Overview
Fonte: Laboratório de Alan Lester - Universidade de Colorado Boulder
As propriedades físicas dos minerais compreendem vários atributos mensuráveis e perceptíveis, incluindo cor, raia, propriedades magnéticas, dureza, forma de crescimento cristalino e decote cristalino. Cada uma dessas propriedades são específicas do mineral, e estão fundamentalmente relacionadas à composição química e estrutura atômica de um determinado mineral.
Este experimento examina duas propriedades que derivam principalmente da repetição simétrica de agrupamentos atômicos fundamentais e estruturais, chamados células unitárias, dentro de uma rede cristalina, uma forma de crescimento cristalino e decote cristalino.
A forma de crescimento cristalino é a expressão macroscópica da simetria de nível atômico, gerada pelo processo de crescimento natural da adição de células unitárias (os blocos moleculares de construção de minerais) a uma rede cristalina crescente. Zonas de rápida adição de células unitárias tornam-se as bordas entre as superfícies do planar, ou seja, faces, do cristal.
É importante reconhecer que as rochas são agregados de grãos minerais. A maioria das rochas são polimineralic (múltiplos tipos de grãos minerais), mas algumas são efetivamente monomineralicas (compostas por um único mineral). Como as rochas são combinações de minerais, as rochas não são referidas como tendo forma cristalina. Em alguns casos, geólogos se referem às rochas como tendo um decote geral, mas aqui o termo é simplesmente usado para se referir a superfícies repetitivas de ruptura e não é um reflexo da estrutura de cristal atômico. Assim, em geral, os termos forma cristalina e decote de cristal são usados em referência a amostras minerais e não amostras de rocha.
Principles
Todos os minerais possuem propriedades físicas, mas características específicas e facilmente reconhecíveis associadas às propriedades nem sempre são expressas em um cristal individual. Por exemplo, cristais de quartzo têm uma forma hexagonal característica, mas se o crescimento do cristal ocorre em um ambiente onde outros minerais bloqueiam ou impingem a forma de crescimento natural (que é comumente o caso na maioria das rochas) então a forma hexagonal não se forma. Então, com isso em mente, é importante selecionar cuidadosamente um grupo adequado de amostras para o crescimento de cristais ou análise de decote de cristal, pois nem todas as amostras mostram essas características principais.
Além disso, embora o decote cristalino seja relativamente fácil de testar — quebrando uma amostra com um martelo — diferentes minerais demonstram uma gama de qualidade de decote, de modo que as superfícies planares geradas pela quebra podem ser irregulares e ásperas (denominadas "decote ruim") ou extremamente lisas (denominadas "boa" ou "excelente decote"). Em alguns casos (por exemplo, quartzo), as forças de ligação cristalográfica são uniformes em todas as direções, e isso resulta em um mineral com falta de planos de decote reconhecíveis.
Procedure
1. Estabelecer um grupo de amostras minerais
- 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
- Coloque uma amostra na superfície de observação.
- 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).
- 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.
- Compare com o conjunto de poliedra cristalina característica.
- 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
- Coloque proteção ocular.
- Coloque um pedaço de quartzo na superfície quebrando.
- Usando um martelo, quebre o pedaço de quartzo ao meio.
- 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 SiO4, 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.
- 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).).
- 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 agrupamentossio4 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.
Minerais são substâncias inorgânicas encontradas na Terra, com propriedades únicas que auxiliam na identificação e análise.
Muitos minerais exibem estrutura cristalina. Estes materiais cristalinos têm arranjos atômicos altamente ordenados, feitos de repetição de agrupamentos atômicos, chamados células unitárias. Como as células unitárias são idênticas dentro de um cristal, elas são responsáveis pela simetria do cristal na micro e macro-escala.
Essa simetria faz com que os cristais minerais quebrem, ou se cessem, de forma previsível. O decote é a tendência de um cristal quebrar ao longo de planos estruturais fracos. Assim, a forma como um mineral se apega fornece uma visão de sua estrutura cristalina.
