MINERALOGIA ERAPRENDERAPRENDERAPRENDER PERGUNTANDO

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1 MINERALOGIA ERAPRENDERAPRENDERAPRENDER PERGUNTANDO

2 Quais os estados estruturais da matéria? Gasoso Líquido Partículas (átomos ou moléculas) bem separadas. Organização perfeitamente aleatória. Fluidez sob a acção de tensões tangenciais extremamente baixas forma adaptável ao recipiente que os contém. Apresentam superfícies livres - capacidade limitada de expansão Baixa compressibilidade Sólido (2 estados distintos): Vítreo e Cristalino Estado vítreo Fluidez baixa Rigidez semelhante à de um sólido Distribuição global das partículas aleatória

3 O que caracteriza o estado cristalino? Estado cristalino Calcite CaCO 3 Ordenação regular no espaço das partículas elementares (átomos ou agrupamentos de átomos). Cada partícula tem uma posição média definida, em torno da qual só realiza pequenas oscilações. Os corpos cristalinos, por aquecimento gradual, passam ao estado líquido e, depois, ao estado gasoso. As mudanças de estado ocorrem a temperaturas bem determinadas, que se mantêm constantes enquanto houver duas fases distintas em equilíbrio.

4 Curva de variação da temperatura com um fornecimento de calor, a pressão constante. a. Num vidro. b. Num cristal. P.E., ponto de ebulição. P.F., ponto de fusão. Como explicar as diferenças?

5 Curvas de variação do calor específico (Cp) com a temperatura, para um vidro e para um cristal com a mesma composição química. P.F. ponto de fusão do cristal. Como explicar as diferenças?

6 Propriedades físicas. Quais os tipos principais? Propriedades físicas Escalares Direccionais * Contínuas???? Descontínuas * ou Vectoriais Representação Vectorial

7 Superfície representativa da dilatação térmica, na calcite. Os coeficientes principais de dilatação térmica linear são: α z =23,6 X 10-6 ( C) -1, α x = α y = -5,3 X 10-6 ( C) -1. Verifica-se que a dilatação é nula ao longo das direcções a 64,7 de ZZ. ESCALAR OU DIRECCIONAL?

8 O elipsóide resultante da deformação de uma esfera de calcite por aquecimento. DIRECCIONAL CONTÍNUA OU DESCONTÍNUA?

9 a. Definição do Módulo de Young (E). b. Superfície representativa do Módulo de Young para um cristal cúbico, a blenda. DIRECCIONAL CONTÍNUA OU DESCONTÍNUA? NO CASO DE UMA ROCHA COMO SERÁ A SUPERFÍCIE REPRESENTATIVA?

10 Só se manifesta em 3 direcções principais Superfície representativa do efeito piezoeléctrico, no quartzo. DIRECCIONAL CONTÍNUA OU DESCONTÍNUA?

11 A difracção de electrões por um cristal de plagioclase. Cada ponto do espectro corresponde a uma direcção de máximo de difracção, pelo que a difracção de electrões ocorre, essencialmente, segundo um feixe de direcções discrimináveis, como se ilustra em b. DIRECCIONAL CONTÍNUA OU DESCONTÍNUA? QUAL A IMPORTÂNCIA DESTA DESCOBERTA?

12 O que significa ser an(isotrópico) relativamente a uma determinada propriedade? Quando numa substância, uma dada propriedade direccional manifesta efectivamente valores variáveis com a direcção, diz-se que tal substância é ANISOTRÓPICA, relativamente a essa propriedade. Se, pelo contrário, o valor assumido pela propriedade é independente da direcção de determinação, diz-se que a substância é ISOTRÓPICA, relativamente àquela propriedade direccional. Isto é muito importante quando se trabalha com materiais, seja qual for a sua natureza!

