Mineralogi 1

(1)

Mineralogi 1

Chapter 5

(2)

Mineral

 Mer än 4000 olika mineral är kända idag.

 Omkring 50–100 nya mineral hittas varje år.

 Människans intresse för olika mineral har pågått i

årtusenden.

(3)

Mineralnamn

 Namnen på olika mineral har flera olika ursprung.

 Ord från andra språk:

Tyska—ortoklas (delas i räta vinklar)

Latin—albit (vit)

 Egenskaper:

Färg—olivin är olivgrön

 Fyndställen:

Skutterudit—Skutterud, Norge

Illit—Först upptäckt i Illinois

 Sammansättning:

Kromit—innehåller krom

 Människor:

Jimthompsonit

(4)

Mineralogi

 Vetenskapliga studier av mineral började under 1500-talet.

 1556—Georgius Agricola (Tyskland)

Publicerade De Re Metallica (On the Nature of Metals)

Enkla beskrivningar av olika mineral

 1669—Nicholas Steno (Danmark)

Upptäckte mineralens geometriska egenskaper

Började systematisk beskrivning av mineral

(5)

Mineralogi

 Vetenskapen går famåt.

 1828—första studierna av mineral under mikroskop.

 1912—Max van Laue föreslår röntgenstudier av mineral.

 1915—William Henry och William Lawrence Bragg

Vann nobelpris.

Identifierade strukturen hos mineral med hjälp av röntgenstrålning.

Spektrum från röntkendiffraktion (XRD) används fortfarande för att

identifiera olika mineral.

(6)

Mineralogi

 Mineral studeras idag med hjälp av avancerad utrustning.

 Visar atomstrukturen hos olika mineral.

Elektronmikroskop (SEM) och mikrosonder (till vänster).

Röntgendiffraktometrar—samma princip som vid 1915 (till höger).

Masspektrometrar.

(7)

Hur kan vi “se” det inre i kristaller?

 Röntgendiffraktion (XRD) “ger bilder” av kristallgitter.

 Unika avstånd mellan gitter används för att identifiera olika

mineral.

(8)

Hur kan vi “se” det inre i kristaller?

 Moderna instrument kan “se” atommönster.

 Transmission electron microscope (TEM)

 Skjuter en stråle elektroner på kristallen.

 Elektronerna passerar hålrum och träffar en detektor.

 Elektroner som träffar atomer når aldrig detektorn.

 Ljusa och mörka mönster ger en bild av kristallgittret.

(9)

Varför studera mineral?

 Mineral är planetens byggstenar.

 Alla bergarter och sediment på Jorden består av mineral.

 För att förstå Jorden behöver man förstå mineral.

 Mineral är viktiga för människan.

 Industrimineral—råmaterial för tillverkning.

 Malmmineral—en källa till värdefulla metaller.

 Ädelstenar

(10)

Vad är ett mineral?

 Den geologiska definitionen av ett mineral är:

 Element (t.ex. C, S, Au, Ag) eller en kemisk

förening (t.ex. SiO ₄ , Fe ₃ O ₄ ).

 Känd kemisk samman- sättning och struktur.

 Kristallin.

 Bildats genom geologiska processer.

 Oorganisk (mestadels).

(11)

Kontinentala jordskorpans mineral- sammansättning

 Det finns drygt 4000 olika mineral.

Fältspat 58 %

Kvarts 11 %

Glimmer 10 %

Amfibol 8 %

Pyroxen 5 %

Olivin 3 %

Övriga 5 % (= c. 4000 olika mineral)

Si

⁴⁺

O

^2-

(12)

Vad är ett mineral?

 Naturligt förekommande.

 Ett mineral bildas genom geologiska processer.

 Människan kan återskapa geologiska processer för att framställa mineral.

Dessa är syntetiska mineral.

(13)

Vad är ett mineral?

 Fast form.

 Behåller sin form.

 Inga vätskor eller gaser.

