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Mineralien sind anorganische Substanzen, die in der Erde vorkommen und einzigartige Eigenschaften aufweisen, die bei der Identifizierung und Analyse helfen.
Viele Mineralien weisen eine kristalline Struktur auf. Diese kristallinen Materialien haben hochgeordnete atomare Anordnungen, die aus sich wiederholenden atomaren Gruppierungen bestehen, die als Elementarzellen bezeichnet werden. Da Elementarzellen innerhalb eines Kristalls identisch sind, sind sie für die Symmetrie des Kristalls auf der Mikro- und Makroskala verantwortlich.
Diese Symmetrie führt dazu, dass Mineralkristalle auf vorhersehbare Weise brechen oder spalten. Spaltung ist die Tendenz eines Kristalls, entlang schwacher Strukturebenen zu brechen. Die Art und Weise, wie ein Mineral spaltet, gibt also Einblick in seine Kristallstruktur.
Dieses Video zeigt die Analyse von Mineralkristallformen im Makromaßstab, indem Mineralproben zerkleinert und ihre Spaltung beobachtet werden.
Kristalline Festkörper enthalten Atome, die in einem sich wiederholenden Muster angeordnet sind, während amorphe Festkörper keine Ordnung haben. Zum Beispiel kann Kohlenstoff in vielen Formen gefunden werden. Die Atome in amorphem Kohlenstoff sind zufällig organisiert, während die Atome in Diamant in einem geordneten Kristall angeordnet sind.
Ein Kristall ist ein Array von sich wiederholenden, identischen Elementarzellen, die durch die Länge der Kanten der Elementarzellen und die Winkel zwischen ihnen definiert werden. Diese sich wiederholenden Strukturen erstrecken sich unendlich in drei Raumrichtungen und definieren die Gleichförmigkeit und Eigenschaften des Kristalls.
Es gibt sieben grundlegende Elementarzellen. Die einfachste Elementarzelle, der Würfel, hat gleiche Kantenlängen und ein Atom an jeder Ecke. Zu den Variationen gehören tetragonale und orthorhombische Variationen, die unterschiedliche Kantenlängen besitzen.
Rhomboedrische Kristallstrukturen besitzen eine ähnliche parallele Flächengeometrie ohne rechte Winkel. Monokline und trikline sind in ihrer Form ähnlich, jedoch mit unterschiedlichen Winkeln und Kantenlängen. Schließlich besteht die hexagonale Struktur aus zwei parallelen sechseckigen Flächen mit sechs rechteckigen Flächen.
Variationen in diesen Strukturen entstehen, wenn zusätzliche Atome in der Kristallfläche enthalten sind, die als flächenzentriert bezeichnet wird, oder im Kristallkörper, die als körperzentriert bezeichnet wird.
Wenn Kristalle gebrochen werden, neigen sie dazu, entlang strukturschwacher Kristallebenen zu spalten. Die Spaltungsqualität hängt von der Stärke der Bindungen in und über die Ebene ab. Eine gute Spaltung tritt auf, wenn die Festigkeit der Bindungen innerhalb des Ortes stärker ist als die über die Ebene. Eine schlechte Spaltung kann auftreten, wenn die Haftfestigkeit über die gesamte Kristallebene stark ist. Kristalle können sich in eine Richtung spalten, die als basale Spaltung bezeichnet wird, was zu zwei gespaltenen Flächen führt. Dies resultiert aus starken atomaren Bindungen innerhalb der Ebene, aber schwachen Bindungen zwischen den Ebenen.
In ähnlicher Weise können Kristalle aufgrund von zwei schwachen Ebenen in zwei Richtungen spalten, was zu vier gespaltenen Flächen und zwei gebrochenen Flächen führt. Kubische und rhomboedrische Formen ergeben sich aus der Spaltung in drei Richtungen. Oktaeder- und Dodekaederformen entstehen aus vier beziehungsweise sechs Bruchebenen.
Einige Mineralien spalten aufgrund starker Bindungen in alle Richtungen überhaupt nicht entlang einer Kristallebene und führen stattdessen zu unregelmäßigen Brüchen.
Nachdem wir nun die Grundlagen der Kristallstruktur und die verschiedenen Arten der Kristallspaltung behandelt haben, schauen wir uns diese Eigenschaften in echten Mineralproben an.
Um Kristallformen zu analysieren, entnehmen Sie zunächst eine Gruppe von Mineralproben wie Quarz, Halit, Calcit, Granat, Biotit und Muskovit.
