Chemické vlastnosti minerálU

MIN 05

Katedra chemie FP TUL – www.kch.tul.cz

Vnitřní struktura

pyropu v prohlížeči

Jpowd

Hlavní část prezentace zpracoval © Pavel Jakubů, 2005, doplnil a upravil 2011 J. Grégr

KRYSTALOVÁ CHEMIE KRYSTALOCHEMIEStuduje vztah mezi vnitřní stavbou krystalů a jejich vlastnostmi

fyzikálně–chemickými.

Zkoumá uspořádání atomů a iontů v krystalech a síly mezi nimi.

Paul von GROTH

mineralogický systém

analýza minerálů

struktura krystalů

vazby v krystalech

IZOMORFIE

POLYMORFIE

1. Prvky

2. Sulfidy

3. Halogenidy

4. Oxidy

hydroxidy

5. Uhličitany

6. Boritany

7. Sírany

8. Fosforečnany

9. Křemičitany

10. Organické

minerály

MINERALOGICKÝ SYSTÉM

síra sfalerit fluorit

hematit malachit borax

topaz jantar

chalkantit

apatit

REALITA: deformované stavební částice díky elektrostatickým

silám

ABSTRAKCE: krystaly vybudované z pravidelně uložených

kulovitých stavebních částic (atomů/iontů; r ≈ 0,X–X,0 Å; Å = 10–10 m),

které se vzájemně dotýkají.

▪ elektronová konfigurace Li 0,59 Å Na 0,99 Å

▪ náboj iontu Pb4+ 0,65 Å Pb2+ 0,98 Å

▪ koordinace iontu Al3+/4 0,39 Å Al3+/6 0,54 Å

Faktory r:

S T

R U

K T

U R

A

KRYSTALOCHEMICKÝ POPIS

Krystal ~ soubor jednodušších

rovinných či prostorových útvarů – tzv.

koordinačních

polygonů či polyedrů, v jejichž středech

a rozích se nacházejí atomy nebo ionty.

Tyto polyedry se řídí Paulingovými

pravidly.Struktura sfaleritu (ZnS)

Paulingova pravidla

1. koordinační číslo (KČ) a tvar polyedru lze odhadnout na základě

poměru

poměru poloměru kationtu a aniontu rkat/ran

* různý koordinační

polyedr

rkat/ranKČ

1,00012

> 0,7328

0,414–0,7326

0,225–0,4144

0,155–0,2253

do 0,1552*

rkat/ranKČ

1,00012

> 0,7328

0,414–0,7326

0,225–0,4144

0,155–0,2253

do 0,1552*

2. stabilnější jsou struktury s malými a vícevaznými kationty než

s velkými a méněvaznými kationty

3. společné hrany a plochy polyedrů snižují stabilitu struktury, a to tím

více, čím vyšší je náboj centrálního kationtu a čím menší je jeho KČ

a) c)b)

Modifikace TiO2

a) rutil

b) brookit

c) anatas

c)b)a)

NaCl (iontová)

Au (kovová)

diamant (kovalentní)

grafit (van der Waals)

tvrdé

vysoká tt

křehké

štěpné

nevodivé

elektrická

i tepelná

vodivost

kujnost

tažnost

lesk

neprůhlednost

měkké

nízká tt

tvrdé

vysoká tt

nerozpustné

nevodiče či

polovodiče

VA

ZB

Y V

KR

YS

TA

LE

CH

váp

en

ec /

Ca

CO

3siderit (Fe)

smithsonit (Zn)magnesit (Mg)

Mřížkové parametry:

CaCO3 0,8543 / 74°55'

MnCO3 0,8184 / 73°00'

FeCO3 0,8184 / 73°00'

MgCO3 0,8112 / 72°36'

ZnCO3 0,8063 / 72°20'

dialogit (Mn)

I Z

O M

O R

F I E

Izomorfie je schopnost atomů dvou nebo více prvků či jejich skupin

vzájemně se zastupovat ve strukturách krystalů.

DEFINICE Izomorfní řady Faktory Hranice Význam

FeWO4 (ferberit) → (Fe,Mn)WO4 (wolframit) ← MnWO4 (hübnerit)

krajní člen krajní členpřechodný člen

ZnS (sfalerit) FeS

Izomorfní řada

úplná

neúplná

jednostranná →

??

Definice IZOMORFNÍ ŘADY Faktory Hranice Význam

Definice IZOMORFNÍ ŘADY Faktory Hranice Význam

Granáty: R32+R2

3+(SiO4)3 R2+ = Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+…

6 z 12 krajních členů R3+ = Al3+, Fe3+, Cr3+…

pyro

p

Mg/A

l

alm

an

din

F

e/A

l

uvaro

vit

Ca/C

r

an

dra

dit

Ca

/Fe

gro

sula

r

Ca

/Al

sp

essa

rtin

M

n/A

l

Definice IZOMORFNÍ ŘADY FAKTORY Hranice Význam

MgAl2O4 (spinel) BaSO4 (baryt) Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)

(apatit)

b) vnější

chemické vlastnosti

krystalizačního prostředí

tlak

teplota

a) vnitřní

geometrický

chemický

fyzikální

řada chalkantitu (CuSO4·5H2O) Skupina skalic:

řada hexahydritu (MgSO4·6H2O) řada melanteritu (FeSO4·7H2O)

F

A

K

T

O

R

Y

1) homogenita izomorfní směsi

pevný roztok inkluze

2) neuspořádanost izomorfní

směsi

ano částečná ne

Izomorfní

směs

vs.

nový

minerál

(Ca,Mn)CO3

CaMn(CO3)2 (kutnohorit)

Definice Izomorfní řady Faktory HRANICE Význam

sfalerit zirkon pyrit

Ge Hf Tl

Al2O3 + Cr

Definice Izomorfní řady Faktory Hranice VÝZNAM

systematická mineralogie

geotermometry a geobarometry

získávání „vzácných“ prvků

polovodiče, lasery

P O

L Y

M O

R F

I E

Polymorfie je jev, kdy jedna chemická sloučenina (prvek) tvoří

krystaly ve dvou nebo více krystalických mřížkách.

