PROPRIEDADES F�SICAS DOS MINERAIS COMPOSI��O QU�MICA by cY4YUTd

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									PROPRIEDADES FÍSICAS DOS MINERAIS



          COMPOSIÇÃO QUÍMICA

           LIGAÇÕES QUÍMICAS

         ESTRUTURA CRISTALINA
Propriedades que dependem do tipo
     e força da ligação química

•   Clivagem
•   Dureza
•   Maleabilidade
•   Fusibilidade
•   Condutividade (térmica e elétrica)
      Tipos de ligações químicas

   Iônica          Covalente          Metálica          van der
                                                         Waals
Transferência de      Elétrons         Elétrons            Atração
 elétrons entre    compartilhados   compartilhados      eletrostática
   orbitais de     em orbitais de       entre            (fraca) por
    valência          ligação       muitos átomos      dipolo induzido

eletropositivo     eletronegativo   eletropositivo
      +                  +                +
eletronegativo     eletronegativo   eletropositivo
  Comum em         Não comum em          Metais          Coesão de
   minerais            minerais     Ex: cobre nativo    lamelas de
   Ex: halita       Ex.: diamante                      micas e grafita
             Maior parte dos minerais

    Formados por elementos que não se encontram nos
      extremos: que tipo de ligação está ocorrendo?

• Ligações iônicas tornam-se parcialmente covalentes:
  Possibilidade de polarização dos ânions




  •Ligações covalentes tornam-se parcialmente iônicas:
     A-B: eletronegatividades diferentes  a densidade
  eletrônica ficará mais deslocada em direção ao átomo
  mais eletronegativo


     Portanto há uma transição contínua entre
           ligações covalentes e iônicas
Eletronegatividade de alguns elementos


  H
 2,2
  Li    Be      B     C     N     O     F
 1,0    1,6    2,0   2,6   3,0   3,4   4,0
  Na    Mg      Al    Si    P     S     Cl   4,0-
 0,93   1,3    1,6   1,9   2,2   2,6   3,2
                                             3,0-3,9
  K     Ca     Ga    Ge    As    Se    Br
                                             2,0-2,9
 0,82   1,3    1,6   2,0   2,2   2,6   3,0
                                             1,0-1,9
  Rb     Sr    In    Sn    Sb    Te     I
                                             0-0,99
 0,82   0,95   1,8   2,0   2,1   2,1   2,7
  Cs     Ba     Tl   Pb     Bi   Po
 0,79   0,89   2,0   2,3   2,0   2,0
                      100


                                                                        Ca-F
                      80

                                                                 Mg-O
   % caráter iônico   60
                                                          Al-O
                                                       Fe-O
                                                      Si-O
                      40
                                                    P-O

                                              H-O
                      20               C-O
                                       S-O
                                N-O
                                C-H
                       0
                            0             1                      2             3
                                      DX diferença de eletronegatividade




D ~ 2 : ligação predominantemente iônica
D < 1,5 : ¨                                              ¨                covalente
                  Exercício
Explique como é a ligação química nos
seguintes minerais:
KCl (silvita)
CaCO3 (calcita)
                       iônica

                       halita
              óxidos

        silicatos




          diamante MoS2         cobre
covalente       sulfetos                metálica
Propriedades relacionadas com presença
          da ligação metálica

    ELEVADAS
                            BAIXOS

•   Maleabilidade
                     • Dureza
•   Tenacidade
                     • Ponto de fusão
•   Ductibilidade
                     • Ponto de ebulição
•   Condutividades
   Brilho no sólido metálico

 Quando a onda luminosa (campo elétrico

 oscilante) atinge o ”mar” de elétrons, ela o

 empurra para frente e para trás. Os elétrons

oscilam na mesma freqüência da luz incidente.

 Estes elétrons oscilantes refletem a luz, que

             vemos como brilho.
Propriedades X ligação química:grafita



        A grafita é um mineral

   •   Macio
   •   Untuoso
   •   Opaco
   •   Aparência metálica
   •   Condutor elétrico
   •   Usado como lubrificante
Estrutura da grafita
             Exercício
Como é a ligação química no diamante?
O diamante conduz calor? Por que?
O diamante é o melhor condutor térmico

conhecido. Esta característica resulta da rígida

estrutura tridimensional do cristal. A vibração de

um átomo numa parte quente é rapidamente

transmitida às partes mais distantes e frias, por

meio das ligações covalentes. (Comparável ao

efeito de bater uma porta numa estrutura

metálica, Atkins & Jones, 1997)
Maior parte dos minerais possui mais de
           um tipo de ligação


