Mineraloji

1. Mineraloji • Yard. Doç.Dr. Davut LAÇİN • davut@istanbul.edu.tr

2. MİNERALOJİ (Minera +logos) • Giriş: Mineralojinin bir bilim dalı olarak ortaya çıkışı çok eskilere gitmemekle beraber mineraloji ile ilgili sanatların uygulanması medeniyetin ilk zamanlarına kadar uzanır (Yaklaşık 5000 yıl). Örnek:Mezarların boyanması (Mısır medeniyeti), metal izabeciliği ve süs taşları işletmeciliği gibi. Bugün doğada varlığı bilinen yaklaşık 2000-2500 civarında mineral bilinmektedir. Yerkabuğunu teşkil eden kayaçları oluşturan bu mineralleri, yerkabuğunun geçmişini gösteren elle tutulan en önemli fiziki bağ olarak ta düşünebiliriz. Bu nedenle mineralojinin amaçlarından biri yerkabuğunun fiziksel, kimyasal ve tarihsel özelliklerini aydınlatmaktır.

3. YERKÜRENİN İÇ YAPISI Şekil . 1

4. Dolayısıyla mineraloji terimi ve mineralojinin çalışma alanı içine giren maddelerdoğal olmak zorundadır. Bu nedenle çimento, çelik ve cam gibi insan eli ile işlenerek üretilen yapay olan bu maddeler mineralojinin kapsamı dışında kalırlar. • Mineral tanımına getirilen diğer bir sınırlama da bu maddelerin kimyasal element veya bileşiklerden meydana gelmeleri koşuludur. Böyle bir sınırlamanın nedeni; kristalen maddelerde atom veya atom gruplarının kristal içinde belli bir geometrik düzen içinde yerleşmeleridir. Dolayısı ile böyle bir madde elektrik yükü yönünden nötr olacak ve belli bir kimyasal formülü olacaktır.

5. O HALDE MİNERAL NEDİR? • Tanım: Doğada bulunan, kimyasal element veya bileşiklerden oluşan doğal, homojen ve inorganik olarak gelişen maddelerdir. Örnek: Pirit (FeS2), hematit (Fe2O3) , Civa (Hg) (Sıvı olan tek mineraldir). Not: Su bir mineral değildir. Mineraller birkaç istisna dışında katı halin karakteristik özelliği olan düzenli bir iç yapıya sahiptirler. Koşulların uygun olması halinde kristal olarak bilinen düzgün yüzeyli geometrik şekilleri oluştururlar. O HALDE KRİSTAL NEDİR ? • Kristalograflara göre; dış görünümleri ne olursa olsun düzenli bir iç yapısı olan, üç boyutta kesintisiz devamlılık gösteren bir iç yapıya sahip homojen katılardır.

6. Kristalografi; Kristal denen katıları inceleyen, bunların iç ve dış yapıları ile büyümelerini denetleyen kanunları ortaya çıkarmaya çalışan bilim dalıdır. NOT: Kristallerdeki yüzeylerin gelişimi büyüme esnasındaki rastlantılara bağlı olduğu için, yüzeylerin bozulması veya iyi gelişmemesi kristal için esas olan unsura etki etmez. • Kristalen; yapıdaki atomları düzenli yerleşmiş demektir. • Kristal; düzgün yüzeyler ile çevrilmiş geometrik katıdır. Kristal terimi; gelişmenin mükemmelliğini vurgulamak için kullanılır;

7. Euhedral: Kristalen maddede yüzeyler mükemmel gelişme göstermişlerse, Subhedral; Yüzeyler kusurlu gelişmişlerse, Anhedral; Yüzeyler hiç gelişmemişler ise bu ismi alır. Mikrokristalen; Kristalen maddelerin ancak mikroskop altında görülebilecek boyutta olanlarına denir. Kriptokristalen; mikroskop altında bile görülemeyip ancak X-ışını (XRD) ile saptanabilen boyuttaki kristalen maddelere denir.

