Systematická mineralogie Prof. RNDr. Milan Novák, CSc. Základy krystalové chemie •Osnova přednášky: 1.Co je minerál a mineralogický systém (základy krystalové chemie). 2.Prvky v minerálech 3.Krystalochemický vzorec 4.Polyedry ve struktuře 5.Substituce 6.Polymerizace polyedrů (tetraedrů) 1. Co je minerál? •Anorganická stejnorodá přírodnina, jejíž složení lze vyjádřit chemickým vzorcem a která má téměř vždy jasně definovanou krystalovou strukturu. Minerály mají téměř vždy pevné skupenství, vznikají především přírodními pochody, ale i za působení člověka. • •Základem definice každého minerálu jsou tedy specifická krystalová struktura a specifické chemické složení. Atomy jednotlivých prvků nejsou uspořádány ve krystalové struktuře minerálů náhodně a pro jejich vstup do krystalové struktury platí řada pravidel. • pyrite%20pic%205%20bk fe_str Pyrit – krystal - krystalová struktura 1. Co je minerál? 0924566001149801563 http://www.museum.mineral.cz/mineraly/achaty/ost_velke/080.jpg TUC2004-25namibaquab2.jpg (40800 bytes) akvamarín rhodonit chalcedon-achát 1. Co je minerál? kaolinit nontronit s bakteriemi schwertmanit 1. Co je minerál? kalcit apatit opál magnetit v bakterii 1. Mineralogický systém •Důležité horninotvorné minerály • • Pyroxeny • Amfiboly • Slídy • Zeolity • Vybrané nesosilikáty, sorosilikáty, cyklosilikáty a tektosilikáty • 2. Prvky v minerálech •Do minerálů vstupují všechny prvky známé v přírodě. Tyto prvky si můžeme rozdělit do dvou základních skupin: • •kationy • jsou elektropozitivní • mají relativně malý iontový poloměr ve srovnání s anionty • mají různé valence • podle velikosti iontového poloměru se liší koordinačním číslem • např. XIICs+, IXNa+, VIIICa2+, VIMg2+, VI nebo IVAl3+, IVSi4+, IVP5+, IIIB3+ • •Koordinační číslo je počet atomů (aniontů, většinou kyslíků), které obklopují kation ve struktuře a jsou ve vrcholech tzv. polyedrů •- kationty s malým rozměrem a vysokou valencí (např. S6+, P5+, Si4+, C4+, B3+), •- kationty s velkým rozměrem a nízkou valencí (např. Na+, Ca2+, Fe2+, Mn2+, Zn2+, Fe3+). • nový-3 2. Prvky v minerálech •aniony • jsou elektronegativní • mají relativně velký iontový • poloměr ve srovnání s kationty • mají různé valence • např. O2-, F-, Cl-, S2-, OH- • •aniontová skupina • ve strukturách většiny minerálů se setkáváme s tzv aniontovou skupinou např. • [Si4+O4]-4 - aniontová skupina • [P5+O4]-3 - aniontová skupina • většinou jde o tetraedry, kdy ve středu je kation s malým rozměrem a vysokou valencí (Si, P) je obklopený 4 kyslíky • tyto tetraedry jsou základem struktury, jsou většinou nejpevněji vázané X-site_nearest 2. Prvky v minerálech nový-3 Velikosti atomů a příslušné polyedry 