Proprietà fisiche dei minerali II: analisi poliminerale

Physical Properties Of Minerals II: Polymineralic Analysis

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Physical Properties Of Minerals II: Polymineralic Analysis

3.3: Making a Geologic Cross Section

3.7: Igneous Intrusive Rock

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07:16 min

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February 27, 2015

Overview

Fonte: Laboratorio di Alan Lester – Università del Colorado Boulder

Le proprietà fisiche dei minerali includono vari attributi misurabili e distinguibili, tra cui colore, striscia, proprietà magnetiche, durezza, forma di crescita del cristallo e scissione del cristallo. Queste proprietà sono minerali-specifiche e sono fondamentalmente correlate alla composizione chimica e alla struttura atomica di un particolare minerale.

Questo video esamina diverse proprietà fisiche che sono utili nell’identificazione del minerale del campione di campo e di mano: colore, lucentezza, striscia, durezza, magnetismo e reazione con l’acido. A differenza della forma cristallina e della scissione del cristallo, queste proprietà sono in qualche modo più strettamente legate alla composizione chimica minerale che alla struttura atomica, ma entrambe svolgono un ruolo.

È importante riconoscere che le rocce sono aggregati di grani minerali. La maggior parte delle rocce sono polimineraliche (più tipi di grani minerali), ma alcune sono effettivamente monomineraliche (composte da un singolo minerale). A differenza della forma cristallina e della scissione, che sono termini riservati ai campioni minerali, i geologi potrebbero occasionalmente riferirsi a una roccia come avente un tipo generale di colore, durezza, magnetismo o reazione con l’acido. In altre parole, le proprietà fisiche qui esaminate sono potenzialmente appropriate per l’uso con rocce e minerali specifici.

Principles

Un singolo campione minerale può presentare pochissime, se non nessuna, proprietà fisiche chiave. Per qualsiasi dimostrazione o esperimento che affronti le proprietà fisiche, è prima necessario selezionare un gruppo adatto di campioni minerali che mostrino effettivamente le caratteristiche o le proprietà chiave in esame. Di seguito, affrontiamo le definizioni fondamentali, in contesto geologico, per le proprietà fisiche: colore, lucentezza, striscia, durezza, magnetismo e reazione con l’acido.

Colore: il colore si riferisce semplicemente al colore apparente visto ad occhio nudo quando si guarda un minerale. In definitiva, questo è il risultato di lunghezze d’onda della luce che vengono riflesse preferenzialmente da una superficie minerale. (Figura 1)

Streak— Streak è il colore di un campione in polvere, cioè a grana molto fine, del minerale. Questo si osserva prendendo un campione minerale e trascinandolo su un piatto di porcellana per creare una linea di materiale in polvere. (Figura 1)

Durezza– La durezza è effettivamente la resistenza superficiale di un minerale, o resistenza alla disaggregazione, cioè se può essere graffiato o meno. Si dice che un minerale sia più duro di un altro minerale se è in grado di graffiare la superficie dell’altro minerale. La scala di durezza minerale, che va da 1 a 10, è stata sviluppata all’inizio del 19^° secolo dal mineralogista Friedrich Mohs, ma sulla base della moderna scienza dei materiali, la scala non è lineare. (Figura 2)

Magnetismo– Il magnetismo si riferisce alla capacità di un minerale di influenzare un magnete o una bussola. In generale, questa proprietà è esclusiva della magnetite minerale (Figura 3), ma altri minerali possono mostrare un magnetismo debole (specialmente dopo il riscaldamento), come l’ematite e la bornite. In definitiva, il magnetismo è il risultato dell’organizzazione spaziale delle direzioni di spin degli elettroni, o momenti.

Reazione con acido– I geologi spesso testano rocce e minerali con acido diluito (quasi invariabilmente 2-3% HCl) al fine di valutare la presenza di composti carbonatici. Ci sono numerosi minerali carbonatici, ma i più comuni sono la calcite (un componente chiave del calcare roccioso), che effervesce vigorosamente con HCl diluito, e la dolomite (un componente chiave della dolomite di roccia), che effervesce debolmente.

