Overview
Fonte: Laboratorio di Alan Lester - Università del Colorado Boulder
Le proprietà fisiche dei minerali comprendono vari attributi misurabili e distinguibili, tra cui colore, striscia, proprietà magnetiche, durezza, forma di crescita del cristallo e scissione del cristallo. Ognuna di queste proprietà è minerale-specifica e sono fondamentalmente correlate alla composizione chimica e alla struttura atomica di un particolare minerale.
Questo esperimento esamina due proprietà che derivano principalmente dalla ripetizione simmetrica di raggruppamenti atomici strutturali fondamentali, chiamati cellule unitarie, all'interno di un reticolo cristallino, una forma di crescita cristallina e una scissione cristallina.
La forma di crescita dei cristalli è l'espressione macroscopica della simmetria a livello atomico, generata dal processo di crescita naturale dell'aggiunta di cellule unitarie (i mattoni molecolari dei minerali) a un reticolo cristallino in crescita. Le zone di rapida addizione unità-cella diventano i bordi tra le superfici planari, cioè le facce, del cristallo.
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). Poiché le rocce sono combinazioni di minerali, le rocce non sono indicate come aventi forma cristallina. In alcuni casi, i geologi si riferiscono alle rocce come aventi una scissione generale, ma qui il termine è semplicemente usato per riferirsi a superfici di rottura ripetitive e non è un riflesso della struttura cristallina atomica. Quindi, in generale, i termini forma cristallina e scissione del cristallo sono usati in riferimento a campioni minerali e non a campioni di roccia.
Principles
Tutti i minerali possiedono proprietà fisiche, ma le caratteristiche specifiche e facilmente riconoscibili associate alle proprietà non sono sempre espresse in un singolo cristallo. Ad esempio, i cristalli di quarzo hanno una caratteristica forma esagonale, ma se la crescita dei cristalli avviene in un ambiente in cui altri minerali bloccano o ostacolano la forma di crescita naturale (che è comunemente il caso nella maggior parte delle rocce), allora la forma esagonale non si forma. Quindi, con questo in mente, è importante selezionare attentamente un gruppo adatto di campioni per la crescita dei cristalli o l'analisi della scissione del cristallo, poiché non tutti i campioni mostrano queste caratteristiche chiave.
Inoltre, sebbene la scissione del cristallo sia relativamente facile da testare - rompendo un campione con un martello - diversi minerali dimostrano una gamma di qualità di scissione, in modo tale che le superfici planari generate dalla rottura possono essere lacere e ruvide (definita "scarsa scissione") o estremamente liscia (definita "buona" o "eccellente- scissione"). In alcuni casi(ad esempio il quarzo), le forze di legame cristallografico sono uniformi in tutte le direzioni e questo si traduce in un minerale con una mancanza di piani di scissione riconoscibili.
Procedure
1. Stabilire un gruppo di campioni minerali
- Includere il maggior numero possibile di quanto segue: quarzo, halite, calcite, granato, biotite e / o muscovite. Alcuni sono scelti per le caratteristiche di crescita del cristallo e altri per le caratteristiche di scissione del cristallo.
2. Osserva e analizza la forma cristallina
- Posizionare un campione sulla superficie di osservazione.
- Ruota per osservare tutti i lati. Cerca le facce di cristallo, i bordi di cristallo (linee in cui le facce si incontrano) e i vertici di cristallo (punti in cui i bordi si incontrano).
- Ove possibile, misurare gli angoli interfacciali utilizzando il goniometro. Questo viene fatto semplicemente posando un lato del goniometro su una particolare faccia di cristallo, l'altro lato del goniometro su una faccia adiacente, e quindi leggendo l'angolo.
- Confronta con l'insieme dei poliedri cristallini caratteristici.
- Ripetere i passaggi 2.1 – 2.4 per il quarzo (nota forma dipiramidale esagonale (Figura 1)), calcite (nota forma scalenoedrica (Figura 2)), halite (nota forma cubica di cristallo (Figura 3)), granato (nota forma dodecaedrica (Figura 4)) e biotite (nota forma pseudo-esagonale (Figura 5)).
Figura 1. Quarzo che mostra forma dipiramidale esagonale.
