Fyzikální a chemické vlastnosti minerálů Cvičení 1GEPE + 1GEO1 1
Pro popis a charakteristiku minerálních druhů je třeba zná jejich základní fyzikální a chemické vlastnosti. Tyto vlastnosti slouží k přesné klasifikaci minerálu do hierarchického systému a k jeho snadné determinaci Mezi fyzikální vlastnosti patří: tvar agregátu, tvrdost, štěpnost, lom, struktura, optické vlastnosti, barva, lesk, vodivost, magnetismus aj. Mezi chemické vlastnosti patří: rozpustnost ve vodě a v kyselinách, žíhání v plameni, zkouška žíháním v baňce a na dřevěném uhlí aj. 2
Krystalografické soustavy Krystalografická soustava je jeden ze sedmi základních typů symetrie v krystalové mřížce. V krystalické mřížce se v trojrozměrném prostoru kombinují prvky bodové symetrie a translace. Prvky nelze kombinovat libovolně, neboť jsou vzájemně závislé, počet kombinací je tedy omezený. Z celkového počtu 230 grup (kombinací prvků symetrie) lze vybrat skupiny, které jsou typické jen pro tyto soustavy. Elementární buňka je popsána velikostí hran a úhly, které mezi sebou svírají. Získáme tak sedm krystalografických soustav: trojklonná (triklinická), jednoklonná (monoklinická), kosočtverečná (ortorombická), čtverečná (tetragonální), šesterečná (hexagonální), 3 klencová (trigonální), krychlová (kubická)
Obr. 1. Poměr úhlů a stran u krystalografických soustav: jednoklonná, trojklonná, kosočtverečná, čtverečná, šesterečná, klencová, krychlová 4
Obr. 2. Jednoklonná s. - sádrovec Obr. 3. Trojklonná s. - axinit Obr. 4. Kosočtverečná s. - baryt Obr. 5. Čtverečná s. - idokras 5
Obr. 6. Šesterečná s. - beryl Obr. 7. Klencová s. - kalcit Obr. 8. Krychlová s. - pyrit 6
Krystalové agregáty Nejčastější formou výskytu minerálů jsou krystalické agregáty. Jedná se o náhodné srůsty velkého množství krystalů, které obvykle beze zbytku vyplňují prostor. Označování a popis agregátů nejsou zcela jednoznačné, používají se nejrůznější názvy a typy charakteristik. Mezi nejčastěji používané pojmy patří následující: zrnité označení hrubě, středně a jemně zrnitý závisí na velikosti jednotlivých krystalových zrn v agregátu celistvé (masivní) jednotlivá zrna (krystalky) nejsou viditelná pouhým okem stébelnaté zpravidla soubor sloupcovitých jedinců jehlicovité nebo vláknité jsou tvořena tenkými jehličkami nebo vlákny minerálu, např. azbesty radiálně paprsčité vlákna mají koncentrickou stavbu ledvinité sferolitické oolitické složené z drobných kuliček lupenité typické především pro fylosilikáty snopkovité krápníkovité dendritické drátkovité nebo plíškovité jsou typické především pro ryzí kovy 7
Obr. 9. Příklady krystalických agregátů: a. zrnitý, b. stébelnatý, c. lupenitý, d. oolitický, e. konkrece, f., g. dendritický, keříčkovitý, h. pórovitý, i. krápníkovitý 8
Tvrdost Vyjadřuje míru odolnosti povrchu minerálu vůči pronikání cizího předmětu. Při vyhodnocování tvrdosti sledujeme reakci krystalové struktury na působící tlak bez vzniku poruch. V kovových krystalech je výsledkem (vzhledem k jejich plasticitě) rýha. Křehké materiály s kovalentní a iontovou vazbou mohou na test tvrdosti reagovat vznikem mikroporuch. Obecně lze říci, že hodnoty tvrdosti stoupají, jsou-li ve struktuře zastoupeny ionty s vyššími valencemi, vyššími koordinačními čísly a struktura vykazuje vysokou hustotou směstnání stavebních částic. Vyšší tvrdost také zpravidla vykazují minerály s převahou kovalentních vazeb ve struktuře. Hodnoty tvrdosti snižuje především přítomnost hydroxylových skupin a molekul vody ve struktuře a také přítomnost mikroinkluzí a mikroporuch. 9
