3.4: Propriedades Físicas dos Minerais I: Cristais e Clivagem

1. Estabelecer um grupo de amostras minerais

1. Inclua o maior número possível de informações: quartzo, halita, calcita, granada, biotite e/ou moscovita. Alguns são escolhidos para características de crescimento de cristal e outros para características de decote de cristal.

2. Observe e analise a forma cristalina

1. Coloque uma amostra na superfície de observação.
2. Gire para observar todos os lados. Procure rostos de cristal, bordas de cristal (linhas onde os rostos se encontram) e vértices de cristal (pontos onde as bordas se encontram).
3. Sempre que possível, meça os ângulos interfaciais usando o goniômetro. Isso é feito simplesmente colocando um lado do goniômetro em uma cara de cristal particular, o outro lado do goniômetro em um rosto adjacente, e, em seguida, lendo o ângulo.
4. Compare com o conjunto de poliedra cristalina característica.
5. Repetir passos 2.1 – 2.4 para quartzo (nota forma de dipyramidal hexagonal(Figura 1),calcita (nota forma scalenoedron(Figura 2)), halita (nota forma de cristal cúbico(Figura 3)), granada (nota dodeahedron forma(Figura 4)) e biotite (nota pseudo-hexagonal forma(Figura 5)).

Figura 1. Quartzo exibindo forma de dipyramidal hexagonal.

Figura 2. Calcite exibindo forma de scalenoedron. Observe como várias faces de cristal se cruzam para formar bordas de cristal e a combinação de bordas forma pontos conhecidos como "vértices". As formas de crescimento de cristais simétricos são geradas pela repetição de estruturas atômicas fundamentais (células unitárias) dentro da rede cristalina. Neste caso, o crescimento do cristal de calcita gera o poliedro específico conhecido como scalenoedro.

Figura 3. Halite exibindo forma de cristal cúbico.

Figura 4. Garnet exibindo forma dodecaedron.

Figura 5. Biotite exibindo forma pseudo-hexagonal.

3. Observe e analise o decote

1. Coloque proteção ocular.
2. Coloque um pedaço de quartzo na superfície quebrando.
3. Usando um martelo, quebre o pedaço de quartzo ao meio.
4. Usando uma lente de mão, observe um pedaço quebrado de quartzo para superfícies de decote. Note que o quartzo não tem nenhum. O quartzo apresenta fratura concoidal, mas não há superfícies de decote bem definidas(Figura 6). Isso é uma consequência do fato de que as células unitárias da rede de cristal de quartzo (grupos SiO_4, chamados de tetraedral de sílica) têm forças de ligação comparativamente iguais em todas as direções. Essa uniformidade dos pontos fortes dos laços resulta em um cristal sem planos de quebra preferidos.
5. Repetição de passos 3.2 – 3.4 para calcita (deve exibir decote rommbedral(Figura 7),halita(deve exibir decote cúbico(Figura 8),biotita e/ou moscovita (se cada um exibir decote planar(Figura 9).).
6. Use uma lente de mão para avaliar diferentes qualidades de decote. O decote pode ocorrer em uma variedade de níveis. Quando há uma diferença dramática nos pontos fortes dos títulos em uma determinada orientação, como entre folhas de agrupamentos_sio4 no caso de mica, um decote quase perfeito é gerado entre essas folhas. Como observado acima, o quartzo exibe uma quase total falta de decote. Entre esses extremos (de decote perfeito e falta de decote), há minerais que têm bom decote(por exemplo, feldspato) e decote pobre (certos rostos em cristais anfibes).

Figura 6. Quartzo exibindo fratura conchoidal, sem superfícies de decote.

Figura 7. Calcita exibindo decote româneo. Superfícies de ruptura e fratura simétricas são geradas por zonas de fraqueza relativa na ligação atômica dentro da rede de cristal. O decote calcita resulta no poliedro específico conhecido como romboedro.

Figura 8. Halite exibindo decote cúbico.

Figura 9. Biotite exibindo decote planar.

Os minerais são substâncias inorgânicas encontradas na Terra, com propriedades únicas que auxiliam na identificação e análise.

Muitos minerais exibem "estrutura cristalina". Esses materiais cristalinos têm arranjos atômicos altamente ordenados, compostos de agrupamentos atômicos repetidos, chamados de células unitárias. Como as células unitárias são idênticas dentro de um cristal, elas são responsáveis pela simetria do cristal na escala micro e macro.

Essa simetria faz com que os cristais minerais se quebrem ou se clivem de maneira previsível. A clivagem é a tendência de um cristal de quebrar ao longo de planos estruturais fracos. Assim, a maneira como um mineral cliva fornece informações sobre sua estrutura cristalina.

Este vídeo demonstrará a análise de formas de cristais minerais em macroescala, quebrando amostras minerais e observando sua clivagem.

Os sólidos cristalinos contêm átomos organizados em um padrão repetido, enquanto os sólidos amorfos não têm ordem. Por exemplo, o carbono pode ser encontrado em muitas formas. Os átomos do carbono amorfo são organizados aleatoriamente, enquanto os átomos do diamante são organizados em um cristal ordenado.

Um cristal é uma matriz de células unitárias idênticas e repetidas, que são definidas pelo comprimento das bordas das células unitárias e pelos ângulos entre elas. Essas estruturas repetidas se estendem infinitamente em três direções espaciais e definem a uniformidade e as propriedades do cristal.

Existem sete células unitárias básicas. A célula unitária mais simples, o cubo, tem comprimentos de borda iguais e um átomo em cada canto. As variações incluem tetragonais e ortorrômbicas, que possuem diferentes comprimentos de borda.

