Apostila de Mineralogia

Apostila de Mineralogia

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* Este material foi desenvolvido para uso em aula e qualquer uso deste deve ser referenciado.

Prof. Dr. Antenor Zanardo

Departamento de Petrologia e Metalogenia - DPM Instituto de Geociências e Ciências Exatas - IGCE Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” - UNESP

Janeiro de 2010 - Versão 5

No planeta Terra e em outros corpos celestes a matéria (elementos químicos) se depõem de forma ordenada de acordo com leis naturais formando os minerais e mineralóides, substâncias estas que constituem as rochas, sedimentos e solos, que são utilizados pelo homem de diferentes maneiras e objetivos, portanto para um perfeito entendimento do nosso planeta, bem como do universo, necessitamos de conhecimentos básicos de mineralogia.

O termo mineralogia deriva da palavra latina MINERA (mina, jazida de minério, filão), de provável origem céltica, que forma o adjetivo do Latim mineralis, “relativo às minas” e o substantivo do Latim minerale (produto das minas), que deu origem ao adjetivo e substantivo português mineral, acrescido do sufixo Grego logía (ciência, tratado, estudo); portanto mineralogia é o estudo dos minerais em todos os seus aspectos.

Entretanto, a definição de mineral possui algumas controvérsias, para alguns é toda substância homogênea, sólida ou líquida, de origem inorgânica e que surge, naturalmente, na Terra ou em outros corpos extraterrestres, normalmente com composição química definida e, que se formada em condições favoráveis, terá estrutura atômica ordenada, condicionado sua forma cristalina e suas propriedades físicas; para outros, trata-se de substância com estrutura interna ordenada (cristais), de composição química definida, origem inorgânica e que ocorre naturalmente na crosta terrestre ou em outros corpos celestes. As substâncias originadas por atividades ou processos biológicos (animal ou vegetal) a exemplo do carvão, âmbar, marfim, pérola, petróleo, que não se incluem em nenhuma das definições devem ser denominadas mineralóides, como também as substâncias não cristalinas, excluídas na segunda definição.

Os minerais são caracterizados pela maneira com que os átomos (cátions e anions) estão dispostos (estrutura interna) e pela composição química, expressa por fórmula química. A composição química dos minerais pode variar dentro de limites definidos e previsíveis pelas características atômicas, gerando os diferentes grupos de minerais ou soluções sólidas.

Os minerais constituem os diferentes tipos de rochas, nono ou poliminerálicas, sedimentares, metamórficas, magmáticas, hidrotermais ou pneumatolíticas, bem como os solos. Algumas dessas rochas, especialmente devido à granulação muito fina, a exemplo de alguns tipos de basaltos, mostram-se em um exame a olho nu, com aparência de um único mineral (massas homogêneas). Todavia, quando observado ao microscópio petrográfico ou eletrônico, verifica-se que são constituídos por várias substâncias cristalinas e, às vezes, também por material amorfo (vidro). Nos solos, os minerais constituem as frações cascalho, areia, silte, argila e colóide.

As substâncias produzidas em laboratório, com estrutura interna ordenada e composições químicas definidas, são denominadas de cristais ou minerais artificiais ou sintéticos e os sem estrutura interna de vidro. Atualmente o homem consegue reproduzir, em laboratório, com bastante semelhança, praticamente todos os minerais e gemas naturais conhecidas. Desta forma em laboratórios são produzidos os diamantes, a safira, o rubi, o quartzo, o espinélio, a esmeralda, etc.

O termo mineralóide é aplicado para substâncias naturais amorfas e/ou de origem orgânica, portando que não obedecem à definição de mineral. Dessa forma, podem ser citados como exemplo betume, corais, petróleo, opala, siderogel ou limonita, etc.

COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA CROSTA TERRESTRE Pelo fato dos minerais serem constituídos por elementos químicos, em especial ânions e cátions, para o entendimento destes em seus múltiplos aspectos, envolvendo cristalografia, cristaloquímica, propriedades físicas, proporções relativas e relacionamentos, tornam-se necessário uma noção da abundância dos elementos químicos na crosta terrestre, acompanhado de alguns dados químicos ou físicos referentes a estes a exemplo dos raios iônicos, cargas, coordenações e caráter iônico. Com esse intuito é apresentada uma tabela abaixo.

Elemento Número

Atômico

Massa Atômica

Crosta % peso

Granito % peso

Basalto % peso

Raioiônico A0

Coordenação. % volume

% atômica caráter iônico

1 1,01 0,142-6

, Mn

, Cl

, Cr

, Cu

, Br

, As

, Mo

I- e I

, Sb

43 98,910,72 6
4 101,070,76-0,70 6
45 102,91(0,75-0,60) 6
52 127,60(2,21)6
61 (145)1,04 6
73 180,950,75-0,74, Ta
7 192,20,81-0,71 6
84 (209)1,16-0,67 8-6
85 (210)0,62 6
8 226,021,43-1,56-1,72 6-8-12
89 227,031,18 6
91 231,041,13-0,98(0,89-1,03) 6-8-9
93 237,051,18-1,10(0,95-1,06) 6-8
94 (244)1,09(0,8-1,04) 6-8

* Partes por milhão; valores de massa entre parênteses referem-se ao isótopo mais estável; os expoentes sobre os parênteses dos raios iônicos indicam a coordenação em que apresentam a dimensão; números em negritos referentes ao número de coordenação indicam o mais comum.

Na formação dos minerais os elementos são organizados de acordo com as suas dimensões e cargas gerando um arranjo atômico interno tridimensional. Os átomos, ânions e cátions constituintes de um determinado mineral encontram-se distribuídos ordenadamente, formando uma rede tridimensional, denominada de retículo cristalino. Essa rede é gerada pela repetição de uma unidade atômica ou iônica fundamental, nas três direções do espaço, que podem ou não formarem ângulos retos entre si, com espaçamento igual em uma mesma direção, todavia podendo ser diferentes ou iguais nas três direções ou iguais em apenas duas direções. A figura geométrica formada pela posição atômica das primeiras posições em relação à origem é denominada de cela unitária, unidade fundamental para a construção do retículo cristalino, onde cada íon ou átomo ocupa uma posição definida dentro da cela unitária (Figura 1). Bravais em 1848 demonstrou que, geometricamente, somente são possíveis 14 tipos de retículos espaciais realmente diferentes, conhecidos como os 14 retículos espaciais de Bravais (Figura 2).

A percepção de que os minerais possuem estruturas internas ordenadas deu-se pela observação das formas geométricas externas naturais (hábitos cristalinos), bem como do(s) rompimento(s) sistemático(s), em planos preestabelecidos (clivagem e partição) resultantes de ligações químicas mais fracas oferecidas pela estrutura de alguns espécimes minerais. Estas observações remontam aos gregos, todavia apenas em 1669 aparece na literatura uma contribuição de peso para a cristalografia, quando Nicolau Steno através do estudo com cristais de quartzo e hematita, entre outros minerais, notou que apesar das diferenças de origem, tamanho e hábito os ângulos entre faces correspondentes eram constantes. Outras contribuições relevantes apenas apareceram após um século, com Carangeot (1780) que inventou um goniômetro de contato para medir ângulos interfaciais; com Rorné de I’Isle (1783) que através de medidas angulares confirmou o trabalho de Steno e formulou a lei da constância dos ângulos; e com René J. Haüy (1984) que postulou que os cristais são construídos pelo empilhamento de minúsculos blocos idênticos, chamado por ele de moléculas (conceito de moléculas integral), que sobreviveu até o aparecimento do conceito de células (celas) unitárias, com moderna a cristalografia.