Este vídeo demonstrará a análise de formas de cristal mineral em macroes escala, quebrando amostras minerais e observando seu decote.
Sólidos cristalinos contêm átomos organizados em um padrão repetido, enquanto sólidos amorfos não têm ordem. Por exemplo, o carbono pode ser encontrado de muitas formas. Os átomos em carbono amorfo são organizados aleatoriamente, enquanto os átomos em diamante são dispostos em um cristal ordenado.
Um cristal é uma matriz de células de unidades repetidas e idênticas, que são definidas pelo comprimento das bordas celulares da unidade e pelos ângulos entre eles. Essas estruturas repetidas se estendem infinitamente em três direções espaciais, e definem a uniformidade e as propriedades do cristal.
Há sete células básicas da unidade. A célula unitária mais simples, o cubo, tem comprimentos iguais de borda, e um átomo em cada canto. As variações incluem tetragonal e ortomórmbico, que possuem diferentes comprimentos de borda.
Estruturas de cristal romboedral possuem geometria facial paralela semelhante sem ângulos retos. Monoclínica e triclínica têm forma semelhante, mas com ângulos variados e comprimentos de borda. 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 cristalina, chamada de face-centrada, ou no corpo cristalino, chamado corpo centrado.
Quando os cristais são quebrados, eles tendem a se arrombar ao longo de planos de cristal estruturalmente fracos. A qualidade do decote depende da força dos laços dentro e fora do plano. Um bom decote ocorre quando a força dos laços dentro do lugar são mais fortes do que as do outro lado do plano. O decote ruim pode ocorrer quando a força da ligação é forte através do plano de cristal. Cristais podem se acovardar em uma direção, chamada decote basal, resultando em duas faces fiadas. Isso resulta de fortes ligações atômicas dentro do avião, mas ligações fracas entre os aviões.
Da mesma forma, os cristais podem se acovardar em duas direções, devido a dois planos fracos, resultando em quatro rostos cerrados e dois rostos fraturados. Formas cúbicas e romboedais resultam do decote em três direções. As formas octaedral e dodecaedral surgem de quatro e seis planos de fratura, respectivamente.
Alguns minerais não se acotom em um plano de cristal, devido a fortes ligações em todas as direções, e, em vez disso, resultam em fratura irregular.
Agora que cobrimos o básico da estrutura cristalina, e os diferentes tipos de decote de cristal, vamos olhar para essas propriedades em amostras minerais reais.
Para analisar formas cristalinas, primeiro colete um grupo de amostras minerais, como quartzo, halita, calcita, granada, biotita e moscovita.
Coloque a amostra na superfície de observação. Gire a amostra para observar todos os lados. Procure por rostos de cristal, bordas de cristal e vértices de cristal.
Sempre que possível, meça os ângulos interfaciais usando um goniômetro. Para isso, coloque um lado do goniômetro em uma cara de cristal particular, e o outro lado do goniômetro em um rosto adjacente. Então leia o ângulo.
Compare as observações com o conjunto de poliedra cristalina característica. Repita estes passos para outros minerais e observe as diferenças.
As amostras de quartzo têm uma forma de cristal dipyramidal hexagonal, conforme indicado pelos 6 lados.
O material calcita, exibe forma de scalenohedron, como mostrado pelas 8 faces da estrutura da pirâmide gêmea.
Halite, mostra estrutura cúbica característica, com ângulos de 90°.
A granada tem superfícies angulares com 12 lados, indicativo de sua forma dodeahedro.
Finalmente, biotite pode mostrar uma forma hexagonal aparente.
Em seguida, para observar o decote de cristal, primeiro coloque na proteção dos olhos.
Coloque um pedaço de quartzo na superfície quebrando. Usando um martelo, quebre o pedaço de quartzo. Usando uma lente de mão, observe o pedaço quebrado de quartzo para superfícies de decote. Note que o quartzo não tem nenhum.
As células unitárias da rede de cristal de quartzo têm forças de ligação comparavelmente iguais em todas as direções, resultando em um cristal sem planos de ruptura preferidos, chamado fratura conchoidal.