13 Quais os tipos estruturais da matéria? MATÉRIA CRISTALINA Homogeneidade periódica, quanto à distribuição das suas partículas elementares. MATÉRIA AMORFA Estruturalmente caracterizada por uma homogeneidade estatística. FASES MESOMORFAS OU CRISTAIS LÍQUIDOS Líquidos que, pela sua organização molecular, manifestam anisotropia relativamente a certas propriedades físicas, nomeadamente as ópticas.

14 O que é matéria cristalina e um cristal? Matéria cristalina - matéria dotada de homogeneidade periódica, caracterizada por manifestar propriedades direccionais descontínuas, em mais de uma direcção. Cristal - qualquer massa homogénea de matéria cristalina. No caso geral está-se a implicar uma forma poliédrica natural. CRISTALOGRAFIA Ordem Externa CRISTALOGRAFIA Ordem Interna e Estrutura QUÍMICA cristalina e mineral SISTEMÁTICA MINERALÓGICA

15 Que tipos de cristais líquidos existem? NEMÁTICOS As moléculas orientam-se espontaneamente segundo o seu alongamento. São muito sensíveis a campos eléctricos e magnéticos. mostradores de relógios electrónicos e outros instrumentos digitais COLESTÉRICOS Modificação dos anteriores com orientação helicoidal. À temperatura ambiente têm a consistência de vidro. As propriedades notáveis: iridescência, acentuada variação de cor com a temperatura e marcada actividade óptica. análise de fluxos de calor e de distribuição de temperatura verificação e controlo (componentes electrónicos ou até no organismo humano, para a detecção de tumores) elementos decorativos. ESMÉTICOS As moléculas se distribuem-se segundo estratos; são os de simetria mais elevada. São geralmente bastante viscosos.

16 Substância amorfa Representação esquemática dos diferentes tipos estruturais da matéria Cristal líquido nemático Cristal líquido colestérico Cristais líquidos esméticos Cristal

17 Como crescem os cristais? Existem ambientes de formação de minerais muito diversificados! O cristal inicia o seu crescimento em pequenos núcleos Núcleos de Cristalização aos quais vão sendo acrescentados novos iões de uma forma ordenada. Núcleo de halite ~125 iões Um cubo de halite (NaCl) com 1 cm de lado contém cerca de iões.

18 CRESCIMENTO CRISTALINO Secção de um vértice de um cristal de halite. No interior, o arranjo compacto de iões traduz um equilíbrio electrostático, na superfície externa as ligações químicas não estão satisfeitas. = Ligações satisfeitas ~ Ligações não satisfeitas Superfície cristalina apresentando um degrau submicroscópico. A fixação dos iões nesses degraus minimiza a energia da superfície cristalina somatório das ligações não satisfeitas na superfície do cristal.

19 As diferentes formas dos cristais resultam das diferenças direccionais na velocidade crescimento, o que está relacionado com as características do meio onde aqueles se desenvolvem. octaedro dodecaedro

20 CRESCIMENTO CRISTALINO ex. Núcleo octaédrico até ao cubo

21 Como se designam os cristais quanto à forma? EUÉDRICOS SUBEUÉDRICOS ANÉDRICOS Crescimento totalmente Livre (situação rara) Crescimento parcialmente Condicionado (situações especiais) Crescimento fortemente condicionado pelos cristais envolventes (muito comum)

22 O que é a Lei da Racionalidade dos Índices? Lei da racionalidade dos índices ou de Hauy (Hauy 1784; descoberta por Lomonosov )) Apesar da grande diversidade de formas cristalográficas que muitos minerais apresentam, as faces não apresentam orientações quaisquer. Os seus índices, relativamente aos eixos cristalográficos são, geralmente, números inteiros, pequenos, positivos ou negativos.

23 O que é a Lei da constância dos ângulos diedros? Lei da constância dos ângulos diedros (Romeu de l Isle 1772) Faces correspondentes em diferentes cristais da mesma substância, independentemente da sua forma e desenvolvimento, a temperatura constante, definem ângulos diedros iguais. Figuras de Steno, obtidas por seccionamento do prisma hexagonal, corrente nos cristais de quartzo. Observe-se a constância angular dos ângulos diedros.

