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PROPRIEDADES FÍSICAS DOS MINERAIS

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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.

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propriedades f sicas dos minerais

PROPRIEDADES FÍSICAS DOS MINERAIS

COMPOSIÇÃO QUÍMICA LIGAÇÕES QUÍMICASESTRUTURA CRISTALINA

propriedades que dependem do tipo e for a da liga o qu mica
Propriedades que dependem do tipo e força da ligação química
  • Clivagem
  • Dureza
  • Maleabilidade
  • Fusibilidade
  • Condutividade (térmica e elétrica)
slide4

Maior parte dos mineraisFormados 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
Eletronegatividade de alguns elementos

H

2,2

4,0-

3,0-3,9

2,0-2,9

1,0-1,9

0-0,99

slide7

Exercício

Explique como é a ligação química nos seguintes minerais:

KCl (silvita)

CaCO3 (calcita)

slide8

iônica

halita

óxidos

silicatos

diamante

MoS2

cobre

covalente

sulfetos

metálica

propriedades relacionadas com presen a da liga o met lica
Propriedades relacionadas com presença da ligação metálica

ELEVADAS

  • Maleabilidade
  • Tenacidade
  • Ductibilidade
  • Condutividades
  • BAIXOS
  • Dureza
  • Ponto de fusão
  • Ponto de ebulição
brilho no s lido met lico
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 liga o qu mica grafita
Propriedades X ligação química:grafita
  • A grafita é um mineral
  • Macio
  • Untuoso
  • Opaco
  • Aparência metálica
  • Condutor elétrico
  • Usado como lubrificante
exerc cio
Exercício

Como é a ligação química no diamante?

slide15
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 liga o
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

slide17
Todos silicatos: Si-OPor que as propriedades (dureza, clivagem, traço) podem ser tão diferentes entre eles?
  • Elas dependem das outras ligações e da estrutura cristalina
rela o entre dureza e raio i nico
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 = (Q1 x Q2)/d2

slide19
Como varia a dureza nos minerais polimorfos?

(mesma composição química e estrutura cristalina diferente)

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

rela o entre densidade e raio i nico
Relação entre densidade e raio iônico

composição química

estrutura cristalina

Densidade

Minerais isoestruturais:

> R.I.  < Densidade

Minerais polimorfos:

>T  < Densidade

>P  > Densidade

slide21

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 ligação (Å)

Densidade (g/cm3)

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

3,63

6

Silimanita

3,24

P (Kbar)

4

Andalusita

3,15

2

0

500

T 0C

CaCO3

Aragonita

2,95

C

Diamante

3,50

5

P (Kbar)

Calcita

2,23

P (Kbar)

Grafite

2,23

0

500

T 0C

0

T 0C

Densidade em minerais polimorfos
substitui es i nicas
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 substitui es i nicas
Tipos de substituições iônicas
  • TOTAL: determinado íon é completamente substituído por outro, formando um novo mineral

Exemplo: olivinas (X2SiO4)

Mg2SiO4Fe2SiO4

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 substitui es i nicas1
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-xS (pirrotita) na sua estrutura cristalina.

(O inverso não ocorre, pois FeS, troilita, somente é encontrado em meteoritos)

tipos de substitui es i nicas2
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)

poss vel prever a substitui o i nica
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 Z=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.

slide29
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 substitui o i nica
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  r ≤ 15%

(2)  Elementos devem ter  z (carga) ≤ 1

(Se  z > 1, a substituição quase não ocorre).

(3) Elementos com maior Z/r são favorecidos

(4)   eletronegatividade deve ser pequena 

mais sobre substitui o i nica
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+)
substitui es x defeitos

Schottky

Intersticial

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 mais abertas: Na+ em cristobalita (SiO2)
  • De omissão: ocorrência de defeitos, isto é, posições cristalográficas encontram-se vazias. São comuns.