8. NOT: Gerek doğal ve gerekse yapay maddelerin birçoğu kristalen olmasına rağmen, bazı maddeler düzenli bir iç yapı göstermezler. Amorf madde; düzenli bir iç yapı göstermeyen maddelere denir. Mineraloid; düzenli bir iç yapı göstermeyen amorf maddelerin doğal olarak bulunanlarına denir. • Diğer disiplinlerle ilişkisine gelince; mineraloji bilimi bir yandan jeoloji ile diğer yandan ise fizik ve kimya ile çok sıkı bir işbirliği yapmak zorundadır. Çünkü arazi çalışmaları sırasında jeolojik yöntemler, laboratuar çalışmaları sırasında ise fiziksel ve kimyasal yöntemler kullanılır

9. KRİSTALLEŞME MEKANİZMASI Kristal denen katı maddeler, içinde bulundukları 3 ortamdan gelişerek meydana gelirler: 1- Çözeltilerden, 2- Eriyiklerden ve 3- Buharlardan Bu ortamlarda atomlar düzenli olarak değil tam tersine genel olarak gelişigüzel bir durum gösterirler. Ancak sıcaklığın düşmesi, basınç koşullarının değişimi ve konsantrasyonun yeterli seviyelere ulaşması ile gelişigüzel hareket eden atomlar birleşerek, katı halin karakteristik özelliği olan muntazam (düzenli) bir dizilime geçerler.

10. 1- Çözeltiden kristalleşme mekanizması Örnek: Su içinde çözülmüş NaCl2’ü incelersek; Çözeltideki su buharlaşmaya bırakılırsa, birim hacimdeki çözünmüş tuzun miktarı (Na ve Cl) artar. Bu halin devam etmesi durumunda; öyle bir noktaya gelinir ki, artık çözelti, içindeki tuzun tümünü içinde tutamaz ve bir miktar tuz katılaşarak çöker. Eğer buharlaşma işlemi yavaş olursa; dış yüzeyleri gelişmiş kristaller meydana gelir. Eğer buharlaşma işlemi hızlı olursa; o zaman kristallenme çok merkezli olarak gelişir ve bunun sonucu olarak çok küçük kristaller meydana gelir.

11. 2- Eriyikten kristalleşme mekanizması • Eriyiklerden kristalleşme mekanizması çözeltilerden kristalleşme mekanizması ile benzerlik gösterir. Örnek: Suyun buza dönüşmesidir. Gerçekte su, buzun ergimiş halidir. Sıcaklık düşürüldüğünde, su halinde (düzensiz) hareketli olan moleküller, katı oluşturacak şekilde bir araya gelerek kristalen (düzenli) maddeyi meydana getirirler. Magma ile karşılaştırıldığında; benzer durum söz konusudur. Şöyle ki; magma içinde gelişigüzel olarak dağılmış halde hareket eden pek çok element, magma soğuduğunda birbirine yanaşır ve farklı mineralleri oluşturacak olan kristal nüvelerini yaparlar. Bu noktadan sonra ilk oluşan çekirdeklerin (nüve) büyümeleri ile kayaç yapan mineraller gelişir.

12. 3- Buharlardan kristalleşme mekanizması • İlk iki mekanizmaya nazaran çok daha nadir olmakla beraber oluşum prensipleri yönünden benzerdir. Buharın soğuması ile birbirinden uzak olan atomlar yan yana gelerek sonuçta katı maddeyi oluştururlar. Örnek;Havadaki su buharından kar taneciklerinin oluşması.

13. KRİSTAL İÇ YAPISI • Kristallerde atomları birbirine bağlayan kuvvetler, atomları geometrik bir düzene (motif = atom topluluğu) sokarlar. • Bu motiflerin şekilleri, yapıya giren atomların; Cinsine ve Sayısına bağlıdır. • Bu motiflerinkristal içindeki birbirlerine göre olan konumlarını ve aralarındaki mesafeleribaşka kuvvetler yönlendirir. • Böylece üç boyutta motiflerin sonsuz tekrarından oluşan bir yapı meydana gelir.

14. Örnek:Duvar kağıdında iki boyutta görülen motiflerin tekrarlanması. • Kristallerde tekrarlanma mesafeleri, üç koordinat ekseni yönünde birbirinin aynı olabileceği gibi farklı da olabilir. • Koordinat eksenleri birbirine dik olmak zorunda değildirler. • Motifler tek bir nokta ile temsil edilirler ise üç boyutlu periyodik nokta dizileri meydana gelir ki, bunlara “kristal yapı veya kristal kafesi” denir. • Bir malzemenin kristal yapısı, 1) kristal kafesi içindeki atomların dizilişi, 2) kafesin boyutu ve 3) kafesin şekline bağlı olarak belirlenir.

