2. MATERIE ȘI MINERALE

Crusta terestră și oceanele sunt sursa unei mari varietăți de minerale utile și esențiale.

2.1. Mineralele: Materiale de construcție pentru roci

- Prima materie de origine minerală utilizată a fost silexul, pe care oamenii l-au fasonat sub formă de arme și unelte de tăiat;

- Încă din 3700 î.Cr., egiptenii au început să extragă aurul, argintul și cuprul;

- aproximativ în 2200 î.Cr., oamenii au descoperit cum să combine cuprul cu zincul pentru a face bronz, un aliaj dur, rezistent;

- Mai târziu, oamenii au dezvoltat un procedeu de a extrage fierul din minerale ca hematitul – o descoperire care a marcat declinul Epocii Bronzului. În jurul anului 800 î.Cr., tehnologia de prelucrare a fierului a avansat până la punctul în care armele și multe obiecte de fiecare zi erau făcute mai degrabă din fier, decât din cupru, bronz sau lemn;

- În timpul Evului Mediu, extragerea unei varietăți de minerale era un lucru obișnuit în întreaga Europă, ceea ce a stimulat studierea mineralelor.

Geologii definesc mineralul ca fiind orice solid anorganic, care apare în mod natural, care posedă o structură cristalină ordonată și care poate fi reprezentat printr-o formulă chimică.

Materialele Pământului care sunt clasificate ca minerale prezintă următoarele caracteristici:

1. Apar în mod natural. Mineralele se formează prin procese geologice, naturale. 2. Substanțe solide. Doar substanțele cristaline solide sunt considerate minerale. 3. Structură cristalină ordonată. Mineralele sunt substanțe cristaline, ceea ce

înseamnă că atomii lor sunt aranjați de o manieră repetitivă, ordonată. Această dispunere ordonată a atomilor este reflectată în formele regulate ale obiectelor numite cristale.

4. În general, anorganice. Solidele cristaline anorganice, cum ar fi banala sare de masă (halit), care se găsesc în mod natural în pământ sunt considerate minerale.

5. Pot fi reprezentate printr-o formulă chimică. Cele mai multe minerale sunt compuși chimici care au compoziții care pot fi exprimate printr-o formulă chimică. De exemplu, mineralul foarte comun numit cuarț are formula SiO2, ceea ce indică faptul că acest mineral este format din atomi de siliciu (Si) și oxigen (O), în proporție de unu la doi. Această proporție de siliciu și oxigen este adevărată pentru orice eșantion de cuarț pur, indiferent de originea sa. Totuși, compozițiile unor minerale variază între limite bine definite, specifice. Acest lucru se întâmplă deoarece unele elemente pot fi substituite de altele cu dimensiune similară, fără a schimba structura internă a mineralului.

Ex.: olivina (Mg, Fe)2SiO4 - raportul magneziu plus fier (Mg+Fe) la siliciu (Si) și oxigen (O) rămâne neschimbat la 2:1:4.

Na+ Cl-

A. Ioni de sodiu și clor

B. Elementele constructive de bază ale mineralului halit

C. Grup de elemente de bază (cristal)D. Cristale concrescute de sare

O rocă, este pur și simplu orice masă solidă de materie minerală sau de tip mineral, care apare natural ca parte a planetei noastre.

-Agregate de minerale – ex. Granit

-Roci formate dintr-un singur mineral – ex. Calcar

-Roci formate din materie neminerală – ex. Sticlă vulcanică, poncii

Proprietățile rocilor sunt, în mare măsură, determinate de compoziția chimică și structura cristalină a mineralelor pe care le conțin.

Granit

(rocă)

Feldspat

(mineral)

Hornblendă

(mineral)

Cuarț

(mineral)

2.2. Atomii: materiale de construcție pentru minerale

- toată materia, incluzând mineralele, este compusă din elemente numite atomi – cele mai mici particule care nu pot fi descompuse în părțile componente prin metode chimice.

- atomii conțin particule și mai mici – protoni și neutroni situați într-un nucleu central care este înconjurat de electroni.

Proprietățile protonilor, neutronilor și electronilor

Protoni (sarcină +1)

Neutroni (sarcină 0)

Electroni (sarcină -1)

Electron

Nucleu

Nucleu

Nor de electroni

- Protonii și neutronii sunt particule foarte dense, cu aproape aceeași masă.

- Electronii au, în schimb, o masă neglijabilă, de circa 1/2000 din cea a unui proton.

- Atât protonii, cât și electronii au în comun o proprietate fundamentală numită sarcină electrică.

- electronii se mișcă față de nucleu în regiuni numite învelișuri principale, fiecare dintre ele având asociat un anumit nivel de energie.

- fiecare înveliș poate conține un anumit număr de electroni, cu învelișul exterior conținând electronii de valență care interacționează cu alți atomi, formând legături chimice.