Lucentezza– La lucentezza è una misura soggettiva di come una superficie minerale tende a riflettere la luce. È diviso in due categorie generali:
– metallico (altamente riflettente e lucido), come si vede in minerali come la pirite (Figura 4) e la galena (Figura 5)
– non metallico (aspetto più opaco), come si vede in minerali come il feldspato (Figura 6), il quarzo (Figura 7) e la muscovite (Figura 8).

Poiché la lucentezza è una proprietà soggettiva (forse meglio definita una “qualità”), e in genere più la preoccupazione dei gemmologi opposti ai geologi, il resto della lezione si concentrerà invece sulle proprietà colore, striscia, durezza, magnetismo e reazione con l’acido.

Figura 1. Colore, striscia e lucentezza. L’ematite minerale è un buon esempio di come il colore sfuso (in questo caso, argenteo-scuro) e il colore di una polvere, che si chiama “striscia” (in questo caso rosso-arancio), possono essere molto diversi. L’ematite può esprimere diversi tipi di lucentezza, ma qui mostra una lucentezza metallica.

Figura 2. Scala di durezza. La scala di durezza è un modo per confrontare i minerali sulla base della facilità con cui una superficie minerale può essere disaggregata, cioè graffiata. Un minerale che è “più duro” graffierà un minerale “più morbido”.

Figura 3. Campione minerale di magnetite. La magnetite è un ossido di ferro. Sebbene il ferro sia un costituente primario del pianeta terra, è presente solo in forma elementare pura nella remota regione del nucleo terrestre (circa 2.900 km sotto la superficie). Nella crosta terrestre e in superficie, il ferro è legato con ossigeno e gruppi ossidrilici per formare i minerali comuni magnetite, ematite e limonite. La magnetite è il più magnetico di tutti i minerali presenti in natura sulla terra.

Figura 4. Pirite. La pirite è anche conosciuta come oro degli sciocchi a causa della sua lucentezza metallica e della tonalità giallo ottone pallido.

Figura 5. Galena. Galena (a volte chiamato colpo d’occhio di piombo) è un altro esempio di minerale con lucentezza metallica. È il principale minerale di piombo, una fonte di argento (a volte contenente fino all’1-2% di argento) e ha un basso punto di fusione.

Figura 6. Feldspato. I feldspari sono un gruppo di minerali che formano rocce che comprendono fino al 60% della crosta terrestre. Sono un buon esempio di un minerale che mostra una lucentezza non metallica.

Figura 7. Quarzo. Il quarzo è un altro buon esempio di minerale con lucentezza non metallica. È il secondo minerale più abbondante nella crosta terrestre dopo il feldspato.

Figura 8. Moscovita. Comunemente noto come mica, la muscovite è un altro minerale che mostra una lucentezza non metallica.

Procedure

Preparazione

Al fine di osservare e analizzare le proprietà fisiche dei minerali come viene fatto in questo video, ci sono alcuni passi preparatori che dovrebbero essere presi. Innanzitutto, raccogli un gruppo di campioni minerali. I campioni suggeriti includono ematite, magnetite, calcite, dolomite e galena. Stabilire una superficie per l’esame dei campioni. Un piano del tavolo pulito è adatto, magari con un pezzo di carta bianca sulla superficie del tavolo. Ottenere una piastra di striature in porcellana, un kit di durezza, magnete e bussola e diluire HCl (2-5%).

1. Osserva e analizza il colore

Esaminare una selezione di campioni di minerali e osservare il colore apparente.
Si noti se vi è una variazione di colore all’interno del campione stesso.
Si noti se vi è una variazione di colore all’interno di diversi campioni dello stesso minerale.