15. Birim hücre: Kristal yapının tekrarlanan en küçük hacimsel birimine “birim hücre”adı verilir. • Birim hücreler yan yana gelerek kristal kafesini oluşturur. • Birim hücre kristal kafesin bütün geometrik özelliklerini taşıdığı için, birim hücrenin yapı düzeni bilinirse, kristal kafesin de yapı düzeni kolayca tarif edilebilir. • Kristal kafesi içerisinde atomların bulunduğu yerlere “kafes noktaları” adı verilir. • Atomlar birim hücrenin köşelerinde, merkezinde, her bir yüzeyinde veya yüzey kenarlarında bulunur. Dolayısıyla atomların bulundukları bu yerler kafes noktaları olarak adlandırılır.

16. Bir birim hücrenin geometrisi iki farklı parametre ile tarif edilir: Bu parametreler (Kafes parametreleridir ve birim hücrenin boyut ve şeklini tarif eder); 1-) x,y,z eksenleri veya birim hücre kenarları arasındaki α,β ve ȣ açılarıdır. 2-) a,b,c harfleri ile ifade edilen birim hücre kenarlarının uzunluğudur. • Kafes parametrelerinin farklı kombinasyonları sonucu ortaya çıkan ve farklı geometrik şekillere sahip 7 kristal sistemi mevcuttur (Küp, heksagonal, romboedrik v.s). • Yedi kristal sistemine ait toplam 14 farklı kristal kafes geometrisi (uzay grubu = uzay kafesi = Bravais kafesleri) ortaya çıkar.

17. BRAVAİS KAFESLERİTahtaya çizildi

18. KRİSTALLERİN ÖZELLİKLERİ Kristaller, üç boyutta birim hücre tekrarlanması ile gelişirler. Dolayısıyla kristal yüzeyleri bu biçime göre oluşurlar ve aynı zamanda kristallerin büyüdüğü ortamın özelliğine de bağlıdırlar. Bu ortam özellikleri; • Basınç, • Sıcaklık, • Kristallerin geliştikleri sıvıların doğası, • Bu sıvıların akış yönleridir. Örnek:Kübik bir birim hücre 3 boyutta tekrarlanarak bir kristal oluşturur ve her kenar üzerinde n birim bulundurursa kristal n3 kadar birimden oluşarak daha büyük bir küp şeklini alacaktır.

19. Aynı mekanizma ile bir birim hücre üç boyutta birbirinden farklı bir yığılma gösterir ise oluşacak kristallerin şekli farklı olacaktır. Örnek: Eğer bir birim hücre 2 yönde “n” birim, diğer yönde ise “n/5” birim yığılmış ise ortaya çıkacak kristal “tabuler şekilli” (tablet şeklinde), Eğer yalnız 1 yönde “n”, diğer 2 yönde “n/5” birim yığılma gösterir ise kristal “iğne şekilli” olacaktır. • Ortam koşulları nedeni ile bazı birimlerin yapıda simetrik olarak yer almayışı sonucu, iç yapıları aynı olmasına rağmen çok farklı dış şekiller (kristal habitusları) gelişebilir.

20. Kristal içinde bulunan birim hücre boyutlarının oldukça küçük olması nedeniyle, kristali oluşturan birim hücrelerin yüzeyler üzerinde meydana getirdiği basamaklı (girintili-çıkıntılı) yapı gözle görülemez dolayısıyla kristal yüzeyleri düz görülür. • İç yapı sınırlı olunca, bu iç yapı ile gelişebilecek kristal şekli ve bu kristali sınırlayacak yüzey sayısı fazla değildir. Genellikle çok iyi tanınan birkaç yüzey ortaya çıkar. • Bir kristalde yüzeylerin dağılımına bakıldığında; kristal yüzeyleri kristal kafesi içindeki düğüm noktalarının en yoğun olduğu yönlerde daha iyi gelişir. Örnek:Küp, oktaeder ve rombusludodekaeder şekilleri için bu durum tipiktir. Şekil. 2: Oktaeder habitusu

21. Bir yüzeyin bir kristal üzerinde tekrar gelişebilmesi bu yüzeyde yer alan düğüm sayısı ile orantılıdır. • Bu düğümler ne kadar fazla olur ise o yüzey kristal üzerinde çokça gözükür. Şekil: 3: Kristal kafesinde düğüm nokta pozisyonları