Při určování relativní tvrdosti, kdy zkoušíme rýpat do minerálu, musíme být velmi obezřetní, abychom k této zkoušce použili čerstvý lom. Při určování relativní tvrdosti můžeme použít některé pomůcky: rýpeme-li do minerálu nehtem má tvrdost nižší než 2 měděná mince rýpe do minerálů o tvrdosti max. 3 nožem lze rýpat do minerálů s tvrdostí max. 5 ocelovým drátem rýpneme do minerálu s max. tvrdostí 5,5. tvrdost běžného okenního skla je asi 6,5 Tvrdost je veličina s vektorovými vlastnostmi. Některé krystaly vykazují hodnoty tvrdosti, která závisí na směru zkoušky. Klasickým příkladem je kyanit, který má v ploše (100) ve směru [001] tvrdost 4,5, ve směru [010] tvrdost 6,5 a v ploše (010) ve směru [100] tvrdost 7. 10
Obr. 10. Mohsova stupnice tvrdosti 11
Štěpnost Vlastnost minerálu lámat se paralelně s určitou rovinou atomů. Štěpnost je úzce svázána s anizotropií vazebných sil, směr štěpnosti je závislý na nejslabších vazbách ve struktuře minerálu. Tyto vazby mají zároveň největší vazebnou délku a umožňují tak vzniku systému štěpnosti kolmo na toto oslabení. Pokud chceme štěpnost definovat, musíme udat její kvalitu a krystalografický směr. Směr udáváme označením např. kubická, oktaedrická, prizmatická nebo pinakoidální štěpnost. Kvalitu štěpnosti určujeme subjektivně a posuzujeme množství, délku a zřetelnost štěpných trhlin na povrchu minerálu. Nejčastěji se vyjadřuje těmito termíny: velmi dokonalá, dokonalá, dobrá, nedokonalá, velmi nedokonalá, chybějící 12
Obr. 11. Ukázka štěpnosti a. muskovitu, b. galenitu, c. kalcitu Obr. 12. Princip štěpnosti 13
Obr. 13. Velmi dokonalá štěpnost kalcitu Obr. 14. Dokonalá štěpnost barytu Obr. 15. Dobrá štěpnost pyroxenu 14
Lom V některých krystalech je pevnost vazeb ve všech směrech přibližně stejná - neexistuje zde směr méně pevných vazeb. Působíme-li na takové krystaly dostatečně velkou silou tak, abychom překročili mez plastické deformace, vzniknou lomné plochy, které nesledují žádný krystalografický směr. Podle vzhledu lomné plochy můžeme rozlišit např. následující typy: lom lasturnatý - hladký, zahnutý lom ve tvaru lastury lom vláknitý nebo třískovitý lom hákovitý - rozeklaný lom s ostrými hranami lom nerovný nebo nepravidelný - tvořen je drsnými a nepravidelnými plochami 15
Obr. 17. Princip lomu Obr. 16. Lasturnatý lom opálu 16
Soudržnost Fyzikální vlastnost, vyjadřující odolnost minerálu vůči lámání, trhání, ohýbání a drcení. Pro její vyjádření používáme následující termíny: Křehký minerál se velmi snadno poruší a rozpráškuje. Tato soudržnost je charakteristická pro krystaly s převážně iontovou vazbou. Kujný minerál lze kovat do tenkých lístečků. Řezatelný minerál lze krájet nožem. Tažný minerál lze vytáhnout do formy drátu. Kujnost, řezatelnost a tažnost jsou typické pro minerály s kovovou vazbou. Ohebný pokud minerál ohýbáme a nevrátí se do původního stavu ani po odeznění působících sil. Např. vrstvy chloritu a mastku. Pružný minerál se po deformaci opět vrátí do své původní pozice. Příkladem mohou být slídy. 17