(14)

Vad är ett mineral?

 Bildas genom geologiska processer.

 Stelning/kristallisation från en smälta.

 Utfällning (precipitering) från en vätska (vatten).

 Kemiska reaktioner vid höga tryck och temperaturer.

 Subtil skillnad: levande organismer kan bilda mineral.

 Kallas biogena mineral.

Benstomme (apatit).

Ostronskal, musselskal samt snäckskal (aragonit).

Andra skelettyper.

(15)

 Har en kristallin struktur.

 Atomerna i ett mineral är arrangerade i en specifik ordning.

 Detta mönster kallas kristallgitter (crystal lattice).

 Ett ämne i fast form som har oordnade atomer kallas glas.

 Avsaknad av kristallstruktur, glas är inte mineral.

Vad är en kristall?

(16)

 Kan påverka kristallers utseende. T.ex. kvarts:

 Mjölkkvarts.

 Bergkristall.

Dislokationer, defekter i kristaller

(17)

Vad är ett mineral?

 Specifik kemisk sammansättning.

 Mineral definieras av en kemisk formel.

Enkla:

 Halit—NaCl (till höger)

 Kalcit—CaCO ₃

 Kvarts—SiO ₂

Komplexa:

 Biotit—

o K(Mg,Fe) ₃ (AlSi ₃ O ₁₀ )(OH) ₂

 Hornblände—

o Ca ₂ (Fe ²⁺ ,Mg)(Al,Fe ³⁺ )(Si ₇ Al)O ₂₂ (OH,F) ₂

Hornblände:

En typ av

amfibol

Biotit

(18)

Vad är ett mineral?

 Oorganiska (mestadels).

 Organiska föreningar

Innehåller bindningar mellan kol–väte.

Kan också innehålla andra element (grundämnen).

 Syre

 Kväve

 Svavel

Vanliga produkter från levande organismer.

 De flesta mineral är INTE organiska.

(19)

Vad är en kristall?

 En ensam, kontinuerlig bit av kristallint material.

 Har vanligtvis platta ytor (kristallytor)

 Kristallytorna växer naturligt när mineralet bildas.

(20)

Vad är en kristall?

 Samma vinklar i samma mineral med olika form.

 Samma mineral har samma kristallytor.

 Närliggande kristallytor har samma vinkel till varandra.

 Kristallytor och vinklar återspeglar den kristallina strukturen.

(21)

Vad är en kristall?

 Kristaller kan ha många olika former.

 Beskrivande termer används för kristallfomer.

(22)

 Ordnade atomer packas tätt samman.

 Hålls samman av kemiska bindningar.

 Hur atomerna packas bestämmer kristallstrukturen.

 De fysikaliska egenskaperna (hårdhet, form) beror på:

 Vilka atomerna är.

 Hur de är arrangerade.

 Vilken typ av atombindning som finns.

Vad finns inne i en kristall?

Sodium (Na

⁺

) and Chloride (Cl

^-

) ions are bonded in a cubic lattice

by ionic bonds to form the mineral halite (NaCl), also known as salt.

(23)

 Typen av atombindning kontrollerar ett minerals egenskaper.

 Starkare bindning= hårdare mineral, högre smältpunkt.

 Svagare bindning= mjukare mineral, lägre smältpunkt.

 Bindningstyperna kan variera i olika riktningar hos ett mineral.

 Snabbare tillväxt av mineral där bindningar bildas lättare.

 Orienteringen av svagare bindningar kontrollerar hur mineralet spricker/spaltar.

Vad finns inne i en kristall?

(24)

Vad finns inne i en kristall?

 Typen av atombindning kontrollerar ett minerals egenskaper.

 Diamant, grafit och kol (C) är polymorfer.

 Diamant—starka bindningar; hårt mineral.

 Grafit—svaga bindningar; mjukt mineral.

 Polymorfer—samma kemiska sammansättning; olika

strukturer.