- Cu excepția H și He, totți atomii din univers au fost creați în interiorul stelelor masive prin fuziune nucleară și apoi eliberați în spațiul interstelar în timpul exploziilor de tip supernova.

- La temperaturile care există la suprafața Pământului, toți atomii liberi (nelegați de alți atomi) au câte un electron pentru fiecare proton din nucleu.

Elementele: definite prin numărul lor de protoni

Cei mai simpli atomi au doar un proton în nucleele lor, în timp ce alții au mai mult de 100.

- număr atomic, determină natura chimică a atomilor

- Un grup de atomi de același tip este numit element

- Elementele sunt organizate în așa fel încât acelea cu proprietăți similare sunt dispuse în coloane. Acest aranjament este numit tabel periodic

- Atomii elementelor care apar în mod natural sunt elementele constructive ale mineralelor Pământului

- Au, Cu nativ, diamant – atomi ai unui singur element

- cele mai multe elemente tind să formeze legături cu alte elemente pentru a forma compuși chimici cele mai multe minerale sunt compuși chimici formați din atomi provenind de la două sau mai multe elemente.

2.3. De ce formează atomii legături

Cu excepția unui grup de elemente cunoscute sub numele de gaze nobile, atomii formeză legături unul cu celălalt în condițiile (temperatură și presiune) care apar pe Pământ. Unii atomi se leagă formând compuși ionici, unii formează molecule, iar alții formează substanțe metalice.

De ce? – atracția electrică reduce energia totală a atomilor legați, ceea ce, în schimb, îi face, în general, mai stabili atomii legați în compuși au tendința de a fi mai stabili decât atomii care sunt liberi (nelegați).

- electronii de valență (învelișul extern) sunt, în general, implicați în legăturile chimice.

Regula octetului

Gazele nobile (cu excepția heliului) au aranjamente foarte stabile ale electronilor, cu opt electroni de valență și, de aceea, au tendința de a fi lipsiți de reactivitate.

Mulți alți atomi câștigă, pierd sau pun în comun electroni în timpul reacțiilor chimice și ajung la aranjamantele de electroni ale gazelor nobile. Această observație a condus la o lege a chimiei, cunoscută ca regula octetului: Atomii au tendința de a câștiga, pierde sau de a pune în comun electroni, până când sunt înconjurați de opt electroni de valență.

Legătură chimică este transferul sau punerea în comun a electronilor, ceea ce permite fiecărui atom să aibă un înveliș de valență complet.

- legătură ionică - electronii de valență sunt transferați între elemente pentru a forma ioni

- legătura covalentă - electronii sunt puși în comun de către atomi

- legătura metalică - electronii de valență sunt puși în comun de către toți atomii din substanță

Legăturile ionice: electroni transferați

-un atom cedează altui atom unul sau mai mulți electroni de valență pentru a forma ioni – atomi încărcați pozitiv sau negativ.

- o legătură ionică reprezintă atracția între un ion încărcat negativ și un ion încărcat pozitiv

- proprietățile unui compus chimic sunt complet diferite de cele ale elementelor componente: Na este un metal argintiu, extrem de reactiv și toxic;

Cl este un gaz verde extrem de toxic

Legături covalente: electroni puși în comun

- Molecula de H2 - Forța puternică de atracție care ține cei doi atomi de hidrogen împreună este rezultatul unei legături covalente, o legătură chimică formată prin punerea în comun a unei perechi de electroni între atomi.

H HAtom de hidrogen Atom de hidrogen

H H Atom de hidrogen Atom de hidrogen

H2

Moleculă de hidrogen

Legături metalice: Electroni liberi să se deplaseze

În legăturile metalice, electronii de valență sunt liberi să se deplaseze de la un atom la altul, în așa fel încât toți atomii pun în comun electronii de valență disponibili.

2.4. Izotopi și dezintegrarea radioactivă

Numărul de masă al unui atom este numărul total de protoni și neutroni.

Atomii cu același număr de protoni, dar cu numere diferite de neutroni sunt izotopi ai acelui element.

Ex.: carbon-12, carbon-13, carbon-14

Deoarece izotopii aceluiași element prezintă același comportament chimic, ei devin adesea părți ale aceluiași mineral.

Ex.: mineralul calcit CaCO3, când se formează poate avea carbon-12 și carbon-14.

Nucleele celor mai mulți atomi sunt stabili.

Multe elemente au izotopi ale căror nuclee sunt instabile – carbonul-14 este un exemplu de izotop instabil proces aleator numit dezintegrare radioactivă.

2.5. Proprietățile fizice ale mineralelor

Mineralele au structuri cristaline și compoziții chimice bine definite, care le conferă un set unic de proprietăți fizice și chimice împărtățite de de toate eșantioanele din acel mineral.

Proprietăți optice

Luciu – capacitatea suprafeței mineralelor de a reflecta lumina.

