MINERALOGIE

MINERALOGIE

Mineralogia este stiinta naturii care studiaza mineralele din punct de vedere al clasificarii, genezei, chimismului, structurii atomice interne si al proprietatilor fizico-chimice.

Mineralul. In sens strict un mineral poate fi definit ca o substanta anorganica, formata pe cale naturala, care are o compozitie chimica definita, aflata in stare de agregare solida, cristalizata omogen. Aceste limite stricte ale definitiei impun unele precizari si discutii pentru largirea sferei de cuprindere a notiunii de mineral:

1. Caracteristica de substana anorganica elimina din campul mineralelor substantele organice produse de plante si animale. Este vorba de scheletele externe ale unor organisme inferioare constituite din carbonat de calciu identic din punct de vedere fizic si chimic cu aragonitul (CaCO₃ cristalizat in sistemul rombic). In aceiasi situatie se afla si solidele omogene acumulate sub forma de calculi sau pietre in organismul uman. Daca aceste produse organice au o semnificatie mineralogica redusa, nu acelasi lucru se poate spune despre produsele energetice organice de tipul carbunilor si bitumenelor naturale, pe care unii mineralogi le includ in randul mineralelor.

2. Calificativul de substanta naturala presupune o discriminare fata de produsii sintetici, mai ales ca in prezent majoritatea mineralelor pot fi sintetizate in laborator. In acelasi conrext se poate discuta despre mineralele formate pe cale naturala prin transformarea zgurilor metalurgice rezultate in urma proceselor de extragere a metalelor din minereuri care au inceput in urma cu 6-7 mii de ani.

3. Compozitia chimica definita a mineralelor sugereaza ca acestea se caracterizeaza printr-o formula chimica fixa. Insa formulele chimice ale mineralelor pot fi simple sau complexe in functie de numarul elementelor chimice constitutive si de proportia in care sunt combinate. Astfel apare deosebirea intre o compozitie chimica fixa si una definita. Foarte multe minerale pot varia in compozitie, ea nefiind deci fixa, dar aceasta variatie are loc in limite definite.

4. Starea de agregare solida poate fi o cerinta arbitrara in cazul substantelor cu puncte de topire/solidificare apropiate de temperatura ambientala. In aceasta situatie se afla gheata si mercurul nativ, cu puncte de topite in limitele variatiilor climatice.. In aceste cazuri restrictia referitoare la starea de agregare devine nerelevanta, iar apa si mercurul lichid pot fi considerate minerale.

5. Notiunea de cristal omogen exclude dintre minerale substantele naturale amorfe si cele mezomorfe care in sens mai larg pot fi, de asemenea, considerate minerale.

Compozitia chimica a mineralelor

In compozitia chimica a mineralelor intra majoritatea elementelor chimice cunoscute. In functie de tendinta lor de asociere elementele chimice se inpart in 2 categorii:

1. Elemente petrogene cu tendinta preponderent oxifila, intra in compozitia chimica a silicatilor, oxizilor, carbonatilor, sulfatilor, fosfatilor, minerale care formeaza rocile din scoarta terestra. Cele mai importante elemente petrogene sunt: O, Si, Al, Fe, Mn, Ca, Na, K, Mg, Ti.

2. Elemente metalogene care au tendinta sulfofila. Acestea intra in compiozitia chimica a sulfurilor, sulfosarurilor, arseniurilor, antimoniurilor, a unor oxizi sau elemente native. Principalele elemente metalogene sunt: Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Cr, Mo, Te, W, Co, Ni, Pt, U. Desi continuturile medii ale acestor elemente in scoarta terestra sunt mici, uneori pot forma acumulari locale importante de minereuri metalice.

Consideratii privind denumirea mineralelor

Numele mineralelor a derivat initial de la proprietatile lor fizice, oferind astfel informatii referitoare la unele particularitati ale lor. Cuvinte din limba greaca sau latina, mai rar araba sau germana, exprima unele caracteristici ale mineralelor.

