Mineralogie všeobecná (krystalografie) - věda minerálech (= nerostech) - termín pochází z latinského „minera“ = ruda Zemská kůra je složena z hornin a ty z minerálů: - horniny mohou být polyminerální (žula = granit), nebo vzácněji monominerální (vápenec, některé pískovce) Minerál - pevná látka, anorganická homogenní přírodnina (většinou s definovatelnou strukturou – krystalická látka), jejíž chemické složení se dá vyjádřit vzorcem Mezi nerosty však počítáme také: - rtuť (Hg) - některé přírodní amorfní látky (opál) - krystalické látky analogické pozemským minerálům z jiných kosmických těles pozn. U amorfních látek je rozložení stavebních částic nahodilé, nepravidelné. Znaky a vlastnosti (u každého minerálu): 1. Chemické složení (chemismus) – vzorec, vytváření pevných roztoků, izomorfní příměsi (příklady křemen, plagioklasy, sfalerit) 2. Struktura 3. Krystalografie (soustava, bodová grupa = oddělení, vůdčí krystalové tvary) 4. Fyzikální vlastnosti – hlavní poznávací znaky, podobnost (barva, hustota, tvrdost, štěpnost, lesk a jiné: magnetismus, radioaktivita, luminiscence, rozpustnost ve vodě a v činidlech, …..) 5. Geneze (podmínky vzniku a výskytu, asociace – parageneze) - za kterých podmínek a v jakém prostředí minerál vzniká, je stabilní, v jakých společenstvech minerálů se nachází, - přeměny minerálu a jejich příčiny 6. Topografická mineralogie 7. Význam minerálu v geologii, jeho průmyslové využití Dílčí disciplíny mineralogie a) mineralogie všeobecná ( = krystalografie) - krystalografie morfologická - krystalografie strukturní - krystalografie fyzikální (studuje fyzikální vlastnosti minerálů) - krystalochemie - technická krystalografie a mineralogie využití minerálů v průmyslu, studium pevné fáze mineralogickými metodami - experimentální mineralogie (hraniční disciplína s fyzikou pevné fáze a chemií) laboratorní disciplína: syntéza fází, analogických minerálům, stanovení podmínek krystalizace b) mineralogie systematická - studuje a popisuje charakteristické znaky a vlastnosti jednotlivých minerálů a třídí je do přirozené soustavy (systému) - na základě příbuznosti chemické a strukturní - genetická mineralogie sleduje procesy a podmínky vzniku minerálů v přírodě - topografická mineralogie Definice krystalu a) pohled strukturní - těleso s trojrozměrným periodickým uspořádáním stavebních částic (atomů, iontů, molekul) - způsobu rozmístění stavebních částic v krystalu říkáme krystalová struktura Geometrickým vyjádřením periodicity krystalu je krystalová mřížka Starší definice : krystal je anizotropní, homogenní diskontinuum b) pohled morfologický - krystal je geometrický mnohostěn s určitým stupněm symetrie (ohraničení krystalovými plochami, hranami a rohy) Morfologická krystalografie Prvky morfologického omezení krystalu a) krystalové plochy - pravidelné, souměrné a nesouměrné b) krystalové hrany c) krystalové rohy (průsečíky hran krystalu) Eulerova věta: P + R = H + 2 (platí obecně jen pro monokrystaly !) Tvary jednoduché a spojky Omezení krystalu výhradně stejnocennými plochami (stejného tvaru a stejně velkými) nazýváme jednoduchým tvarem (krychle, osmistěn) Krystal omezený dvěma nebo více druhy různocenných ploch se nazývá spojka - př. “spojka krychle a osmistěnu”, “spojka prizmatu, dipyramidy a pinakoidu”, ... pozn. různocenné plochy (různého tvaru, nebo různě velké) náležejí různým jednoduchým tvarům Každý krystalový tvar má svůj název (hexagonální dipyramida, tetraedr) – mezinárodní (hexaedr) a některé i český (krychle) Jednoduché tvary můžeme rozdělit na: - uzavřené tvary (může sám omezit krystal) - otevřené tvary Krystalový tvar (pinakoid, prizma, osmistěn) je určen počtem ploch a jejich vzájemnou polohou. Úhly krystalových hran Stensenův zákon (1669) o stálosti úhlů krystalových hran: Na všech krystalech