Figura 2. Calcite che mostra la forma di scalenoedro. Si noti come diverse facce di cristallo si intersecano per formare bordi di cristallo e la combinazione di spigoli forma punti noti come "vertici". Le forme di crescita simmetrica dei cristalli sono generate dalla ripetizione di strutture atomiche fondamentali (cellule unitarie) all'interno del reticolo cristallino. In questo caso, la crescita dei cristalli di calcite genera il poliedro specifico noto come scalenoedro.
Figura 3. Halite che mostra la forma di cristallo cubico.
Figura 4. Granato che mostra la forma del dodecaedro.
Figura 5. Biotite che mostra forma pseudo-esagonale.
3. Osserva e analizza la scissione
- Indossare la protezione per gli occhi.
- Posizionare un pezzo di quarzo sulla superficie di rottura.
- Usando un martello, rompere il pezzo di quarzo a metà.
- Usando una lente a mano, osserva il pezzo di quarzo rotto per le superfici di scissione. Si noti che il quarzo non ne ha. Il quarzo presenta fratture concoidali, ma nessuna superficie di scissione ben definita (Figura 6). Questa è una conseguenza del fatto che le celle unitarie nel reticolo cristallino di quarzo (gruppi SiO4, chiamati tetraedri di silice) hanno forze di legame comparabilmente uguali in tutte le direzioni. Questa uniformità di forza di legame si traduce in un cristallo senza piani di rottura preferiti.
- Ripetere i passaggi 3.2 – 3.4 per la calcite (dovrebbe mostrare la scissione romboedrica (Figura 7)), l'halite (dovrebbe mostrare la scissione cubica (Figura 8)), la biotite e/o la muscovite (dovrebbero mostrare la scissione planare (Figura 9)).
- Usa una lente a mano per valutare diverse qualità di scissione. La scissione può verificarsi a una varietà di livelli. Quando c'è una differenza drammatica nelle forze di legame in un particolare orientamento, come tra fogli di raggruppamenti SiO4 nel caso della mica, viene generata una scissione quasi perfetta tra questi fogli. Come notato sopra, il quarzo presenta una quasi totale mancanza di scissione. Tra questi estremi (di scissione perfetta e mancanza di scissione), ci sono minerali che hanno una buona scissione(ad esempio feldspato) e una scarsa scissione (alcune facce su cristalli di anfibolo).
Figura 6. Quarzo che mostra frattura concoidale, senza superfici di scissione.
Figura 7. Calcite che mostra scissione romboedrica. Le superfici di rottura e frattura simmetrica sono generate da zone di relativa debolezza nel legame atomico all'interno del reticolo cristallino. La scissione della calcite provoca il poliedro specifico noto come romboedro.
Figura 8. Halite che mostra scissione cubica.
Figura 9. Biotite che mostra scissione planare.
I minerali sono sostanze inorganiche presenti sulla Terra, con proprietà uniche che aiutano nell'identificazione e nell'analisi.
Molti minerali presentano una struttura cristallina. Questi materiali cristallini hanno disposizioni atomiche altamente ordinate, costituite da raggruppamenti atomici ripetuti, chiamati celle unitarie. Poiché le cellule unitarie sono identiche all'interno di un cristallo, sono responsabili della simmetria del cristallo su micro e macroscala.
Questa simmetria fa sì che i cristalli minerali si rompano, o si sciondono, in modo prevedibile. La scissione è la tendenza di un cristallo a rompersi lungo piani strutturali deboli. Pertanto, il modo in cui un minerale si scinde fornisce informazioni sulla sua struttura cristallina.
Questo video dimostrerà l'analisi delle forme cristalline minerali su macroscala rompendo campioni minerali e osservando la loro scissione.
I solidi cristallini contengono atomi organizzati in uno schema ripetuto, mentre i solidi amorfi non hanno ordine. Ad esempio, il carbonio può essere trovato in molte forme. Gli atomi in carbonio amorfo sono organizzati in modo casuale, mentre gli atomi in diamante sono disposti in un cristallo ordinato.
Un cristallo è una matrice di celle unitarie identiche e ripetute, definite dalla lunghezza dei bordi delle celle unitarie e dagli angoli tra di loro. Queste strutture ripetute si estendono all'infinito in tre direzioni spaziali e definiscono l'uniformità e le proprietà del cristallo.