- Culoarea: albit Na[Si₃AlO₈] - albus (latina); rodocrozit MnCO₃ - rhodos (greaca); azurit Cu₃(CO₃)₂(OH)₂ - azul (araba).

- Greutatea specifica: baritina BaSO₄ - barys (greaca).

- Duritatea: disten Al₂[SiO₄]O - stenos=rezistent (greaca)

- Forma cristalografica: tetraedrit (Cu,Fe)₁₂Sb₄S₁₃

- Proprietati magnetice: magnetit Fe₃O₄ - mineral puternic feromagnetic.

O serie de denumiri provin de la compozitia chimica a mineralelor: calcit CaCO₃, cuprit Cu₂O, zincit ZnO, fluorina CaF₂, magnezit MgCO₃.

Multe denumiti indica numele localitatilor sau zonelor unde au fost descoperite mineralele: vezuvian (Vezuviu), andaluzit (Andaluzia), aragonit (Aragon), muscovit (Moscova), ilmenit (Ilmen), hedembergit (Hedemberg), freibergit (Freiberg).

In momentul dezvoltarii mineralogiei ca stiinta s-a impus obiceiul de a dedica mineralele noi descoperite unor personalitati stiintifice sau culturale: wollastonit (Wollaston), franklinit (Franklin), goethit (Goethe).

In prezent se au in vedere urmatoarele criterii pentru denumirea mineralelor: (a) renuntarea la nume proprii pentru denumirea varietatilor chimice minore ale unor minerale; (b) impunerea genului masculin cu terminatia "it" in locul genului feminin cu terminatia "ita" (ex. magnetit, calcit). In unele cazuri s-a pastrat terminatia "ita" pentru denumiri intrate in limbajul comul (ex. pirita, marcasita).

I. MINERALOGIE SISTEMATICA

Reprezinta ramura mineralogiei care are ca obiect de studiu clasificarea si descrierea caracteristicilor comune ale diferitelor categorii de minerale.

Unitatea fundamentala in mineralogie este mineralul considerat specie. Numarul total de minerale depinde de modul in care acestea sunt definite, dar se considera ca in natura sunt aproximativ 2500-3000 de minerale. Daca se iau in considerare si varietatile fiecarui mineral se ajunge insa la 10000-12000 de varietati mineralogice.

Criteriile care pot fi utilizate in clasificarea mineralelor sunt geneza, compozitia chimica si structura atomica interna. Criteriul genetic, utilizat in biologie, nu este convenabil in clasificarea mineralelor deoarece minerale total diferite chimic si structural se pot forma in acelasi timp si in acelasi mod. Pe de alta parte acelasi mineral se poate forma in conditii si prin procese total diferite. Din acest motiv clasificarea mineralelor combina criteriul compozitiei chimice cu cel structural. Din acest punct de vedere mineralele sunt impartite in 8 diviziuni majore, considerate clase mineralogice:

Se poate observa ca procentul din numarul total de minerale al unei clase nu corespunde cu ponderea de participare a mineralelor din clasa respectiva la compozitia scoartei terestre. Astfel clasa fosfatilor, care reprezinta aproape 20% din numarul total de minerale, participa in proportie de sub 1% la constitutia rocilor din scoarta terestra. Acest lucru se explica prin numarul foarte mare de minerale din aceasta clasa, dar care sunt insa extrem de rare, avind astfel o pondere nesemnificativa in scoarta terestra. Se poate observa ca prima diviziune in sistematica mineralelor este clasa mineralogica.

Clasele mineralogice se impart in subclase. Spre exemplu clasa silicatilor cuprinde 6 subclase (nezosilocati, sorosilicati, ciclosilicati, inosilicati, filosilicati si tectosilicati.

In cadrul subclaselor se separa o serie de subdiviziuni care includ minerale inrudite chimic si structural numite tipuri. Spre exemplu in clasele sulfurilor si oxizilor, tipurile sunt sistematizate in sensul descresterii raportului A:X (cation-anion).

