SUROVINY PRO VÝROBU KERAMIKY (studijní opory)

Transkript

1 Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství SUROVINY PRO VÝROBU KERAMIKY (studijní opory) Miroslava Klárová Ostrava 2013

2 Recenzent: Ing. Filip Ovčačík, Ph.D. Název: Suroviny pro výrobu keramiky Autor: Miroslava Klárová Vydání: první, 2013 Počet stran: 61 Studijní materiály pro studijní obor Tepelná technika a keramické materiály (studijní program Metalurgické inženýrství) bakalářského studia Fakulty metalurgie a materiálového inženýrství. Jazyková korektura: nebyla provedena. Určeno pro projekt: Operační program Vzděláváním pro konkurenceschopnost Název: ModIn - Modulární inovace bakalářských a navazujících magisterských programů na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství VŠB - TU Ostrava Číslo: CZ.1.07/2.2.00/ Realizace: VŠB Technická univerzita Ostrava Projekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR Miroslava Klárová VŠB Technická univerzita Ostrava

3 Suroviny pro výrobu keramiky POKYNY KE STUDIU Suroviny pro výrobu keramiky Pro předmět Suroviny pro výrobu keramiky 6. semestru studijního oboru Tepelná technika a keramické materiály jste obdrželi studijní balík obsahující integrované skriptum pro kombinované studium obsahující i pokyny ke studiu. 1. Prerekvizity Pro studium tohoto předmětu se předpokládá absolvování předmětu Keramické materiály nebo Keramika. 2. Cíle předmětu a výstupy z učení Cílem předmětu je seznámení se všemi druhy a typy surovin, se kterými se setkáváme v silikátovém průmyslu, počínaje těžbou nebo přípravou surovin, přes způsoby zkoušení a zpracování až po jejich vlastnosti a vysokoteplotní chování. Po prostudování předmětu by měl student být schopen: Získané znalosti: - charakterizovat vznik a vlastnosti základních surovin používaných v silikátovém průmyslu - umět formulovat pochody a reakce, které nastávají v surovinách při jejich zahřívání - bude umět popsat úpravárenské postupy a zařízení používající se při přípravě surovin pro výrobu silikátů Získané dovednosti: - bude umět orientovat ve způsobech přípravy pracovních směsí, způsobech tvarování keramických výrobků a v postupech stanovení vlastností surovin a keramických výrobků - bude umět aplikovat své teoretické poznatky k návrhům složení a úpravy pracovních směsí podle konkrétních požadavků Pro koho je předmět určen Předmět je zařazen do bakalářského studia oboru Tepelná technika a keramické materiály studijního programu Metalurgické inženýrství, ale může jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru, pokud splňuje požadované prerekvizity. Studijní opora se dělí na části, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studované látky, ale nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se může výrazně lišit, proto jsou velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níže popsaná struktura. Při studiu každé kapitoly doporučujeme následující postup: Jednotlivé kapitoly mají vytýčené cíle, kterých by student měl po prostudování kapitoly dosáhnout. Pochopení látky je možné si ověřit ke konci každé kapitoly, kde jsou uvedeny pojmy, které by měl student znát a kontrolní otázky, na které by student neměl mít problém odpovědět. V závěru každé kapitoly je přiložen seznam literatury, ze které bylo při tvorbě opory čerpáno, a která může studentovi pomoci při studiu dané látky v širších souvislostech. Způsob komunikace s vyučujícími: V rámci semestru probíhá přímá kontaktní výuka předmětu v podobě několika vícehodinových bloků, během kterých studenti mohou uplatňovat své dotazy k probírané látce přímo k vyučujícímu. Během semestru mají také studenti možnost přímé komunikace 3

4 Suroviny pro výrobu keramiky s vyučujícím formou individuálních konzultací nebo mohou s vyučujícím komunikovat například prostřednictvím u. Konkrétní požadavky na studenta týkající se organizace výuky a požadavků pro získání zápočtu, resp. zkoušky studenti obdrží na první hodině na začátku semestru. Kontaktní údaje na vyučující: Ing. Miroslava Klárová, Ph.D. Adresa: Studentská 11, Ostrava-Poruba, kancelář č.: N415 Telefon: miroslava.klarova@vsb.cz 4

5 Suroviny pro výrobu keramiky Obsah 1. ZÁKLADNÍ POJMY A TERMINOLOGIE Základní pojmy Všeobecná geologie Historická geologie Dynamická geologie Všeobecná mineralogie krystalografie VŠEOBECNÁ A SYSTEMATICKÁ MINERALOGIE Fyzikální vlastnosti Chemické vlastnosti Voda v nerostech Dělení a charakteristika tříd mineralogického systému VIII. Křemičitany (silikáty) PETROLOGIE Vyvřelé horniny Usazené horniny Přeměněné horniny KERAMICKÉ SUROVINY Plastické suroviny Neplastické suroviny Syntetické suroviny Pomocné suroviny Druhotné suroviny TĚŽBA, DOPRAVA A ÚPRAVA KERAMICKÝCH SUROVIN Těžba, doprava a skladování surovin Úprava plastických surovin Úprava neplastických surovin TVAROVÁNÍ KERAMICKÝCH VÝROBKŮ, PŘÍPRAVA PRACOVNÍCH SMĚSÍ, ZÁKLADNÍ ZKOUŠKY Tvarování keramických výrobků Příprava pracovních směsí Odběr a úprava vzorků Základní zkoušky SUROVINY PRO VÝROBU GLAZUR, SMALTŮ A KERAMICKÝCH POVLAKŮ Glazura Rozdělení glazur Suroviny pro výrobu glazur Suroviny pro výrobu smaltů Suroviny pro výrobu keramických povlaků

6 Suroviny pro výrobu keramiky 8. SUROVINY PRO VÝROBU SKLA A SKLOKERAMIKY Sklo Suroviny pro výrobu skla Sklokeramika Základní typy sklokeramických systémů SUROVINY PRO VÝROBU ANORGANICKÝCH POJIV Rozdělení anorganických pojiv Sádrová pojiva Hořečnatá maltovina Cement Vápno Fosfátová pojiva Vodní sklo

7 Základní pojmy a terminologie 1. Základní pojmy a terminologie Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět definovat rozdíl mezi vědními obory mineralogie, petrologie a geologie vysvětlit pojmy nerost a hornina, krystal, krystalová struktura, krystalová mřížka, krystalografie specifikovat, čím se zabývají výše uvedené vědní obory v bližších souvislostech Výklad 1.1. Základní pojmy Mineralogie Mineralogie je nauka o minerálech (nerostech). Zabývá se jejich vznikem, přeměnami, výskytem, vlastnostmi a využitím. Mineralogii je dále možné členit na: všeobecnou studuje obecné vlastnosti nerostů, jejich vnitřní strukturu, vnější tvar a způsob vzniku systematickou studuje nerosty podle chemického složení. Ve všeobecné mineralogii je možné zabývat se krystalografií, která studuje vnější tvar nerostů a jejich strukturu nebo studovat chemické a fyzikální vlastnosti nerostů. Minerál (nerost) je anorganická stejnorodá přírodnina, jejíž složení lze vyjádřit chemickou značkou nebo vzorcem. Petrologie Petrologie je nauka o horninách. Zabývá se jejich vznikem, přeměnami, výskytem atd. Hornina je přírodnina, která se obvykle skládá z několika nerostů, je nehomogenní. Horniny tvoří Zemskou kůru (ZK). 99 % všech hornin je tvořeno přibližně pouhými 30 minerály. Tyto minerály se označují jako horninotvorné a patří k nim například křemen, živce nebo slídy. Pro představu, jaký je rozdíl mezi horninou a nerostem následuje obr. 1. Je na něm žula jako hornina, která se skládá z minerálů křemene, živců (plagioklas a ortoklas) a slídy (biotit). 7

