Ćwiczenie nr 1
CECHY FIZYCZNE MINERAŁÓW
Minerał: najmniejsza jednostka w sensie geologicznym z jakiej zbudowana jest skorupa ziemska. Minerałem może być pierwiastek (np. diament, siarka), związek chemiczny (np. kalcyt, gips), jednorodna mieszanina pierwiastków (np. elektrum), lub związków chemicznych (np. plagioklazy) o stałym stanie skupienia, powstały w sposób naturalny tzn. bez ingerencji człowieka.
Jest to krystaliczny składnik litosfery, czyli:
Ø ciało stałe jednorodne chemicznie,
Ø o stałych cechach fizycznych,
Ø o uporządkowanej budowie wewnętrznej (atomy rozmieszczone są w przestrzeni wg reguły matematycznej, uwidacznia się to występowaniem na zewnątrz płaskich ścian o zarysach geometrycznych).
Istnieje około 4000 minerałów, złożonych z 92 pierwiastków, jednak tylko około 40-50 minerałów jest podstawowymi lub pobocznymi czy akcesorycznymi składnikami skał.
Składnikami skał mogą być również substancje mineralne o nieuporządkowanej budowie wewnętrznej, nazywane są one mineraloidami. Mogą to być np. bursztyn, ropa naftowa i pochodne ropy naftowej – asfalty, węgle, szkliwa wulkaniczne itp.
Zespoły minerałów powstałe w sposób naturalny tworzą skały. Wyróżniamy trzy grupy skał różniące się genezą:
Ø skały magmowe – powstałe w skutek zastygania stopu krzemianowego, zwanego magmą – gdy stop zastyga w głębi skorupy ziemskiej, lub lawą – gdy stop zastyga na lub tuż pod jej powierzchnią,
Ø skały osadowe – powstałe w wyniku nagromadzenia się elementów mineralnych i organicznych (produktów niszczenia różnego typu skał starszych, produktów wytrącania z roztworów wodnych, produktów działalności organizmów) w postaci osadu na powierzchni skorupy ziemskiej,
Ø skały metamorficzne – powstałe w wyniku przeobrażenia, czyli metamorfozy starszych skał osadowych lub magmowych pod wpływem czynników działających w głębi skorupy ziemskiej.
Makroskopowe oznaczanie minerałów opiera się na badaniu ich najprostszych własności fizycznych, czasami stosuje się również rozpoznawanie składu chemicznego lub morfologii kryształu.
Ø Skład chemiczny minerałów
Niewiele jest minerałów zbudowanych z jednego pierwiastka (np. węgiel tworzy grafit i diament, może również występować siarka rodzima, złoto rodzime czy miedź rodzima) większośc minerałów zbudowana jest z wielu pierwiastków. Skład chemiczny skorupy ziemskiej tworzą w ponad 70% związki tlenu i krzemu. Tlen (O) 46,6%, krzem (Si) 27,7%, glin (Al) 8,1%, żelazo (Fe) 5%, wapń (Ca) 3,6%, sód (Na) 2,8%, potas (K) 2,6%, magnez (Mg) 2,1%, tytan (Ti) 0,4%. Wśród minerałów skałotwórczych największe znaczenie mają zatem krzemiany i glinokrzemiany.
Zdecydowana większość minerałów skałotwórczych nie reaguje z pospolitymi odczynnikami, dlatego terenowe badanie tych własności jest niemożliwe. Tylko niektóre minerały – takie jak kalcyt reagują z odczynnikami, które można zastosować w terenie:
CaCO3 + 2HCl ® CaCl2 + H2O + CO2. – obserwuje się w tej reakcji uwalnianie CO2 w postaci „burzenia” na powierzchni skały.
Kryształy mają szereg cech charakterystycznych: elementy ograniczające kształty (ściany krawędzie i naroża), elementy symetrii (płaszczyzna, oś i środek symetrii), postać, pokrój, wykształcenie. Sieci przestrzenne (krystaliczne) różnią się między sobą odległościami między sąsiednimi węzłami i kątami. Na podstawie tych różnic wyróżnia się 7 układów krystalograficznych:
Ø regularny,
Ø heksagonalny,
Ø trygonalny,
Ø tetragonalny,
Ø rombowy,
Ø jednoskośny
Ø trójskośny.
Zwykle „gołym” okiem możemy określić tylko pokrój i sposób wykształcenia kryształów.
Pokrój kryształu to jego ogólny kształt zewnętrzny.
Wyróżnia się pokroje:
· izometryczny - wymiary kryształu są jednakowe w trzech kierunkach,
· tabliczkowy - wymiary kryształu są zróżnicowane we wszystkich trzech kierunkach,
· płytkowy (blaszkowy) – wymiary są podobne w dwóch kierunkach, w trzecim kierunku wymiar znacznie mniejszy,
· listewkowy – gdy kryształ ma różne wymiary w trzech kierunkach, przy czym jeden wymiar przeważa nad pozostałymi.