24 Que elementos de simetria se podem encontrar num cristal? Centro de simetria (i) Topázio Eixos de simetria Rotação : 1,2,3,4,6 Roto-inversão: 1,2,3,4,6 Planos de simetria (m) 2/m 2/m 2/m Cada Classe de Simetria (32) tem os seus elementos próprios!

25 Simetria no Plano? Repetição de um motivo ( ) num espaço a duas dimensões. a. Construção assimétrica. b. Construção simétrica.

26 Simetria no Plano 17 tipos distintos possíveis de configurações simétricas

27 O que é o isomorfismo? Propriedade de alguns minerais apresentarem formas cristalográficas externas semelhantes mas com variação da composição química Condições para que se verifique isomorfismo As estruturas têm de ser do mesmo tipo 3 A razão entre o raios catião/anião deve ser muito próxima nos dois compostos Um dos compostos tem de ser capaz de incorporar 5% ou mais do outro composto em solução sólida Ver os feldspatos

28 O que é o polimorfismo? Capacidade de uma determinada substância química poder apresentar-se sob diferentes formas estruturais, em função de diferenças na temperatura (T), pressão (p) ou em ambas. Mecanismos responsáveis pelas transformações polimórficas Reconstrutivo (reconstructive) rearranjo profundo, com quebra de ligações e reagrupamento das unidades estruturais. Ex. diamante grafite. 3 Deslocação (Displacive) pequenos ajustamentos, mas sem rotura de ligações. A transformação é facilmente reversível. Ex. Quartzo alta temperatura Quartzo baixa temperatura. Ordem Desordem (Order-Desorder) transição entre estados ordenados e desordenados, ou vice versa. Baixa temperatura (estado ordenado). Temperaturas elevadas (estado mais desordenado).

29 Polimorfos de SiO 2 Trigonal Hexagonal

30 Polimorfos de SiO2

31 Polimorfos de Carbono

32 Polimorfos de Carbono

33 Representações gráficas de estruturas minerais Diamante Bolas e hastes Poliedros de coordenação

34 ESTRUTURA DA HALITE (NaCl) 3 TIPOS DE MODELOS DE REPRESENTAÇÃO GRÁFICA Esferas compactas Bolas e hastes Poliedros de coordenação

35 O que é o politipismo? Comum nos filossilicatos argilas, micas Um caso particular de polimorfismo em que os polimorfos diferem apenas no arranjo de camadas ou folhas bidimensionais idênticas.

36 1 Formação de Camadas Estruturais Combinações tetraédricas e octaédricas 2 Combinações de camadas segundo direcções particulares

37 O que é o pseudomorfismo? Transformação em que um mineral é substituído por outro sem que haja modificação da sua forma externa Tipos de pseudomorfismo 1. Sem variação da composição química (paramorfismo): 2. Com variação da composição química: Aragonite (CaCO 3 ) Calcite (CaCO3) a. Com perda de um constituinte: Cuprite (Cu 2 O) Cobre (Cu) b. Com ganho de um constituinte: Anidrite (CaSO 4 ) Gesso (CaSO 4. 2H 2 O) c. Variação parcial de constituintes: Pirite (FeS 2 ) Goethite (HFeO 2 ) d. Variação total dos constituintes: Fluorite (CaF 2 ) Quartzo (SiO 2 ) Lobo disfarçado de ovelha!

38 QUAIS SÃO AS REGRAS DE PAULING? REGRA 1 Em torno de um catião forma-se um poliedro de coordenação. A distância entre o catião e o anião corresponde à soma dos seus raios e o número de coordenação (NC) depende da relação (R X /R A ).