téhož minerálu (téže modifikace krystalické látky) svírají sobě odpovídající krystalové plochy stejné úhly. - na velikost úhlů hran nemá vliv různoměrný vývin krystalů - přesným změřením úhlů krystalových hran a porovnáním se známými daty lze exaktně určit daný minerál pozn. - jde o metodiku, která má však dnes jen nepatrné použití Pro měření úhlů krystalových hran se používají goniometry: - příložný goniometr - odrazový (optický) goniometr jednokruhový, - dvojkruhový Monokrystal (krystalový jedinec) x srůsty krystalů (náhodné, zákonité), x krystalický agregát (je tvořen velkým množstvím krystalových jedinců) a bývá popisován podle celkového vzhledu: – např. - lupenitý agregát slídy (muskovitu) - zrnitý agregát magnetitu - stébelnatý agregát amfibolu - celistvý agregát magnesitu Osní (osové) kříže, osní úhly - obecně má osní kříž 3 různocenné osy (x, y, z), (někdy a, b, c) navzájem svírající obecné úhly (a, b, c) – je to případ trojklonné soustavy pozn. směr (značení) os a poloha meziosních úhlů je jednoznačně určena !!! Další výše souměrné soustavy mají své specifické osní kříže: viz obr. Indexování ploch a krystalových tvarů - jde o jednoznačný popis polohy krystalových ploch v prostoru viz obr. - úseky na osách (a, b, c) - Weissovy indexy (ma : nb : pc) př. - 2a : 1/3 b : nekonečno c - Millerovy indexy ( h k l) – reciproké hodnoty odvozovacích čísel Weisse př. 001, 231, 111, ... - příklady přepočtu Weissových a Millerových indexů Prvky morfologické souměrnosti krystalů Střed souměrnosti - je inverzí jednočetné osy - krystal má střed souměrnosti, má-li každá plocha svoji středově souměrnou protiplochu Rovina souměrnosti (m) – rovina, procházející středem krystalu, která dělí krystal na dvě zrcadlově shodné poloviny Osy souměrnosti (gyry) Osa souměrnosti je přímka, procházející středem krystalu.: - můžeme kolem ní krystalem otáčet - podle toho, kolikrát se při otočení o 360^o dostane krystal do polohy shodné s výchozí, určujeme četnost osy: Značí se čísly: 1, 2, 3, 4, 6 (1-četná – slouží k označení asymetrického krystalu) 2-četná 3-četná 4-četná 6-četná Inverzní osy souměrnosti (gyroidy): prvek souměrnosti, kombinující otáčení kolem osy souměrností se zrcadlením podle středu souměrnosti. Značí se čísly s pruhem (např. 3¯) - procházejí středem krystalu, můžeme kolem nich krystalem otáčet Četnosti inverzních os souměrnosti: (1-četná = střed souměrnosti) 2-četná = rovina souměrnosti 3-četná = 3 v kombinaci se středem souměrnosti 4-četná – zvláštní prvek 6-četná – 3 v kombinaci s rovinou souměrnosti, kolmou na osu Oddělení souměrnosti = bodové grupy (32) - jsou charakterizovány jako množiny prvků (operací) souměrnosti krystalů, které jsou na sobě určitým způsobem závislé. - Operace souměrnosti jsou prvky grup. pozn. krystaly určitého minerálu spadají svojí symetrií do jedné z bodových grup V každé soustavě existuje jedno oddělení s nejvyšší symetrií, které označujeme jako holoedrické (plnoploché) oddělení. Přehled soustav a odddělení - dle tabulky - znalost holoedrických oddělení a jejich krystalových tvarů - znalost příkladů minerálů z jednotlivých soustav a oddělení a) soustavy nižší kategorie Soustava triklinická: Holoedrické oddělení pinakoidální: obecný tvar “pinakoid” – 2 plochy, spolu rovnoběžné - chalkantit (= skalice modrá) Cu SO[4] . 5 H[2]O - albit (Na-živec) Na Al Si[3] O[8] pozn. Oddělení pediální – “pedion” (jednoplochý krystalový tvar) Soustava monoklinická: Holoedrické oddělení prizmatické: obecný tvar “prizma” – 4 plochy, protínající se v rovnoběžných hranách další tvary : pinakoid - sádrovec Ca SO[4] . 