8 Základní pojmy a terminologie Obr. 1. Příklad horniny složené z několika minerálů. Zdroj: Geologie Geologie je věda, která se zabývá stavbou, složením a vývojem Zemské kůry i celé Země. Geologie se dále člení na: všeobecnou viz definice dynamickou zabývá se silami a změnami v ZK historickou zabývá se vývojem ZK a vývojem života na Zemi regionální studuje geologické poměry určitého území Všeobecná geologie Planeta Země má tvar geoidu (osa otáčení je o 21, 4 km kratší než rovníkový průměr je mírně zploštělá). Rovníkový poloměr je 6378 km. Průměrná hustota Země je 5,5 g.cm -3. Doba oběhu Země kolem Slunce je 1 astronomický rok, což je 365 dní, 5 hodin, 49 minut. Oběžná dráha je téměř kruhová. Roční období se střídají proto, že zemská osa je ukloněná na 66, tzn. že v různých místech oběhu kolem Slunce svítí Slunce na jižní a severní polokouli Země s různou intenzitou. Zemská kůra (ZK) Tloušťka Zemské kůry je km, pod Himálají je až 70 km, naopak pod oceány pouze 10 km. Od pláště je oddělena Mohorovičičovou diskontinuitou. Složení ZK je následující a graficky je znázorněno na obrázku 2: sedimenty (usazeniny, nánosy) jíly, písky granitová vrstva vytváří dna oceánů, žula bazaltová vrstva - čedič Mohorovičičova diskontinuita (MD) 8

9 Základní pojmy a terminologie SEDIMENTY MOŘE GRANITOVÁ VRSTVA BAZALTOVÁ VRSTVA MD PLÁŠŤ Obr. 2. Složení Zemské kůry. Plášť v plášti dochází k většině sopečných a zemětřesných procesů. Jádro je složeno převážně ze železa se 7 % niklu a je tuhé. Jeho maximální teplota je do 6000 C. Jádro je tuhé vlivem vysokých tlaků, které v něm panují Historická geologie Planety byly původně studené. Vlivem tlaku, rozpadu radioaktivních prvků a smršťování se celá Země roztavila. Těžké prvky klesly do jádra. A před 4 mld. let vznikla ochlazováním povrchu Zemská kůra. Ta je porušována sopečnou a tektonickou činností vznikají plyny: H 2, CO 2, H 2 O, NH 3, CH 4. Došlo ke srážení vody z ovzduší déšť vznik oceánů. Před 3,5 mld. let začal vznikat život. Život Země dělíme na jednotlivá období: Prahory Starohory Prvohory kambrium, ordovik, silur, devon, karbon, perm V tomto období vznikají horniny vyvřelé (čedič, žula), usazené (břidlice, pískovce, vápence, lupky), černé uhlí, ložiska solí, sádrovce. Druhohory trias, jura, křída Období poměrně klidné, vznikají vápence, sádrovce, pískovce, ložiska křídy. Třetihory starší, mladší Toto období bylo velmi bouřlivé a je charakteristické velkou horotvornou činností Alpy, Himálaj, Karpaty, Kavkaz, Andy, Rocky mountains. Kromě vzniku pohoří se objevuje také hnědé uhlí, ve starším období zpevněné usazeniny jako pískovce a břidlice, v mladším období potom sypké usazeniny jako štěrky, písky. Čtvrtohory Dynamická geologie Dynamická geologie se zabývá změnami v ZK a činiteli a silami, které tyto změny způsobují. Geologické síly dělíme na vnitřní a vnější. endogenní změny jsou vyvolány vnitřními silami, vznikají v plášti a projevují se: pevninotvornými pochody (stoupání a klesání ZK, mění se rozměry a tvar světadílů, příkladem je stoupání pobřeží Finska a klesání Egypta), horotvornými pochody 9

10 10 Základní pojmy a terminologie (dochází k bočním tlakům, k vrásnění, příkladem jsou hluboké zlomy v mořích kolem vysokých pohoří) a vulkanismem (vulkanickou činností). izogenní změny jsou doprovázeny častým zemětřesením, příkladem jsou 2 oblasti (pásy) častých zemětřesení: 1. pás tvoří Amerika Andy, Kordiléry, Rocky Mountains, Aljaška, Japonsko, Filipíny, Nový Zéland a Antarktida; 2. pás tvoří Pyreneje, Alpy, Turecko, Afghánistán, Himálaj, Malajsie a zde se napojí na 1. pás. exogenní změny jsou vyvolány vnějšími silami, například působením tekoucí vody větru, ledovců, zvětráváním apod., probíhají na zemském povrchu. Zemětřesení doprovází většinu horotvorných a vulkanických pochodů. Vzniká mezi pláštěm a Zemskou kůrou. Rozlišují se dva základní typy zemětřesení: tektonické toto zemětřesení je nejčastější a nejničivější, vzniká náhlým uvolněním nahromaděné energie v tektonicky aktivních oblastech, tedy v místech s poruchami zemské kůry, kde dochází k pohybu jednotlivých horninových bloků. Velká většina takovýchto zlomů je umístěna při okrajích tektonických desek, kde dochází k jejich vzájemné interakci. vulkanické toto zemětřesení doprovází sopečnou činnost a není zdaleka tak ničivé Všeobecná mineralogie krystalografie Nerosty v krystalovém tvaru jsou ohraničeny pravidelnými stěnami. Toto ohraničení může být dokonalé nebo méně dokonalé. Někdy nerost nemusí mít ani jednu krystalovou plochu, přesto má ale krystalovou strukturu. Krystalová struktura Krystalová struktura znamená pravidelné uspořádání částic, atomů, iontů, molekul, atd., a jestliže to vnější podmínky dovolí, může vznikat krystal. Krystaly narůstají od středu směrem k vnějšímu povrchu. Krystalová mřížka Krystalová mřížka je modelem uspořádání částic v krystalu. Mezi částicemi působí jako spojnice přitažlivé síly. Podle velikosti těchto přitažlivých sil pak mají nerosty například vysoký nebo nízký bod tání, velkou nebo malou tvrdost apod. Krystal Krystal je mnohostěn omezený pravidelnými přirozenými hladkými plochami. Krystaly mohou vyrůst jako: monokrystaly všechny částice jsou v jedné krystalové struktuře, která je neporušená, vlastnosti se mohou v určitých směrech lišit anizotropní polovodiče z monokrystalů Si a Ge polykrystaly jsou tvořeny větším počtem malých krystalů, vlastnosti mají ve všech směrech stejné izotropní kovy. Podle dokonalosti krystalizace se nerosty dělí na: krystalované mají dokonalý tvar na všech nebo na většině ploch, mohou to být samostatné krystaly, drůzy (krystaly vyrostlé na ploché podložce) nebo geody (krystaly rostou dovnitř dutiny)