2. Osserva e analizza la striscia

Prendi un campione minerale e trascinalo attraverso la piastra striata.
Confrontare il colore sfuso del campione minerale con il colore della striscia che viene lasciato sul piatto.
Nella maggior parte dei casi ci sarà poca differenza tra il colore sfuso e il colore della striscia, tuttavia alcuni minerali sono notevolmente diversi, ad esempio galena, ematite.
La striscia, cioè il colore dei grani microscopici in polvere, è occasionalmente diversa dal colore sfuso, a causa degli effetti di riflettività o del controllo limitato delle impurità sul colore su scala a grana piccola.
Ripetere 2.1-2.3 con altri campioni minerali

3. Osservare e analizzare la durezza

Come passo iniziale, prendi ogni campione minerale e prova a graffiare la lastra di vetro con esso.
Separare questi esemplari in quelli che graffiano il vetro e quelli che non lo fanno.
1. La lastra di vetro si trova vicino al centro della scala di durezza di Mohs (durezza 5,5). Questo separa il gruppo in ciò che i geologi chiamano generalmente duro, rispetto ai minerali generalmente morbidi.
All’interno di ogni gruppo (minerali duri, minerali morbidi) test per vedere quali sono più duri o più morbidi. Questo viene fatto vedendo quale minerale graffierà un altro.

4. Osserva e analizza il magnetismo

Il magnetismo facilmente misurabile e identificabile è limitato al gruppo magnetico noto come ferromagnetismo (al contrario del paramagnetismo o del diagmagnetismo, che sono molto deboli e difficili da misurare).
I minerali con cui possiamo valutare il magnetismo sono la magnetite, e in una certa misura l’ematite e la bornite.
Usando un chiodo in muratura, sfaldare alcuni granelli di magnetite dal campione.
Vedi se la barra magnetica (ferromagnete forte) raccoglierà i grani dei minerali sopra menzionati, in 4.2.
Vedere se uno qualsiasi dei minerali sopra menzionati (4.2) influenzerà un ago della bussola.
1. Posizionare il campione minerale e la bussola fianco a fianco con circa 6 pollici di spazio tra di loro.
2. Diminuire lentamente lo spazio che separa il campione e la bussola spostandosi l’uno verso l’altro.
3. L’ago della bussola dovrebbe iniziare a puntare verso il campione, sempre più in modo che lo spazio che separa la bussola e il campione diminuisca.

5. Osservare e analizzare la reazione con l’acido

I minerali che reagiscono con l’acido cloridrico diluito sono carbonati. Esempi sono calcite—CaCO₃; dolomite—CaMg(CO₃)₂. Questi sono i costituenti primari delle importanti e comuni rocce carbonatiche, calcare e dolomite.
Prendere il flacone contagocce di HCl diluito e posizionare con cura una o due gocce sulla superficie del campione.
Nota: Sebbene l’HCl diluito non sia particolarmente pericoloso, è meglio non ottenere l’acido sulla pelle (possibile eruzione cutanea) o sui vestiti (possibile colorazione) e, dopo il test, è una buona idea lavare via il campione.
Si noti come la calcite effervesce vigorosamente con HCl diluito.
Prendi il campione di dolomite e trascinandolo lungo la lastra di porcellana o graffiandolo con l’unghia in muratura, crea della polvere / fiocchi.
Ripetere il passaggio 5.2, ma questa volta posizionare il campione di dolomite (non la polvere/ fiocchi) nell’HCl.
Si noti come la dolomite reagisce a malapena con HCl diluito.
Ora posiziona parte della polvere / fiocchi di dolomite nell’HCl e nota la maggiore reattività quando viene polverizzata.

Le proprietà fisiche dei minerali includono vari attributi misurabili e distinguibili che sono unici e specifici del minerale.

Le rocce sono aggregati di grani minerali. La maggior parte delle rocce sono polimineraliche, il che significa che sono composte da più tipi di grani minerali. Alcune rocce sono monomineraliche e sono effettivamente composte da un singolo minerale. L’analisi della forma cristallina e della scissione del cristallo viene tipicamente utilizzata per classificare i composti monomineralici. Tuttavia, i geologi spesso classificano le rocce polimineraliche in base ad altre proprietà fisiche come colore, durezza, magnetismo e reazione con l’acido. Questo video introdurrà le proprietà fisiche dei minerali e dimostrerà la classificazione dei minerali utilizzando semplici test standard.