(25)

Bindningar i mineral

 Fyra olika typer av bindingar mellan atomer

Jonbindning (NaCl)

Kovalenta bindingar (Diamant) Metallbinding (Fe, Au, Cu…)

Vätebindingar (hydrerade mineral som innehåller vatten)

(26)

Jonbindingar

 Den elektriska laddningen balanseras (ex. Halit  Na ⁺ + Cl ^- ).

(27)

Kovalenta bindingar

 Atomerna delar på en [eller flera] elektroner (ex. diamant).

(28)

Metallbinding

 En eller flera valenselektroner från varje atom ett

elektronmoln som är gemensamt för alla atomer. Detta ger

upphov till god ledning av elektrisk ström.

(29)

Vätebinding

 Vätebindning kan endast ske mellan molekyler som har en eller flera väteatomer bundna till fluor (F), syre (O) eller kväve (N).

Hydrogen bonding in hydrous minerals –

Hydrous minerals contain water, e.g. gypsum

CaSO4*2H ₂ O,

mineraloid opal SiO ₂ *nH ₂ O

(30)

Atompackning

 Jonradien (storlek) och jonladdningen styr packningen.

 jon—laddad atom, vinst eller förlust av elektron(er).

 Katjon—positivt laddad jon, har förlorat elektron(er).

 Anjon—negativt laddad jon, har vunnit elektron(er).

 Jonstorleken beror antelet elektroner: anjoner är större.

(31)

Atompackning

 Joner kan packas samman på olika sätt beroende på dess storlek.

 Stor central katjon—Större antal anjoner.

 Liten central katjon—Mindre antal anjoner.

 Packningen bildar olika geometriska former.

(32)

Atompackning

(33)

Atompackning

Kalcit

Kvarts

Halit

Fluorit

(34)

Atompackning

 Kristallstruktur för kvarts, uppbyggd av SiO ₄ -tetraedrar

 Kovalenta bindningar

(35)

Vad finns inne i en kristall?

 Ordnade atommönster i mineral uppvisar symmetri.

 Spegelbild(er).

 Rotation runt en axel (eller flera axlar).

 Symmetrin är karakteristisk, sju grupper.

(36)

Kristallsymmetri

7 system baserad på symmetri 3 olika symmetrielement:

• Vridaxlar (2-, 3-, 4- eller 6-talig)

• Spegelplan

• Symmetricentrum (inversion)

(37)

Kristallsymmetri

7 system

1. Kubiska minst 4 st 3-taliga vridaxlar 2. Trigonala minst 1 st 3-talig vridaxel 3. Tetragonala minst 1 st 4-talig vridaxel 4. Hexagonala minst 1 st 6-talig vridaxel

5. Ortorombiska spegelplan o/el 2-taliga vridaxlar 6. Monoklina minst ett spegelplan el 1 st 2-talig

vridaxel

7. Triklina endast symmetricentrum

(38)

Kristallsymmetri

kvarts

(39)

Kristallsymmetri

(40)

 Nya kristaller kan bildas på fem olika sätt.

 Stelning från en smälta.

Kristaller växer när en smälta stelnar.

Atomerna kan inte vara obundna.

Hur bildas mineral?

(41)

 Nya kristaller kan bildas på fem olika sätt.

 Utfällning från en lösning.

Kärnor bildas när en lösning blir mättad.

Hur bildas mineral?

(42)

 Nya kristaller kan bildas på fem olika sätt.

 Diffusion (i fast form).

Hur bildas mineral?

Coin for scale

(43)

 Nya kristaller kan bildas på fem olika sätt.

 Biomineralisering.

Hur bildas mineral?

(44)

 Nya kristaller kan bildas på fem olika sätt.

 Utfällning direkt från en gas (sublimat).

Hur bildas mineral?

Sulfur crystals forming around a vent

(45)

Hur bildas mineral?

 En tidig liten kristall bildar en kärna runt vid kristallen kan växa.

