ELEMENTOS DE MINERALOGIAE CRISTALOGRAFIA

Docentes:

Mirian Chieko Shinzato (coordenadora)

Marcos Bizeto

CRONOGRAMA DE AULAS DE ELEMENTOS DE MINERALOGIA E

CRISTALOGRAFIA - 2015

SEMANA DATA CONTEÚDO PROF.

01 01/9 Introdução à Mineralogia. Conceito e Origem dos minerais. Atividade 1 Mirian

02 08/9Cristaloquímica – polimorfismo, solução sólida, fórmulas estruturais dos minerais.

Atividade 2Mirian

03 15/9Sistema de classificação dos minerais (silicatos e não silicatos).

Silicatos: nesossilicatos, sorossilicatos, ciclossilicatos, inossilicatos, filossilicatos.Mirian

04 22/9 Simetria Externa - Elementos e operações de simetria; retículos e grupos de ponto Marcos

05 29/9 PROVA 1 Mirian

06 06/10 Simetria interna: células unitárias, grupos espaciais Marcos

07 13/10 Difratometria de raios X Marcos

08 20/10Aplicações de Simetria na Química - estrutura e propriedades moleculares, teoria

do orbital molecular, teoria campo ligante, vibração molecularMarcos

09 27/10 PROVA 2 Marcos

10 03/11Não silicatos: Elementos nativos, Sulfetos e Sulfossais, Óxidos e hidróxidos,

Halóides, Carbonatos, Nitratos, Boratos, Sulfatos etc.Mirian

11 10/11Propriedades físicas dos minerais

Atividade Prática - Identificação de mineraisMirian

12 17/11 Estabilidade e Diagramas de Fases dos Minerais Mirian

13 24/11 PROVA 3 Mirian

14 01/12 PROVA SUBSTITUTIVA Mirian

15 08/12 Feriado de Diadema

16 15/12 EXAME Mirian

Critério de avaliação

• Aulas expositivas

• Atividades:– Estudo orientado

– Descrição e identificação de minerais (laboratório)

• 03 Provas teóricas

• Prova Substitutiva = somente para quem perdeu uma das provas eapresentar atestado na secretaria.

• Média final = MP (90%) + MA (10%)

BIBLIOGRAFIA

Básica:

KLEIN, C.; DUTROW, B. Manual of Mineral Science. 23ª Ed. Hoboken: John Wiley & Sons,

2008. 675 p.

GIACOVAZZO, C.; MONACO, H.L.; G. A.; VITERBO, D.; FERRARIS, G.; GILLI, G.;

ZANOTTI G.; CATTI, M., Fundamentals of Crystallography, 2a. Ed. Oxford University Press,

2002. 848 p.

NEVES, C.; SCHENATO, F.; BACHI, F.A. Introdução à Mineralogia Prática. 2a Ed. Canoas.

Editora da ULBRA, 2008. 335p.

Complementar:

NESSE, W. D. Introduction to Mineralogy. 1ª Ed. Oxford USA Trade. 2004.

ROUSSEAU, J. Basic Crystallography. A Student Textbook. 1ª Ed. John Wiley Professio.

1999.

HARVEY, P. Mineralogy - Theory And Application. 1ª Ed. Blackwell Science-UK. 2000.

BLACKBURN, W.; DENNEN, W. Principles of Mineralogy. 2ª Ed. McGraw-Hill UK. 1994.

GAINES, R. V.; SKINNER, H. C. W.; FOORD, E. E. Dana's New Mineralogy. 8ª Ed. John

Wiley Professio. 1997.

Aula 1- Introdução à Mineralogia.

Conceito e Origem dos minerais

1. Importância

2. Definição - conceito

3. Histórico

4. Origem dos minerais

1. IMPORTÂNCIA

1. IMPORTÂNCIA- minerais estão presentes nas estruturas da Terra

O planeta Terra: formado

por rochas que são

compostas por minerais

Mineralogia

Geologia estrutural e

tectônica

Geocronologia

Petrologia

Geoquímica

Meteoritos e estudo

planetário

Paleontologia e geomicrobiologia

Mineralogia e Geologia

Ambiental

Geologia Econômica

Geofísica

Física mineral

1. Importância

Os minerais e seus derivados químicos estão presentes em toda parte:

- Caminhamos sobre eles

- Usamos como ornamentos

- Escovamos nossos dentes (abrasivos)

- Trazem nossa eletricidade

- Fornecem os materiais para a construção de nossas casas

- Sem eles não teríamos como viver ou sustentar nosso sistema econômico.