Un singolo campione minerale presenta una serie di proprietà fisiche uniche che vengono utilizzate nell’identificazione e nella classificazione. In primo luogo, i minerali presentano una vasta gamma di colori, spesso derivanti da metalli di transizione in traccia. Il colore minerale si riferisce semplicemente al colore apparente del minerale risultante dalle lunghezze d’onda della luce che vengono riflesse preferenzialmente da una superficie minerale.

La striscia si riferisce al colore del campione in polvere del minerale. La striscia viene osservata trascinando un campione minerale su una piastra di porcellana ruvida per creare una linea di materiale in polvere. Il colore apparente di un minerale può variare, a causa di impurità che assorbono o riflettono la luce. Tuttavia, il colore della striscia è più riproducibile, poiché i grani fini sono orientati in modo casuale e meno influenzati dalla struttura cristallina e dalle impurità.

Successivamente, la lucentezza minerale può essere studiata. La lucentezza è una misura soggettiva di come un minerale riflette la luce. È diviso in due categorie generali; materiali metallici lucidi e riflettenti e minerali non metallici che appaiono opachi.

La durezza, o la resistenza di un minerale alla disaggregazione, è un’altra proprietà utilizzata per la classificazione. La durezza viene misurata secondo la scala di durezza di Mohs, che è un insieme di dieci minerali di riferimento classificati in base alla loro durezza. I minerali sono classificati su questa scala in base alla loro capacità di graffiare un altro materiale o di essere graffiati da un altro materiale. La capacità di un minerale di graffiare un materiale di riferimento implica che sia più duro del riferimento e viceversa.

Alcuni minerali mostrano magnetismo, permettendo loro di influenzare un magnete o una bussola. In generale, questa proprietà è esclusiva della magnetite minerale, tuttavia alcuni altri minerali possono presentare un debole magnetismo dopo il riscaldamento. Infine, la reattività di un minerale con acido diluito viene misurata per testare la presenza di composti carbonaci. Esistono numerosi minerali carbonatici: il più comune è la calcite.

Ora che hai visto i principi alla base di queste proprietà, diamo un’occhiata a come alcune di esse vengono testate in laboratorio.

Per analizzare il colore minerale, posizionare prima tutti i campioni di minerali su un ripiano del tavolo pulito coperto di carta bianca. Esamina ogni minerale e osserva il suo colore apparente. Si noti se sono presenti variazioni di colore all’interno del campione stesso. Osservare campioni diversi dello stesso minerale e notare se vi è una variazione di colore tra i campioni. Le variazioni possono indicare impurità nel minerale. Quindi, osserva la striscia minerale trascinando un campione minerale su una piastra di porcellana. Confronta il colore della striscia con il colore minerale. Nella maggior parte dei casi, il colore della striscia è simile al colore minerale. Tuttavia, alcuni minerali mostrano differenze tra il colore delle strisce e il colore generale. Ripetere questi passaggi con gli altri campioni di minerali.

Per analizzare la durezza minerale, prima prova a graffiare una lastra di vetro con i campioni minerali. Il vetro è vicino al centro della scala di durezza di Mohs. I minerali che sono in grado di graffiare il vetro sono generalmente classificati come materiali duri. Separare i campioni in base alla capacità di graffiare il vetro. Testare i materiali all’interno dei gruppi duri e morbidi raschiando i minerali l’uno contro l’altro. Quelli che sono in grado di graffiare un minerale sono più duri di quelli che sono graffiati. Classificare i minerali in base alla loro durezza.

Successivamente, il ferromagnetismo può essere misurato prima sfaldando alcuni grani del minerale, la magnetite in questo esempio, usando un chiodo in muratura. Usando una barra magnetica, osserva il comportamento dei fiocchi minerali con il magnete. Se il magnete raccoglie i fiocchi, il minerale mostra ferromagnetismo. Quindi, verificare l’interazione con un ago della bussola. Posizionare il campione minerale fianco a fianco con circa sei pollici di spazio tra di loro. Diminuire lentamente lo spazio tra il minerale e la bussola. Se il campione è magnetico, l’ago della bussola punterà verso il campione, aumentando man mano che lo spazio diminuisce. Ripetere questi passaggi per gli altri campioni di minerali.