SiO2 / křemen

CaCO3 / trigonální kalcit CaCO3 / rombický aragonit

DEFINICE Polymorfní přeměny Význam & Polytypie

C/diamant

kubický

C/grafit

hexagonální

C/fulleren

tetragonální

T [°C

]

p [kbar]

enantiotropní: SiO2 křemen tridymit cristobalit870°C 1470°C

monotropní: C diamant grafit°C

pT

–dia

gra

m m

odifik

ací C

Definice POLYMORFNÍ PŘEMĚNY Význam & Polytypie

indikátory geologických pT – podmínek

Polytypie ~ speciální případ polymorfie; polytypy vznikají různými

způsoby uspořádání 2D strukturních jednotek, vrstev.

Definice Polymorfní přeměny VÝZNAM & POLYTYPIE

indikátory geologických pT – podmínek

Polytypie ~ speciální případ polymorfie; polytypy vznikají různými

způsoby uspořádání 2D strukturních jednotek, vrstev.

Definice Polymorfní přeměny VÝZNAM & POLYTYPIE

AN

AL

ÝZ

A M

INE

RÁ

LŮ

reakce s kyselinami

rozpustnost ve vodě

barvení plamene

barvení „perliček“50

40

30

20

10

0

metody tradiční metody moderní

většina minerálů je ve vodě nerozpustná

ve vodě je dobře rozpustný halit (sůl kamenná, NaCl)

nitronatrit (čilský ledek, NaNO3)

nitrokalit (sanytr, KNO3) …

ve vodě nepatrně rozpustné kalcit (vápenec, CaCO3)

aragonit (CaCO3)

sádrovec (CaSO4 ·2H2O)

živce …

AN

AL

ÝZ

A M

INE

RÁ

LŮ

metody tradiční metody moderní

Rozpustnost ve vodě

Reakce s kyselinami

– nejčastěji se používá reakce se zředěnou kyselinou

chlorovodíkovou (HCl) k důkazu uhličitanů.

– při této reakci se uvolňují bubliny CO2 (šumění)

– reakce probíhá u některých uhličitanů za studena (kalcit, aragonit)

– jindy je třeba úlomek minerálu v kyselině zahřát (ve zkumavce)

– k důkazu karbonátů, které reagují s HCl za studena, můžeme

použít místo HCl běžný kuchyňský ocet

– zlato se rozpouští v lučavce královské, směs kyseliny dusičné

(HNO3) a kyseliny chlorovodíkové (HCl) 1:3

AN

AL

ÝZ

A M

INE

RÁ

LŮ

metody tradiční metody moderní

červené cihlový vápník Ca

purpurový lithium Li

karmínový stroncium Sr

žluté žlutý sodík Na

zelené světle žluto zelený baryum Ba

zelený měď Cu

velmi slabě zelený antimon Sb

modré šedomodrý arsen As

fialové bleděfialový draslík K

šedofialový rtuť Hg

Zbarvení plamene

AN

AL

ÝZ

A M

INE

RÁ

LŮ

metody tradiční metody moderní

Alkalické kovy v plameni

AN

AL

ÝZ

A M

INE

RÁ

LŮ

metody tradiční metody moderní

AN

AL

ÝZ

A M

INE

RÁ

LŮ

metody tradiční metody moderní

AN

AL

ÝZ

A M

INE

RÁ

LŮ

metody tradiční metody moderní

Boraxové perličky

Některé minerály můžeme dokázat zbarvením taveniny boraxu. Jejich tavením s boraxem na očku platinového drátku získáme charakteristicky zabarvenou kapku boritanů - boraxovou perličku

AN

AL

ÝZ

A M

INE

RÁ

LŮ

rentgen-fluorescenční analýza

metoda elektronové mikroanalýzy

metody termické analýzy

infračervená spektrometrie

Ramanova spektroskopie

atomová spektrometrie

metody tradiční metody moderní

LITERATURA

1) Kraus I.: Strukrura a vlastnosti krystalů. Academia, Praha 1993

ISBN 80-200-0372-X

2) Winter M.: WebElements Periodical Table [online]. Poslední

aktualizace 29. prosinec 2004, [cit. 2005-03-01].

<http://www.webelements.coml>

3) Chadimová V., Chvátal M., Kühn J., Matějka D.: Mineralogie pro

školy [online]. [cit.2004-16-12]

<http://www.natur.cuni.cz/~ugmnz/mineral>

4) Jolyon R.: mindat.org – The Mineral Database [online]. c2004

[cit. 2004-12-12] <http://www.mindat.org>

5) Slavík M.: Technická univerzita v Liberci, Katedra chemie

[online]. c2005 [cit. 2005-10-01] <http://www.kch.vslib.cz/>