  Ligações fortes: governam o padrão da estrutura
  do mineral
  Ligações fracas: determinam as propriedades
  físicas
               Todos silicatos: Si-O
Por que as propriedades (dureza, clivagem, traço) podem
              ser tão diferentes entre eles?

mineral          fórmula                       dureza

Talco            Mg3 (Si4O10) (OH)2            1

Muscovita        K Al2 (AlSi3O10) (OH)2        2,5

Wollastonita     CaSiO3                        5

Ortoclásio       K Al Si3O8                    6

Quartzo          SiO2                          7

Topázio          Al2(SiO4)(F,OH)2              8


Elas dependem das outras ligações e da estrutura cristalina
             Relação entre dureza e raio iônico

   Minerais isoestruturais (composição química diferente mas
  mesma estrutura cristalina), a dureza é reflexo do raio iônico
                                       
               > R.I.  < D pois        =
                                       F (Q1 x Q2)/d2
Estruturas                  dureza         íon     N.C.   R.I. (Å)

Tipo olivina
Monticellita     CaMgSiO4       5,5         Ca2+    6       1,08
Fayalita         Fe2SiO4        6,5         Fe2+    6       0,86
Forsterita       Mg2SiO4           7        Mg2+    6       0,80
T. coríndon
Hematita         Fe2O3             6        Fe3+    6       0,73
Coríndon         Al2O3             9        Al3+    6       0,61
Tipo halita
Silvita          KCl               2         K+     6       1,46
Halita           NaCl           2,5         Na+     6       1,10
Como varia a dureza nos minerais polimorfos?
  (mesma composição química e estrutura cristalina
                    diferente)


 > P  > dureza, pois o empacotamento é >
                  denso

                                     dureza
       C           grafita             1-2
                   diamante            10
    CaCO3          calcita              3
                   aragonita         3,5 - 4
Relação entre densidade e raio iônico

 composição química
                              Densidade
 estrutura cristalina


            Minerais isoestruturais:
               > R.I.  < Densidade

              Minerais polimorfos:
                 >T  < Densidade
                 >P  > Densidade
Tabela 2. Relação composição química e densidade de minerais (Frye, 1974)
   Mineral          Composição         Massa atômica      Densidade (g/cm3)
   Olivina
  Forsterita          Mg2SiO4            Mg= 24,31              3,22
   Faialita           Fe2SiO4            Fe= 55,85              4,41
 Carbonato
   Calcita             CaCO3             Ca= 40,08              2,71
   Siderita            FeCO3             Fe= 55,85              3,95
  Espinélio
   Cromita           FeOCr2O3         Fe+2Cr=159,85             5,09
  Magnetita            Fe3O4            3Fe= 167,55             5,20

  Tabela 3. Relação comprimento de ligação e densidade de minerais (Frye, 1974)
    Mineral         Massa Molecular       Comprimento de       Densidade (g/cm3)
                                            ligação (Å)
  Silvita – KCl           74,6                  3,14                   2,0

 Halita – NaCl            58,5                  2,75                   2,2

Periclásio – MgO          40,3                  2,07                   3,6
               Densidade em minerais polimorfos
                                           Al2SiO3
           10
           8              Cianita
P (Kbar)


           6               3,63
                                            Silimanita
           4                                   3,24
           2                  Andalusita
                                3,15
           0
                               500
                              T 0C

                         CaCO3
           5
             Aragonita                                 Diamante       C
               2,95                                      3,50

                                            P (Kbar)
P (Kbar)




                    Calcita
                     2,23                                   Grafite
                                                             2,23
           0        500   T 0C                  0           T 0C
           Algumas generalizações (sujeitas a
              aprimoramento e exceções)

Dureza      Ligações químicas fortes originam elevada dureza. Minerais
            com ligação covalentes tendem a ser mais duros do que
            minerais iônicos.

Clivagem    Pobre se as ligações no cristal são fortes. Ligações covalentes
            costumam resultar em clivagem pobre ou ausente (diamante
            é exceção). Ligações iônicas resultam em boa clivagem.
            Ligações tipo van der Waals geram excelente clivagem.

Brilho      Tende a ser vítreo nos cristais iônicos e variável nos
            covalentes.


Cor         Depende do tipo de átomos e de impurezas. Muitos cristais
            iônicos são incolores. Metais de transição costumam colorir
            os minerais.

