryształy narosłe np. na ścianach szczelin i wrosłe, czyli otoczone ze wszystkich stron innymi kryształami. Kryształy mogą występować pojedynczo, bądź w grupach. W pewnych przypadkach tworzą się też prawidłowe zrosty bliźniacze – czyli są to prawidłowe zrosty dwu lub więcej osobników tej samej substancji, zrastających się lub przerastających zgodnie z określonymi prawami. W zbliźniaczonych osobnikach spotyka się często kąty wklęsłe, które nie mogą występować w kryształach pojedynczych. Kryształy cechują się symetrią budowy polegającą na symetrycznym rozmieszczeniu elementów powierzchni: ścian, krawędzi i naroży (rys.2). Wyróżnia się następujące elementy symetrii geometrycznej: - płaszczyzna symetrii (P) – jest to płaszczyzna dzieląca kryształ na połowy (dwie jednakowe części), będące swoim lustrzanym odbiciem (rys.3). - oś symetrii (L) – jest to prosta, wokół której kryształ podczas pełnego obrotu (3600) zajmuje n-krotnie swoje pierwotne położenie, tzn. wykazuje n- razy te same elementy ograniczające w takim samym położeniu. Liczbą n, czyli krotnością osi, mogą być tylko wartości 2, 3, 4 i 6. Odpowiednio do krotności osie symetrii nazywamy i oznaczmy: oś dwukrotna L2, oś trzykrotna L3 itd. Przy opisie kryształu osie symetrii wymieniamy w kolejności od najwyższej krotności; Oś symetrii, która z obydwóch stron kryształu przecina różne elementy powierzchni, nosi nazwę polarnej (biegunowej) i oznaczona jest symbolem Lp; - centrum (środek) symetrii (C) – jest to punkt, w środku kryształu, charakteryzujący się tym, że każda przeprowadzona przezeń prosta przecina w obu przeciwległych kierunkach, w tej samej odległości od tego punktu, jednakowe elementy ograniczające kryształ (rys.3). Na tej podstawie można wykazać, że kryształ mający środek symetrii musi mieć parzystą liczbę ścian, które są parami do siebie równoległe. Umożliwia to pewne i stosunkowo proste stwierdzenie obecności środka symetrii w krysztale. Elementy kryształu orientuje się względem tzw. osi krystalograficznych stanowiących układ trzech lub czterech współrzędnych zbiegających się w środku kryształu (rys.4). Poszczególne kryształy mogą mieć bardzo różną ilość i różne rodzaje elementów symetrii. Wyróżniamy 7 układów krystalograficznych: Układ regularny – Kryształy są ośmiościenne, czworościenne, dwunastościenne lub sześcienne lub są ich kombinacją. Układ jednoskośny – Kryształy bywają tabliczkowe lub słupkowe, w przekroju mają kształt rombu. Układ tetragonalny – kryształy są w przekroju kwadratowe, ośmiokątne i tworzą piramidy podwójne, słupy lub tabliczki. Układ rombowy – bardziej spłaszczone niż tetragonalne, często w formie tabliczkowej lub słupowej z klinowatymi zakończeniami. Układ trójskośny – jest to układ o najniższej symetrii. Kryształy są tabliczkowe lub nie wykazują wyraźnych elementów symetrii. Układ heksagonalny – przekrój jest zwykle sześciokątny, często ma postacie slupów, piramid lub jest ich kombinacją. Układ trygonalny – ma niższą symetrię od układu heksagonalnego. Główne postacie to romboedry i sklaeonedry. Pokrój kryształów – pod tym pojęciem rozumie się wygląd zewnętrzny kryształu uwzględniający wzajemne proporcje wielkości i wykształcenia określonych ścian kryształu, jako wynik wzrostu kryształu. a) izometryczny - kryształ ma identyczne lub zbliżone wymiary w trzech kierunkach b) tabliczkowy - kryształ ma różne wymiary w trzech kierunkach c) łuseczkowy d) słupowy - kryształ ma podobne wymiary w dwóch kierunkach w trzecim zaś wymiar wyraźnie większy od