1. Importância

2. DEFINIÇÃO

O conceito mais aceito é o de Klein & Hurlbut(1999):

“Um mineral é um sólido, homogêneo, natural,com uma composição química definida (masgeralmente não fixa) e um arranjo atômicoaltamente ordenado. É geralmente formadopor processos inorgânicos”

2. Definição

- Sólido

- Ocorrência natural

- Arranjo atômico altamente ordenado(característico do estado sólido)

- Composição química homogênea e definida (masnão necessariamente fixa)

- Usualmente formada por processos inorgânicos.(também por processos biogênicos: aragonita,calcita, hidroxiapatita)

2. Definição

MINÉRIO

São classificados em:

- minérios metálicos.

Ex: cassiterita (SnO2), galena (PbS), hematita(Fe2O3), bornita (Cu5FeS4) etc.

- minérios não-metálicos.

Ex: crisotilo (Mg3Si2O5(OH)4), talco (Mg3Si4O10(OH)2), fluorita (CaF2), enxofre nativo (S), gipsita (CaSO4).2H2O

Rocha da qual se pode obter uma ou mais substâncias de importância

econômica, por conter concentração relativa elevada dessa(s)

substância(s).

2. Definição

MINERALÓIDE – Substâncias naturais sem arranjoatômico sistemático (estrutura cristalina). Sãoamorfas ou parcialmente amorfas.

Ex: vidro vulcânico ou obsidiana.

CRISTAIS – substâncias que manifestam umaforma exterior poliédrica, devido àestruturação interna de seus átomos

2. Definição

GEMAS – Substâncias sólidas usadascomo adornos pessoais. Podem sernaturais (orgânicas e/ou inorgânicas)ou artificiais.

Ex: diamante, esmeralda e água marinha(variedades de berilo), safira e rubi(variedades do coríndon), marfim,âmbar, pérola.

ROCHAS – Formados por agregados deuma ou mais espécies de minerais.

Classificados em:

- Ígneas ou magmáticas,

- Sedimentares,

- Metamórficas.

2. Definição

3. HISTÓRICO

3. BREVE HISTÓRICO

O uso de minerais é mais antigo que a ciência que estuda as suaspropriedades:

• Pigmentos naturais como o vermelho da hematita e o preto do óxidode manganês, já eram usados nas pinturas das cavernas peloshumanos primitivos (há cerca de 40.000 anos).

• Ferramentas de pedras eram usados na caça durante a Idade daPedra (ex: silex).

• Pinturas em tumbas do vale do Nilo (há mais de 5 mil anos) mostramcomo os artesãos trabalhavam com metais e pedras preciosas (lapislazuli, esmeralda).

• Assim que a Era da Pedra deu lugar à Era do Bronze, outros mineraisforam procurados para se extrair metais.

• Minerais foram frequentemente utilizados como dinheiro em temposantigos, e agora eles ajudam os arqueólogos a traçar as rotascomerciais pré-históricas.

• Os poucos trabalhos publicados sobre minerais continham maisfábula e muita sabedoria com pouca informação factual.

• O surgimento da mineralogia como ciência ocorreu somente em 1556com a publicação de De Re Metallica do físico alemão Georgius Agricola,que traz uma descrição detalhada das minas e das práticas de fundiçãode minério além de informações factuais dos minerais.

• Em 1669, uma importante contribuição para a cristalografia foi feita porNicolaus Steno em seu estudo com cristais de quartzo.

• Ele notou que indiferente de sua origem, tamanho ou forma dos cristaisde quartzo os ângulos entre as mesmas faces em diferentes cristaispermaneciam constantes.

• Passou-se mais de um século para que outra grande contribuiçãosurgisse: em 1784, Romé de I’Isle fez medidas angulares sobre os cristaisconfirmando a teoria de Steno e formulando a lei da constância dosângulos interfaciais hoje conhecida como a Lei de Steno.

• No ano seguinte, 1784, René J. Haüy mostrou que os cristais eramconstruídos pelo empilhamento de pequenos blocos de construçãoidênticos, que chamou de moléculas integrais - células unitárias.

3. Breve histórico

No início do século 19, ocorreram avanços rápidos no campo da física e daquímica dos minerais proporcionalmente aos avanços nainstrumentação:

• Em 1809 Wollaston inventou um goniômetro de reflexão que permitiaobter medidas altamente acuradas e precisas das posições das facesdos cristais. A partir dessa data a cristalografia se tornou uma ciência.