Densidade   Depende do peso atômico e do empacotamento cristalino.
            Minerais de ferro e metais possuem elevada densidade.
            Minerais covalentes possuem empacotamento mais aberto e
            são menos densos.
          Substituições iônicas

• Minerais cristalizam a partir de soluções
  complexas (contêm quase toda tabela periódica)

• Facilmente um íon entra na posição de outro

• Quase todos minerais apresentam variações
  na composição química

• Muitas substituições não modificam o
  arcabouço cristalino dos minerais
   Tipos de substituições iônicas

1) TOTAL: determinado íon é completamente
   substituído por outro, formando um novo
   mineral

                  Exemplo: olivinas (X2SiO4)

            Mg2SiO4                    Fe2SiO4
             forsterita               fayalita

  Mg2+ (NC=6, R.I.=0,80 Å)  Fe2+ (NC=6, R.I.=0,86 Å)


  TODAS as composições intermediárias são possíveis e
                          reais
   Tipos de substituições iônicas

2) PARCIAL: até certa porcentagem de moles de
    determinado íon pode ser substituída por outro


           Ex: esfalerita (ou blenda)


   ZnS aceita até 50 % de Fe1-x S (pirrotita) na sua
                   estrutura cristalina.
   (O inverso não ocorre, pois FeS, troilita, somente é
                 encontrado em meteoritos)
  Tipos de substituições iônicas

3) SUBSTITUIÇÃO ACOPLADA

          Plagioclásios - (Ca,Na)(AlSi)4O8

         NaAlSi3O8                CaAl2Si2O8
          albita                    anortita

  Al3+ (NC=4, R.I.=0,36 Å)  Si4+ (NC=4, R.I.=0,26 Å)

 Ca2+(NC=8, R.I.=0,91 Å)  Na+ (NC=8, R.I. = 0,94 Å)
     É possível prever a substituição iônica?


1. Dois íons com o mesmo raio e a mesma carga serão
  igualmente incorporados em cristais que estão crescendo.
     Ex.: Hf4+ R.I.= 0,79 Å Zr4+ (R.I.=0,80 Å ) no zircão
2. Para íons de mesma carga, o menor terá preferência no
cristal em crescimento. Mas a diferença de tamanho deve ser <
15%. Explicação: íons menores possuem > potencial iônico (Z/r)
e formam ligações iônicas mais fortes. Ex.: Mg2+ (R.I.= 0,80 Å)
é preferido na olivina, comparado ao Fe2+ (R.I.= 0,86 Å).


3. Para íons com o mesmo raio, mas com cargas diferentes (mas
DZ=1!), o de maior valência terá preferência no cristal em
crescimento. Explicação: > Z/r. Ex: Ba2+ (R.I.= 1,55 Å) substitui
o K+ (R.I.= 1,63 Å ) facilmente em feldspatos.
  Apesar da carga e raio iônico semelhantes, Cu2+
    (R.I.= 0,73 Å) não substitui o Mg 2+ (R.I.=
    0,72 Å ) facilmente. Por que?


  Eletronegatividades: Cu2+ = 2,0 e Mg        2+   =0,72

  Cu2+ formará ligações químicas com maior
  caráter covalente que o Mg 2+.


A explicação acima, porém, não é geoquimicamente suficiente.
Mais importante é a elevada afinidade do Cu (e de outros
elementos) pelo enxofre (formando sulfetos), comparada com a
sua afinidade para entrar na estrutura de silicatos.
      Regras da substituição iônica

 Permitem prever quais elementos podem substituir outros nas
 estruturas minerais. São úteis também para compreender a
  distribuição dos elementos e suas associações.



(1) Ampla substituição ocorre se D r ≤ 15%
(2) Elementos devem ter D z (carga) ≤ 1
 (Se D z > 1, a substituição quase não ocorre).
(3) Elementos com maior Z/r são favorecidos
(4) D eletronegatividade deve ser pequena
    Mais sobre substituição iônica


• Substituições iônicas totais produzem soluções
  sólidas ou soluções cristalinas

• Alguns elementos somente são encontrados
  como substituintes, isto é, NÃO formam
  minerais próprios. Ex: Ga3+ (Al3+) e Ge4+(Si4+)
             Substituições X defeitos

  Não há cristais perfeitos, com
   todos íons na posição correta

• Intersticial: Íons ocupam posições
  normalmente não ocupadas. Estão
  “aprisionados” na estrutura.
  Temperaturas elevadas e estruturas    Intersticial
  mais abertas: Na+ em cristobalita
  (SiO2)

• De omissão: ocorrência de defeitos,
  isto é, posições cristalográficas
  encontram-se vazias. São comuns.

                                              Schottky

								
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