11 Základní pojmy a terminologie krystalické jejich vnější tvar není patrný, protože to nedovolily vnější podmínky (je tu omezení jinými plochami), například došlo k prudkému poklesu teploty, částice neměly čas se uspořádat do pravidelných tvarů, přesto je vnitřní struktura uspořádaná (zjišťuje se pomocí RTG) nekrystalické jsou to nerosty, které nemají schopnost uspořádat mřížku a vytvořit nerost, mohou se sem řadit i nerosty, které za vhodných podmínek krystaly vytvářejí, ale za nepříznivých podmínek nestačily uspořádat vnitřní strukturu (nejčastěji velmi rychlé ochlazení). Krystalografie Krystaly rozdělujeme podle jejich souměrnosti do 6 soustav: kosočtverečná, čtverečná, krychlová, jednoklonná, trojklonná a šesterečná. Tyto soustavy se od sebe liší vzájemnou délkou jednotlivých os nebo úhlem, který tyto osy svírají, nebo počtem os. Shrnutí pojmů kapitoly Po prostudování kapitoly by vám měly být jasné následující pojmy: mineralogie, petrologie, geologie nerost a hornina, části planety Země granit a bazalt změny endogenní, izogenní a exogenní typy zemětřesení izotropní a anizotropní. Otázky k probranému učivu 1. Jaký je rozdíl mezi všeobecnou a systematickou mineralogií? 2. Jakým nerostům říkáme horninotvorné a které to jsou? 3. Jak se ve svých vlastnostech liší minerály izotropní a anizotropní? 4. Co je drůza nebo geoda a o jakých nerostech mluvíme podle dokonalosti jejich krystalizace? 5. Jaká bude struktura nerostu, při jehož vzniku došlo k prudkému ochlazení? 6. Jak vznikají nekrystalické nerosty? Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu CHVÁTAL, M. Úvod do systematické mineralogie. Praha: Silikátový svaz, SLIVKA, V. a kol. Těžba a úprava silikátových surovin. Praha: Silikátový svaz, Mineralogie pro školy. In: Přírodovědecká fakulta UK v Praze [on-line]. [cit ]. Dostupné z: Geologie. [cit ]. Dostupné z: 11

12 Všeobecná a systematická mineralogie 2. Všeobecná a systematická mineralogie Čas ke studiu: 4 hodiny Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete se umět orientovat ve vlastnostech minerálů a budete znát jejich význam pro praktické aplikace chápat princip polymorfie a izomorfie, také rozdíl mezi vodou v nerostech vázanou a volnou vědět, co jsou silikáty z hlediska jejich struktury, jak se podle struktury dělí a budete znát jejich nejvýznamnější zástupce Výklad 2.1. Fyzikální vlastnosti Mezi základní fyzikální vlastnosti nerostů patří těchto 12 následujících: tvrdost hustota štěpnost lom pružnost lesk barva propustnost světla vryp žárovzdornost elektrické vlastnosti magnetismus. Tvrdost Tvrdost je odpor minerálu proti vniknutí cizího tělesa. Závisí na pevnosti vazby mezi částicemi v krystalové struktuře nerostu. Čím je vzdálenost částic menší, tím je vazba zpravidla pevnější a nerost tvrdší. Pro srovnání tvrdosti minerálů existuje 10 členná stupnice tvrdosti, která se nazývá Mohsova stupnice tvrdosti (viz obr. 3). Tvrdost jako charakteristický znak minerálů má i praktický význam. Nejtvrdší minerál diamant se používá na výrobu vrtáků, speciálních nožů apod. měkké minerály jako grafit, jílové minerály se používají k výrobě maziv. Nevýhody stupnice jsou tři základní: nestejný tvrdostní interval mezi jednotlivými stupni (největší je před diamantem) stejné nerosty mohou být různě tvrdé (podle nalezišť) 12

13 Všeobecná a systematická mineralogie některé nerosty neexistují v čistém stavu. STUPEŇ MINERÁL POZNÁMKA 1 Mastek můžeme rýpat nehtem 2 Halit (sůl kamenná, sádrovec) 3 Kalcit (vápenec) 4 Fluorit (kazivec) 5 Apatit 6 Živec 7 Křemen 8 Topaz 9 Korund 10 Diamant Obr. 3. Mohsova stupnice tvrdosti. 13 můžeme rýpat nožem rýpe do skla Tvrdost je nejčastěji určována Zkouškou tvrdosti podle Vickerse, která spočívá ve vnikání zkušebního tělesa (diamantového čtyřbokého jehlanu) do zkoumaného materiálu, přičemž je zjišťována míra deformace tohoto materiálu. Hustota Hustota určuje, kolikrát je určitý objem nerostu těžší než stejný objem destilované m vody 20 C teplé. Vypočte se podle následujícího vztahu a udává se v jednotkách V g.cm -3, resp. kg.m -3. Jak vyplývá ze vztahu, jednoduchým porovnáním hmotností minerálů lze odhadnout, jakou budou mít hustotu. Malou hustotu má například sádrovec, střední hustotu má křemen a velkou hustotu mají například sulfidy nebo kovové prvky. Určení hustoty provádíme pyknometrickou metodou, hustoměrem, Mohrovými vážkami nebo v odměrném válci. Štěpnost Štěpnost je schopnost nerostů štípat se podle rovných lesklých štěpných ploch ve směrech, kde je nejmenší soudržnost. Počet směrů (rovin) štěpnosti může být u různých minerálů různý. Záleží to na vzájemné přitažlivosti atomů v jednotlivých směrech. Jestliže jsou atomy v jedné vrstvě mřížky přitahovány většími silami než atomy ze dvou různých vrstev, je štěpnost dobrá. Jestliže je přitažlivost mezi všemi atomy stejná je štěpnost špatná. Nerosty mohou mít štěpnost: výbornou slída, sádrovec dokonalou NaCl (sůl kamenná, halit), kalcit dobrou živec, fluorit nedokonalou (špatnou) síra, granát

14 Všeobecná a systematická mineralogie velmi nedokonalou (minerály neštěpné) korund, křemen. Lom Lom mají nerosty s nulovou štěpností. Čím dokonalejší je štěpnost minerálu, tím méně se u něj projevuje lom a naopak. Některé nerosty se lámou podle nerovných ploch. Lomové plochy nejsou závislé na struktuře. Podle vzhledu lomové plochy rozeznáváme lom: miskovitý, lasturnatý opál, křemen vláknitý hákovitý nerovný pyrit. Zvláštní skupinou jsou kujné nerosty, patří mezi ně většina kovů Au, Ag, Cu, které se nerozpadají, ale lze je rozklepat do tenkých plíšků. Pružnost Pružnost je schopnost látky měnit svůj tvar pod působením síly bez porušení celistvosti a po uvolnění tlaku se vracet do původního tvaru. Nerosty pak dělíme: pružné slída křehké sůl plastické horniny jíly kujné zlato, stříbro. Lesk Lesk je schopnost odrážet světlo z přirozených ploch. Rozlišuje se lesk: diamantový je charakteristický pro průhledné minerály se silným lomem světla diamant, sfalerit kovový je charakteristický pro opakní neprůhledné minerály, které odrážejí většinu dopadajícího světla, například sulfidy a ryzí kovy, jako jsou pyrit nebo galenit perleťový při vzniku tohoto lesku dochází k lomu a odrazu dopadajícího světla slídy, sádrovec hedvábný vyskytuje se nejčastěji u vláknitých minerálů azbest skelný je typický u průhledných minerálů a vyskytuje se ze všech lesků nejčastěji křemen, fluorit matný je velmi slabý kaolinit mastný mastek, tuha. Barva Barva je důležitou vlastností minerálů a podle příčiny, která způsobuje zbarvení minerálů je dělíme na: barevné barva je způsobena druhem a uspořádáním atomů, barevný nerost má vždy stejné zabarvení, stejnou barvu jako nerost mívá obvykle i jeho vryp, například magnetit černý, malachit zelený, atd. bezbarvé čiré nerosty, které mají bílý vryp křemen, sůl kamenná bez příměsí zbarvené barva je ovlivněna příměsemi (i vzduchovými bublinami), ale jejich vryp zůstává bílý, šedý nebo jen slabě zabarvený. 14