L’identificazione delle proprietà fisiche di rocce e minerali è un primo passo fondamentale nell’identificazione dei minerali. Mentre questi test di proprietà fisica sono strumenti preziosi per identificare i minerali sul campo, sono ora disponibili tecniche di laboratorio che consentono una caratterizzazione dettagliata dei materiali. Ad esempio, la caratterizzazione dettagliata dei materiali per l’uso in applicazioni come le batterie agli ioni di litio può essere condotta utilizzando la diffrazione a raggi X o XRD. XRD utilizza il modello di diffrazione regolare dei raggi X per determinare una struttura cristallina dei materiali e consentire una caratterizzazione strutturale dettagliata.

Le celle ad incudine diamantate sono dispositivi in grado di raggiungere una pressione estremamente elevata, grazie all’estrema durezza dei diamanti. In questo esempio, una cella di incudine di diamante è stata utilizzata per sintetizzare e analizzare nuove fasi della materia a pressione estremamente elevata. Il campione è stato caricato in una cella di incudine diamantata e montato all’interno di una camera di rame raffreddata ad acqua. Il dispositivo è stato quindi montato su un palco in linea con una sorgente di raggi X di sincrotrone.

La sintesi del materiale a 15 GPa e 1.700 Kelvin è stata misurata utilizzando la diffrazione a raggi X.

Hai appena visto il secondo video di JoVE sulle proprietà fisiche dei minerali. Ora dovresti capire i test sul campo di base usando colore, striscia, durezza, magnetismo e reattività con acido per identificare e caratterizzare un campione minerale.

Grazie per l’attenzione!

Applications and Summary

Storicamente, la valutazione delle proprietà fisiche dei minerali è stata un primo passo fondamentale nell’identificazione dei minerali. Poiché la strumentazione analitica microscopica e moderna(ad esempio microscopia petrografica, diffrazione a raggi X, fluorescenza a raggi X e tecniche di microsonde elettroniche) non sono disponibili sul campo, il riconoscimento e l’uso delle proprietà fisiche osservate possono essere importanti strumenti diagnostici.

Valutare e osservare le proprietà fisiche dei minerali è un mezzo eccellente per dimostrare come le caratteristiche macroscopiche dei minerali siano in realtà la manifestazione esterna della struttura a livello atomico o della composizione chimica. Questo processo fornisce informazioni su:

1) Come la composizione chimica influenza l’interazione della luce con le superfici riflettenti.
2) Come la composizione chimica e le forze del legame atomico influenzano la resistenza di un minerale alla disaggregazione (graffio).
3) Come la composizione chimica e l’ordinamento su scala atomica influenzano proprietà come il magnetismo(ad esempio la presenza di sostanze portanti Fe) e la reazione con l’acido diluito(ad esempio la presenza del gruppo CO₃^2-anione).

Ci sono anche applicazioni industriali e ingegneristiche che richiedono una certa conoscenza delle proprietà fisiche discusse in questo video. Ad esempio, le macchine che devono tagliare o macinare possono utilizzare sostanze minerali per aiutare nel processo. Inoltre, i gemmologi (che in genere identificano e preparano minerali di qualità gemma per la vendita) possono essere interessati a proprietà come il colore e la lucentezza.

Transcript

The physical properties of minerals include various measurable and discernable attributes that are unique and mineral-specific.

Rocks are aggregates of mineral grains. Most rocks are polymineralic, meaning that they are composed of multiple types of mineral grains. Some rocks are monomineralic, and are effectively composed of a single mineral. Analysis of crystal form and crystal cleavage is typically used to classify monomineralic compounds. However, geologists often classify polymineralic rocks according to other physical properties such as color, hardness, magnetism, and reaction with acid. This video will introduce the physical properties of minerals, and demonstrate mineral classification using simple standard tests.