Ci sono sette celle unitarie di base. La cella unitaria più semplice, il cubo, ha lunghezze di bordo uguali e un atomo ad ogni angolo. Le variazioni includono tetragonale e ortorombico, che possiedono diverse lunghezze dei bordi.
Le strutture cristalline romboedrici possiedono una geometria della faccia parallela simile senza angoli retti. Monoclino e tricclino sono simili nella forma, ma con angoli e lunghezze dei bordi variabili. Infine, la struttura esagonale è composta da due facce esagonali parallele, con sei facce rettangolari.
Variazioni in queste strutture sorgono quando atomi aggiuntivi sono contenuti nella faccia di cristallo, chiamata centrata sulla faccia, o nel corpo di cristallo, chiamato corpo centrato.
Quando i cristalli sono rotti, tendono a fendersi lungo piani cristallini strutturalmente deboli. La qualità della scissione dipende dalla forza dei legami dentro e attraverso il piano. Una buona scissione si verifica quando la forza dei legami all'interno del luogo è più forte di quelli attraverso il piano. Una scarsa scissione può verificarsi quando la forza di legame è forte attraverso il piano cristallino. I cristalli possono fendere in una direzione, chiamata scissione basale, con conseguente due facce scisse. Ciò deriva da forti legami atomici all'interno del piano, ma da legami deboli tra i piani.
Allo stesso modo, i cristalli possono fendersi in due direzioni, a causa di due piani deboli, con conseguente quattro facce fesce e due facce fratturate. Le forme cubiche e romboebari derivano dalla scissione in tre direzioni. Le forme ottaedrica e dodecaedrica derivano rispettivamente da quattro e sei piani di frattura.
Alcuni minerali non si scissono affatto lungo un piano cristallino, a causa di forti legami in tutte le direzioni, e invece provocano fratture irregolari.
Ora che abbiamo coperto le basi della struttura cristallina e i diversi tipi di scissione del cristallo, diamo un'occhiata a queste proprietà in campioni minerali reali.
Per analizzare le forme cristalline, raccogliere prima un gruppo di campioni minerali, come quarzo, halite, calcite, granato, biotite e muscovite.
Posizionare il campione sulla superficie di osservazione. Ruotare il campione per osservare tutti i lati. Cerca facce di cristallo, bordi di cristallo e vertici di cristallo.
Ove possibile, misurare gli angoli interfacciali utilizzando un goniometro. Per fare ciò, posare un lato del goniometro su una particolare faccia di cristallo e l'altro lato del goniometro su una faccia adiacente. Quindi leggere l'angolo.
Confronta le osservazioni con l'insieme dei poliedri cristallini caratteristici. Ripeti questi passaggi per altri minerali e nota le differenze.
I campioni di quarzo hanno una forma di cristallo dipiramidale esagonale, come indicato dai 6 lati.
Il materiale calcite, presenta la forma scalenoedrica, come dimostrano le 8 facce della struttura piramidale gemellata.
Halite, mostra una caratteristica struttura cubica, con angoli di 90°.
Il granato ha superfici angolate con 12 lati, indicativi della sua forma dodecaedrica.
Infine, la biotite può mostrare un'apparente forma esagonale.
Successivamente, per osservare la scissione del cristallo, prima indossare la protezione per gli occhi.
Posizionare un pezzo di quarzo sulla superficie di rottura. Usando un martello, rompere il pezzo di quarzo. Usando una lente a mano, osserva il pezzo di quarzo rotto per le superfici di scissione. Si noti che il quarzo non ne ha.
Le celle unitarie nel reticolo cristallino di quarzo hanno forze di legame comparabilmente uguali in tutte le direzioni, risultando in un cristallo senza piani di rottura preferiti, chiamato frattura concoidale.
Quindi, ripetere questo passaggio di rottura per altri campioni. Usa una lente a mano per valutare diverse qualità di scissione.
Quando c'è una differenza drammatica nelle forze di legame in un particolare orientamento, come tra fogli di raggruppamenti di silicati nel caso della mica, viene generata una scissione quasi perfetta tra questi fogli, chiamata scissione basale.
Biotite e muscovite mostrano ciascuna scissione basale, con un singolo piano di rottura.
Halite mostra una scissione cubica, risultante da tre piani di scissione a 90°.
