Minerals - Studentportalen

Mineralogy
1. Definitions of a mineral, mineraloid, rock
2. Chemical bonding in minerals
3. Physical properties
Minerals: the building blocks of rocks
• Definition of a Mineral:
 naturally occurring
 inorganic
 solid
 characteristic crystalline structure
 definite chemical composition
MINERALOID
A mineraloid is a mineral-like substance that does not demonstrate crystallinity.
Mineraloids possess chemical compositions that vary beyond the generally accepted
ranges for specific minerals.
Common mineraloids
Amber (bärnsten), non-crystalline structure
Jet (beckkol), non-crystalline nature
Native mercury, non-solid
Obsidian, volcanic glass - non-crystalline structure
Opal, non-crystalline silicon dioxide
Petroleum, liquid
Pyrobitumen, non-homogeneous, non-crystalline structure
Vulcanite, vulcanized natural or synthetic rubber, thus not a mineral due lack of crystalline structure
Mineral versus rock
Rock or stone is a naturally occurring solid aggregate
of minerals and/or mineraloids.
Kalksten består av kalcit (CaCO3)
Sandsten består av SiO2
Bonding in minerals
- Ionic (NaCl)
- Covalent (diamond, H2)
- Metallic (Fe, Au, Cu…)
- Hydrogen bond (ice, water, hydrous minerals)
Model of atom
Atomic number = number of protons
Mass number = number of protons+neutrons
Chemical bonding in NaCl
Jonbindning följer av elektrostatisk attraktion
mellan joner bildade genom elektronöverföring.
A. Då natrium reagerar med klor bildas joner. Den
ensamma elektronen i natriumatomens yttre
elektronskal går över till kloratomens yttre skal med
sju valenselektroner. De bildade jonerna får härvid
båda yttre elektronskal innehållande åtta elektroner,
dvs. ädelgasstruktur. Elektronövergången mellan
natriumatomen och kloratomen och hur radierna
hos de härvid bildade jonerna skiljer sig från
atomernas framgår av bilden.
B. Natriumjonerna och kloridjonerna kristalliserar till
koksalt. I ett salt är jonerna regelbundet anordnade i
rymden så att laddningarna bildar ett jongitter. I koksalt
omges varje natriumjon av sex kloridjoner och varje
kloridjon av sex natriumjoner.
C. Bindningsavståndet mellan en positiv och en negativ
atomjon svarar mot ett minimum i jonparets lägesenergi
E. E kan ses som sammansatt av attraktionsenergin Ea
mellan två punktformiga laddningar q1 och q2 (enligt
Coulombs lag, Ea = k q1q2/R, där R är avståndet mellan
jonerna och k en konstant) och en repulsionsenergi Er.
Den senare beror på att när R minskar tränger sig
atomernas elektronmoln alltmera in i varandra
(överlappning ger Pauli-repulsion); vid tillräcklig
minskning av R ökar repulsionskraften mycket hastigt,
vilket är förklaringen till minimumet i E = Ea + Er som
funktion av R.
Kovalent bindning innebär att elektroner sprids ut så
att de blir gemensamma för två eller flera atomer.
A. Molekylföreningar bildas liksom jonföreningar genom att de
ingående atomerna får ädelgasstruktur. I en vätemolekyl får de
båda väteatomernas elektronmoln heliumstruktur genom att de
två elektronerna samtidigt tillhör båda atomerna. Ett sådant
gemensamt elektronpar kallas bindande elektronpar (markeras
som ett streck mellan atomerna).
B. En klormolekyl består av två kloratomer som var och en har
sju valenselektroner. I klormolekylen blir vardera atomen
omgiven av åtta elektroner genom att två elektroner blir
gemensamma.
C. I diamant bildar kolatomer ett tetraedriskt nätverk av
kovalenta enkelbindningar. Alla valenselektroner är då parade
till bindande elektronpar delade mellan två kolatomer så att var
och en omges av åtta valenselektroner.
Si – O tetrahedron
fundamental building block of silicates
Within tetrahedron, silicon and oxygen
atoms are held together by covalent
bonds
Metallbindning
• I en metall bildar en eller flera valenselektroner från varje atom ett
elektronmoln som är gemensamt för alla atomer. Detta ger upphov
till god ledning av elektrisk ström.
Väte bindning
• Väte bindning kan endast ske mellan molekyler som har
ett eller flera väte bundna till fluor (F), syre (O) eller
kväve (N).
Hydrogen bond (indicated by dashed line ) between oxygen (red) and
hydrogen (white) belonging to two different water molecules.
Inside a molecule, oxygen and hydrogen are covalently bonded .
Hydrogen bonding in hydrous minerals –
Hydrous minerals contain water, e.g. gypsum CaSO4.2H2O, mineraloid opal SiO2.nH2O
How do we identify minerals?