2 H[2]O - ortoklas (K-živec) K Al Si[3] O[8] - wolframit, amfiboly, pyroxeny - síra b pozn. Oddělení sfenodické obecný tvar “sfenoid” (2 plochy, souměrné dle osy dvojčetné) - cukry (sacharóza) - kyselina vinná Soustava rombická: Holoedrické oddělení rombicky dipyramidální: obecný tvar “rombická dipyramida” – 8 ploch (dvojjehlan) s půdorysem kosočtverce další tvary : pinakoid, prizma - baryt Ba SO[4] - síra a - aragonit Ca CO[3] - amfiboly, pyroxeny - topaz, olivín - markazit FeS[2] - pozn. - další oddělení rombicky pyramidální rombická pyramida a) soustavy střední kategorie Soustava tetragonální: Holoedrické oddělení ditetragonálně dipyramidální: obecný tvar oddělení “ditetragonální dipyramida” – 8 + 8 ploch (dvojjehlan) základní tvar “tetragonální dipyramida” – 4 + 4 plochy (dvojjehlan s půdorysem čtverce) dále : bazální pinakoid, tetragonální prizma, ditetragonální prizma - kassiterit (cínovec) Sn O[2], rutil Ti O[2] - zirkon Zr SiO[4] pozn. další oddělení: tetragonální pyramida + pedion, další tvary (tetragonální trapezoedr) - scheelit Ca WO[4] - chalkopyrit Cu Fe S[2] Soustava hexagonální: Holoedrické oddělení dihexagonálně dipyramidální: obecný tvar oddělení “dihexagonální dipyramida” – 12 + 12 ploch (dvojjehlan) základní tvar “hexagonální dipyramida” – 6 + 6 plochy (dvojjehlan s půdorysem pravidelného šestiúhelníku) dále : bazální pinakoid, hexagonální prizma (6 ploch), dihexagonální prizma (12 ploch) - beryl Be[3] Al[2] /Si[6 ]O[18]/ - grafit, molybdenit MoS[2] pozn. další oddělení: hegagonální pyramida + pedion, další tvary (hexagonální trapezoedr) - apatit Ca[5] /PO[4]/[3] Cl (F, OH) - křemen b Soustava trigonální (klencová): Holoedrické oddělení ditrigonálně skalenoedrické: obecný tvar oddělení “ditrigonální skalenoedr” – 6 + 6 ploch (dvojjehlan s klikatými bočními hranami) základní tvar “romboedr” = klenec – 3 + 3 plochy (proti ploše v horní části krystalu je hrana dole) dále : bazální pinakoid, hexagonální prizma - karbonáty kalcitové řady: kalcit (klenec + ditrigonální skalenoedr), dále magnezit, siderit, rodochrozit (pouze klence) pozn. další oddělení: pedion + trigonální pyramida, trigonální prizma a další tvary (trigonální trapezoedr) - křemen a - rumělka – cinabarit / HgS / a) soustava vyšší kategorie Soustava kubická: Holoedrické oddělení hexaoktaedrické: obecný tvar oddělení “hexaoktaedr” – 48-stěn /nejvýše plochý tvar vůbec/ základní tvar “oktaedr” – osmistěn dále : hexaedr (krychle), dodekaedr rombický (dvanáctistěn kosočtverečný), 24 – stěny Krystalům ideálně vyvinutým lze opsat kouli (jsou izometrické) - granáty (almandin, ...) - rombický dodekaedr - Cu, Ag, Au – většinou nevytváří krystaly - diamant (oktaedr) - fluorit CaF[2] , halit (krychle) - galenit PbS - magnetit (osmistěn) Fe[3]O[4] pozn. důležité tvary z dalších oddělení: - tetraedr (čtyřstěn) – tetraedrit, sfalerit /Zn S/ - pentagondodekaedr (dvanáctistěn pětiúhelníkový) – pyrit Fe S[2] (též krychle) Krystalové srůsty a) nahodilé b) zákonité - paralelní (rovnoběžné) – plochy a hrany všech srostlých individuí jsou ronvoběžně orientovány /typicky u křemene, barytu, kalcitu, ...) - dvojčatné srůsty – dva i více jedinců srůstá v poloze, definovatelné pomocí určité dvojčatné roviny nebo osy dvojčatění Typicky dvojčatí sádrovec podle roviny 100 (roviny dané osami yz), běžně dvojčatí živce /K-živce podle karlovarského zákona, plagioklasy podle albitového zákona – roviny 010 /. U živců vzniká často opakovaný, mnohočatný srůst tzv. polysyntetický srůst krystalů. Strukturní krystalografie Krystal z pohledu strukturní krystalografie - těleso s trojrozměrným periodickým uspořádáním stavebních částic (vůbec není důležité vnější omezení krystalovými plochami - způsobu rozmístění stavebních částic v krystalu říkáme krystalová struktura Geometrickým vyjádřením periodicity krystalu je krystalová mřížka Starší definice krystalu z pohledu strukturní krystalografie: - krystal je anizotropní, homogenní diskontinuum Podmínky vzniku krystalu, fáze