Em seguida, repita este passo de ruptura para outros espécimes. Use uma lente de mão para avaliar diferentes qualidades de decote.
Quando há uma diferença dramática nos pontos fortes dos laços em uma determinada orientação, como entre folhas de agrupamentos de silicatos no caso de mica, um decote quase perfeito é gerado entre essas folhas, chamadas de decote basal.
Biotite e moscovita cada display de decote basal, com um único plano de quebra.
Halite exibe decote cúbico, resultante de três planos de decote a 90°.
Calcite exibe decote romboedral, resultante de três planos de decote 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 utilizando-se 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 a alta temperatura e pressão em uma célula de bigorna diamante. O padrão de dispersão XRD foi analisado durante toda a reação para determinar a estrutura cristalina.
Os resultados mostraram anéis Debye lisos ou irregulares, que indicam cristalização. A localização de cada anel elucida a estrutura cristalina, pois cada anel corresponde a um plano de cristal.
Devido à sua propriedade de decote planar e, portanto, atomicamente plana, mica é frequentemente usada como substrato para imagens de pequenas moléculas.
Neste exemplo, mica foi usado 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-cortada, e depois enxaguada com tampão.
A amostra foi então imagens usando uma célula fluida. O substrato mica permitiu imagens de alta resolução da amostra de proteína devido à sua superfície atomicamente plana.
Você acabou de assistir a introdução de JoVE a propriedades físicas de minerais. Agora você deve entender o básico das células da unidade de cristal, e como determinar planos de decote de cristal. Obrigado por assistir!
Applications and Summary
Historicamente, avaliar as propriedades físicas dos minerais tem sido um primeiro passo fundamental na identificação mineral. Ainda hoje, quando faltam instrumentação analítica microscópica e moderna (por exemplo, microscopia petrográfica, difração de raios-X, fluorescência de raios-X e técnicas de microproba eletrônica), as propriedades físicas observadas ainda são bastante úteis como ferramentas de diagnóstico para identificação mineral. Este é particularmente o caso em estudos geológicos de campo.
Avaliar e observar as propriedades físicas dos minerais é um excelente meio de demonstrar a dependência crítica das características macroscópicas na estrutura e arranjo de nível atômico.
As principais propriedades físicas dos minerais nem sempre são expressas em amostras específicas. Portanto, realmente ser capaz de reconhecer e usar essas propriedades como ferramentas de diagnóstico requer uma combinação de ciência, experiência e artesanato. Muitas vezes, o geólogo deve utilizar uma lente de mão para avaliar cristais minerais relativamente pequenos ou grãos dentro da matriz de uma rocha maior. Nesses casos, pode se tornar um desafio distinto identificar os aspectos úteis da forma cristalina e do decote cristalino.
Em um ambiente acadêmico ou de ensino, a avaliação de minerais via análise de amostras manuais é um exercício que demonstra como padrões e características repetitivas são impostas pela química física dos materiais naturais. Em outras palavras, para qualquer mineral específico, existem certas características cristalográficas (por exemplo, morfologia cristalina) e propriedades físicas(por exemplo, cor, dureza, raia) que são impostas pela composição química e estrutura atômica.
No domínio dos recursos minerais e da geologia de exploração, a identificação de minerais via amostra manual é um componente fundamental do trabalho de campo, visando a localização de minérios potenciais e depósitos economicamente úteis. Por exemplo, a identificação de vários sulfetos metálicos (pirita, esflerita, galena) em associação com hidroxídeos hidrotérmicos de ferro oxicodono (hematita, goethita, limonita) pode ser indicativo de potenciais veias e regiões ricas em Au e Ag.
No contexto da geologia histórica (decifrando a profunda história temporal de uma região), a identificação mineral pode preparar o cenário para interpretações de condições antigas. Por exemplo, certos minerais metamórficos (por exemplo, os polmorfos Al2SiO5, kyanita, andaluz e sillimanita) são marcadores de condições particulares de pressão e temperatura na crosta antiga.