•
Physical properties:







Color
Luster
Hardness
Crystal shape
Cleavage
Specific gravity
Other
Physical Properties of Minerals
•
Crystal shape (or form):
– external expression of a mineral’s internal atomic structure
– planar surfaces are called crystal faces
– angles between crystal faces are constant for any particular
mineral
Quartz (SiO2)
Hexagonal crystals with
Pyramidally-shaped ends
Pyrite (FeS2, ”fool’s gold)
cubic crystals
Pyrite
Crystal structure of quartz is built up from SiO4 tetrahedra
Crystal form
Mineral Growth
Minerals grow outward from a central seed to fill the available space;
their shape is controlled by the shape of their surroundings
7 crystal systems
Förkortningar för
enhetsceller
Physical Properties of Minerals
•
Specific gravity:
–
–
–
weight of a mineral divided by weight of an equal volume of water
Range: from 0.93 (ice I) to 20 (heavy metals Pt, Au)
Metallic minerals tend to have higher specific gravity than nonmetallic minerals
Galena
SG=7.5
Quartz
SG=2.67
Physical Properties of Minerals
•
Luster:
– How a mineral surface reflects light
– Two major types:
• Metallic luster
• Non-metallic luster
Metallic
example:
Galena
Non-metallic
example:
Orthoclase
Color – an obvious feature of mineral, but not the reliable one, because even
a slight impurity can dramatically change color
Hematite
Streak (strek) – color of mineral in its
powdered form (more reliable property
than ”color” because it usually does not
vary from sample to sample)
The powder is produced by rubbing the mineral on a
white, porcelain plate. This only works with minerals of
hardness<7 since that is the hardness of the porcelain
streak plate.
Physical Properties of Minerals
•
Cleavage vs. Fracture:
– The way a mineral breaks
–
Cleavage: tendency of a mineral to break along planes of
weakness
–
Minerals that do not exhibit cleavage
are said to fracture
Do not confuse cleavage planes with crystal faces
Crystal faces are just on the surface and may not
repeat when the mineral is broken.
Cleavage in mica
(muscovite)
- Thin sheets
Physical Properties of Minerals
•
Cleavage is described by:
– Number of planes
– Angles between adjacent planes
– These are constant for a particular mineral
Physical Properties of Minerals
•
Cleavage (1 direction):
Example: mica
Physical Properties of Minerals
•
Cleavage (2 directions):
orthoclase
amphibole
Physical Properties of Minerals
•
Cleavage (3 directions):
halite
calcite
Physical Properties of Minerals
•
Cleavage (4 directions):
fluorite
Cleavage (spaltning)
Cleavage in mica (muscovite)
- weak bonds between thin sheets
Cleavage angles for augite and hornblende
Physical Properties of Minerals
•
Fracture:
– minerals that do not exhibit cleavage are said to
fracture
–
smooth, curved surfaces
when minerals break in a
glass-like manner:
conchoidal fracture
Quartz
Hardness – a measure of the resistance
of a mineral to abrasion or scratching
- materials with strong chemical bonds
tend to be hard
Mohs Scale of Hardness
- relative scale
- consists of 10 minerals,
ranked 1 (softest) to 10 (hardest)
Physical Properties of Minerals
•
Other properties:
– reaction with hydrochloric acid (calcite fizzes)
– taste (halite tastes salty)
– feel (talc feels soapy, graphite feels greasy)
– magnetism (magnetite attracts a magnet)
- fluorescence (ruby, calcite)
- luminescence (dolomite)
- smell (FeAsS – garlic)
Optical properties
Example: double refraction of calcite (dubbelbrytning)
In the calcite crystal, an unpolarized light is split into two polarized rays,
each contributing with an own image of text written underneath the crystal
Pyroelectricity
Piezoelectricity
Tourmaline
- heating tourmaline up creates an
electric charge on its surface
Upon compression of quartz,
an electric charge develops
on its surface
Numerous technological applications, e.g.
piezoelectric lighters, crystal quartz watches
Phenomena of pyroelectricity and piezoelectricity are present only for special crystal symmetries,
lacking a center of symmetry. Each pyroelectric crystal is also piezoelectric, but only some piezoelectric
crystals are pyroelectric.
Lärare och kurslitteratur
Peter Lazor
Peter.Lazor@geo.uu.se
tel. 018- 471 -2556
Litteratur och studiematerial:
- föreläsningar i pdf form på Studentportalen
- bok ”Earth: An Introduction to Physical Geology”, av Tarbuck och Lutgens,
Prentice Hall; kapitel 3 ”Matter and Minerals”
- kompendiet ”Mineralkännedom och bergartskännedom” av J. Holmgren, 1993
Websidor:
http://www.mindat.org
www.webmineral.com
Testa dina kunskaper i mineralogi :
http://www.uwgb.edu/dutchs/Exams/ExamMaster.htm
(välj ” Introduction to Earth Science” , välj “Minerals”)