• Entre 1779 e 1848 Berzelius e seus cientistas estudaram a química dosminerais e desenvolveram os princípios da nossa atual classificaçãoquímica dos minerais.

• Em 1815 o naturalista francês Cordier investigou fragmentos deminerais moídos imersos em água sob o microscópio. Esse método deimersão desenvolveu numa importante técnica para o estudo daspropriedades ópticas dos fragmentos de minerais.

• A utilidade do microscópio no estudo dos minerais permitiu o estudosistemático do comportamento das propriedades ópticas numasubstância cristalina em 1828 pelo escocês William Nicol.

• O microscópio polarizador se tornou e ainda é uma ferramentaimportante na mineralogia.

3. Breve histórico

• No final do século 19 Schoenflies e Barlow, trabalhandoindependentemente, desenvolveram a teoria da simetria interna eordem dos cristais, que fundamentou os trabalhos em raios X.

• Em 1912, depois da descoberta dos raios-X por Wilhelm ConradRoentgen em 1895, um experimento foi realizado por Fiendrich eKnipping por sugestão de von Laue. Este experimento demonstrou que oscristais poderiam difratar raios X.

• Para difratar raios-X, os materiais devem possuir uma estruturaordenada ou que se repete. Prova da existência de um arranjo regular eordenado de átomos no material cristalino.

• A difração de raios X se tornou um método poderoso no estudo dosminerais e todas as outras substâncias cristalinas.

• Em 1914, as primeiras determinações da estrutura cristalina forampublicadas no W.H. Bragg e W.L. Bragg (pai e filho) na Inglaterra.

• Equipamento moderno de difração de raios X e algoritmoscomputadorizados tornaram possíveis a relativa rápida aquisição dedados necessários para se determinar as complexas estruturas cristalinas.

3. Breve histórico

Exemplo de difratograma de raios X de material amorfo

CBC 14

C:\data\kazuo\tarcisio\cbc14.RAW - File: cbc14.RAW - Type: 2Th/Th locked - Start: 3.00 ° - End: 65.00 ° - Step: 0.05 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 18 s - 2-Theta: 3.00 ° - Theta: 1.50 ° - P

I(cp

s)

0

100

200

300

400

5 10 20 30 40 50 60

3. Breve histórico

CBC4

36-0427 (*) - Jarosite, OH-rich - (K,H3O)Fe3(SO4)2(OH)6 - Y: 16.67 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - Hexagonal (Rh) - a 7.3238 - b 7.32380 - c 17.005 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R3m

41-1480 (I) - Albite, Ca-rich, ordered - (Na,Ca)Al(Si,Al)3O8 - Y: 14.58 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - Triclinic - a 8.161 - b 12.858 - c 7.112 - alpha 93.68 - beta 116.42 - gamma 89.39 - Base-centred - C-1 (0) - 4 - 66

46-1045 (*) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 50.00 % - d x by: 1. - WL: 1.54056 - Hexagonal - a 4.91344 - b 4.91344 - c 5.40524 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - 3 - 113.010 - I/Ic P

C:\data\kazuo\tarcisio\cbc4.RAW - File: cbc4.RAW - Type: 2Th/Th locked - Start: 3.00 ° - End: 65.00 ° - Step: 0.05 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 18 s - 2-Theta: 3.00 ° - Theta: 1.50 ° - Phi:

I(cp

s)

0

100

200

300

400

5 10 20 30 40 50 60

Exemplo de difratograma de raios X de

material cristalino

3. Breve histórico

• O microscópio eletrônico no início dosanos 60 providenciou uma ferramentapoderosa para a análise química insitu de minerais, compostos sintéticos,e vidros numa escala micrométrica.

• Microscópio eletrônico detransmissão de alta resolução(HRTEM) permite o estudo demateriais cristalinos em resoluçõesque se aproximam à escala dedistâncias atômicas e ainda mostramque muitos minerais possuem arranjosinternos estruturais de extensãoinfinita e que se repetemperfeitamente.

• Novos instrumentos vêm surgindo paranos permitir enxergar imagens dasuperfície mineral e a resolverestruturas em nível quase atômicas.

Anéis de Si6O18 da turmalina

3. Breve histórico

clorita

4. Origem dos minerais

1. Resfriamento de magmas

2. Precipitação de sais com a evaporação de

uma solução

3. Rearranjo de íons em temperaturas

intermediárias:• Processos metamórficos (recristalização de sólidos)

• Processos intempéricos

MINERAIS

Quando e onde se

formam?

