mineralogia classificacao propriedades (aula 6 folheto)

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MineralogiaMineralogia

SistemSistemáática/Classificatica/Classificaçção/Propriedades dos ão/Propriedades dos mineraisminerais

Fundamentos de cristaloquFundamentos de cristaloquíímica, e mica, e mineralogia fmineralogia fíísicasica

Mineralogia Mineralogia –– GMGM--861861

Prof. Wanilson Luiz SilvaUnicamp-IG-DGRN

Bibliografia Recomendada

DANA, J. D. (1981). Manual de Mineralogia. Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos, 2 vols.KLEIN, C. ; HURBULT JR., C.S. (1993) Manual of Mineralogy. 21a Ed. after J.D. Dana. New York, John Wiley & Sons. 681 p.

Turmalina (MG)

Cristaloquímica, ramo da mineralogia que se ocupa da química dos minerais em íntima ligação com as suas característica físicas e estruturais.

O que vamos estudar nessa etapa do curso

A cristaloquímica começou com Goldschmidt (1926) que formulou os princípios gerais que regem a estrutura dos cristais (empilhamento regular de átomos, íons ou grupos mais complexos).

A organização sistemática dos minerais em classes baseia-se em critérios meramente químicos, considerando o ânion dominante ou o radical aniônico e foi proposta por Dana no seu célebre System of Mineralogy (1850). Atualmente é a classificação mais aceita.

Mineralogia física – descrição das propriedades físicas dos minerais, utilizada como base de identificação das diversas espécies e variedades de minerais.

Ilustrações de técnicas mineiras (explotação mineral) apresentadas na obra célebre “De Re Mettalica” de Georgious Agricola (1556).

O que pode ser considerado como mineral?


Fórmula química definida

(não fixa)

Fórmula química definida

(não fixa)

Carátersólido e

homogêneo

Carátersólido e

homogêneo

Estrutura cristalinapeculiar

Estrutura cristalinapeculiar

NaturezainorgânicaNatureza

inorgânica

Processosnaturais

Processosnaturais

Substânciasquímicas

Substânciasquímicas


•• ZircôniaZircônia sintsintééticatica usada em joalheria...usada em joalheria...??

•• Carvão fCarvão fóóssilssil (muitas vezes chamado de carvão mineral), (muitas vezes chamado de carvão mineral), petrpetróóleo...?leo...?

•• A A ááguagua, o , o gelogelo...?...?

•• MercMercúúrio nativorio nativo, l, lííquido nas condiquido nas condiçções ambientais da ões ambientais da crosta...?crosta...?

•• CalcitaCalcita (carbonato de c(carbonato de cáálcio) resultante da atividade de lcio) resultante da atividade de algas...?algas...?

•• CCáálculos renaislculos renais, popularmente conhecidos como "pedras , popularmente conhecidos como "pedras nos rins", formados quando a concentranos rins", formados quando a concentraçção de alguns ão de alguns componentes da urina (componentes da urina (áácido cido úúrico, crico, cáálcio, flcio, fóósforo, cistina) sforo, cistina) se eleva a ponto de ocorrer a agregase eleva a ponto de ocorrer a agregaçção dos mesmos em ão dos mesmos em forma de cristais? forma de cristais?

SilicatosSilicatosSilicatos

TungstatosTungstatosTungstatos

BoratosBoratosBoratos

CarbonatosCarbonatosCarbonatos

SulfatosSulfatosSulfatos FosfatosFosfatosFosfatos

NitratosNitratosNitratos

HalóidesHalHalóóidesides

Óxidos e Hidróxidos

ÓÓxidos e xidos e HidrHidróóxidosxidos

SulfossaisSulfossaisSulfossaisSulfetosSulfetosSulfetos

Elementos nativos

Elementos Elementos nativosnativos

SilicatosSilicatosSilicatos

TungstatosTungstatosTungstatos

BoratosBoratosBoratos

CarbonatosCarbonatosCarbonatos

SulfatosSulfatosSulfatos FosfatosFosfatosFosfatos

NitratosNitratosNitratos

HalóidesHalHalóóidesides

Óxidos e Hidróxidos

ÓÓxidos e xidos e HidrHidróóxidosxidos

SulfossaisSulfossaisSulfossaisSulfetosSulfetosSulfetos

Elementos nativos

Elementos Elementos nativosnativos

OrganizaOrganizaçção Sistemão Sistemáática dos Mineraistica dos MineraisClassificaClassificaçção Quão Quíímicamica

São em torno de 200 os minerais mais comuns, embora sejam São em torno de 200 os minerais mais comuns, embora sejam reconhecidos perto de 3000 espreconhecidos perto de 3000 espéécies.cies.