Legen Sie die Probe auf die Beobachtungsfläche. Drehen Sie die Probe, um alle Seiten zu beobachten. Suchen Sie nach Kristallflächen, Kristallkanten und Kristallscheitelpunkten.
Wenn möglich, messen Sie die Grenzflächenwinkel mit einem Goniometer. Legen Sie dazu eine Seite des Goniometers auf eine bestimmte Kristallfläche und die andere Seite des Goniometers auf eine angrenzende Fläche. Dann lesen Sie den Winkel.
Vergleichen Sie die Beobachtungen mit der Menge charakteristischer kristalliner Polyeder. Wiederholen Sie diese Schritte für andere Mineralien, und notieren Sie sich die Unterschiede.
Quarzproben haben eine hexagonale dipyramidale Kristallform, wie durch die 6 Seiten angedeutet.
Das Kalzitmaterial weist die Form eines Skalenoeders auf, wie die 8 Flächen der Zwillingspyramidenstruktur zeigen.
Halit, zeigt eine charakteristische kubische Struktur, mit 90? Winkel.
Granat hat abgewinkelte Flächen mit 12 Seiten, was auf seine Dodekaederform hinweist.
Schließlich kann Biotit eine scheinbare sechseckige Form aufweisen.
Um die Kristallspaltung zu beobachten, setzen Sie zunächst einen Augenschutz auf.
Lege ein Stück Quarz auf die Brechfläche. Brechen Sie das Quarzstück mit einem Hammer auf. Beobachten Sie mit einer Handlinse das zerbrochene Stück Quarz auf Spaltflächen. Beachten Sie, dass Quarz keine enthält.
Die Elementarzellen im Quarzkristallgitter haben in alle Richtungen vergleichbar gleiche Bindungsstärken, was zu einem Kristall ohne bevorzugte Bruchebenen führt, der als Muschelbruch bezeichnet wird.
Wiederholen Sie anschließend diesen Brechschritt für andere Proben. Verwenden Sie eine Handlinse, um verschiedene Dekolletéqualitäten zu bewerten.
Wenn es einen dramatischen Unterschied in den Haftfestigkeiten in einer bestimmten Ausrichtung gibt, wie z. B. zwischen Schichten von Silikatgruppierungen im Fall von Glimmer, wird eine nahezu perfekte Spaltung zwischen diesen Schichten erzeugt, die als basale Spaltung bezeichnet wird.
Biotit und Muskovit weisen jeweils eine basale Spaltung mit einer einzigen Bruchebene auf.
Halit weist eine kubische Spaltung auf, die sich aus drei Spaltebenen bei 90° ergibt.
Calcit weist eine rhomboedrische Spaltung auf, die sich aus drei Spaltebenen bei 120 und 60° ergibt.
Die Analyse der Kristallstruktur ist wichtig, um die Arten von Mineralien zu verstehen, die im Feld gefunden werden.
Die quantitative Analyse der Kristallstruktur kann mit Hilfe der Röntgenbeugung (XRD) durchgeführt werden.
In diesem Beispiel wurde die Kristallstruktur eines Eisenoxids aus einem Gemisch aus Hämatit und Eisen bei hoher Temperatur und hohem Druck in einer Diamantstempelzelle synthetisiert. Das XRD-Streumuster wurde während der gesamten Reaktion analysiert, um die Kristallstruktur zu bestimmen.
Die Ergebnisse zeigten glatte oder fleckige Debye-Ringe, die auf Kristallinität hinweisen. Die Position jedes Rings verdeutlicht die Kristallstruktur, da jeder Ring einer Kristallebene entspricht.
Aufgrund seiner planaren Spaltungseigenschaft und der damit atomar flachen Oberfläche wird Glimmer häufig als Substrat für die Bildgebung kleiner Moleküle verwendet.
In diesem Beispiel wurde Glimmer als Substrat für die Abbildung von Photorezeptormolekülen mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) verwendet. Die Proteinprobe wurde an ein frisch gespaltenes Glimmerblatt adsorbiert und anschließend mit Puffer gespült.
Die Probe wurde dann mit einer Flüssigkeitszelle abgebildet. Das Glimmersubstrat ermöglichte aufgrund seiner atomar flachen Oberfläche eine hochauflösende Abbildung der Proteinprobe.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die physikalischen Eigenschaften von Mineralien gesehen. Sie sollten nun die Grundlagen von Kristallzellen verstehen und wissen, wie man Kristallspaltungsebenen bestimmt. Danke fürs Zuschauen!