Abilitatea de a transmite lumina: - minerale transparente

- minerale translucide

- minerale opace

Culoarea

Culoarea urmei

Habitusul sau forma cristalelor

Pirita cu habitus geometric Habitus prismatic

Habitus lamelar Dipunere în benzi Habitus botrioidal

Proprietăți mecanice

Duritatea – rezistența mineralelor la zgâriere

Scara lui Mohs (scară relativă a durităților)

1. Talc

2. Gips

3. Calcit

4. Fluorină

5. Apatit

6. Ortoză (ortoclaz)

7. Cuarț

8. Topaz

9. Corindon

10. Diamant

Clivajul

Tendința unor minerale de a se desface (de a cliva) de-a lungul planelor cu legături chimice mai slabe.

Nu toate mineralele au clivaj.

Clivaj: - perfect (mice)

- foarte bun

- bun

- slab

- absent

Unele minerale au clivaj excelent după mai multe direcții din cristal.

Spărtura

Mineralele care au legături chimice la fel de puternice pe toate direcțiile prezintă proprietatea numită spărtură.

- regulată (geometrică)

- neregulată

- concoidală

- fibroasă

- așchioasă

Densitate și greutate specifică

Densitatea este o proprietate importantă a materiei, definită ca masa pe unitatea de volum.

Mineralogii utilizează, de obicei, o mărime înrudită – greutatea specifică, raportul dintre greutatea mineralului și greutatea unui volum egal de apă.

- Cele mai multe minerale – 2-3 (cuarț 2,65)

- mineralele metalice au greutăți specifice mult mai mari (galena 7,5; aur de 24 K ~20)

Alte proprietăți ale mineralelor

Reacția cu acidul clorhidric

CaCO3 + 2HCl CaCl2 + H2O + CO2

2.6. Grupurile de minerale

Peste 4000 de minerale!

Doar câteva zeci – minerale formatoare de roci.

Mai puțin abundente – minerale de interes economic.

Doar 8 elemente chimice intră în compoziția celor mai multe minerale și reprezintă circa 98% din greutatea crustei continentale.

Oxigen (O)46,6%

Siliciu (Si)27,7%

Aluminiu (Al)8,1%

Fier (Fe)5,0%

Potasiu (K) 2,6%

Magneziu (Mg)2,1%

Sodiu (Na)2,8%

Calciu (Ca)3,6%

Alte elemente1,5%

O și Si cele mai abundente

Elemente de bază ale mineralelor din grupa silicaților

90% din masa crustei terestre (peste 800 de minerale).

2.7. Silicații

Toate conțin O și Si, la care se adaugă o serie de alte elemente sute de minerale cu proprietăți extrem de diverse.

Structurile silicaților

- Tetraedrul (SiO4)4- - elementul constructiv de bază al tuturor silicaților

O2-

O2-

O2-

O2- O2-

O2-

O2-

O2-

Si4+

Si4+

SiO4

4-

- Polimerizare

- legături covalente între Si și O și legături ionice, mai slabe înte structurile silicatice

Minerale silicatice comune

Silicații de culoare deschisă (neferomagnezieni)

- Culoare deschisă, greutate specifică ~ 2,7 (grupul feldspaților, cuarțul, muscovitul, minerale argiloase)

- Al, K, Na, Ca; < Fe, Mg

Silicații închiși la culoare (feromagnezieni)

- Culoare închisă, greutate specifică ~ 3,2-3,6 (piroxeni, amfiboli, olivina, biotit, granați)

- Fe, Mg; < Al, K, Na, Ca

Feldspațiplagioclazi

39%

Feldspațipotasici

12%

Cuarț12%

Piroxeni11%

Amfiboli5%

Mice5%Minerale

argiloase5%

Alți silicați3%

Nesilicați8%

Schița geologului

Feldspat plagioclaz

2.8. Minerale nesilicatice

importante

2.9. Resurse minerale

Resursele minerale sunt acumulări de minerale utile, care într-un final vor fi exploatabile din punct de vedere ecoomic.

Resursele includ:

- depozite deja identificate din care mineralele pot fi extrase în mod profitabil numite rezerve

- depozite cunoscute care nu sunt încă recuperabile, fie din punct de vedere economic, fie tehnologic.

- depozite despre care se presupune că există, dar care nu au fost încă descoperite.

Minereu – minerale metalice utile care pot fi exploatate profitabil. Termenul este uneori aplicat și unor minerale nemetalice (fluorină, sulf etc.).

Roci și minerale industriale – utilizate pentru materiale de construcții, abrazivi, ceramică, fertilizatori etc.

Conținut peste limita medie a elementului chimic în scoarța terestră.

Ex.: Cu ~0,0135 % din crustă; exploatabil de la 100 de ori mai mult.

Al ~8,13 % din crustă; exploatabil la 4 ori mai mult.