As superfícies dos minerais raramente são planas e correspondentes à estrutura interna, ou seja, cristais perfeitos são incomuns e devido a este fato, aliado a importância para a pesquisa cristalográfica, foram muito apreciados pelos primeiros naturalistas, e hoje por constituírem verdadeira jóia naturais são objetos procurados por museus, colecionadores, naturalistas e esotéricos. O normal é os minerais apresentarem limites irregulares (curvos, denteados ou planos), frequentemente, gerados pela disputa de espaço com os vizinhos, não exibindo relação alguma com a estrutura interna. Nesse caso, a cristalinidade pode ser detectada através da quebra do mineral, caso este apresente clivagem, ou por meios ópticos e de difração de raios X.

A repetição sistemática do posicionamento dos átomos, íons ou moléculas no espaço, ou seja, dos motivos estruturais, gerando a matéria cristalina, sustenta o conceito de simetria cristalográfica e constituem objeto de estudo da cristalografia, ciências que estuda a origem, desenvolvimento e classificação das formas cristalinas naturais ou artificiais. O estudo da simetria dos cristais é feito através da análise dos elementos de simetria (planos, eixos e centro) e as suas respectivas operações de simetria (reflexão, rotação e inversão). Este estudo pode ser feito através da análise da forma externa dos minerais, onde o plano de simetria é uma superfície que divide o cristal em duas partes iguais, simétricas em relação a um plano. O eixo de simetria trata-se de uma reta imaginária que passa pelo centro geométrico do cristal ao redor do qual, num giro de 360º, uma forma geométrica (face do cristal) se repete certo número de vezes (1, 2, 3, 4 ou 6) de acordo a simetria, classificando o eixo em unitário, binário, ternário, quaternário e senário. O centro de simetria é um ponto coincidente com o centro geométrico do cristal, em relação ao qual uma forma geométrica (uma face do cristal) se inverte, gerando duas faces paralelas entre si. Essas operações de simetria podem atuar de forma combinada como exemplificado na figura 3d, que representa a combinação de eixo de rotação binário e centro de simetria (Figura 3).

A análise espacial das formas geométricas, elementos e operações de simetrias presentes nos diferentes minerais possibilitaram agrupar ou subdividir o reino cristalino em sete sistemas cristalinos, que seguem relacionados de acordo com o aumento de simetria: triclínico, monoclínico, ortorrômbico, trigonal, hexagonal, tetragonal e cúbico ou isométrico. Estes sistemas cristalinos são utilizados para a classificação de todas as substâncias naturais ou artificiais com estrutura interna ordenada, ou seja, com estruturas cristalinas. Cabe ressaltar que a escola norte-americana de cristalografia considera o sistema trigonal, como subdivisão do sistema hexagonal, denominando-o de hexagonal romboedral, portanto para ela existem apenas seis sistemas cristalinos. Desta forma, para a escola européia, os minerais quartzo e turmalina são trigonais, enquanto que para a escola norte-americana é hexagonal romboedral (Hr). Neste caso registra-se a existência de apenas 6 sistemas cristalinos (Figura 4).

O conjunto dos possíveis elementos de simetria encontrados em um cristal é denominado de grau ou classe de simetria ou grupo pontual, sendo que as operações possibilitam a geração de apenas 32 classes ou graus de simetria, realmente diferentes, agrupados de acordo seus elementos de simetria nos sete sistemas cristalinos. Todas as operações de simetria possíveis de acordo com os sistemas cristalográficos e classes possibilitam a geração de apenas 48 formas geométricas, que estão relacionadas na figura 5.