Galena, pirita

Arsenopirita

Magnetita

Limonita

Halita

Nitratita

ApatitaGipsita

Calcita

Bórax

Scheelita

Quartzo

Au, Ag, Pt, C

Estas classes serão vistas depois com mais detalhesEstas classes serão vistas depois com mais detalhes

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ComposiComposiçção quão quíímica da crosta terrestre e a abundância mica da crosta terrestre e a abundância relativa dos mineraisrelativa dos minerais

Poucos elementos químicos contribuem (>0,1%) para 99% da litosfera da Terra. Quais seriam eles?

Mn – 0,1P – 0,1Ti – 0,4K – 2,7Na – 2,8Mg – 3,1Ca – 3,6Fe – 5,0Al – 8,1Si – 27,7O – 46,6 (%) # Os elementos restantes não constantes na

lista existem em porcentagens reduzidíssimas (apenas, localmente apreciáveis).

# Da tabela ao lado pode-se deduzir que os minerais com oxigênio, silício e alumínio devem ser os mais abundantes na litosfera.

Silicatos = 97% do volume da crostaSilicatos = 97% do volume da crosta

Carbonatos, Carbonatos,

óóxidos, xidos,

sulfetos, sulfetos,

halhalóóides, etc.ides, etc.

3% do volume da crosta3% do volume da crosta

Força das ligações nos cristais

As propriedades físicas e químicas dos minerais dependemnão só da natureza dos seus componentes e da geometria do seu empilhamento no espaço, como também do tipo e intensidades das forças eletromagnéticas que une as partículas elementares.

A dureza, a solubilidade, a clivagem, as condutividade térmica e elétrica, etc., estão intimamente associadas aos

tipos de ligação.

-Ligação iônica

-Ligação covalente

-Ligação metálica

-Ligação de Van Der Waals


Ligação iônica ou eletrostática – os íons estão unidos na estrutura do cristal pela atração de suas cargas eletrostáticas diferentes (opostas).

Ex.: halita

Dissolução em solventes polares, produzindo soluções condutoras contendo íons livres;

Possuem dureza e densidade relativamente moderadas;

Pontos de fusão e ebulição razoavelmente elevados;

Maus condutores de calor e eletricidade;

A simetria do cristal resultante é elevada.

Algumas propriedades


Intensidade da ligação iônica – a intensidade (energia exercida para rompê-la depende de dois fatores:

a) espaçamento centro-centro entre os dois íons;

b) carga total.

Ex. Intensidade entre os halóides de sódio, medida pela temperatura de fusão revela ser esta inversamente proporcional ao comprimento da ligação.

7552,97NaBr

8012,81NaCl

980-9972,31NaF

P. Fusão oCDist. Inter. ÅComposto

Fonte: Dana


Intensidade da ligação iônica dependente da carga total

A carga dos íons coordenados tem mesmo um efeito mais poderoso sobre a intensidade da ligação.

7602,82RbF

8802,67KF

980-9972,31NaF

1.9232,75BaO

2.4302,55SrO

2.5802,40CaO

2.8002,10MgO

P. Fusão oCDist. Inter. ÅComposto

Fonte: Dana

Óxidos alcalinos terrosos = bivalentes

Fluoretos alcalinos = monovalentes


Dureza do versus distância interiônica em compostos ligados ionicamente

3,22,31NaF

3,32,77BaO

3,52,57SrO

4,52,40CaO

6,52,10MgO

9,01,65BeO

Dureza(Mohs)

Dist. Inter. ÅComposto

Fonte: Dana

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Ligação covalente – elétrons são compartilhados.