15 Všeobecná a systematická mineralogie Minerály mohou mít 2 i více barev. Typickým příkladem je minerál křemen, který existuje jako čirý křišťál, bílý obecný, hnědý záhněda, žlutý citrín, fialový ametyst, růžový růženín, atd. Propustnost světla Podle propustnosti světla rozlišujeme nerosty: průhledné čiré křišťál, barevné ametyst průsvitné propouštějí světlo jen částečně, jsou neprůhledné dají se rozlišovat jen nejasné kontury nebo světlo/tma mléčný křemen neprůsvitné nepropouštějí světlo vůbec magnetovec. Vryp Vryp je barva nejjemnějšího prášku nerostu, který nerost zanechá rýpnutím, otřením o bílou neglazovanou porcelánovou destičku. U zbarvených nerostů bývá světlý, křemen má vryp bílý. Barva vrypu nemusí souhlasit s barvou nerostu barevného, pyrit, který je žlutý má vryp černozelený. Žárovzdornost Žárovzdornost je schopnost některých minerálů odolávat vysokým teplotám. Například muskovit, který se používá jako izolační materiál žárovzdorná okénka do kamen, grafit (tuha) bod tání 3500 C. Elektrické vlastnosti Dobrými vodiči elektrického proudu jsou kovy (Cu, Ag, Au) a grafit. Nevodivé jsou jílové minerály nebo uhličitany. Magnetismus feromagnetické nerosty mají pozorovatelné magnetické vlastnosti, přitahují Fe (magnetit) paramagnetické nerosty magnetismus se projevuje jen za přítomnosti vnějšího magnetického pole, paramagnetické látky jsou také přitahovány magnetickým polem, ale nedokážou udržet magnetismus bez přítomnosti vnějšího pole (rutil, beryl, siderit) diamagnetické nerosty magnetismus se projevuje jen za přítomnosti vnějšího magnetického pole, při vložení diamagnetické látky do vnějšího pole, dojde v látce k zeslabení magnetického pole (diamant, halit, křemen) Chemické vlastnosti Mezi základní chemické vlastnosti nerostů patří těchto 5 následujících: chemické složení polymorfie izomorfie reakce s kyselinami rozpustnost ve vodě 15

16 Všeobecná a systematická mineralogie Chemické složení Minerály jsou složeny z malých částic atomů, iontů, molekul. Chemické složení minerálů se vyjadřuje chemickou značkou (síra S) nebo chemickým vzorcem (galenit PbS). Minerály se podle chemického složení a vnitřní stavby rozdělují do devíti tříd mineralogického systému. Polymorfie Polymorfní nerosty mají stejné chemické složení, ale vznikly za různých podmínek. Mohou proto krystalovat v různých soustavách. Typickým příkladem je: diamant C tvrdost 10, čirý, šesterečná soustava, nevodivý grafit (tuha) C tvrdost 1, šedý, krychlová soustava, vodivý. Izomorfie Izomorfní nerosty mají různé složení, ale stejné nebo velmi podobné vlastnosti. Izomorfní nerosty tvoří přirozené řady, například uhličitany kalcitové řady: Vápenec (kalcit) CaCO 3, který přichází do styku s vodou s obsahem Mg iontů se postupně mění na dolomit CaCO 3.MgCO 3, dále pak na magnezit MgCO 3, pak na siderit FeCO 3. Dochází k postupné záměně Ca iontů za Mg ionty a pak za Fe ionty. Podmínkou izomorfie je: stejný anion (například CO -II 3 ) kationty v obou nerostech mají mít přibližně stejný poloměr a stejný náboj oba nerosty mají mít stejnou soustavu a podobný krystalový tvar. Reakce s kyselinami Nejčastěji se používá reakce se zředěnou kyselinou chlorovodíkovou (HCl) k důkazu uhličitanů. U některých uhličitanů reakce probíhá za studena, u jiných za zvýšené teploty. Zlato se rozpouští v lučavce královské, což je směs HNO 3 +HCl. Rozpustnost ve vodě Ve vodě je rozpustný halit (sůl kamenná NaCl) Voda v nerostech Rozlišujeme tři základní druhy vody, která se vyskytuje v nerostech. Její druh a množství v minerálech lze zjistit metodami termické analýzy. Voda chemicky vázaná Voda chemicky vázaná je součástí sloučeniny, bývá přítomna ve formě hydroxylových OH skupin. Odchází při teplotách nad 400 C a je to změna nevratná. To znamená, že se mění chemická podstata sloučenin. Ke ztrátě této vody dochází při zvýšení teploty skokem dehydroxylace. Mastek Mg(OH) 4 Si 2 O 10 (3MgO.4SiO 2.H 2 O) Voda krystalová Voda krystalová je vázána slabými silami. Její množství není přesně dáno. Při odchodu se mění uspořádání, barva a další fyzikální a chemické vlastnosti. Je to změna 16

17 Všeobecná a systematická mineralogie vratná. Při zahřátí uniká po částech dehydratace. Molekuly vody se píší nakonec vzorce za tečkou. Sádrovec CaSO 4.2H 2 O Voda volná Voda volná se neúčastní stavby krystalové mřížky. Je jí proměnlivé množství, je vázána velmi slabými silami. Uniká postupně, často v závislosti na vlhkosti prostředí. Je to změna vratná. Značí se na konci vzorce symbolem nh 2 O za tečkou. Křemen SiO 2 Opál SiO 2.nH 2 O Vodu vázanou a vodu volnou nelze někdy zcela přesně odlišit. Proto byla pro odlišení přijata konvenční hranice 110 C. Vodu, která unikne do 110 C, považujeme za volnou (v analýzách je označována H 2 O - ). Vodu, která unikne nad touto hranicí, považujeme za vodu vázanou (označení H 2 O + ) Dělení a charakteristika tříd mineralogického systému Jednotlivé druhy nerostů byly uspořádány do přehledného systému a to účelně podle jejich chemického složení a vnitřní stavby. Základní jednotky systému jsou třídy (9), skupiny, minerální druhy a jejich odrůdy. Počty minerálních druhů v jednotlivých třídách jsou různé. Druhově nejbohatší jsou křemičitany, dále fosforečnany, sulfidy atd. Druhově nejchudší jsou organické minerály a prvky. Třídy mineralogického systému I. Prvky II. III. IV. Sulfidy Halogenidy Oxidy a hydroxidy V. Uhličitany VI. VII. VIII. IX. Sírany Fosforečnany Křemičitany Organické nerosty Přírodní skla (nepatří do mineralogického systému) I. Prvky V přírodě existuje přes 20 nerostů tvořených samostatnými prvky. Dělí se na kovy: především jsou to měď, zlato, stříbro, železo, platina, nekovy: uhlík, síra, a polokovy: bismut, arsen, antimon. Ryzí kovy jsou v přírodě nápadné barvou, vysokou hustotou, mají kovový lesk, a jsou ohebné a kujné. Často jsou dobrými vodiči elektrického proudu. Nejvýznamnější nerosty: diamant, grafit (tuha), měď, stříbro, zlato, platina, síra. 17