· słupowy – wymiary są podobne w dwóch kierunkach, w trzecim znacznie większy; szczególne odmiany pokroju słupowego: igiełkowy, pręcikowy, włóknisty,
Pokrój łatwo można określić w przypadku dobrze wykształconych kryształów, które miały swobodę wzrastania. Dotyczy to takich form skupienia, jak:
· pojedyncze kryształy,
· szczotki krystaliczne – nieprawidłowe skupienia pojedynczych kryształów o różnej wielkości przyrośniętych do wspólnego podłoża,
· geoda – skupienie mineralne, które wypełnia wolną przestrzeń w skałach,
· sekrecja – minerały które wytrąciły się z krążących roztworów i całkowicie wypełniły pustą próżnię w skale (w skałach osadowych mogą to być przestrzenie po skorupach zwierząt – wówczas sekrecję wypełniają zwykle kalcyt i chalcedon).
Częściej jednak kryształy występują w postaci ziaren mineralnych ograniczonych przypadkowymi powierzchniami. Można mówić wtedy o takich formach skupienia, jak:
· skupienia ziarniste – ziarna krystaliczne widoczne makroskopowo,
· skupienie zbite
Inne skupienia mineralne:
· konkrecje – zespoły mineralne narastające z zewnątrz wokół jakiegoś ośrodka (np. ziarenko piaski, szczątek organiczny),
· oolity – powstają w skutek wytrącania się w ruchliwej wodzie płytkich stref morskich węglanu wapnia wokół zawieszonych w wodzie drobnych okruchów skalnych lub pęcherzyków gazu, odłamków skorupek itp. – kuliste formy to ooidy, grochowce.
· skupienia bombowe (wodorotlenki żelaza o koncentrycznej budowie),
· nacieki (mogą być dendrytowe), naloty, wykwity.
Cechy fizyczne minerałów
§ mechaniczne - łupliwość, przełam, twardość
§ optyczne - barwa, rysa, przezroczystość, połysk
Łupliwość - to zdolność minerałów do pękania pod wpływem uderzenia bądź nacisku, na części ograniczone powierzchniami płaskimi. Jest to wielkość wektorowa i nie występuje u ciał bezpostaciowych. Nie posiadają jej też niektóre minerały krystaliczne (kwarc, korund). Minerały mogą wykazywać łupliwość w jednym, dwóch lub trzech kierunkach.
Łupliwość jednokierunkową wykazują miki (muskowit i biotyt) oraz gips, dwukierunkową ortoklaz, pirokseny i amfibole (kąt pomiędzy płaszczyznami łupliwości u piroksenów zbliżony jest do 90° a u amfiboli wynosi ok.120°). Łupliwość trójkierunkową – kostkową wykazuje sól kamienna i galena.
Zależnie od łatwości pękania oraz gładkości i połysku powstających powierzchni wyróżnia się umownie łupliwości:
· doskonałą – kryształy rozpadają się dając gładkie i z połyskiem ściany mniejszych fragmentów (np. mika, kalcyt, halit, galena),
· bardzo dobrą i dobrą – kryształy rozpadają się dając w dwóch kierunkach gładkie ściany (np. skalenie, amfibole, pirokseny),
· wyraźną – zaznacza się zwykle w jednej płaszczyźnie, zwykle występuje równocześnie z przełamem (oliwin i beryl),
· niewyraźną (piryt, chalkopiryt i kasyteryt).
Przełam - polega na pękaniu minerału pod wpływem uderzenia lub nacisku wzdłuż powierzchni nieregularnych (przeciwieństwo łupliwości). Jeżeli minerał jest łupliwy w trzech kierunkach (halit, kalcyt) to nie posiada przełamu. Minerał, który jest łupliwy w jednym kierunku, w dwóch pozostałych posiada przełam (gips, mika). Ze względu na charakter powstałej powierzchni wyróżniamy przełam:
· nierówny np. muszlowy – wklęsły z ostrymi nierównościami (krzemienie, kwarc, obsydian),
· równy,
· ziarnisty (kasyteryt, piryt)
· zadziorowaty (azbest),
· ziemisty (limonit, kaolinit),
· haczykowaty (złoto, srebro, miedź).
Twardość - jest to opór jaki stawia minerał rysującemu go ostrzu. W badaniach makroskopowych do oznaczania twardości minerałów służy skala wypracowana w 1812 r przez wiedeńskiego mineraloga F.Mohsa. Jest to skala porównawcza, obejmująca 10 minerałów wzorcowych, uporządkowanych według wzrastającej twardości. Minerał o wysokim stopniu twardości pozostawia wgłębione rysy na powierzchni wszystkich minerałów o niższym stopniu twardości. Wgłębienie jest tym wyraźniejsze i większe, im silniej zaznacza się różnica w stopniu twardości minerału rysującego i zarysowanego.