1. Resfriamento de magmas

1. Resfriamento de magmas

Magmas - complexas fusões naturais de rochas com temperaturas que variam entre 1.500 C e 700 C.

Formada por constituintes não voláteis e voláteis.

À medida que o magma se resfria, os constituintes não voláteisassociam-se para formar os cristais.

São eles os mais abundantes:

SiO2, Al2O3, FeO, MgO, CaO, K2O, Na2O e TiO2.

1. Origem dos magmas

T = 1000 °C

Comp. = A

T = 900 °C

Comp. = B

T = 800 °C

Comp. = C

T = 700 °C

Comp. = D

T = 600 °C

Comp. = E

Evolução da composição do magma

Magma A

Magma B

Magma C

Magma D

Magma E

Diferenciação magmática

Fusão parcial:

Composição do líquido depende do grau de fusão !

Magma D

Magma C

Magma B

Magma A

Fusão

Séries de Reação de Bowen

Sequência experimental de cristalização de minerais a partir

do resfriamento gradual do magma máfico (basáltico)

Bowen sabia que os plagioclásios que se cristalizamnos magmas basálticos eram ricos em cálcio(anortita).

Por outro lado, plagioclásios formados a partir de magma riolítico, eram comumente ricos em sódio(albita).

Bowen identificou uma sequência de reações entre esses cristais e chamou de série de reação contínua.

Série contínua

Quando o basalto esfria, um dos primeiros minerais a se formar é aolivina.

Olivina contém cerca de 40% de SiO2.O magma basáltico contém 50% SiO2.

A cristalização da olivina deixará o líquido residual um pouco maisrico em sílica.

A olivina sólida reage com a sílica na fusão para formar um mineralmais rico em sílica, piroxênio.

O piroxênio, por sua vez, pode reagir para formar o anfibólio.

O anfibólio pode reagir para formar a biotita.Essa série de reações é conhecida como série descontínua.

Série descontínua

Piroxênio (augita)

Olivina

anfibólio

biotita

Feldspato-K

quartzo

Plagioclásio - Ca

muscovita

Plagioclásio - Na

Processo importante na formação das rochas sedimentares químicas. Responsável pela precipitação de minerais a partir da evaporação de salmouras .

Ex: depósitos salinos de sais de Na, K e Mg; jazidas de nitratos e de boratos e cobre dos desertos de Atacama, Tarapoca e Antofagasta (norte do Chile), devido à evaporação de águas subterrâneas transportando, em solução, aquelas substâncias.

2. Precipitação de sais com a evaporação de

uma solução

2. Precipitação de sais com a evaporação de uma

solução

Silvita (KCl)

NaCl

Sal, NaCl, Death Valley

2. Precipitação de sais com a evaporação de uma

solução

Calcário CaCO3

Evaporitos

Evaporação até 70% da água - não há cristalizaçãoEvaporação superior a 78% - precipitação de carbonato de cálcio e mais tarde sulfato de cálcio.Evaporação superior a 90% - precipitação do cloreto de sódioEvaporação superior a 95% - precipitação de cloreto e sulfato de magnésio, cloreto de potássio e brometo de sódio (que pode dar um sabor amargo).Assim, é possível controlar os processos de cristalização e obter apenas cloreto de sódio de alta pureza.

Rearranjo de íons em temperaturas intermediárias

Recristalização de sólidos

Sistemas metamórficos contêm fase

fluida( H2O e/ou CO2) constatada pela

presença de minerais hidratados

(micas, anfibólios, cloritas) e/ou de

carbonatos.

Os materiais cristalizados podem tornar-se instáveis e se recristalizar em

nova estrutura cristalina mais estável, sem haver fusão do mineral inicial, por

modificações nas condições de pressão e/ou temperatura.

água marinha com tamanho aproximado de 100 mm

Processo importante na formação de alguns minerais metamórficos.

As transformações mineralógicas que ocorrem durante o metamorfismo se

desenvolvem no estado sólido.

Os minerais podem conter diminutas

inclusões fluidas (<10-2 mm) que

representam amostras do fluido

presente durante a sua cristalização.