18 Všeobecná a systematická mineralogie II. Sulfidy (sirníky) Sulfidy jsou soli kyseliny sirovodíkové (H 2 S). Sulfidy tvoří důležité rudy všech kovů. Mají většinou kovový lesk a vyšší hustotu. Vznikly většinou z horkých roztoků, často tvoří rudní žíly a poměrně snadno se rozkládají. Od ryzích kovů se liší hlavně tím, že nejsou kujné, jsou křehké. Nejvýznamnější nerosty: pyrit, sfalerit, galenit, rumělka, antimonit, chalkopyrit, markazit. III. Halogenidy (halovce) Halogenidy jsou sloučeniny fluoru, chloru, bromu a jodu. Halogenidy mají podobné vlastnosti: mají slanou nebo hořkou chuť, většinou jsou dobře rozpustné ve vodě a jejich vodné roztoky vedou velmi dobře elektrický proud. Mají vyšší teplotu tání, nemají kovový vzhled a mají dokonalou štěpnost. Nacházejí se nejčastěji v rozpuštěném stavu v moři. Při geologickém vývoji Země došlo k oddělení mořských zálivů od moře, tyto zálivy vyschly a vznikla obrovská solná ložiska. Fluorit vzniká také z horkých roztoků a nachází se v rudních žilách. Tudíž vznikají vysrážením z mořské vody nebo z hydrotermáních roztoků. Nejvýznamnější nerosty: sůl kamenná (halit), fluorit. IV. Oxidy a hydroxidy Oxidy jsou sloučeniny kyslíku. Patří sem nerosty navzájem odlišné vlastnostmi i způsobem vzniku a výskytu. V přírodě vznikají vylučováním z tavenin i roztoků. Tyto nerosty se vyznačují poměrně vysokou tvrdostí a hustotou. Hydroxidy ve své struktuře obsahují hydroxylové skupiny (OH - ) nebo molekuly vody. Z toho vyplývá i přítomnost mnohem slabších vazeb než je tomu u oxidů, a proto mají hydroxidy nižší tvrdost i hustotu. Nejvýznamnější nerosty: křemen, opál, korund, rutil, hematit, magnetit, uraninit, kasiterit (cínovec), chromit, limonit; hydrargillit (gibbsit), brucit, dispor, böehmit. V. Uhličitany (karbonáty) Uhličitany jsou soli kyseliny uhličité. Patří mezi běžné nerosty Zemské kůry. Lze je rozdělit na bezvodé a vodnaté. Mají výrazně nekovový vzhled. Nejdůležitějším zástupcem této skupiny je kalcit, který se vyskytuje také jako hornina (vápenec, mramor). Uhličitany jsou poměrně lehké a mají většinou světlé barvy, jen výjimečně jsou výrazně barevné (malachit, azurit). Zředěnými kyselinami se snadno rozkládají. Při reakci se uvolňuje CO 2. vznikají vylučováním z chladných i horkých roztoků (najdeme je v rudních žilách). Nejvýznamnější nerosty: kalcit, magnezit, dolomit, aragonit, siderit, malachit, azurit. VI. Sírany (sulfáty) Sírany jsou soli kyseliny sírové. Bývají obvykle světlé, průhledné nebo průsvitné a poměrně měkké. Obvykle je dělíme na bezvodé a vodnaté. Nerosty této třídy jsou v naprosté většině produkty zvětrávání. Vyskytují se jako usazeniny moří nebo jezer. V pouštích krystalují sírany ze vzlínající podzemní vody poblíž zemského povrchu a tvoří tak známé pouštní růže ze sádrovce. Výjimku tvoří baryt, který se vyskytuje v rudních žilách. Nejvýznamnější nerosty: anhydrit, baryt, modrá skalice, sádrovec. 18

19 Všeobecná a systematická mineralogie VII. Fosforečnany (fosfáty) Fosforečnany jsou soli kyseliny fosforečné. Minerály této skupiny lze rozdělit na bezvodé a vodnaté. Apatit a několik dalších minerálů fosforu jsou magmatického původu. Nejvýznamnější nerosty: apatit VIII. Křemičitany (silikáty) Křemičitany jsou sloučeniny oxidu křemičitého. Tyto minerály jsou největší třídou nerostů a jsou také nejdůležitější součástí ZK. Tvoří ji z 85 %. Jsou také součástí kamenných meteoritů. Důležité křemičitany jsou živce, slídy, granáty, amfiboly a pyroxeny (tedy téměř všechny horninotvorné nerosty). V přírodě jsou hojné a rozšířené především jako součást hornin. Křemičitany mohou mít velmi komplikované složení a strukturu. Mají rozmanité vlastnosti, nekovový vzhled, jsou zbarvené, a v tenkých lupíncích průhledné. Většinou jsou lehké, tvrdé (výjimka je mastek) a těžko tavitelné. V kyselinách se rozkládají jen málo nebo vůbec. Vznikají z magmatu nebo také zvětráváním jiných křemičitanů (kaolinit). Struktura křemičitanů Základní strukturní jednotkou jsou čtyřstěny. Jedná se o velmi pevnou vazbu, proto jsou to sloučeniny chemicky odolné, s vysokým bodem tání a většinou tvrdé. Na kyslících ve čtyřstěnech mohou být navázány další kationty (Ca, Mg, Fe, Na, K). Čtyřstěn neboli tetraedr (4 kyslíky okolo křemíku) představuje strukturu nesosilikátů. Pokud jsou ve struktuře tetraedry spojeny po dvou, jedná se o sorosilikáty, polymerizací do skupin vznikají cyklosilikáty, do řetězců pak inosilikáty, do vrstev fylosilikáty a prostorově polymerizují tektosilikáty. Rozdělení křemičitanů na podtřídy A Nesosilikáty B Sorosilikáty C Cyklosilikáty D Inosilikáty E Fylosilikáty F Tektosilikáty Charakteristika jednotlivých podtříd Keramicky nejzajímavější jsou podtřídy fylosilikáty a tektosilikáty, protože do těchto skupin patří jílové minerály plastických surovin a také minerály neplastických surovin. 8.A Nesosilikáty Nesosilikáty mají tetraedry v krystalové struktuře navzájem uloženy nezávisle. Nerosty této třídy se vyznačují poměrně velkou hustotou, vysokým indexem lomu a relativně vysokou tvrdostí (6,5 8). Patří sem většinou nerosty velmi stálé, chemicky a mechanicky nejodolnější. Nejvýznamnější nerosty: granát, olivín, topaz, mullit, zirkon, andaluzit, kyanit, sillimanit. 19

20 8.B Sorosilikáty Všeobecná a systematická mineralogie Tetraedry sorosilikátů se spojují do dvojic nebo jiných malých skupin tak, že sdílejí po jednom rohu, obsazeném jedním kyslíkem. Sorosilikáty mají spíše význam jako horninotvorné nerosty. Jejich průmyslové využití je spíše výjimečné. Nejvýznamnější nerosty: epidot, melilit. 8.C Cyklosilikáty Cyklosilikáty mají tetraedry spojeny do prstenců, které mohou být tří, čtyř a šestičlenné. Nejvýznamnější nerosty mají strukturu šestičlennou. Nejvýznamnější nerosty: beryl, cordierit, turmalín. 8.D Inosilikáty Inosilikáty mají tetraedry spojené vždy protilehlými rohy se dvěma dalšími tetraedry tak, že vytváří nekonečné řetězce, které mohou být jednoduché nebo dvojité, vzácněji i vícenásobné a ve struktuře jsou uloženy navzájem rovnoběžně. Podle typu řetězce rozeznáváme nerosty skupiny pyroxenů, které mají jednoduché řetězce, a nerosty skupiny amfibolů s dvojitými řetězci. Tyto nerosty se vyznačují zpravidla protáhlým, sloupcovitým, stéblovitým až vláknitým tvarem. Jednotlivé nerosty inosilikátů jsou si značně podobné. Inosilikáty jsou především významné horninotvorné nerosty a jejich průmyslové využití je velmi omezené. Nejvýznamnější nerosty: amfibol, augit, enstatit, spodumen. 8.E Fylosilikáty Tetraedry fylosilikátů polymerizují tak, že mají tři vrcholové kyslíky navzájem společné a vznikne tak rovinná síť tetraedrů. Pevná vazba mezi Si a O v tetraedrech a poměrně slabé vazby mezi vrstvami tetraedrů jsou příčinou některých fyzikálních vlastností fylosilikáty jsou výborně štěpné a to rovnoběžně s vrstvami tetraedrů. Až na výjimky mají u fylosilikátů všechny tetraedry v síti shodnou orientaci. Nejvýznamnější nerosty: biotit, muskovit, mastek, kaolinit, halloysit, montmorilonit, pyrofylit, vermikulit. 8.F Tektosilikáty Tektosilikáty mají tetraedry vázány do prostorové stavby sdílením všech vrcholů s dalšími tetraedry. Charakter vazby tetraedrů do prostorové struktury dává prostor vzniku dutin relativně velkých rozměrů, což se projevuje i na fyzikálních vlastnostech jako je poměrně nízká hustota a nízké hodnoty indexu lomu. Nejvýznamnější nerosty: albit, anortit, ortoklas, křemen, zeolity. IX. Organické minerály Organické minerály se liší od všech předchozích tříd původem, protože vznikly rozkladem organismů. Nejvýznamnějším zástupcem je jantar, který vznikl zkameněním pryskyřic třetihorních stromů. Přírodní skla Přírodní skla jsou látky sklovité povahy, které nemají jednotné chemické složení. Nejvýznamnější z nich jsou tektity skla spojovaná s kosmickými tělesy. České tektity se nazývají vltavíny, podle Vltavy, v jejímž povodí se nalézá většina jejich lokalit. 20