39 O que é o Número de Coordenação? Número de coordenação de um catião é o número de aniões que se podem agrupar à sua volta, numa determinada estrutura. O raio catiónico varia em função do número de coordenação

40 Números (poliedros) de coordenação (R X /R A )

41 O que são empacotamentos compactos? Quando os átomos (ou iões) em coordenação são do mesmo tipo [R X (catião):r A (anião)=1] cada átomo ou ião encontra-se envolvido por 12 átomos vizinhos (NC =12). 6 no mesmo plano do átomo original, 3 num plano acima e 3 num plano abaixo. Existem dois tipos de empacotamento nestas condições. Situação comum nos metais

42 Empacotamentos ou arranjos compactos ABABAB Arranjo Cúbico Compacto (cubic closest packing) Arranjo Hexagonal Compacto (hexagonal closest packing) ABCABCABC

43 REGRA 2 REGRAS DE PAULING Princípio da valência electrostática. Numa estrutura estável existe equilíbrio electrostático em torno (carga anião = Σ carga das valências de coordenação).

44 Extremamente invulgar REGRA 3 REGRAS DE PAULING A existência de arestas, e particularmente de faces, comuns a dois poliedros de coordenação diminui a sua estabilidade. Este efeito é mais marcado quando os catiões têm elevada valência e número de coordenação baixo. Situação dominante

45 REGRA 4 REGRAS DE PAULING Num cristal com diferentes catiões, os de maior valência e menor número de coordenação tendem a não partilhar elementos poliédricos. Quando isso ocorre existe uma deformação na estrutura e os catiões tendem a afastar-se dos centros poliédricos (efeito de repulsão). alongamento encurtamento alongamento

46 REGRAS DE PAULING REGRA 5 Clinoanfíbolas Princípio da parcimónia. O número de constituintes essenciais diferentes num cristal tende a ser baixo. As posições catiónicas e aniónicas estruturais distintas que existem são bastante limitadas. Cada macaco no seu galho! Mesmo em estruturas complexas, os elementos químicos ocupam posições estruturais específicas

47 DIADOQUIA /SUBSTITUIÇÃO SÓLIDA Fenómeno de substituição de um ião ou grupo iónico por outro ião ou grupo na rede cristalina de um mineral. A diadoquia está sempre vinculada a uma determinada rede. Condições que favorecem a substituição diadóquica 1. Dimensões relativas dos iões ou grupos iónicos - as diferenças dos raios iónicos ser inferiores a 15% 2. As cargas dos iões envolvidos devem ser iguais para que se mantenha a neutralidade electrostática 3. Temperatura a que se dá a substituição - as temperaturas elevadas favorecem a substituição devido ao efeito da agitação térmica A diadoquia é favorecida quando o potencial de ionização é semelhante e a coordenação é mais favorável.

48 SUBSTITUIÇÃO CATIÓNICA SIMPLES Caso das olivinas : Fe Mg

49 SUBSTITUIÇÃO CATIÓNICA SIMPLES Caso das olivinas Variação contínua da densidade

50 SUBSTITUIÇÃO CATIÓNICA ACOPLADA Domínio limitado de substituição

51 SUBSTITUIÇÃO CATIÓNICA ACOPLADA SÉRIE DAS PLAGIOCLASES Raios iónicos Na + [8] = 1.18 Ǻ Ca 2+ [8] = 1.12 Ǻ Si 4+ [4] = 0.26 Ǻ Al 3+ [4] = 0.39 Ǻ Balanço de cargas

52 Exsolução À temperatura T1 existe solução sólida completa mas a temperaturas inferiores existe uma lacuna composicional os raios dos elementos A e B são muito diferentes, as fases tendem a separar-se. Alta temperatura Baixa temperatura

53 Solução sólida e exsolução dos feldspatos alcalinos

54 Os minerais estão classificados de acordo com a sua composição e/ou estrutura Sistemática Mineralógica

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56 Referências