Barva Vnímání barvy může být za určitých okolností problematické, takže exaktní reprodukovatelné posouzení barvy pouhým okem pozorovatele je velice obtížné. Člověk je schopen rozlišit cca 1 mil. barev. Původní barva minerálu je často překryta barvou pigmentu. Pigment tvoří heterogenní inkluze v minerálu, nejčastěji jsou to velmi jemné částice hematitu nebo chloritu. Rozlišujeme nerosty barevné, bezbarvé a zbarvené. u barevných nerostů je barva velmi stálá (magnetit - černý, malachit - zelený, azurit modrý). Stejnou barvu jako minerál mívá obvykle i jeho vryp. (Výjimkou je pyrit). jako bezbarvé nerosty označujeme ty, které jsou čiré a mají bílý vryp. zbarvené nerosty jsou zbarveny díky různým příměsím, ale jejich vryp zůstává bílý, šedý nebo jen slabě zabarvený. 18
Barva vrypu Jako barva vrypu se posuzuje barva jemného prášku minerálu, který za sebou zanechá otíráním (rýpáním) na neglazurované porcelánové destičce. Barva vrypu může být důležitou pomůckou při určování minerálu. Barva minerálu a barva jeho vrypu se nemusí shodovat. Např. barva vrypu hematitu je vždy červenohnědá, ačkoliv je hematit makroskopicky často černý. 19
Obr. 18. Barva vrypu rumělky a pyritu Obr. 19. Použití keramických destiček v závislosti na barvě minerálu 20
Mnohobarevnost (pleurochroismus) Mnohobarevnost můžeme okem pozorovat jen u některých minerálů. Jejich krystaly při natáčení mění barvu (např. turmalín, rubín, safír). Nejlépe lze tuto vlastnost v polarizačním mikroskopu. Propustnost světla Podle propustnosti světla rozlišujeme nerosty průhledné, průsvitné a neprůsvitné čiré - průhledné bezbarvé minerály dokonale propouštějící světlo (křišťál) průhledné zbarvené minerály dokonale propouštějí světlo i ve velmi silné vrstvě (většina drahokamů: safír, smaragd aj.) průsvitné - propouští světlo částečně, jsou neprůhledné neprůhledné takřka nepropouštějí světlo, pohlcují téměř všechny paprsky opakní - nepropouštějí světlo vůbec ani v nepatrných vrstvách (grafit, ryzí kovy, magnetit aj.). 21
Lesk Vlastnost povrchu minerálu, která vyjadřuje jeho chování v odraženém světle. Rozhodujícím kritériem je převažující typ vazby v minerálu. Kovový u minerálů s převahou kovové vazby diamantový silný lesk minerálů zpravidla s indexem světelného lomu větším než 1,9 skelný odpovídá lesku skla, je typický pro většinu minerálů mastný připomíná lesk mastného papíru perleťový zpravidla se objevuje na plochách dokonalé štěpnosti hedvábný je typický pro vláknité agregáty 22
Fluorescence a fosforescence Minerály, které vykazují luminiscenci během ozařování UV, RTG nebo katodovým zářením, se označují jako fluorescentní. Pokud luminiscenční jevy pokračují i po ukončení ozařování, označujeme jev jako fosforescenci. Mezi oběma jevy neexistuje ostrá hranice. Barva emitované fluorescence (popřípadě její viditelnost) je závislá na energii budícího záření a chemickém složení minerálu. Fluoreskující záření má vždy nižší energii a delší vlnovou délku než záření budící. Termoluminiscence Jde o analogický jev předchozímu, ale k aktivaci dochází ohřevem minerálu. Vykazují ji např. kalcit, apatit nebo skapolit. Triboluminiscence K luminiscenci dochází při mechanickém rozrušování minerálu. Příkladem takových minerálů jsou fluorit, sfalerit nebo lepidolit. 23
Obr. 20. Fluorescence kalcitu v UV záření Obr. 21. Fosforescence kalcitu Obr. 22. Termoluminiscence kalcitového krystalu Obr. 23. Triboluminiscence křemene 24