Os elementos que definem a geometria dos cristais (eixos, planos, zonas e formas) são representados por índices correspondentes as direções cristalográficas, sendo que o método de notação utilizado é o proposto por W.H. Miller, que apresenta vantagem sobre as outras metodologias propostas. O índice de Miller de uma face consiste de uma série de números inteiros derivados dos interceptos, dessa face, com os respectivos eixos cristalográficos por seus inversos e, se necessário, transforma as frações em números inteiros. Os índices de uma face são sempre dados por três números (quatro quando dos sistemas trigonal e hexagonal), referentes respectivamente aos eixos a, b e c ou a1, a2, -a3 e c. A título de ilustração, a figura 6 apresenta intersecções relativas de faces de um cristal ortorrômbico, seccionando os segmentos positivos dos eixos cristalográficos com (1a, 1b,

Por convenção o eixo c é representado na vertical, o b na horizontal no plano do papel e o a frontal, atribuindo-se símbolo positivo, respectivamente, para cima, direita e frente e negativo para as direções opostas. Quando um dos eixos cristalográficos é seccionado no segmento negativo é colocado um seguimento de linha (hífen) sobre o índice correspondente. Como exemplo (1ī1) onde o eixo b é cortado na seção negativa, ou seja, a esquerda da origem. Quando os parâmetros de corte não são conhecidos utilizam-se as letras h, k e l, respectivamente para os eixos a, b e c, ou h, k ,Ī e l, para a1, a2, a3 e c sendo o índice correspondente ao corte do eixo a3 sempre negativo pelo fato dos eixos a1, a2 e a3 formarem 120 graus entre si, resultando que a porção negativa do eixo a3 posicione-se na bissetriz do ângulo formado pelas porções positivas dos eixos a1 e a2. De maneira idêntica a uma face às formas, que consiste de um grupo de faces de um cristal, todas com a mesma relação com elementos de simetria e com as mesmas propriedades químicas e físicas por serem formadas pelo mesmo conjunto de átomos com o mesmo arranjo geométrico, são representadas pelo índice da face primitiva, que dá origem as outras pelas operações de simetria colocadas entre chaves. Por exemplo, o cubo e o octaedro do sistema cúbico são representados respectivamente por {100} e {1}.

De maneira idêntica as direções lineares definidas pelo arranjo paralelo das interseções de faces, denominadas de Zonas, recebem os índices que são colocados entre colchetes, sendo que as linhas paralelas as intersecção que passam pelo centro do cristal são denominadas de zonas axiais. Como exemplo tem-se [100] zona axial disposta paralelamente ao eixo a; [1] direção perpendicular à face (1).

Para facilitar a visualização e ou determinação das simetrias, formas e zonas existentes nos cristais, todos os elementos obtidos, são lançados em projeções (esférica, estereográfica e/ou ortogonal). Dessa forma é possível deduzir todos os elementos que por um motivo ou outro não estão presente no cristal em análise (Figura 7).

NOÇÕES DE CRISTALOQUÍMICA Os cristais são formados pela aglutinação dos elementos químicos sob a forma de átomos e, principalmente, cátions e ânions simples ou complexos, em função da atração eletrostática, resultante das ligações iônicas, covalentes, metálicas e de Van der Waals. Apresentam composição química definida e constante dentro de certos limites, possibilitando a atribuição de fórmulas químicas.

Nas ligações iônicas, cátions (íons de carga positiva) e ânions (íons de carga negativa) se unem de forma simples, como no caso do mineral halita (NaCl), onde o cátion Na, de valência unitária positiva e o ânion cloro de valência unitária negativa geram estrutura cúbica, como representado na figura 1. Estas ligações podem ser formadas também pelos grupos aniônicos (radical aniônico) negativos a exemplo do NO3-, CO3 2-, BO3 3-, SO4

PO4 3-, SiO4 4-, ou positivo NH4+. Dessa forma os últimos orbitais dos átomos são completados um cedendo eletro e outro recebendo.

Nas ligações covalentes a união dos elementos químicos ocorre pelo compartilhamento dos eletros dos últimos níveis eletrônicos (camadas) a exemplo da ligação entre os átomos de carbono na constituição do diamante, onde os quatro eletros das últimas camadas são compartilhados para preencher o último nível de eletros dos elementos químicos envolvidos na ligação.

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