Ex.: diamante

É a mais forte das ligações químicas;

Insolubilidade geral;

Grande estabilidade, ponto de fusão e ebulição elevados;

Os cristais não produzem íons em solução;

Não são condutores de eletricidade;

A simetria dos cristais, em geral, é mais baixa quando comparada à ligação iônica;

C, Si, Al e S unem-se em ligações covalentes;

Alta dureza é peculiar.



IMPORTANTE

Na maioria dos cristais caracterizados pela existência de ligação iônica existem também elétrons partilhados, àsemelhança da ligação covalente. O contrário também éverdadeiro.

A eletronegatividade entre os elementos controla o caráter iônico ou covalente da ligação.

Pauling (1948) atribuiu valores a eletronegatividade dos elementos que é a base de ponderação entre o caráter iônico e covalente da ligação.

Quanto maior for a diferença entre as eletronegatividades, maior será o caráter iônico da ligação.

1s

2s, 2p

[Ne]3s, 3p

[Ar]4s, 3d, 4p

[Kr]5s, 4d, 5p

[Xe]6s, 4f, 5d, 6p

[Rn]7s, 5f, 6d, 7p? ? ?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?

Siredófilos

Calcófilos

Atmófilos

Não investigado

Litófilos (branco)

Elementos doadores e receptores de elElementos doadores e receptores de eléétronstrons

Eletronegatividade (hEletronegatividade (háá exceexceçções nessa tendência)ões nessa tendência)

Qual a caracterQual a caracteríística iônica (covalente) da ligastica iônica (covalente) da ligaçção ão entre os elementos da Tabela Perientre os elementos da Tabela Perióódica?dica?

• Elementos próximos - altamente covalenteH--O na H2O, C--O no CO3

2-, N--O no NO3-

S--O no SO42-, Si--O no SiO4

4-

• Elementos opostos - altamente iônicaNaCl, KCl, CsFCaCO3, BaSO4, CaSO4, Fe2SiO4(ligação cátion-complexo aniônico = iônica)[eletronegatividade de complexos de ânions não é conhecida]


Ligação metálica – caracterizada pela mobilização de elétrons na massa de íons positivos.

Ex. metais nativos, alguns sulfetos (combinações com iônica).

Conduz eletricidade – significa que os elétrons podem mover-se livremente, com grande rapidez, através da estrutura;

Os elétrons estão ligados fracamente na estrutura do metal (Ex. efeito fotoelétrico: Cs, Rb, K);

Um elétron não pertence a qualquer núcleo;

Plasticidade, tenacidade, ductilidade e condutibilidade elevadas;

Dureza, pontos de fusão e ebulição geralmente baixos.


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Ligação de van der Wall – as estruturas cristalinas são

unidas por cargas residuais na superfície.

Ex. grafita (covalente + van der Wall),

argilominerais/micas (covalente, iônica + van der wall).

Este tipo de ligação é menos freqüente nos minerais

Desenvolvimento de planos de clivagem;

Baixíssima resistência mecânica entre os planos de ligação.



Cristais com mais de um tipo de ligação química são mais

comuns do que cristais ligados por um único tipo.

Disso resultam propriedades nos minerais adversas,

muitas vezes de caráter direcional.

Ex.: a clivagem das micas.

(1) Ligação iônica entre o Na e Cl

(2) Ligação covalente entre dois átomos de C

Diamante

(4) Ligação de Van Der Waals↑e covalente → (grafita).

(3) Ligação metálica

Ligações nos cristais Simbologia clássica

Como os Como os ííons se arranjam para ons se arranjam para formar os cristais?formar os cristais?

-- NNúúmero de coordenamero de coordenaçção ão --

Regra Regra -- o empacotamento deve ser o mais fechado o empacotamento deve ser o mais fechado posspossíível para manter o equilvel para manter o equilííbrio atômico:brio atômico:

F = eF = e11ee22/r/r22

““A forA forçça de atraa de atraçção eletrostão eletrostáática (tica (FF) entre c) entre cáátions (e.g. tions (e.g. ee11) e ânions () e ânions (ee22) ) ééinversamente proporcional ao quadrado da distância entre elesinversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles””

NNúúmero de coordenamero de coordenaçção de um ão de um ííonon –– éé nnúúmero de mero de ííons, de sinal ons, de sinal contrcontráário, que ele pode coordenar (reunir). O rio, que ele pode coordenar (reunir). O ííon central on central éé o coordenador o coordenador e os envolventes são os coordenados.e os envolventes são os coordenados.