Tipurile se separa in grupe care contin in mod uzual minerale cu o structura atomica asemanatoare. Formarea grupelor nu poate fi redusa insa doar la criteriul structural. Spre exemplu sarea gema (NaCl) si galena (PbS), desi au structuri atomice similare, precum si aceleasi raporturi cation-anion, nu fac parte din aceiasi grupa fiind minerale total diferite chimic (halogenura si respectiv sulfura). Deci la baza constituirii grupelor de minerale stau pe langa similitudinile structurale si caracteristicile fizico-chimice comune.

Grupele se divid in serii in functie de variabilitatea in compozitia chimica. Unele serii au o variabilitate chimica continua, ceea ce inseamna ca elementele care produc variabilitatea chimica se pot substitui reciproc in orice proportie. Este cazul seriei forsterit Mg[SiO₄] / fayalit Fe[SiO₄] din grupa olivinelor cu substitutii Mg-Fe. In cazul in care substitutiile intre elemente se pot realiza doar in limite stricte rezulta serii cu variabilitate chimica limitata. O astfel de serie este cea a feldspatilor alcalini cu termeni extremi albitul Na[Si₃AlO₈] si ortoza K[Si₃AlO₈], caz in care Na si K se pot substitui reciproc doar in proportie de 10%.

La randul lor seriile se divid in specii mineralogice sau pe scurt minerale individuale. Un mineral poate avea mai multe varietati, care difera intre ele prin unele proprietiti fizice sau usoare variatii in compozitia chimica. De exemplu corindonul (Al₂O₃), incolor in stare pura, cuprinde varietatile rubin (de culoare rosie) si safir (de culoare albastra).

Descrierea claselor mineralogice

1. Clasa elementelor native

In scoarta terestra se afla in stare nativa aproximariv 33 de elemente chimice, in special metale. Aceasta clasa cuprinde pe langa elemente in stare solida, elemente in stare lichida (mercurul) si elemente in stare gazoasa (gaze nobile si oxigen).

Numarul total al speciilor si varietatilor este de aproximativ 80, depasind cu mult numarul elementelor care intra in compozitia lor. Acest lucru se explica fie prin formele alotropice diferite ale unui element (diamant - carbon cubic, grafit - carbon trigonal sau hexagonal) fie prin solutiile solide care se formeaza intre anumite elemente (electrum - solutie solida naturala de Au si Ag).

Clasa elementelor native cuprinde 3 subclase:

- subclasa metalelor: Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Pb, Fe, Ni

- subclasa semimetalelor: As, Sb, Bi, Se, Te

- subclasa nemetalelor: C, S

2. Clasa sulfurilor si sulfosarurilor

Aceasta clasa inglobeaza pe langa sulfuri si sulfosaruri si combinatii asemanatoare: seleniuri, telururi, arseniuri, antimoniuri si oxisulfuri. Mineralele componente acestei clase sunt importante din punct de vedere economic si au un rol deosebit in compozitia zacamintelor de substante minerale utile.

Sulfurile si compusii similari se caracterizeaza prin legaturi chimice heterodesmice ionic-covalente. Gradul de covalenta al legaturii chimice a sulfurilor depinde de electronagativitatea elementelor care intra in compozitia chimica. Metalele din grupele de tranzitie, specifice mineralelor din aceasta clasa, confera sulfurilor o serie de proprietati specifice: luciul metalic foarte pronuntat si conductivitatea electrica foarte buna). In contact cu oxigenul si bioxidul de carbon toate mineralele acestei clase sufera procesul de oxidare. Initial se transforma in sulfati usor solubili care trec ulterior in oxizi, hidroxizi, carbonati si alti compusi oxigenati.

Clasa sulfurilor si sulfosarurilor cuprinde 3 subclase:

- subclasa sulfurilor simple;

- subclasa sulfurilor complexe;

- subclasa sulfosarurilor.