3. Krystalochemický vzorec •Složení minerálů vyjadřujeme tzv. krystalochemickými vzorci. •Vzorce minerálů musí být tzv. elektroneutrální • •forsterit •Mg2SiO4 2MgO+SiO2 2Mg2++Si4++4O2- • • olivín (Mg,Fe)2 [SiO4] minerál složený ze 2 složek • forsterit Mg2SiO4 • fayalit Fe2SiO4 • (Fe, Mg) – jeden prvek je zastupován dalšími prvky – • pořadí určuje klesající množství kationtu • [SiO4]-4 - aniontová skupina • •albit •NaAlSi3O8 Na2O+Al2O3+6SiO2 Na++Al3++3Si4++8O2- • • plagioklas (Na,Ca) Al (Si,Al)3O8 • albit NaAlSi3O8 • anortit CaAl2Si2O8 nový-3 3. Krystalochemický vzorec • 1 2 •SiO2 35.06 36.10 •TiO2 0.46 0.28 •Al2O3 16.80 18.61 •Fe2O3 5.48 5.30 •Y2O3 1.82 0.34 •Yb2O 30.62 0.08 •FeO 12.44 14.86 •MnO 19.58 19.73 •MgO 0.39 0.32 •CaO 7.71 5.96 •Na2O 0.08 0.08 •Tot. 99.57 100.48 • •Si4+ 2.930 2.956 •Ti4+ 0.029 0.017 •Al3+ 1.654 1.796 •Fe3+ 0.345 0.251 •Y3+ 0.081 0.015 •Yb3+ 0.016 0.002 •Fe2+ 0.832 1.018 •Mn2+ 1.362 1.369 •Mg2+ 0.038 0.039 •Ca2+ 0.690 0.523 •Na+ 0.013 0.013 •Catsum 8 8 •O 12 12 • MB 1 31 f4_1_BSE_1 Vybrané analýzy studovaných granátu, 1 = Y-bohatý, 2 = Y-chudý. Granát, brněnský masív 3. Krystalochemický vzorec Niobem bohatý titanit z Písku Vzorec titanitu CaTiSiO4O 3. Krystalochemický vzorec Niobem bohatý titanit z Písku substituce 4. Polyedry ve struktuře X-site_nearest 4. Polyedry ve struktuře •Kationty se podle velikosti iontového poloměru liší koordinačním číslem •např. XIICs+, VIIINa+, VIIICa2+, VIMg2+, •VI nebo IVAl3+, IVSi4+, IVP5+, IIIB3+ • •Podle toho jsou umístěny ve středu tzv. strukturních polyedrů. • •IVSi4+ - tetraedr •VIMg2+ - oktaedr •VIIICa2+ - hexaedr • pyroxene Krystalová struktura pyroxenů M2M1T2O6 tetraedry IV = T = Si, Al oktaedry VI = M1 = Mg, Fe, Mn hexaedry VIII = M2 = Ca, Na, Li, Mg, Fe nový-3 4. Polyedry ve struktuře •General formula of tourmaline • •X Y3 Z6 T6 O18 (BO3)3 V3 W • •X = Na, X-O = 2.51-2.78 Å •Y = Mg, Fe2+, Li, Al, Fe3+ Y-O = 1.95-2.11 Å •Z = Al, Mg, Fe3+ Z-O = 1.90-2.00 Å •T = Si T-O = 1.60-1.64 Å •B = B B-O = 1.37 Å •V = OH, O •W = OH, F, O • X-site_nearest 4. Polyedry ve struktuře X-site_polyh Y-site_polyh2 Z-site_polyh T-site_poly B-site_polyh Pozice X Pozice Y Pozice Z Pozice T Pozice B nový-3 4. Polyedry ve struktuře X-site_nearest tur_str_parl-c Turmalíny tetraedry = IV = Si oktaedry = VI = Mg, Fe, Al polyedr = IX = Na, Ca, vakance 4. Polyedry ve struktuře Garnet4s •Granáty •Obecný vzorec A3B2(TO4)3 •A = hexaedry = VIII = Fe2+, Mn, Ca, Mg •B = oktaedry = VI = Al, Fe3+ •T = tetraedry = IV = Si • a0 (Å) •Pyrop Mg3 Al2Si3O12 11,46 •Almandin Fe3 Al2 Si3O12 11,53 •Spessartin Mn3 Al2Si3O12 11,62 •Grossular Ca3 Al2 Si3O12 11,85 •Andradit Ca3 Fe2 Si3O12 12,06 • •Izolované