krystalizačního procesu Ke vzniku krystalu dochází dvojstupňovým procesem, který se skládá z nukleace (tj. ze vzniku zárodku krystalu) a z růstu krystalu připojováním atomů, radikálů nebo molekul k tomuto zárodku. NUKLEACE - z hlediska termodynamiky nejkomplikovanější etapou vzniku krystalu - zárodek krystalu (nukleus) je jen nepatrným seskupením atomů, jejichž uspořádání odpovídá struktuře budoucího krystalu - jde o velmi nestabilní seskupení atomů, které se může snadno rozpadnout Spontánní (samovolná) nukleace je proces, při němž se vytvářejí zárodky krystalů v určitých oblastech nestabilní mateřské fáze, která může být skupenství kapalného, plynného nebo pevného. Hybnou silou spontánní nukleace je porušení rovnovážného stavu v dané soustavě, které je vyvoláno změnou fyzikálně chemických podmínek: - např. poklesem teploty - mírou přesycení roztoku (hydrotermální žíly, evapority) - velikost podchlazení taveniny (krystalizace z magmatu) Přítomnost zárodků zvyšuje v dané soustavě volnou energii této soustavy, proto jsou zárodky krystalů nestabilní a snadno dochází k jejich rozpadu. Za vhodných podmínek se mohou zárodky zvětšovat a jejich velikost může překročit kritickou hodnotu, která se označuje jako kritický poloměr zárodku. (absolutní hodnota kritického poloměru u dané fáze závisí na řadě faktorů). Při překročení kritického poloměru se zárodek stává krystalem, který dále dorůstá. Připojováním (apozicí) dalších atomů ke krystalu naopak dochází ke snižování volné energie soustavy (viz obr.) př. nukleace a růst krystalu forsteritu Spontánní nukleace má význam především při vzniku nerostů z magmatu (taveniny) nebo z hydrotermálních roztoků pozn. k nukleaci často dochází na rozhraní dvou různých fází: - hladina solných jezer, hladina jeskynních krasových jezírek - povrch jiného krystalu - nepatrné úlomky dříve vytvořených krystalů (stejná i jiná fáze) Orientované narůstání krystalů jednoho minerálu na jiný = epitaxe MECHANISMUS RůSTU KRYSTALU K růstu krystalu dochází připojováním stavebních částic (apozicí) k jeho povrchu. Lze rozlišit dva hlavní způsoby růstu: - postupné přikládání stavebních částic do souvislých vrstev na ideálně vyvinutých krystalových plochách viz obr. (Kosselova teorie – př. krystal halitu) Připojení každé částice k povrchu krystalu je provázeno uvolněním určitého množství energie. Nejvhodnějším místem pro její připojení je tedy bod, v němž se uvolní největší množství energie (rozestavěná řada strukturního patra, roh, hrana krystalu). - spirálový růst krystalu Vyžaduje přítomnost šroubových, případně hranových dislokací v jeho struktuře (viz obr.) Defekty růstu krystalu - ideální krystal (ideální krystalová struktura): v podstatě neexistuje - reálný krystal (reálná struktura) Reálná krystalová struktura je více či méně porušena (za poruchu považujeme každou odchylku od dokonalé periodicity) – obr. Zonální růst krystalu, sektorový růst krystalu Krystalizace minerálů nikdy neprobíhá za zcela konstantních podmínek: naopak v průběhu krystalizace se mění řada fyzikálně – chemických parametrů (teplota, tlak, chemické složení okolního prostředí). Proto se jednotlivé přírůstkové zóny krystalu minerálu liší svými charakteristikami (složením, zbarvením) Rychlost růstu krystalu Rychlost růstu krystalových ploch různých tvarů v určitém časovém intervalu je obecně různá (lze hovořit o anizotropii rychlosti růstu). - retikulární hustota (obr.) : je dána počtem uzlů mřížkové roviny na jednotku plochy. Nejvyšší retikulární hustotu mají strukturní roviny s nejnižšími Millerovými indexy h k l . Nerovnoměrný růst reálných krystalů - kostrovitý krystal Za určitých podmínek (při rychlém růstu) se na rostoucím krystalu přednostně vytvářejí rohy a hrany, zatímco připojování stavebních částic na plochy probíhá