 Atomer förflyttar sig mot kärnan och sätter sig på ytan.

 Tillväxt flyttar kristallytorna ut från kärnan.

 Formen återspeglar kristallens interna ordning av atomer.

(46)

 Tillväxt av kristaller fyller det tillgängliga utrymmet.

 Den resulterande kristallformen kontrolleras av omgivningen.

 Öppet utrymme—välutvecklade kristallytor.

 Dåligt om utrymme—inga kristallytor.

Hur bildas mineral?

(47)

Hur bildas mineral?

 Mineralttillväxt stoppas ofta av brist på utrymme.

 Anhedral—tillväxt i dåligt utrymme, inga kristallytor.

 Euhedral—tillväxt i gott om utrymme, tydliga kristallytor.

 Anhedrala kristaller är vanligare.

 Euhedrala kristaller tillväxer i öppna utrymmen som geoder.

Amethyst Geode

(48)

Slutet för mineral

 Mineral kan förstöras genom:

 Smältning—värme bryter bindningarna som håller ihop atomerna.

 Lösning—lösningsmedel (främst vatten) bryter atombindningar.

 Kemiska reaktioner—reaktiva material bryter bindningar i

kristallstrukturen.

(49)

Klassificering av mineral

 Mineral kan klassificeras i olika grupper.

 J. J. Berzelius noterade likheter.

 Mineral kan grupperas baserat på:

Den huvudsakliga anjonen (negativa jonen), eller

Gruppen av anjoner (negativa molekyler).

 Exempel: sulfider (S ^- ) eller karbonater (CO ₃ ^2- )

 Den viktigaste mineralgruppen är silikaterna (SiO ₄ ^4- ).

(50)

Klassificering av mineral

Klass Anjon Exempel

I Element - Guld, silver, svavel II Sulfid etc S ^2- Blyglans [PbS]

III Halid etc Cl ^- , F ^- Halit [NaCl,=bordssalt]

IV Oxid O ^2- Hämatit [Fe ₂ O ₃ ]

Va Nitrater NO ₃ ^2-

Vb Karbonat CO ₃ ^2- Kalcit [CaCO ₃ ]

Vc Borater BO ₃ ^2-

VI Sulfat etc SO ₄ ^2- Gips [CaSO ₄ ^. 2H ₂ O]

VII Fosfat etc PO ₄ ^2- Apatit [Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ ]

VIII Silikat SiO ₄ ^4- Kvarts [SiO ₂ ]

(51)

Ädelstenar

 Ädelstenar—mineral av speciellt värde

 Vackra

 Sällsynta

Diamant

Rubin

Saffir

 Mindre sällsynta

Turmalin

Topas

Akvamarin

Granat

(52)

Ädelstenar

 Ädelstenar beskärs och poleras i laboratorier.

 Fasetterna slipas med maskin.

 Fasetter är INTE de naturliga kristallytorna.

(53)

Varifrån kommer diamanter?

 Diamanter bildas vid extremt högt tryck.

 ~150 km djup—övre mantel.

 Rent kol trycks samman och bildar diamantstrukturen.

 Rifting tvingar djupt mantelmaterial att röra sig uppåt.

 Diamanter återfinns i kimberliter (ultramafiska bergarter).

 Återfinns i sköldar/kratoniska miljöer.

(54)

Varifrån kommer diamanter?

(55)

Fördelningen av kratoner/sköldar

“A large stable block of the earth's crust

forming the nucleus of

a continent.”

(56)

Potentiellt

diamantförande

bergarter

(57)

 The Mineralogical Society of America

 http://www.minsocam.org/

 USGS Mineral Resources Program

 http://minerals.usgs.gov/

 USGS Mineral Resources On-Line Spatial Data

 http://tin.er.usgs.gov/

 David Barthelmy’s Mineralogy Database

 http://webmineral.com/

 The Mineralogical Record

 http://www.mineralogicalrecord.com/contents.asp

 Mindat.org—the Largest Mineral Database on the Internet

 http://www.mindat.org/

Användbart på nätet

Mineralogi 1

Mineralogi 1

Chapter 5

Mineral

 Mer än 4000 olika mineral är kända idag.