Elektrické vlastnosti minerálů Odvíjí se od jejich elektrické vodivosti, kterou v krystalech mohou způsobovat pohybující se elektrony, ionty nebo místa s chybějícími elektrony. Podle hodnoty elektrické vodivosti obvykle dělíme krystaly na vodiče, polovodiče a izolanty (dielektrika). U některých minerálů jsou patrné piezoelektrické vlastnosti. Takové minerály jsou schopny hromadit elektrony na jednom konci polární osy, takže na opačných koncích krystalu vzniká negativní a pozitivní náboj. Pokud je na konce takovéhoto krystalu vkládáno napětí, začne mechanicky vibrovat. Velmi často se takto využívá křemene (např. oscilátor v hodinkách) nebo turmalínu. Podobným jevem jsou pyroelektrické vlastnosti, kdy hromadění náboje na opačných koncích polární osy krystalu je vyvoláno změnou teploty krystalu. 25
Magnetické vlastnosti minerálů Magnetické vlastnosti závisí na uspořádáním elektronů ve struktuře atomového obalu a to především na čtvrtém kvantovém čísle, které se označuje jako spinové. Minerály, v jejichž atomech jsou všechny orbitaly párově obsazeny, nereagují na magnetické pole a označujeme je jako diamagnetické. Minerály paramagnetické mají tendenci se uspořádat vzhledem k vnějšímu magnetickému poli a vzniká magnetický dipól, který ale zmizí po odstranění tohoto pole. Příkladem takových minerálů je olivín nebo augit. Minerály ferromagnetické se při vložení do magnetického pole stávají magnetickými, ale po odstranění magnetického pole si svoje uspořádání zachovávají a chovají se jako permanentní magnet. Ferrimagnetické minerály působí jako permanentní magnet i bez předchozího vystavení magnetickému poli. Takové chování vykazuje např. magnetit, ilmenit nebo pyrhotin. 26
Hustota Hustota udává, kolikrát je určitý objem minerálu těžší, než stejný objem čisté vody při 4 C. Z fyzikálního pohledu je hustota rovna poměru hmotnosti a objemu daného minerálu. Tato veličina je v některých případech velmi důležitým identifikačním znakem. Hustota krystalické látky závisí na dvou faktorech: na typu atomů, které se uplatňují ve struktuře na typu uspořádání těchto atomů 27
Hustota Minerály se skládají z malých částic - atomů iontů a molekul. Chemické složení minerálů se vyjadřuje chemickou značkou (síra - S) nebo chemickým vzorcem (galenit - PbS). Minerály se rozdělují podle chemického složení a vnitřní stavby do devíti tříd mineralogického systému. Polymorfie (mnohotvarost) Polymorfní nerosty mají stejné chemické složení, ale vznikly za různých podmínek. Mohou proto krystalovat v různých soustavách. Př.: C: diamant - grafit, CaCO 3 : kalcit - aragonit, FeS 2 : pyrit - markazit. 28
Izomorfie Izomorfní minerály mají různé složení, ale stejné (nebo velmi podobné) vlastnosti. Izomorfní minerály tvoří přirozené řady, např. uhličitany kalcitové řady: kalcit CaCO 3 - magnezit MgCO 3 - siderit FeCO 3. Stavební částice izomorfních minerálů se mohou ve struktuře navzájem zastupovat, proto se v příroděčasto setkáváme s kalcitem, který obsahuje také hořčík (tzv. hořečnatý kalcit). Reakce s kyselinami Nejčastěji se používá reakce se zředěnou kyselinou chlorovodíkovou (HCl) k důkazu uhličitanů. Tato reakce probíhá u některých uhličitanů za studena (kalcit, aragonit), u jiných je třeba úlomek minerálu v kyselině zahřát (ve zkumavce). Zlato se rozpouští v lučavce královské (směs kyseliny dusičné (HNO 3 ) a kyseliny chlorovodíkové (HCl)). 29
30
Barvení plamene Řada prvků význačně barví plamen. U některých nerostů dochází k barvení plamene již při vsunutí vzorku do plamene, jiné musíme nejprve ovlhčit kyselinou. Většinou používáme zředěnou kyselinu chlorovodíkovou. 31