CoordenaCoordenaçção 2 ou linearão 2 ou linear: : RRCC:R:RAA < 0,15< 0,15. Ex. Cu. Ex. Cu––O na O na cupritacuprita..

CoordenaCoordenaçção 3 ou triangularão 3 ou triangular: : 0,22 > R0,22 > RCC:R:RAA > 0,15> 0,15. Ex. CO. Ex. CO3322––, NO, NO33

–– e e BOBO33––..

CoordenaCoordenaçção 4 ou tetraão 4 ou tetraéédricadrica: : 0,41 > R0,41 > RCC:R:RAA > 0,22> 0,22. Ex. t. Ex. tíípica da pica da associaassociaçção Sião Si--O (SiOO (SiO44

44––), menos est), menos estáável na ligavel na ligaçção Alão Al--O nos O nos aluminossilicatosaluminossilicatos (e.g. feldspatos).(e.g. feldspatos).

CoordenaCoordenaçção 6 ou ão 6 ou octaoctaéédricadrica: : 0,73 > R0,73 > RCC:R:RAA > 0,41> 0,41. Ex. comum nos . Ex. comum nos silicatos (parte das relasilicatos (parte das relaçções Alões Al--O, nas MgO, nas Mg--O e FeO e Fe--O).O).

CoordenaCoordenaçção 8 ou cão 8 ou cúúbicabica: : 1 > R1 > RCC:R:RAA > 0,73> 0,73 (mais est(mais estáável > 0,83). Ex. vel > 0,83). Ex. sulfatos (BaSOsulfatos (BaSO44--barita, PbSObarita, PbSO44--anglesitaanglesita))

CoordenaCoordenaçção 12 ou cão 12 ou cúúbica compactabica compacta: : RRCC:R:RAA ~ 1~ 1 (rara). Ex. metais (rara). Ex. metais nativos.nativos.

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Linear

Triangular

(vétices de um triângulo equilátero)

Tetraédrica

(vétices de um tetraédro)

Octaédrica

(vétices de um octaédro)

Cúbica

(vétices de um cubo)

Cúbica compacta

(vétices de um cuboctadeor)

Na halita (NaCl):

o íon sódio coordena 6 íons cloro

o íon cloro coordena 6 íons sódio

Na fluorita (CaF2):

o íon cálcio coordena 8 íons flúor

o íon flúor coordena 4 íons cálcio

Alguns exemplos de coordenações

Conceitos decorrentes da estrutura cristalinaConceitos decorrentes da estrutura cristalina

– Minerais que possuem estruturas análogas e composições diferentes (mesmo grupo aniônico).Minerais IsoestruturaisMinerais Isoestruturais

Cristaloquímica

Os centros dos átomos constituintes ocupam posições relativas semelhantes (mesma estrutura, mas composição diferente).

Exemplos:

Grupo da calcita (CaCO3–calcita, CaMg(CO3)2 – dolomita, MgCO3–magnesita, FeCO3–siderita, MnCO3–rodocrosita, ZnCO3–smithsonita (todos do sistema hexagonal).

Grupo da aragonita (CaCO3–aragonita, BaCO3–viterita, SrCO3–estroncianita, PbCO3–cerussita (todos do sistema ortorrômbico).

Grupo da barita (BaSO4–barita, SrSO4–celestita, PbSO4–anglesita, CaSO4–anidrita) (todos do sistema ortorrômbico).


– Minerais que possuem composições diferentes (mesmo grupo aniônico), mas a mesma forma (classe) cristalina.IsomorfismoIsomorfismo

Cristaloquímica

Exemplos:

Grupo da calcita

CaCO3–calcita, CaMg(CO3)2 – dolomita, MgCO3–magnesita, FeCO3–siderita, MnCO3–rodocrosita, ZnCO3–smithsonita.

Sistema hexagonal, simetria escalenoédrica, coordenação 6, raios (Å) Ca (0,99), Mn (0,80), Zn (0,74), Fe (0,73) Mg (0,66).

Os raios e números de coordenação são semelhantes.