 Omkring 50–100 nya mineral hittas varje år.

 Människans intresse för olika mineral har pågått i

årtusenden.

Mineralnamn

 Namnen på olika mineral har flera olika ursprung.

 Ord från andra språk:

Tyska—ortoklas (delas i räta vinklar)

Latin—albit (vit)

 Egenskaper:

Färg—olivin är olivgrön

 Fyndställen:

Skutterudit—Skutterud, Norge

Illit—Först upptäckt i Illinois

 Sammansättning:

Kromit—innehåller krom

 Människor:

Jimthompsonit

Mineralogi

 Vetenskapliga studier av mineral började under 1500-talet.

 1556—Georgius Agricola (Tyskland)

Publicerade De Re Metallica (On the Nature of Metals)

Enkla beskrivningar av olika mineral

 1669—Nicholas Steno (Danmark)

Upptäckte mineralens geometriska egenskaper

Började systematisk beskrivning av mineral

Mineralogi

 Vetenskapen går famåt.

 1828—första studierna av mineral under mikroskop.

 1912—Max van Laue föreslår röntgenstudier av mineral.

 1915—William Henry och William Lawrence Bragg

Vann nobelpris.

Identifierade strukturen hos mineral med hjälp av röntgenstrålning.

Spektrum från röntkendiffraktion (XRD) används fortfarande för att

identifiera olika mineral.

Mineralogi

 Mineral studeras idag med hjälp av avancerad utrustning.

 Visar atomstrukturen hos olika mineral.

Elektronmikroskop (SEM) och mikrosonder (till vänster).

Röntgendiffraktometrar—samma princip som vid 1915 (till höger).

Masspektrometrar.

Hur kan vi “se” det inre i kristaller?

 Röntgendiffraktion (XRD) “ger bilder” av kristallgitter.

 Unika avstånd mellan gitter används för att identifiera olika

mineral.

Hur kan vi “se” det inre i kristaller?

 Moderna instrument kan “se” atommönster.

 Transmission electron microscope (TEM)

 Skjuter en stråle elektroner på kristallen.

 Elektronerna passerar hålrum och träffar en detektor.

 Elektroner som träffar atomer når aldrig detektorn.

 Ljusa och mörka mönster ger en bild av kristallgittret.

Varför studera mineral?

 Mineral är planetens byggstenar.

 Alla bergarter och sediment på Jorden består av mineral.

 För att förstå Jorden behöver man förstå mineral.

 Mineral är viktiga för människan.

 Industrimineral—råmaterial för tillverkning.

 Malmmineral—en källa till värdefulla metaller.

 Ädelstenar

Vad är ett mineral?

 Den geologiska definitionen av ett mineral är:

 Element (t.ex. C, S, Au, Ag) eller en kemisk

förening (t.ex. SiO 4 , Fe 3 O 4 ).

 Känd kemisk samman- sättning och struktur.

 Kristallin.

 Bildats genom geologiska processer.

 Oorganisk (mestadels).

Kontinentala jordskorpans mineral- sammansättning

 Det finns drygt 4000 olika mineral.

Fältspat 58 %

Kvarts 11 %

Glimmer 10 %

Amfibol 8 %

Pyroxen 5 %

Olivin 3 %

förening (t.ex. SiO ₄ , Fe ₃ O ₄ ).

 Kalcit—CaCO ₃

 Kvarts—SiO ₂

o K(Mg,Fe) ₃ (AlSi ₃ O ₁₀ )(OH) ₂

o Ca ₂ (Fe ²⁺ ,Mg)(Al,Fe ³⁺ )(Si ₇ Al)O ₂₂ (OH,F) ₂