Recristalização de sólidos

Recristalização de sólidos

Recristalização de sólidos Um exemplo de reação metamórfica com desidratação:

Al2Si2O5(OH)4 + 2 SiO2 = Al2Si4O10(OH)2 + H2O

(caolinita) (quartzo) (pirofilita) (fase fluida)

Com o incremento do grau metamórfico, a pirofilita atinge seu limite máximo de

estabilidade, ocorrendo então sua “quebra” segundo a reação:

Al2Si4O10(OH)2 = Al2SiO5 + SiO2 + H2O

(pirofilita) (andaluzita ou cianita) (Qtz-quarzto) (fase fluida)

sob pressões relativamente baixas (<2,5 kbar) forma-se a andaluzita, e sob pressões mais altas, a cianita

+caolinita

quartzo =

Pirofilita

+

Fase fluida (H2O)

=

Cianita ( P)

ou

Andaluzita ( P)

Pirofilita

Recristalização de sólidos

(1) Al2Si2O5(OH)4 (Kln) + 2 SiO2 (Qtz) = Al2Si4O10(OH)2 (Prl) + H2O (fase fluida),

(2) Al2Si4O10(OH)2 (Prl) = Al2SiO5 (And ou Ky) + SiO2 (Qtz) + H2O (fase fluida), e

(3) KAl3Si3O10(OH)2 (Mus) + SiO2 (Qtz) = KAlSi3O8 (Kfs) + Al2SiO5 (Ky ou Sil) + H2O (fase fluida)

ou

Sillimanita

Andaluzita

( P e T)

( P e T)

+Quartzo

Muscovita =

Feldspato - K

+ H2O

Minerais secundários....Minerais secundários....Processos intempéricos

Tipos de intemperismo

• Intemperismo físico

• Intemperismo químico

Mecanismos envolvidos:

adição e subtração

O que acontece durante o INTEMPERISMO?

1. transformações FÍSICAS

• material coeso material fraturado, friável,

incoerente

2. transformações QUÍMICAS

• reações químicas material intemperizado

difere química e mineralogicamente do material

original

INTEMPERISMO QUÍMICO

• Reações químicas diversas dependentes:

• dos reagentes (minerais originais da rocha e

soluções de alteração) e

• das condições em que as reações se

processam (clima, relevo, presença deorganismos, tempo)

Mineral I + solução de alteração = mineral II + solução de lixiviação

INTEMPERISMO QUÍMICO

Reações:

1. Hidratação

2. Hidrólise

3. Oxidação

4. Carbonatação

5. Complexação

Hidratação

H H

O

Molécula de água

( H O )2

Argilomineral

Entrada de H2O na estrutura dos minerais

CarbonataçãoCO2 e H2O - ácido carbônico

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2CO2

CO2

CO2

CO2

2

3H C

O 23

H CO

23

H CO

2 3H CO

K+

2

SiO 2SiO

3-

HCO

2

3H C

O 23

H CO

23

H CO

H+3-HCO

3 8KAISi O

2

Pequena proporção de

moléculas de CO no ar

3-

Hidrólise: destrói a estrutura mineral libera cátions e

ânions

removidos pela drenagem

recombinados em novos minerais

FeOOH

Oxi-hidróxidos

de ferro

(goethita)

Piroxênio rico em ferro,

liberando sílica e íonsferrosos para a solução.

Ferro ferroso é oxidado

pelas m oléc ulas de

oxigênio, formando ferro

férrico.

Ferro férrico combina com

água precipitando produtos

ferruginosos.

Figura C8 - 11

hidrólise total do feldspato potássico

eliminação total da sílica e das “bases”

2 KAlSi3O8 + 16 H2O 2 Al(OH)3 + 6Si(OH)4 + 2(K+,OH-)gibbsita não dissociado dissociado

insolúvel solúvel solúvel

hidrólise parcial do feldspato potássicoa - caso de maior intensidade de lixiviação dos produtos dissolvidos

eliminação parcial da sílica e total ou parcial das bases

2 KAlSi3O8 + H2O Si2Al2O5(OH)4 + 4 Si(OH)4 + 2 (K+,OH-)

caulinita ñ dissoc. dissoc.

(insol.) (sol.) (sol.)

100% dos cátions básicos , 66% da SiO2 e 0% do Al

ATIVIDADE

1) O vidro vulcânico, o quartzo e a água mineral podem ser considerados minerais? Por quê?

2) Todos os minerais primários se formam na mesmas condições de P e T? Justifique sua resposta.

3) Explique como os minerais podem se formar na superfície da crosta terrestre, sob condições de P e T ambientes.

4) O que representa a Série de Bowen?

5) E a Série de Goldich?

da aula 1