La calcite mostra una scissione romboedrica, risultante da tre piani di scissione a 120 e 60°.
L'analisi della struttura cristallina è importante per comprendere i tipi di minerali presenti sul campo.
L'analisi quantitativa della struttura cristallina può essere eseguita utilizzando la diffrazione a raggi X o XRD.
In questo esempio, la struttura cristallina di un ossido di ferro è stata sintetizzata da una miscela di ematite e ferro ad alta temperatura e pressione in una cella di incudine di diamante. Il modello di scattering XRD è stato analizzato durante la reazione per determinare la struttura cristallina.
I risultati hanno mostrato anelli di Debye lisci o chiazzati, che indicano cristallinità. La posizione di ogni anello chiarisce la struttura cristallina, poiché ogni anello corrisponde a un piano cristallino.
A causa della sua proprietà di scissione planare, e quindi della superficie atomicamente piana, la mica viene spesso utilizzata come substrato per l'imaging di piccole molecole.
In questo esempio, la mica è stata utilizzata come substrato per l'imaging di molecole di fotorecettori utilizzando la microscopia a forza atomica o AFM. Il campione proteico è stato adsorbito in un foglio di mica appena scisso e quindi risciacquato con tampone.
Il campione è stato quindi ripreso utilizzando una cella fluida. Il substrato di mica ha permesso l'imaging ad alta risoluzione del campione proteico grazie alla sua superficie atomicamente piana.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alle proprietà fisiche dei minerali. Ora dovresti capire le basi delle cellule dell'unità cristallina e come determinare i piani di scissione del cristallo. Grazie per l'attenzione!
Applications and Summary
Storicamente, la valutazione delle proprietà fisiche dei minerali è stato un primo passo fondamentale nell'identificazione dei minerali. Ancora oggi, quando mancano strumentazioni analitiche microscopiche e moderne(ad esempio microscopia petrografica, diffrazione a raggi X, fluorescenza a raggi X e tecniche di microsonde elettroniche), le proprietà fisiche osservate sono ancora molto utili come strumenti diagnostici per l'identificazione dei minerali. Questo è particolarmente vero negli studi geologici sul campo.
Valutare e osservare le proprietà fisiche dei minerali è un mezzo eccellente per dimostrare la dipendenza critica delle caratteristiche macroscopiche dalla struttura e dalla disposizione a livello atomico.
Le principali proprietà fisiche dei minerali non sono sempre espresse in campioni specifici. Pertanto, essere effettivamente in grado di riconoscere e utilizzare queste proprietà come strumenti diagnostici richiede una combinazione di scienza, esperienza e artigianato. Spesso, il geologo deve utilizzare una lente manuale per valutare cristalli minerali relativamente piccoli o grani all'interno della matrice di una roccia più grande. In questi casi, può diventare una sfida distinta identificare gli aspetti utili della forma del cristallo e della scissione del cristallo.
In un contesto accademico o didattico, la valutazione dei minerali tramite l'analisi del campione a mano è un esercizio che dimostra come i modelli e le caratteristiche ripetitive siano imposti dalla chimica fisica dei materiali naturali. In altre parole, per ogni minerale specifico, ci sono alcune caratteristiche cristallografiche(ad esempio la morfologia del cristallo) e proprietà fisiche(ad esempio colore, durezza, striscia) che sono imposte dalla composizione chimica e dalla struttura atomica.
Nel campo delle risorse minerarie e della geologia esplorativa, l'identificazione dei minerali tramite campione manuale è una componente chiave del lavoro sul campo, volto a localizzare potenziali minerali e depositi economicamente utili. Ad esempio, l'identificazione di vari solfuri metallici (pirite, sfalerite, galena) in associazione con ossi-idrossidi di ferro idrotermale (ematite, goetite, limonite) può essere indicativa di potenziali vene e regioni ricche di Au- e Ag.
Nel contesto della geologia storica (decifrando la profonda storia temporale di una regione), l'identificazione minerale può preparare il terreno per interpretazioni di condizioni antiche. Ad esempio, alcuni minerali metamorfici(ad esempio i polimorfi Al2SiO5, la cianite, l'andalusite e la sillimanite) sono marcatori di particolari condizioni di pressione e temperatura nell'antica crosta.