SKALA MOHSA
bardzo miękkie – rysują się paznokciem
1. Talk Mg3[(OH)2Si4O10]
2. Gips CaSO4*2H2O
miękkie – rysują się metalowym ostrzem
3. Kalcyt CaCO3
4. Fluoryt CaF2
5. Apatyt Ca5F(PO4)3
twarde
6. Ortoklaz K[AlSi3O8]
7. Kwarc SiO2
8. Topaz Al2F2SiO4
bardzo twarde
9. Korund Al2O3
10. Diament C
Twardość wszystkich ważniejszych minerałów skałotwórczych wynosi 2 - 7. Do badań twardości częściej niż minerałów skali Mohsa używa się przedmiotów z życia codziennego o twardości wielokrotnie sprawdzonej i porównanej ze stopniami skali Mohsa.
- czyste aluminium, paznokieć - twardość ok. 2,5
- czysta miedź - twardość 3
- gwóźdź żelazny - twardość 4 - 5
- szkło, stal (zal. od rodzaju) - 5 -6
Spójność to sposób zachowania się minerału po wpływem obciążeń mechanicznych.
Minerały mogą być:
· sprężyste (muskowit),
· giętkie (talk),
· kruche (halit),
· spoiste,
· strugalne (argentyt),
· kowalne (złoto, srebro).
Barwa to jedna z najważniejszych cech minerałów, często pozwalająca na ich łatwe oznaczenie. Wyróżnia się minerały barwne, bezbarwne i bezbarwne zabarwione. Zależy to od ich składu chemicznego lub od zawartych w nich domieszek.
· minerały barwne (idiochromatyczne) posiadają barwę stale występującą i dla danego minerału charakterystyczną (np. siarka rodzima - żółta, piryt - mosiężny, grafit - czarny, chalkanyt – niebieską, malachit - zieloną). Barwa minerałów idiochromatycznych uwarunkowana jest ich składem chemicznym i strukturą wewnętrzną. Zawierają one w swym składzie zasadniczym pierwiastki, dające związki kolorowe np. żelazo, miedź, mangan, chrom, tytan, nikiel.
· minerały bezbarwne nie mają charakterystycznej dla siebie barwy, a w idealnym przypadku żadnej barwy.
· minerały zabarwione (allochromatyczne) to minerały bezbarwne, które uzyskały zabarwienie dzięki domieszkom obcego związku chemicznego, lub defektom struktury kryształu. (np. kwarc może być bezbarwnym kryształem górskim, lub w zależności od domieszek - fioletowym ametystem, żółtym cytrynem, czarnym morionem). Najczęstszymi związkami barwiącymi są tlenki i wodorotlenki żelaza. Żwiązki żelaza trójwartościowego dają zabarwienie żółte, brunatne i czerwone, związki żelaza dwuwartościowego dają barwy niebieskie zielone oraz czarne. Związki organiczne dają zabarwienia szare lub brunatne.
Rysa jest to barwa sproszkowanego minerału. Rysę uzyskujemy rozcierając minerał na białej, niepolerowanej płytce porcelanowej lub pocierając dwa takie same minerały nad białym papierem. Minerały barwne dają rysę barwną, choć nie zawsze tej samej barwy co minerał, np. mosiężnożółty piryt - czarną, stalowoszary hematyt - brunatnoczerwoną. Minerały bezbarwne i zabarwione dają rysę białą.
Przezroczystość jest to zdolność minerałów do przepuszczania promieni świetlnych. Minerały bezbarwne zwykle są przeźroczyste. Minerały mogą być:
· przezroczyste (kryształ górski, halit, kalcyt, gips),
· półprzezroczyste i przeświecające – przepuszczają światło zwłaszcza w pobliżu krawędzi kryształu (szmaragd),
· nieprzezroczyste (magnetyt, piryt, grafit).
Połysk to zjawisko wywołane odbiciem fal świetlnych od powierzchni minerałów. Połysk może być różny na powierzchni przełamu i na ścianie kryształu. Wyróżnia się następujące rodzaje połysku:
· szklisty (ściany kwarcu, pow. łupliwości halitu)
· tłusty (siarka rodzima, przełam kwarcu, bursztyn)
· perłowy (serycyt)
· jedwabisty (azbest, gips włóknisty)
· metaliczny (metale rodzime, siarczki metali - piryt, galena)
· diamentowy (diament, cyrkon, kruszce o niemetalicznym wyglądzie np. sfaleryt)
Przy makroskopowym oznaczaniu minerałów warto jest niekiedy zwrócić uwagę również na inne cechy, które mogą pozwolić na szybką identyfikację minerału. Może to być:
· smak (halit ),
· magnetyzm (magnetyt),
· znaczny ciężar właściwy (magnetyt, galena),
· zapach (siarka, galena),
· iryzacja (niektóre skalenie),
· własności elektryczne,
...
zuzia881