A single mineral specimen exhibits a number of unique physical properties that are used in identification and classification. First, minerals exhibit a wide range of colors, often resulting from trace transition metals. Mineral color simply refers to the apparent color of the mineral resulting from the wavelengths of light that are preferentially reflected from a mineral surface.

Streak refers to the color of the powdered sample of the mineral. Streak is observed by dragging a mineral sample across a rough porcelain plate in order to create a line of powdered material. The apparent color of a mineral can vary, due to impurities that absorb or reflect light. However, the streak color is more reproducible, as the fine grains are randomly oriented and less affected by crystal structure and impurities.

Next, mineral luster can be studied. Luster is a subjective measure of how a mineral reflects light. It is divided into two general categories; metallic materials that are shiny and reflective, and non-metallic minerals that appear dull.

Hardness, or a mineral’s resistance to disaggregation, is another property used for classification. Hardness is measured according to the Mohs hardness scale, which is a set of ten reference minerals ranked based on their hardness. Minerals are ranked on this scale by their ability to scratch another material or be scratched by another material. A minerals ability to scratch a reference material implies that it is harder than the reference, and vice versa.

Some minerals exhibit magnetism, enabling it to influence a magnet or compass. In general, this property is exclusive to the mineral magnetite, however some other minerals can exhibit weak magnetism after heating. Finally, a mineral’s reactivity with dilute acid is measured to test for the presence of carbonate compounds. There are numerous carbonate minerals: the most common being calcite.

Now that you’ve seen the principles behind these properties, let’s look at how some of them are tested in the lab.

To analyze mineral color, first place all mineral samples on a clean tabletop covered with white paper. Examine each mineral and observe its apparent color. Note whether there are color variations within the sample itself. Observe different samples of the same mineral, and note whether there is color variation between samples. Variations can indicate impurities in the mineral. Next, observe mineral streak by dragging a mineral sample across a porcelain streak plate. Compare the streak color to the mineral color. In most cases, the streak color is similar to the mineral color. However, some minerals do exhibit differences between streak color and overall color. Repeat these steps with the other mineral samples.

To analyze mineral hardness, first attempt to scratch a glass plate with the mineral samples. Glass is near the middle of the Mohs Hardness scale. Minerals that are able to scratch glass are generally classified as hard materials. Separate the samples by ability to scratch glass. Test materials within the hard and soft groups by scraping the minerals against each other. Those that are able to scratch a mineral are harder than those that are scratched. Rank the minerals according to their hardness.

Next, ferromagnetism can be measured by first flaking a few grains of the mineral, magnetite in this example, using a masonry nail. Using a bar magnet, observe the behavior of the mineral flakes with the magnet. If the magnet picks up the flakes, the mineral exhibits ferromagnetism. Next, check for interaction with a compass needle. Place the mineral sample side-by-side with about six inches of space between them. Slowly decrease the space between the mineral and compass. If the sample is magnetic, the needle of the compass will point toward the sample, increasing as the space is decreased. Repeat these steps for the other mineral samples.

The identification of the physical properties of rocks and minerals is a key first step in mineral identification. While these physical property tests are valuable tools for identifying minerals in the field, laboratory techniques are now available that enable detailed characterization of materials. For example, the detailed characterization of materials for use in applications such as lithium ion batteries can be conducted using x-ray diffraction, or XRD. XRD utilizes the regular diffraction pattern of x-ray beams to determine a materials crystal structure, and enable detailed structural characterization.

Diamond anvil cells are devices able to reach extremely high pressure, due to the extreme hardness of diamonds. In this example, a diamond anvil cell was used to synthesize and analyze new phases of matter at extremely high pressure. The sample was loaded into a diamond anvil cell, and mounted inside of a water cooled copper chamber. The device was then mounted on a stage in line with a synchrotron X-ray source.

Material synthesis at 15 GPa and 1,700 Kelvin was measured using X-ray diffraction.

You’ve just watched JoVE’s second video on the physical properties of minerals. You should now understand the basic field tests using color, streak, hardness, magnetism, and reactivity with acid to identify and characterize a mineral sample.

Thanks for watching!

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