21 Všeobecná a systematická mineralogie Shrnutí pojmů kapitoly Po prostudování kapitoly by vám měly být jasné následující pojmy: fyzikální a chemické vlastnosti minerálů silikáty, jejich dělení, vlastnosti a zástupce. Otázky k probranému učivu 7. Jaké jsou metody stanovení hustoty? 8. Jaký je vztah mezi štěpností a lomem? 9. Jaký je rozdíl mezi pružností a plastičností? 10. Co je polymorfie a izomorfie, můžete uvést příklad takových nerostů? 11. Jak poznáme, že voda v nerostu je volná nebo vázaná? 12. Pro který z nerostů je typické, že se může vyskytovat také jako hornina? 13. Které minerály obsahuje ZK především? 14. Podle čeho přiřazujeme minerály do tříd mineralogického systému? 15. Jaká je základní struktura křemičitanů a jak se podle ní dále rozdělují? 16. Jaký význam mají v keramickém průmyslu fylosilikáty a tektosilikáty? Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu BERNARD, J.H., ROST, R. Encyklopedický přehled minerálů. Praha: Academia, HLAVÁČ, J. Základy technologie silikátů. Praha: SNTL, CHVÁTAL, M. Úvod do systematické mineralogie. Praha: Silikátový svaz, Mineralogie pro školy. In: Přírodovědecká fakulta UK v Praze [on-line]. [cit ]. Dostupné z: Zkouška tvrdosti podle Vickerse. [cit ]. Dostupné z: 21

22 Petrologie 3. Petrologie Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete vědět, jak vznikají horniny a jak je podle jejich vzniku dělíme umět rozlišovat a definovat pojmy vulkanismus a magmatismus a jejich podstatu chápat, jak vznikají základní keramické suroviny Výklad Podle způsobu vzniku a původu rozdělujeme horniny na: vyvřelé (vyvřeliny, eruptiva, magmatit) tvoří 95 % ZK usazené (sedimenty) pokrývají většinu povrchu Země přeměněné (metamorfity). Vyvřeliny vznikají krystalizací ze žhavotekuté taveniny, zvané magma. Minerály vyvřelin jsou křemen, živce, amfiboly, pyroxeny. Sedimenty vznikají zvětráváním již existujících hornin a následným přenosem a usazením zvětralého materiálu. Minerály usazenin jsou jílové minerály například kaolinit, vápenec, sádrovec. Přeměněné horniny se tvoří strukturní či minerální přestavbou již existujících hornin pod vlivem změny teploty nebo tlaku. Tvar a omezení minerálů v horninách vlastní omezení všechny nebo převážná většina ploch krystalu jsou dokonale vyvinuty, krystalizovaly jako první částečně cizí omezení některé plochy se nevyvinuly (vadily jim ostatní krystaly) cizí omezení nejsou vyvinuty žádné krystaly, plochy jsou tvořeny cizími krystaly, krystalizovaly jako poslední 3.1. Vyvřelé horniny Vyvřeliny jsou produktem sopečné činnosti a vznikají z magmatu. Magma je roztok roztavených hornin uvnitř Země, který se po vylití na povrch se nazývá láva. Podle barvy dělíme lávu (vyvřeliny) následovně: světlá obsahuje větší procento SiO 2 je kyselá, má vysokou viskozitu, vytváří homole, má vyšší bod tání tmavá obsahuje méně SiO 2, hlavně živce, pyroxeny, amfiboly je zásaditá, má nízkou viskozitu, vytváří kupy, má nízký bod tání. Existují dva způsoby, kterými láva vytéká na povrch a s tím souvisí také typ sopky, který vzniká: 22

23 Petrologie bez výbuchu láva obsahuje málo bublin (efuzivní vulkanismus), vznikají při tom víceméně ploché sopky o velkém průměru, tzv. štítové sopky s výbuchem láva je rozmetána do okolí tlakem plynů, obsahuje bubliny, vznikají pyroklastika (explozivní vulkanismus), vznikají sopky vulkánového typu. Sopka, jejíž kužel je tvořen vyléváním lávy a hromaděním pyroklastik se nazývá stratovulkán. Pyroklastika představují lávový materiál, roztříštěný sopečnou explozí na částice rozmanité velikosti. Mezi vyvřelé horniny se řadí žula, gabro, pegmatity, čedič, znělec. Vyvřeliny podle velikosti krystalů a zástupci jednotlivých skupin horniny hlubinné magma tuhlo velmi pomalu, velké krystaly, tvoří rozsáhlá podpovrchová tělesa plutony, typickým příkladem jsou žuly, gabra horniny podpovrchové magma zpočátku tuhlo v hloubce pomalu, a když se dostalo na povrch tuhlo rychle, vzniká porfyrická struktura, tzn. velké krystaly jsou obklopeny krystaly menšími nebo dokonce sklovinou, tvoří doprovod hlubinných těles, vznikají v menších hloubkách pod povrchem, tvoří žíly, lakolity, příkladem jsou pegmatity horniny výlevné jsou tvořeny malými krystalky nebo sklovitou strukturou, příkladem jsou znělec a čedič Magmatismus Tavením hornin za vysokých teplot a tlaků ve spodní kůře a svrchním plášti vzniká tavenina magma, jejíž hustota je nižší než hustota hornin ve stejné hloubce v tuhém stavu. Magma proto postupně vystupuje k povrchu. Tento proces označujeme jako intruzivní magmatismus (intruze), pokud magma nedosáhne zemského povrchu. Intruzivní tělesa lakolity žilná, bochníkovitá tělesa, vzniklá vyklenutím pláště pod tlakem většinou kyselého magmatu žíly pravé, nepravé pně malá intruzivní tělesa, která mají suboválný obrys a u nichž, podobně jako u batolitů, zpravidla není známo podloží batolity a plutony největší a nejdůležitější hlubinná tělesa, většinou granitoidních hornin, petrograficky i strukturně značně nejednotná, zakořeněná jsou v hlubších částech ZK, takže je jejich podloží neznámé Pokud magma na zemský povrch vystoupí, jedná se o extruzivní magmatismus vulkanismus. Extruzivní tělesa lávové příkrovy, lávové proudy, pyroklastika, vulkanické a výtlačné kupy Projevy sopečné činnosti plynné H 2 S, SO 2, páry síry, chlor, HCl, CO 2, CO, páry vody kapalné láva pevné sopečné bomby, lapilli, sopečný písek a popel Zbytkovými projevy sopečné činnosti jsou vřídla a gejzíry. 23