tetraedry SiO4 sdílejí apikální •kyslíky s deformovanými oktaedry (Al a Fe 3+) •a s deformovanými hexaedry (Mg, Fe 2+, Mn, Ca). • nový-3 4. Polyedry ve struktuře •Slídy •Obecný vzorec I M3 T4 O10 (OH,F)2 •I = polyedry = IX,X = K, Na, Ca, Ba •M = oktaedry = VI = Fe2+, Mg, Al, Fe3+, Li •T = tetraedry = IV = Si, Al • structure nový-3 5. Substituce •V jednotlivých polyedrech často dochází k nahrazovaní = substituci jednoho atomu jiným v případě, že velikost jednotlivých kationtů (méně často aniontů) je blízká, důležitá je i valence jednotlivých atomů. •Jednoduché – homovalentní substituce: •Příklady: •Olivíny (Mg,Fe)2 SiO4 • forsterit Mg2SiO4 • fayalit Fe2SiO4 • substituce Fe - Mg •Karbonáty s obecným vzorcem M2+CO3 • M = Co, Zn, Mg, Fe, Mn, Ca, Sr, Pb, Ba •Kalcitová skupina - Co, Zn, Mg, Fe, Mn, Ca • substituce Co - Zn - Mg - Fe - Mn - Ca •Aragonitová skupina - Ca, Sr, Pb, Ba • substituce Ca - Sr - Pb - Ba •Granáty A3 B2 Si3O12 •Grossular Ca3 Al2 Si3O12 •Andradit Ca3 Fe2 Si3O12 • substituce Al - Fe3+ nový-3 5. Substituce •Složité - heterovalentní substituce: •Příklady: •Plagioklasy (Na,Ca) Al (Si,Al)3O8 • albit NaAlSi3O8 • anortit CaAl2Si2O8 • substituce NaSi – CaAl 1+4 = 2+3 • •Pyroxeny M2M1T2O6 • diopsid CaMgSi2O6 • jadeit NaAlSi2O6 • substituce NaAl – CaMg 1+3 = 2+2 • •Amfiboly • tremolit • Ca2Mg5Si8O22 (OH)2 • edenit NaCa2Mg5Si7AlO22 (OH)2 • substituce • Si – NaAl 0+4 = 1+3 •Substituce může zahrnovat i prázdné místo ve struktuře = vakance •Substituce může zahrnovat i anionty např. OH-F nebo F-Cl nový-3 5. Substituce Niobem bohatý titanit z Písku Vzorec titanitu CaTiSiO4O 5. Substituce Niobem bohatý titanit z Písku si%20tetrahedra 6. Polymerizace polyedrů (tetraedrů) –Příklady ze silikátů: –Nesosilikáty - tetraedry izolované –– olivín, granáty – –Inosilikáty - tetraedry spojené do řetězců –- jednoduché - pyroxeny –- dvojité - amfiboly – – –Fylosilikáty - tetraedry propojené v ploše –– slídy, jílové minerály – –Tektosilikáty - tetraedry tvořící –prostorovou kostru –– živce, foidy, zeolity, také křemen Shrnutí •1. Prvky v minerálech • Do minerálů vstupují všechny prvky známé v přírodě, ale teoreticky i umělé např. plutonium do zirkonu. • kationty • anionty •2. Krystalochemický vzorec • Vzorce minerálů zahrnující kationty a anionty musí být elektroneutrální. •3. Polyedry ve struktuře • Krystalové struktury jsou složeny z různých polyedrů, v jejichž středu je kation a rohy jsou tvořeny anionty, hlavně kyslík. •4. Substituce • homovalentní • heterovalentní •5. Polymerizace polyedrů (tetraedrů) • Polyedry jsou ve strukturách uspořádány a propojeny do určitých prostorových útvarů, z nichž se odvíjí symetrie a řada vlastností. •