Mineralogy - UU Studentportalen

Mineralogy 1. Definitions of a mineral, mineraloid, rock

2. Chemical bonding in minerals 3. Physical properties

Minerals: the building blocks of rocks • Definition of a Mineral:  naturally occurring  inorganic  solid  characteristic crystalline structure  definite chemical composition

MINERALOID A mineraloid is a mineral-like substance that does not demonstrate crystallinity. Mineraloids possess chemical compositions that vary beyond the generally accepted ranges for specific minerals.

Common mineraloids Amber (bärnsten), non-crystalline structure Jet (beckkol), non-crystalline nature Native mercury, non-solid Obsidian, volcanic glass - non-crystalline structure Opal, non-crystalline silicon dioxide Petroleum, liquid Pyrobitumen, non-homogeneous, non-crystalline structure Vulcanite, vulcanized natural or synthetic rubber, thus not a mineral due lack of crystalline structure

Mineral versus rock Rock or stone is a naturally occurring solid aggregate of minerals and/or mineraloids.

Kalksten består av kalcit (CaCO3)

Sandsten består av SiO2

Bonding in minerals

- Ionic (NaCl) - Covalent (diamond, H2)

- Metallic (Fe, Au, Cu…) - Hydrogen bond (ice, water, hydrous minerals)

Model of atom

Atomic number = number of protons Mass number = number of protons+neutrons

Chemical bonding in NaCl

Jonbindning följer av elektrostatisk attraktion mellan joner bildade genom elektronöverföring. A. Då natrium reagerar med klor bildas joner. Den ensamma elektronen i natriumatomens yttre elektronskal går över till kloratomens yttre skal med sju valenselektroner. De bildade jonerna får härvid båda yttre elektronskal innehållande åtta elektroner, dvs. ädelgasstruktur. Elektronövergången mellan natriumatomen och kloratomen och hur radierna hos de härvid bildade jonerna skiljer sig från atomernas framgår av bilden. B. Natriumjonerna och kloridjonerna kristalliserar till koksalt. I ett salt är jonerna regelbundet anordnade i rymden så att laddningarna bildar ett jongitter. I koksalt omges varje natriumjon av sex kloridjoner och varje kloridjon av sex natriumjoner. C. Bindningsavståndet mellan en positiv och en negativ atomjon svarar mot ett minimum i jonparets lägesenergi E. E kan ses som sammansatt av attraktionsenergin Ea mellan två punktformiga laddningar q1 och q2 (enligt Coulombs lag, Ea = k q1q2/R, där R är avståndet mellan jonerna och k en konstant) och en repulsionsenergi Er. Den senare beror på att när R minskar tränger sig atomernas elektronmoln alltmera in i varandra (överlappning ger Pauli-repulsion); vid tillräcklig minskning av R ökar repulsionskraften mycket hastigt, vilket är förklaringen till minimumet i E = Ea + Er som funktion av R.

Kovalent bindning innebär att elektroner sprids ut så att de blir gemensamma för två eller flera atomer. A. Molekylföreningar bildas liksom jonföreningar genom att de ingående atomerna får ädelgasstruktur. I en vätemolekyl får de båda väteatomernas elektronmoln heliumstruktur genom att de två elektronerna samtidigt tillhör båda atomerna. Ett sådant gemensamt elektronpar kallas bindande elektronpar (markeras som ett streck mellan atomerna). B. En klormolekyl består av två kloratomer som var och en har sju valenselektroner. I klormolekylen blir vardera atomen omgiven av åtta elektroner genom att två elektroner blir gemensamma. C. I diamant bildar kolatomer ett tetraedriskt nätverk av kovalenta enkelbindningar. Alla valenselektroner är då parade till bindande elektronpar delade mellan två kolatomer så att var och en omges av åtta valenselektroner.

Si – O tetrahedron fundamental building block of silicates Within tetrahedron, silicon and oxygen atoms are held together by covalent bonds

Metallbindning • I en metall bildar en eller flera valenselektroner från varje atom ett elektronmoln som är gemensamt för alla atomer. Detta ger upphov till god ledning av elektrisk ström.

Väte bindning • Väte bindning kan endast ske mellan molekyler som har ett eller flera väte bundna till fluor (F), syre (O) eller kväve (N).

Hydrogen bond (indicated by dashed line ) between oxygen (red) and hydrogen (white) belonging to two different water molecules. Inside a molecule, oxygen and hydrogen are covalently bonded .

Hydrogen bonding in hydrous minerals – Hydrous minerals contain water, e.g. gypsum CaSO4.2H2O, mineraloid opal SiO2.nH2O

How do we identify minerals? •

Physical properties:       

Color Luster Hardness Crystal shape Cleavage Specific gravity Other

Physical Properties of Minerals •

Crystal shape (or form): – external expression of a mineral’s internal atomic structure – planar surfaces are called crystal faces – angles between crystal faces are constant for any particular mineral

Quartz (SiO2) Hexagonal crystals with Pyramidally-shaped ends

Pyrite (FeS2, ”fool’s gold) cubic crystals

Pyrite

Crystal structure of quartz is built up from SiO4 tetrahedra

Crystal form

Mineral Growth Minerals grow outward from a central seed to fill the available space; their shape is controlled by the shape of their surroundings

7 crystal systems

Förkortningar för enhetsceller

Physical Properties of Minerals •

Specific gravity: – – –

weight of a mineral divided by weight of an equal volume of water Range: from 0.93 (ice I) to 20 (heavy metals Pt, Au) Metallic minerals tend to have higher specific gravity than nonmetallic minerals Galena SG=7.5

Quartz SG=2.67

Physical Properties of Minerals •

Luster: – How a mineral surface reflects light – Two major types: • Metallic luster • Non-metallic luster

Metallic example: Galena

Non-metallic example: Orthoclase

Color – an obvious feature of mineral, but not the reliable one, because even a slight impurity can dramatically change color

Hematite

Streak (strek) – color of mineral in its powdered form (more reliable property than ”color” because it usually does not vary from sample to sample) The powder is produced by rubbing the mineral on a white, porcelain plate. This only works with minerals of hardness