dwóch poprzednich. W przypadku bardzo dużej przewagi tego trzeciego wymiaru wyróżnić można pokrój pręcikowy, igiełkowy lub włóknisty. Pokrój kryształów nie zależy od układu krystalograficznego, z tym jednym wyjątkiem, że wszystkie kryształy układu regularnego są izometryczne. GENEZA Procesy prowadzące do powstania minerałów można podzielić na endogeniczne tj. związane z wnętrzem skorupy ziemskiej oraz egzogeniczne - zachodzące na powierzchni ziemi. Do procesów endogenicznych zaliczamy: 1. Krystalizację ze stopu krzemianowego (magmy) zachodzącą etapowo. Wyróżnić tu można kilka faz związanych ze stopniowym oziębianiem i krzepnięciem magmy: - wczesna faza - zachodzi w najwyższych temperaturach, minerały ubogie w krzemionkę SiO2, bogate w Fe, Mg, S np. siarczki, oliwin - główna faza - minerały bogate w SiO2, np. krzemiany: kwarc, skalenie, miki - pegmatytowa faza - minerały krystalizują z resztek pomagmowych w temp. 800 - 600 0C np. biotyt, muskowit - pneumatolityczna faza - krystalizacja z gazów i par, będących pod bardzo wysokim ciśnieniem w temp. 600 - 4000C np. fluoryt - hydrotermalna faza - minerały powstają z roztworów wodnych w temp.< 400 np. galena, fluoryt 2. Procesy metamorficzne polegające na przeobrażaniu pierwotnych minerałów pod wpływem ciśnienia i temperatury. W procesach tych powstają m.in. granaty, chloryty. 3. Metasomatoza, czyli reakcja wymiany składników gazów i roztworów pomagmowych z minerałami otaczającymi np. muskowit, biotyt Wśród głównych minerałotwórczych procesów egzogenicznych należy wymienić: 1. Wietrzenie - rozpad mechaniczny i rozkład chemiczny minerałów (i skał) pod wpływem czynników egzogenicznych - atmosfery, hydrosfery i biosfery np. ortoklaz kaolinit minerały Cu azuryt, malachit 2. Ewaporacja - krystalizacja z wód powierzchniowych wskutek parowania, np. halit, gips. Minerały powstające dzięki wyparowaniu wody nazywa się ewaporatami. 3. Procesy związane z życiem organicznym - np. kalcyt, opal, bursztyn Formy skupień minerałów Skupienia kryształów to zrosty większej ilości pojedynczych osobników. Zrosty te mogą mieć rózny wygląd. Różne minerały mogą występować w takich samych formach skupień. Wyróżnia się następujące formy skupień minerałów: 1. skupienia kryształów: a) szczotki krystaliczne – utworzone z kryształów osadzonych obok siebie na wspólnym podłożu; b) geody – są to szczotki krystaliczne osadzone w owalnych pustkach wśród skał; 2. skupienia ziarniste – utworzone są z mniejszych lub większych ziarn mineralnych ograniczonych przypadkowymi powierzchniami; 3. skupienia zbite – składają się z bardzo drobnych, niewidocznych makroskopowo ziarn mineralnych; 4. skupienia ziemiste – podobnie jak skupienia zbite składają się z nierozpoznawalnych makroskopowo ziarn mineralnych, dają się jednak łatwo rozetrzeć w palcach; 5. nacieki – składają się z bardzo drobnych ziarn mineralnych, szczególnego rodzaju naciekami są stalaktyty- występujące w jaskiniach i narastające od góry ku dołowi i stalagmity narastające od dołu. Do form naciekowych zalicza się także skupienia nerkowate i groniaste zbudowane ze współśrodkowo narosłych warstw utworzonych z drobnych, najczęściej igiełkowatych osobników. Można spotkać także formy skupień minerałów w postaci nalotów i wykwitów. Naloty to cienkie powłoki mineralne powstałe wskutek krystalizacji z par i gazów, natomiast wykwitami nazywa się powłoki mineralne powstające na powierzchni skał w wyniku przesiąkania roztworu przez podłoże i odparowania tego roztworu; 6. dendryty – są to krzewiasto rozgałęzione skupienia minerałów np. niektóre metale rodzime takie jak: miedź, srebro, złoto; w szczelinach skalnych spotyka się pospolicie, płaskie dendrytowe skupienia wodorotlenków manganu; 7. konkrecje – są to kuliste lub owalne skupienia minerałów o budowie najczęściej promienistej lub koncentrycznej różniące się składem od otoczenia; 8. oolity – zbudowane są z współśrodkowo ułożonych warstewek, kształt kuleczek o średnicy nie przekraczającej 2 mm. Cechy fizyczne minerałów: 1. Barwa: - barwne (mają stałą, charakterystyczną dla siebie barwę): galena, hematyt, grafit, piryt - zabarwione (minerały zawierają barwiące domieszki): kwarc, kalcyt, fluoryt, siarka, gips, ortoklaz - bezbarwne (minerały nie posiadają żadnej barwy): halit, fluoryt, kwarc, kalcyt, gips 2. Rysa (barwa sproszkowanego minerału). Jest to bardzo ważna i stała cecha minerałów. Rysę uzyskujemy rozcierając minerał na białej nieszkliwionej płytce porcelanowej lub pocierając dwa takie same minerały nad białym papierem. Tylko minerały barwne mają rysę, nie zawsze barwa minerału jest taka sama jak jego rysa np. hematyt. Natomiast minerały bezbarwne i zabarwione dają rysę białą. 3. Połysk (efekt odbicia promieni świetlnych od powierzchni minerału): - diamentowy (bardzo silny połysk): siarka, diament - szklisty (inaczej zwyczajny-przypominający połysk powierzchni szklanej): fluoryt, gips, muskowit - tłusty (przypominający połysk natłuszczonej powierzchni szkła): halit, kwarc (na przełomie) - metalowy (przypominający wypolerowaną powierzchnię metalu): galena, magnetyt, piryt - półmetalowy (przypominający nieco zmatowiałą powierzchnię metalu) - matowy (brak połysku): azuryt, malachit, siarka - perłowy (zbliżony do połysku masy perłowej) - jedwabisty (podobny do połysku tkaniny jedwabnej). Rodzaj połysku jest ściśle związany ze współczynnikiem załamania światła. 4. Przezroczystość (zdolność przepuszczania promieni świetlnych przez minerał): - przezroczyste (dobrze przepuszczają światło): kwarc, kalcyt, muskowit, fluoryt, halit - półprzezroczyste (promienie przechodzą przez krawędzie, narożniki; mniej przepuszczające światła) np. kwarc, kalcyt, gips - nieprzezroczyste (nieprzepuszczające światła): kalcyt, gips, hematyt, magnetyt Przezroczystość zależy od barwy minerału, a także od spękań, drobnych wrostków innych minerałów, banieczek gazów powodujących zmętnienie minerału i innych. 5. Łupliwość (zdolność pękania minerałów wzdłuż równych powierzchni w pewnych określonych kierunkach pod wpływem uderzenia lub nacisku i ujawniania płaskich i gładkich powierzchni. Kierunki płaszczyzn łupliwości zależą od budowy krystalicznej minerału): - doskonała - minerał łatwo daje się rozłupać tworząc idealnie gładkie powierzchnie; - bardzo dobra - minerał nieco trudniej się łupie; - wyraźna - obok płaszczyzn łupliwości występują również pod wpływem uderzenia powierzchnie nierówne; - niewyraźna - płaskie ściany łupliwości występują rzadko, przeważają powierzchnie nierówne. 6. Przełam (Minerały mogą nie posiadać łupliwości wcale lub w niektórych kierunkach. Mówimy wówczas o przełamie. Przełamem nazywamy powstawanie nierównych powierzchni pod wpływem uderzenia lub nacisku. U minerałów o doskonałej lub bardzo dobrej łupliwości uzyskanie tej właściwości jest bardzo trudne): - muszlowy - przypominający powierzchnię muszli małża (ze współśrodkowo ułożonymi wypukłościami i wgłębieniami); - równy - powierzchnia zbliżona do płaszczyzny łupliwości; - nierówny - powierzchnia nieregularna, chropowata; - zadziorowaty - liczne zadziory na powierzchni; - haczykowaty - powierzchnia pokryta jest licznymi ostrymi występami zakończonymi haczykowato np. metale rodzime - ziemisty - powierzchnia wykazuje obecność bardzo drobnych ziarn. 