As estruturas cristalinas romboédricas possuem geometria de face paralela semelhante sem ângulos retos. Monoclínico e triclínico são semelhantes em forma, mas com ângulos e comprimentos de borda variados. Finalmente, a estrutura hexagonal é composta por duas faces hexagonais paralelas, com seis faces retangulares.

Variações nessas estruturas surgem quando átomos adicionais estão contidos na face de cristal, chamada de centrada na face, ou no corpo de cristal, chamada de centrada no corpo.

Quando os cristais são quebrados, eles tendem a se dividir ao longo de planos cristalinos estruturalmente fracos. A qualidade da clivagem depende da força das ligações dentro e através do plano. Uma boa clivagem ocorre quando a força das ligações dentro do local é mais forte do que aquelas no plano. A clivagem deficiente pode ocorrer quando a força de ligação é forte em todo o plano cristalino. Os cristais podem clivar em uma direção, chamada clivagem basal, resultando em duas faces clivadas. Isso resulta de fortes ligações atômicas dentro do plano, mas ligações fracas entre os planos.

Da mesma forma, os cristais podem se dividir em duas direções, devido a dois planos fracos, resultando em quatro faces clivadas e duas faces fraturadas. As formas cúbicas e romboédricas resultam da clivagem em três direções. As formas octaédrica e dodecaédrica surgem de quatro e seis planos de fratura, respectivamente.

Alguns minerais não se clivam ao longo de um plano cristalino, devido a fortes ligações em todas as direções e, em vez disso, resultam em fratura irregular.

Agora que cobrimos os fundamentos da estrutura cristalina e os diferentes tipos de clivagem cristalina, vamos dar uma olhada nessas propriedades em amostras minerais reais.

Para analisar as formas cristalinas, primeiro colete um grupo de amostras minerais, como quartzo, halita, calcita, granada, biotita e muscovita.

Colocar a amostra na superfície de observação. Gire a amostra para observar todos os lados. Procure faces de cristal, bordas de cristal e vértices de cristal.

Sempre que possível, meça os ângulos interfaciais usando um goniômetro. Para fazer isso, coloque um lado do goniômetro em uma face de cristal específica e o outro lado do goniômetro em uma face adjacente. Em seguida, leia o ângulo.

Compare as observações com o conjunto de poliedros cristalinos característicos. Repita essas etapas para outros minerais e observe as diferenças.

As amostras de quartzo têm uma forma de cristal dipiramidal hexagonal, conforme indicado pelos 6 lados.

O material de calcita exibe a forma de escalanoedro, como mostrado pelas 8 faces da estrutura da pirâmide geminada.

Halita, mostra estrutura cúbica característica, com 90? Ângulos.

A granada tem superfícies angulares com 12 lados, indicativas de sua forma dodecaedra.

Finalmente, a biotita pode mostrar uma forma hexagonal aparente.

Em seguida, para observar o decote do cristal, primeiro coloque proteção para os olhos.

Coloque um pedaço de quartzo na superfície de quebra. Usando um martelo, quebre o pedaço de quartzo. Usando uma lente de mão, observe o pedaço quebrado de quartzo em busca de superfícies de clivagem. Observe que o quartzo não tem nenhum.

As células unitárias na rede de cristal de quartzo têm forças de ligação comparativamente iguais em todas as direções, resultando em um cristal sem planos de ruptura preferidos, chamado fratura concoidal.

Em seguida, repita esta etapa de quebra para outras amostras. Use uma lente de mão para avaliar diferentes qualidades de clivagem.

Quando há uma diferença dramática nas forças de ligação em uma orientação específica, como entre folhas de agrupamentos de silicatos no caso da mica, uma clivagem quase perfeita é gerada entre essas folhas, chamada clivagem basal.

A biotita e a moscovita exibem clivagem basal, com um único plano de quebra.

Halite exibe clivagem cúbica, resultante de três planos de clivagem a 90?.

A calcita apresenta clivagem romboédrica, resultante de três planos de clivagem a 120 e 60?.

A análise da estrutura cristalina é importante para entender os tipos de minerais encontrados no campo.

A análise quantitativa da estrutura cristalina pode ser realizada usando difração de raios X, ou XRD.

Neste exemplo, a estrutura cristalina de um óxido de ferro foi sintetizada a partir de uma mistura de hematita e ferro em alta temperatura e pressão em uma célula de bigorna de diamante. O padrão de espalhamento de XRD foi analisado ao longo da reação para determinar a estrutura cristalina.

Os resultados mostraram anéis de Debye lisos ou irregulares, que indicam cristalinidade. A localização de cada anel elucida a estrutura cristalina, pois cada anel corresponde a um plano cristalino.

Devido à sua propriedade de clivagem planar e, portanto, superfície atomicamente plana, a mica é frequentemente usada como substrato para imagens de pequenas moléculas.

Neste exemplo, a mica foi usada como substrato para a imagem de moléculas fotorreceptoras usando microscopia de força atômica, ou AFM. A amostra de proteína foi adsorvida a uma folha de mica recém-clivada e, em seguida, enxaguada com tampão.

A amostra foi então fotografada usando uma célula fluida. O substrato de mica permitiu imagens de alta resolução da amostra de proteína devido à sua superfície atomicamente plana.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE às propriedades físicas dos minerais. Agora você deve entender os fundamentos das células unitárias cristalinas e como determinar os planos de clivagem do cristal. Obrigado por assistir!