(dimorfismo, trimorfismo) – Minerais com a mesma composição química, mas com arranjos internos diferentes. PolimorfismoPolimorfismo

Cristaloquímica

2,712,95

33,5

TrigonalOrtorrômbico

CalcitaAragonita

CaCO3

54,85

66

IsométricoOrtorrômbico

PiritaMarcassita

FeS2

3,52,2

101

IsométricoHexagonal

DiamanteGrafita

C

Densidade relativa

DurezaSistemaMineralComposição

(substituição iônica ou sólida) − exprime as relações em qualquer série de minerais isoestruturais em que as composições se situem entre dois ou mais compostos puros. Exemplos:

SoluSoluçção são sóólidalida


Não existem molNão existem molééculas reais de quaisquer desses compostos purosculas reais de quaisquer desses compostos purose a substituie a substituiçção iônica ão iônica éé completamente fortuita dentro da completamente fortuita dentro da

estrutura do retestrutura do retíículoculo

XX = Fe, Mn, Mg, CaFe, Mn, Mg, CaXX3 Al2(SiO4)3

(Granada)

CaCaAl2Si2O8

(anortita)NaNaAlSi3O8

(albita)

FeFeCO3

(siderita)MgMgCO3

(magnesita)

Cristaloquímica

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−−−− processo no qual uma solução sólida inicial separa em duas fases minerais sem adição ou remoção de material para ou do sistema.

Ex. (ilustrativo): óleo-vinagre (agitado) → óleo + vinagre (repouso)Ex. pertitas (Na-feldspato dentro de K-feldspato)

– capacidade de permuta química. Fenômeno pelo qual dois ou mais íons podem intersubstituir–se em todas as proporções no interior de uma estrutura cristalina sem a modificar.

Comum nas soluções sólidas.

– modificação da composição, mas manutenção do hábito. Ex. pirita (cúbica) –– goethita (ortorrômbico).

Exsolução

Diadoquia

Pseudomorfismo

Conceitos decorrentes da estrutura cristalinaConceitos decorrentes da estrutura cristalinaCristaloquímica

Regras de substituiRegras de substituiçção (diadoquia) de Goldschmidt/ão (diadoquia) de Goldschmidt/RingwoodRingwood

1. Substitui1. Substituiçção favorão favoráável: diferenvel: diferençças de raio < 15%. Entre 15 e 30% o as de raio < 15%. Entre 15 e 30% o fenômeno fenômeno éé limitado e raro. Acima desses valores não hlimitado e raro. Acima desses valores não háá, praticamente, , praticamente, substituisubstituiçções iônicas.ões iônicas.

2. Substitui2. Substituiçção entre ão entre ííons de mesma carga e atons de mesma carga e atéé com diferencom diferençça de uma a de uma carga carga éé mais comum (neutralidade elmais comum (neutralidade eléétrica deve ser mantida). trica deve ser mantida). DiferenDiferençças de cargas superiores a 1 a substituias de cargas superiores a 1 a substituiçção ão éé mais difmais difíícil.cil.

3. A temperatura de cristaliza3. A temperatura de cristalizaçção tem grande importância na diadoquia (T ão tem grande importância na diadoquia (T elevada elevada →→→→→→→→ maior desordem estrutural)maior desordem estrutural)..

4. A substitui4. A substituiçção pode ser limitada, mesmo quando os critão pode ser limitada, mesmo quando os critéérios de tamanho rios de tamanho e carga são satisfeitos, quando os e carga são satisfeitos, quando os ííons competidores têm ons competidores têm eletronegatividades diferentes e formam ligaeletronegatividades diferentes e formam ligaçções de diferentes padrões ões de diferentes padrões iônicos. Ex. Naiônicos. Ex. Na++ e Cue Cu++ (o Na(o Na++ éé mais covalente do que o Cumais covalente do que o Cu++) não se ) não se substituem, embora atendam substituem, embora atendam ààs exigências 1 e 2.s exigências 1 e 2.