24 3.2. Usazené horniny Petrologie Na rozdíl od vyvřelin, které jsou horninami prvotními, se usazeniny a ostatní typy hornin z nich odvodily až druhotně. Usazeniny vznikly větráním vyvřelých, přeměněných a jiných usazených hornin. Podle posouzení plošného rozšíření typů hornin na zemském povrchu jsou převládající horninou sedimenty. Mezi usazeniny se řadí následující horniny: suť, štěrk, brekcie, slepenec, písek, pískovce, křemence, spraš, jíly, lupky a další. Ke vzniku sedimentu je třeba několika na sebe navazujících pochodů. Vznik sedimentu zvětrávání odnos usazování zpevňování Zvětrávání Zvětrávání zahrnuje pochody vedoucí na zemském povrchu k rozpadu již existujících hornin. Existuje několik typů zvětrávání: Odnos Usazování mechanické hornina se rozpadá, aniž se mění její chemické složení, způsobují ho rozdíly teplot (roztavování + smršťování, mráz + voda ve skulinách, otěr, voda, vítr, písek) biologické způsobují ho kořeny rostlin, živočichové žížaly, podíl mají i bakterie a nejnižší živočichové chemické dochází ke změnám složení samotné horniny, účinky chemického zvětrávání se zvyšující s teplotou, je vyvoláno především vodou a látkami v ní rozpuštěnými (zejména CO 2, O 2, hydratací vodou), ke vzniku usazenin dochází i odpařováním vody (ložiska soli) nebo změnou ph vody, velkou roli při tomto způsobu zvětrávání hraje i hydrolýza, chemický proces, při kterém se složité chemické sloučeniny štěpí vlivem disociační schopnosti vody, štěpí se tak i prakticky nerozpustné minerály jako jsou silikáty například ve vlhkém klimatu vznikají ze živců vodnaté hlinitokřemičitany kaolinit. Zpevňování vlastní vahou pád shora, sesouvání větrem, vodou, ledem dochází k němu, když pominou síly unášecí, síly způsobující odnos (zpomalení proudu vody, větru) bezprostředně po usazení bývá materiál sypký, tvárlivý, nezpevněný dochází ke slehávání hlavně tlakem nadložních vrstev, což je spojené se snižováním pórovitosti, případně dochází ke snižování množství vody nebo může docházet ke stmelování úlomků. 24

25 Petrologie Tmely jílový vápencový železitý křemičitý nejpevnější Uložení usazených hornin Primární struktury sedimentů jsou vrstvy a soubory vrstev. Typickým znakem většiny sedimentárních hornin je vrstevnatost, což je schopnost členění na víceméně zřetelná deskovitá tělesa vrstvy. Vrstva Vrstva je deskovité těleso, víceméně stejného složení, které je Vůči svému nadloží a spodní vrstvě přibližně v horizontální poloze. Vrstvu mohou tvořit horniny vyvřelé, usazeniny i metamorfované. Mocnost Souvrství Označuje tloušťku vrstvy. Opakují-li se vrstvy přibližně stejného složení, mluvíme o souborech vrstev neboli souvrství. Komplexu vrstev, postupně na sebe uložených, říkáme vrstevní sled. Uložení vrstev v souvrství pak může být souhlasné nebo nesouhlasné, které vzniká tak, že po usazení prvních vrstev došlo k pohybu v ZK vrstvy jsou šikmé, pak usazování pokračovalo. Nadloží Vrstva nebo těleso nad danou vrstvou se označuje jako nadloží. Opakem nadloží je podloží. Rozdělení sedimentů Podle velikosti částic: Podle vzniku: úlomkovité (nad 2 mm) písčité (0,05-2 mm) prachové (0,002-0,05 mm) jílovité (menší než 0,002 mm). mechanické písek chemické sádrovec biologické (organogenní) křemelina, křída Přeměněné horniny Přeměněné horniny (metamorfity) vznikají z vyvřelin i usazenin všesměrnými tlaky a vysokými teplotami. Při všesměrném tlaku nemůže být hornina rozdrcena. I když je hornina pevná, dochází k přeskupování vazeb a hornina se chová jako plastická. Textura je uspořádání částic v horninách. Uspořádání částic bývá většinou rovnoběžné, což vede k odlučnosti v deskách, plástech, vrstvách, někdy je i stébelnatá. 25

26 Petrologie Přeměněné horniny jsou především ortobřidlice a parabřidlice. Shrnutí pojmů kapitoly Po prostudování kapitoly by vám měly být jasné následující pojmy: vyvřelina, sediment a metamorfit magma, láva, vulkanismus, magmatismus druhy zvětrávání Otázky k probranému učivu 17. Jak vznikají vyvřeliny, usazeniny a přeměněné horniny a jaké jsou jejich hlavní minerály? 18. Jaké rozeznáváme druhy lávy, respektive vyvřelin podle barvy? 19. Jak vzniká štítová nebo vulkánová sopka? 20. K čemu dochází při procesu zvětrávání? 21. Vyjmenujte alespoň jednoho zástupce každého druhu sedimentu podle jejich vzniku. 22. Které horniny označujeme jako prvotní, a které jako druhotné a proč? Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu HLAVÁČ, J. Základy technologie silikátů. Praha: SNTL, KONTA, J. Keramické a sklářské suroviny. Praha: Univerzita Karlova,

27 Keramické suroviny 4. Keramické suroviny Čas ke studiu: 12 hodin Cíl Po prostudování tohoto odstavce pochopíte, proč rozdělujeme keramické suroviny prvotně na plastické a neplastické dozvíte se, jakou podobnost mají jíly, hlíny a písky budete umět vysvětlit, proč právě jílové minerály mají zásadní význam pro výrobu keramiky, a které jsou ty nejdůležitější budete vědět, jakou mají jílové minerály strukturu a jak vznikají dozvíte se, jakou funkci jednotlivé druhy surovin při výrobě keramiky zastávají pochopíte, jaké pochody a reakce se dějí se surovinami při jejich zahřívání budete se orientovat v surovinách přírodních, umělých, pomocných a druhotných Výklad Keramické suroviny jsou minerály nebo horniny, které se používají k výrobě keramických výrobků. Základní rozdělení keramických surovin je na: plastické jíly, hlíny, kaoliny neplastické ostřiva, taviva. První dvě skupiny zahrnují vesměs suroviny přírodní, ke kterým díky rostoucím nárokům na kvalitu a čistotu surovin přibyly suroviny vyrobené průmyslově. Neodmyslitelné jsou také materiály, které nejsou přímo součástí výrobní hmoty nebo nemají po výpalu výrobku rozhodující vliv na jeho vlastnosti. V současnosti je také aktuální trend ve zpracování odpadních surovin z jiných průmyslových odvětví. Proto můžeme dále rozlišit ještě tyto suroviny: syntetické oxidy, neoxidové materiály pomocné sádra, šelak, mýdla, epoxidové pryskyřice, voda, atd. druhotné vysokopecní struska, elektrárenský popílek, keramický výmět Plastické suroviny Plastické suroviny tvoří po přídavku určitého množství vody plastické těsto. Plastické těsto se dá vnějšími silami trvale deformovat bez porušení celistvosti. Tedy působením vnějších sil je lze tvarovat, a jakmile vnější síly přestanou působit, zachová si tvar, který mu byl těmito silami dán. 27