7. Twardość - opór, jaki stawia minerał przy rysowaniu jego powierzchni ostrzem. Określamy ją porównując twardość badanego minerału z twardością minerałów wzorcowych tzw. skalą Mohsa SKALA MOHSA - 10 minerałów uszeregowanych według wzrastającej twardości czyli minerał o wyższej twardości (np. kwarc o twardości 7) rysuje powierzchnię minerałów bardziej miękkich (czyli minerały od talku do ortoklazu oraz wszystkie o twardości od 1 do 6). Twardość pośrednią między stopniami określa się połową stopnia.  1. talk Mg3(OH)2Si4O10 2. gips CaSO4. 2H2O 3. kalcyt CaCO3 4. fluoryt CaF2 5. apatyt Ca5F(PO4)3 6. ortoklaz KAlSi3O8 7. kwarc SiO2 8. topaz Al2F2SiO4 9. korund Al2O3 10. diament C Można również posłużyć się metodami zastępczymi np. paznokciem (twardość około 2,5), przedmiotem z miedzi (twardość 3), gwoździem żelaznym lub szpilką (twardość 4-5), szkłem lub przedmiotem ze stali (twardość 5-6,5). Ciężar właściwy – ze względu na ciężar właściwy dzielimy na: - lekkie – o ciężarze właściwym poniżej 2,5 g/cm3 - średnie – o ciężarze właściwym 2,5-4 g/cm3 - ciężkie – o ciężarze właściwym 4-6 g/cm3 - bardzo ciężkie – o ciężarze właściwym powyżej 6 g/cm3 Inne właściwości fizyczne minerałów – poza wymienionymi cechami niektóre minerały posiadają inne, właściwe tylko sobie, własności fizyczne np. sprężystość (mika), kruchość, magnetyzm (magnetyt), smak (halit), charakterystyczny zapach przy spalaniu (siarka). Niewielka liczba minerałów występuje jako pierwiastki rodzime. Pozostałe minerały mają bardziej złożony skład chemiczny. Znaczna część minerałów wykazuje zjawisko diadochii, polegającej na zastępowaniu w sieci krystalicznej jednych jonów – innymi. Zjawisko to często występuje w krzemianach, gdzie jony Si zastępowane są częściowo jonami Al. Również często jony Mg zastępowane są Fe++, jony K - jonami Na, Ca itd. Powstają wówczas kryształy mieszane. Skład chemiczny minerałów powoduje konieczność wykonywania badań chemicznych w specjalistycznych laboratoriach. Dlatego w praktyce uproszczonych badań mineralogicznych przeważnie ogranicza się do reakcji z rozcieńczonym kwasem solnym (10%), służącym głównie do rozpoznawania niektórych węglanów (głównie kalcytu). Niektóre minerały łączą się w grupy o zbliżonym składzie chemicznym i podobnej strukturze krystalicznej. Mają więc podobne cechy i trudno je odróżnić od siebie. Wiele krzemianów tworzy takie grupy np. : skalenie, granaty, łyszczyki, amfibole i pirokseny. Skalenie są glinokrzemianami głównie sodu, potasu i wapnia. Wagowo stanowią około 50% wszystkich skał skorupy ziemskiej. Ze względu na skład chemiczny wyróżniamy szereg skaleni alkalicznych = potasowo-sodowych i szereg plagioklazów czyli skaleni sodowo- wapniowych. Skalenie powstają w wyniku krystalizacji magmy i w procesach pomagmowych. Podział skaleni sodowo-wapniowych tzw. plagioklazów przeprowadza się na podstawie ilości albitu i anortytu w danym plagioklazie. Wyróżniane odcinki szeregu plagioklazów: albit, oligoklaz, andezyn, labrador, bytownit i anortyt definiuje się następującymi ilościami obu składników w procentach molowych: patrz slajd. Czyli przez albit rozumie się nie tylko czysty glinokrzemian sodu, ale również ten minerał z domieszką do 10% molowych anortytu, analogicznie rozumie się anortyt.