SubstituiSubstituiçções iônicas em cristaisões iônicas em cristaisCristaloquímica

CL1.34

PL1.31PL1.32

BI1.38GR1.36

GR1.35GR1.37

BI1.42

BI1.45

CD1.43

Amostra XZ-17A.1 (DOMÍNIO 1)

MS1.40

MS1.41

0,4 mm

SoluSoluçção são sóólidalidaDiadoquiaDiadoquia

Granada (Fe, Mg, Ca, Mn)

Biotita (Fe, Mg, Ti)

Plagioclásio (Ca, Na)

Clorita (H2O, Fe, Mg)

Cordierita (Fe, Mg)

Mineralogia física/descritiva

Propriedades físicas imediatamente observáveis em amostras de mão que possibilitam a identificação dos minerais.

Hábito do mineral – aparência de um simples cristal ou agregados de cristais.

Ex.:maciço/granular, lamelar/foliado, laminado (bladed), fibroso, acicular, radial–globular, dendrítico, botroidal, coloforme, geodo, oolítico, drusiforme, colunar, micáceo, etc.

Hábitos de minerais


Clivagem, partição e fratura – são respostas de um material cristalino a uma força externa.

Clivagem é a tendência dos minerais quebrarem segundo segmentos paralelos aos planos atômicos. Podem ser perfeitas (micas) ou menos proeminentes (berilo).

Partição (pseudoclivagem) é a quebra do mineral segundo planos de fraca estrutura (correspondem a fraturas mais regulares). Ao contrário da clivagem só algumas espécimes de um mineral pode apresentá–la e há um limitado número de planos.

Fratura é o modo com que um cristal é rompido: conchoidal, fibrosa, regular, irregular, etc.

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Clivagem, partição e fratura Mineralogia física/descritiva

Dureza (escala de Mohs) – resistência que um mineral oferece ao risco (método comparativo).

ortoclásio

(Essa escala é apenas relativa – veja o próximo slide)


Tenacidade – resistência que um mineral oferece ao ser rompido, esmagado, curvado ou rasgado – em suma, sua coesão.

Ex. quebradiço (pulveriza)maleável (lâmina)

dúctil (fio)flexível (encurva e não retorna)

elástico (encurva e retorna)

Densidade – conseqüência da natureza dos átomos e estrutura (empilhamento). O bromofórmio (d = 2,9 g/cm3) é largamente usado na separação de minerais leves e pesados.

(pode-se fazer também densidade relativa entre exemplares)


Cor – conseqüência da absorção de certos comprimentos de onda do espectro da luz branca que incide sobre ele.

Depende da composição química (verde, azul ~ Cu, vermelho ~ Fe), estrutura cristalina (diamante, grafita), presença de impurezas (variedades de quartzo).

Traço – cor da impressão de um mineral sobre uma placa de porcelana (ou pó no almofariz).

Brilho – reflexão à luz incidente. Há dois tipos: metálico e não-metálico (sub–metálico ~ intermediário).

No brilho não-metálico há a classificação: adamantino (diamante, cassiterita), vítreo (quartzo), nacarado (micas), sedoso (talco fibroso), resinoso (esfarelita).


Diafaneidade – permeabilidade à luz (hialinos, transparentes, translúcidos, opacos).

Luminescência – excitação do material por energia luminosa, geralmente no escuro.

fluorescência – ultra violeta, raios–X (nome herdado da fluorita);

fosforescência o efeito persiste após a incidência da luz (ponteiros de relógios);

triboluminescência – provocada por pressão, esmagamento ou atrito (fluorita, esfalerita);

termoluminescência – emissão de luz por aquecimento abaixo do ponto de incandescência.

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Propriedades elétricas – O efeito piezoelétrico é a produção de cargas elétricas num cristal por efeito da pressão (quartzo).

A piroeletricidade – manifesta–se pela produção de cargas elétricas positivas e negativas nos extremos de um cristal, devido a variação da temperatura (Ex. turmalina).

A condutividade elétrica – é marcante nos metais nativos e menos significativa nos minerais de brilho metálico.

Propriedades radioativas – importantes na prospecção mineral – contadores Geiger e cintilômetros (minerais de U e Th).

Magnetismo – atração (ferromagnéticos; Ex. magnetita, pirrotita) ou não (diamagnéticos; Ex. quartzo) por um imã. Minerais levemente atraídos pelo imã são paramagnéticos(Ex. pirita, micas).

mineralogia classificacao propriedades (aula 6 folheto)

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