28 Keramické suroviny Klasifikace plastických surovin Podmínkou plastických vlastností surovin je vysoká disperznost (jemnost) materiálu a přítomnost jílových minerálů (pro jejich schopnost vázat na svém povrchu vodu a různé ionty a vyměňovat je s ionty okolního prostředí. Plastické suroviny patří z hlediska zrnitosti do skupiny jemnozemí. Jemnozemě jsou zeminy, které vznikly zvětráváním hornin a mají částice o velikosti do 2 mm. Jsou tvořeny třemi podíly, které jsou vymezeny velikostí částic. pískovina 2 mm až 0,05 mm prachovina 0,05 mm až 0,002 mm jílovina menší než 0,002 mm (2 m) Jílovina je nejjemnější podíl jemnozemí a je tvořena především částicemi jílových minerálů. Její obsah je z hlediska klasifikace plastických surovin nejdůležitějším faktorem. Ze surovin zahrnutých v diagramu jemnozemí, patří mezi plastické suroviny jíly, hlíny a spraše. Jíly Jíly jsou jemnozemě s obsahem jíloviny vyšším než 50 %. Hlíny a spraše Hlíny a spraše jsou jemnozemě s % jíloviny. Liší se od sebe obsahem ostatních podílů. Spraše obsahují více prachoviny, hlíny obsahují více pískoviny. Písky a prachy Písky a prachy jsou jemnozemě s 20 % jíloviny a vzájemně se liší podílem pískoviny a prachoviny. V píscích převažuje pískovina, prachy mají naopak vysoký podíl prachoviny. Schematicky lze jemnozemě znázornit a rozdělit následujícím způsobem (viz obr. 4). Obr. 4. Schematické rozdělení jemnozemí. 28

29 Keramické suroviny Jílové minerály Jílové minerály rozdělujeme do 3 základních skupin utvořených podle chemického a mineralogického složení minerálů v ní zařazených. Jejich přehled uvádí obrázek 5. Z hlediska keramického jsou nejdůležitější nerosty sialitické, protože z nich především jsou složeny hlíny, jíly a kaoliny. skupina nerost vzorec výskyt Illity - Illitické jíly slídy SIALITY (Si-Al) Kaolinit Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O surový kaolin jíly vodnaté křemičitany jílovce (lupky) hlinité halloysit Halloysit Al 2 O 3.2SiO 2.4H 2 O halloysitický jíl Montmorillonit Al 2 O 3.4SiO 2.nH 2 O bentonit montmorilonitický jíl ALITY (Al) Böhmit, Diaspor, bauxit Al hydráty hlinité Hydrargylit 2 O 3.3H 2 O laterity SIMGITY (Si-Mg) vodnaté křemičitany hořečnaté Mastek 3MgO.4SiO 2.H 2 O - Obr. 5. Přehled jílových minerálů. Struktura jílových minerálů Jílové minerály jsou charakteristickou složkou plastických keramických surovin. Jsou nositeli vlastností typických pro plastické suroviny plastičnost, ztekutitelnost, pevnost a bobtnavost. Mají vrstevnatou strukturu a velmi jemné částice. Po chemické stránce jsou to hlinitokřemičitany, které mají ve struktuře hydroxidové skupiny. Druh a struktura jílového minerálu obsaženého v plastické surovině a velikost a tvar částic určují vlastnosti suroviny. Struktura jílových minerálů je tvořena vrstvami tetraedrů, v nichž je křemíkový atom obklopen čtyřmi atomy kyslíku, a vrstvami oktaedrů, kde je hliníkový atom obklopen šesti atomy kyslíku. Jílové minerály mají obvykle strukturu dvojvrstvou nebo trojvrstvou. U dvouvrstvých minerálů se střídá vždy jedna vrstva tetraedrů a jedna vrstva oktaedrů (dvojvrství), u trojvrstvých minerálů je vždy obklopena jedna vrstva oktaedrů vrstvami tetraedrů (trojvrství). Základní dvojvrství nebo trojvrství jsou uvnitř vázána pevnými iontově kovalentními vazbami, zatímco jednotlivá souvrství jsou mezi sebou vázána jen slabými Van der Wallsovými silami. To je důvod, proč mají jílové minerály charakteristický destičkovitý tvar částic a štěpnost po vrstvách. Voda je v jílových minerálech vázána v podobě hydroxidových skupin nebo molekulárně v prostorách mezi souvrstvími. Podle uspořádání základních útvarů se jílové minerály dělí na: dvojvrstvé kaolinit, halloysit, (dickit, nakrit) trojvrstvé montmorillonit, illity. 29

30 Keramické suroviny Vznik jílových minerálů Jílové minerály vznikají jako produkty zvětrávání vyvřelin (žula, čedič), metamorfitů (rula, svor) i sedimentů (živcové arkózy). Hlavními složkami zmíněných hornin jsou živce, křemen, slída. Zrna křemene jsou naleptávána alkalickými roztoky, draslík může být navázán na mřížku vznikajícího illitu, sodík je odnášen a hromadí se v mořích (NaCl). Dále se uvolňuje hořčík a vápník, které se částečně váží na vznikající montmorillonit, křemík vstupuje do struktury uvedených minerálů a kaolinitu. Slídy postupně přecházejí na illit. Kaolinizace K Podle podmínek zvětrávání a typu horniny vznikají tyto základní jílové minerály: skupina kaolinitu minerály vznikají zvětráváním živců (především draselných), žul a rul v kyselém prostředí (ph 4-5) při poměru Al 2 O 3 :SiO 2 1:2 skupina montmorillonitu minerály vznikají zvětráváním živců (sodnovápenatých) ze sopečných vyvřelin a tufů (láva+popel) v zásaditém prostředí a poměru Al 2 O 3 :SiO 2 1:3 až 4 skupina illitu minerály vznikají v počátečním stádiu zvětrávání živců na kaolinit nebo montmorillonit. Kaolinizace je proces vzniku kaolinitu, který můžeme vyjádřit pomocí rovnice takto: 2O Al 2O3 SiO2 CO2 2H 2O Al 2O3 2SiO2 2H 2O K2CO3 4 Draselný živec Kaolinit 6 SiO Nejprve dochází k hydrataci živce vznikají jako přechodná fáze nerosty příbuzné slídám, vyplavuje se K 2 CO 3. Po další hydrataci dochází k dalšímu vyluhování K 2 CO 3 a vzniku kaolinitu. Surový kaolin je přeměněná hornina, bílá až žlutá, která obsahuje % kaolinitu (výplav bývá okolo 30 %). Převážnou část tvoří křemičitý písek, který se po vyplavení používá ve stavebnictví. Příměsi, které jsou v surovém kaolinu přítomny, jsou % písek, slída, sloučeniny železa. Uložení a těžba kaolinu Kaolin je uložen ve třech zónách. Základ tvoří žula, která je směrem k povrchu stále více kaolinizovaná. spodní zóna v kaolinu zde zůstávají částečně živcová zrna a biotit druhá zóna zůstávají jen největší zrna živců, biotit je rozložen a je zdrojem Fe horní zóna živce a biotit jsou rozloženy Kaolin se těží z nejvrchnější zóny. Nad nejvrchnější zónou může být vyplavený kaolin (nejkvalitnější) a nad ním je ještě nadloží tvořené ornicí. Vysokoteplotní reakce jílových minerálů Všechny jílové minerály prodělávají při zahřívání na vysoké teploty postupně četné chemické a strukturní přeměny. Zjišťují se pomocí DTA diferenční termické analýzy. Zjednodušeně řečeno se porovnává teplota ve vzorku kaolinu s teplotou vzorku Al 2 O 3, ve kterém neprobíhá žádná reakce. Při endotermické reakci roste teplota kaolinu pomaleji, tzn. prodlévá směrem dolů, při exotermické reakci je tomu naopak. 2 30