pomaleji. (sněhové vločky a další př.) - nerovnoměrný růst krystal: vlivem působení gravitace proudění roztoků nebo pohyb magmatu (taveniny) vlivem difúze v určitém směru nedostatkem prostoru pro ideální vývin krystalu Rekrystalizace Při rekrystalizaci probíhá přemísťování stavebních částic v krystalech a krystalických agregátech, při zachování původního nerostného druhu. Fyzikální vlastnosti nerostů - nerosty jsou pevné, krystalické látky (známe však též minerály amorfní, případně kapalné) - nositeli stálých a charakteristických fyzikálních vlastností jsou především krystaly nerostů Fyzikální vlastnosti dělíme na: - skalární (hustota) - vektoriální (tvrdost, štěpnost), vodivost, interakce krystalů se zářením (hlavně optické vlastnosti) Hustota - definice Způsoby měření hustoty minerálů: - metoda dvojího vážení (hydrostatická) - metoda pyknometrická - metoda imerzní (těžkých kapalin, suspenzační) Tvrdost Mohsova stupnice tvrdosti (pro relativní stanovení tvrdosti): 1. mastek 2. halit 3. kalcit 4. fluorit 5. apatit 6. živec 7. křemen 8. topaz 9. korund 10. diamant Kvantitativně se tvrdost minerálů měří sklerometry Štěpnost - krystalograficky orientované minimum soudržnosti Roviny štěpnosti jsou podmíněné charakterem struktury Nerosty štěpné : - výborně (muskovit a grafit podle 001, sádrovec dle 010, kalcit podle klence) - dobře (amfiboly podle 110) - špatně (pyroxeny) - neštěpné (křemen, granáty) Tavitelnost Byla využívána v diagnostice minerálů zejména v minulosti. např. antimonit Sb[2]S[3] taje již v plameni svíčky Rozpustnost a lepty - na krystalových plochách vznikají při leptání charakteristické obrazce, indikující symetrii krystalů Magnetismus Nerosty dělíme podle magnetické susceptibility na: - diamagnetické (Cu, halit, křemen) - paramagnetické (Pt, siderit, beryl, rutil) - feromagnetické (magnetit, pyrhotin) Jevy luminiscenční Fluorescence - fluorit Luminiscence - minerály po expozici určitým druhem záření svítí krátkodobě slabým světlem - zahřátí (fluorit) - UV (scheelit Ca WO[4], některé kalcity, uranové slídy) Radioaktivita minerálů - vykazují nerosty s obsahem radioaktivních prvků (uraninit UO[2], thorit Th SiO[4] , uranové „slídy“- lupenité složité fosfáty – torbernit, autunit) - metody radiometrického datování minerálů (hornin) Optické vlastnosti (krystalová optika) - makroskopicky rozpoznatelné (propustnost světla, lesk, barva a zbarvení). Propustnost světla: U průhledných nerostů prochází světelný paprsek i silnou vrstvou nerostu. Nerost průhledný a bezbarvý se nazývá čirý (křišťál). Nerosty průsvitné (sádrovec), neprůhledné (živec), opakní (magnetit, galenit). Lesk: Odražené světlo na nerostech vnímáme jako lesk kovový – pyrit, stříbro, magnetit polokovový – sfalerit diamantový – diamant, síra, skelný – křemen, živce perleťový – slídy, sádrovec matný nerosty bez lesku – limonit, kaolinit Barva – stálá a typická pro daný minerál: Síra – žlutá malachit – zelený zlato Zbarvení: U jednoho minerálu známe různá zbarvení (křemen, korund), podle příměsí stopových prvků ve struktuře, či strukturních odlišností Odrůdy křemene (křišťál, ametyst, záhněda, růženín, ...) Mikroskopicky měřitelné optické vlastnosti: - index (y) lomu Měříme pomocí polarizačního mikroskopu, metody Beckeho linky, metody imerzní a za použití refraktometru. Opticky izotropní minerály (ze soustavy krychlové a amorfní látky - opál, sklo) mají jeden index lomu. Opticky anizotropní krystaly (ostatní soustavy) – mají 2 nebo tří indexy lomu, dle hlavních krystalografických či optických směrů. - barva a pleochroismus - optický charakter minerálu - ráz délky krystalu Polarizační mikroskop – mikroskop, pracující s lineárně polarizovaných světlem – má kruhový, otáčivý stolek – polarizátor x analyzátor – nitkový kříž v okuláru – Bertrandova čočka v tubusu