3. Clasa oxizilor si hidroxizilor

Aceasta clasa contine compusi intalniti in natura sub forma de oxizi simpli si oxizi hidratati ai metalelor. Aproximativ 40 de elemente chimice formeaza combinatii naturale simple cu oxigenul. Toate mineralele acestei clase se caracterizeaza prin legaturi de tip ionic intre cationii metalici si anionii O^2- sau (OH)^-. Hidroxizii formeaza de regula retele atomice stratificate, planele reticulare fiind conectate prin legaturi de tip van der Waals. Reteaua atomica a oxizilor este mai rezistenta decat cea a hidroxizilor si a oxizilor hidratati, fapt care influenteaza o serie de proprietati fizice (duritatea, clivajul, luciul, culoarea). Formarea oxizilor este controlata de prezenta oxigenului, a vaporilor de apa si a bioxidului de carbon in scoarta terestra. Oxigenul liber poate patrunde in scoarta impreuna cu apele meteorice in panzele de ape freatice. Bioxidul de carbon si vaporii de apa pot ajunge pana la adancimi de 12 km in interiorul scoartei pamantului.

Aceasta clasa cuprinde 3 subclase:

- subclasa oxizilor simpli;

- subclasa oxizilor complecsi (formati din 2 metale - spineli);

- subclasa hidroxizilor.

4. Clasa halogenurilor

Clasa halogenurilor cuprinde compusi de tip ionic ai metalelor cu anioni din grupa a 7-a principala a tabelului periodic (F, Cl, Br, I). Din punct de vedere chimic halogenurile sunt saruri ale acizilor fluorhidric HF, clorhidric HCl, bromhidric HBr si iodhidric HI, determinind combinatii de tipul fluorurilor, clorurilor, bromurilor si iodurilor. Cationii metalici sunt reprezentati de metale alcaline si alcalino-pamantoase, mai rar B, Al, Si si metale tranzitionale (Mn, Fe, Cu, Ag, Pb). Proprietatile fizice caracteristice ale halogenurilor, rezultate din structura lor atomica si legaturile de tip ionic, sunt transparenta ridicata, greutatea specifica mica si luciul sticlos.

5. Clasa carbonatilor, nitratilor, boratilor si iodatilor

Carbonatii au ponderea cea mai mare in aceasta clasa prin raspandirea lor la suprafata scoartei terestre. Sunt saruri ale acidului carbonic H₂CO₃ cu metale alcalino-pamantoase (Mg, Ca, Sr, Ba) sau cu metale tranzitionale (Fe, Mn, Ni, Cu, Zn). Radicalul anionic (CO₃)^2-se caracterizeaza prin legaturi covalente intre atomii de oxigen si atomul de carbon. In scimb legaturile dintre cationii metalici si anionul (CO₃)^2- sunt de tip ionic. Rezulta astfel o structura de tip anizodesmic, caracterizata prin mai multe tipuri de legaturi chimice. Carbonatii cristalizeaza in sistemul trigonal sau rombic dupa cum raza ionica a metalului este mai mica, respectiv mai mare, decat cea a ionului Ca²⁺.

Nitratii sunt compusi ai metalelor cu anionului azotat (NO₃)^-. Sunt minerale solubile in apa intalnite in zonele desertice cu climat cald si uscat. Se formeaza prin oxidarea azotului in aer sau prin oxidari bacteriene.

Boratii si iodatii, minerale rar intalnite, sunt saruri ale acizilor boric H₃BO₃ si iodic HIO₃. Sunt minerale hidratate, in compozitia lor chimica fiind prezente molecule de apa sau grupari hidroxil.

6. Clasa sulfatilor, cromatilor, molibdatilor si wolframatilor

Mineralele acestei clase reprezinta combinatii ale metalelor cu radicalii anionici sulfat (SO₄)^2-, cromat (CrO₄)^2-, molibdat (MoO₄)^2- sau wolframat (WO₄)^2-.

Sulfatii ocupa ponderea cea mai mare a acestei clase atat ca numar de minerale cat si ca raspandire in natura. Formarea sulfatilor este legata de prezenta sulfului in medii puternic oxigenate care favorizeaza aparitia acidului sulfuric. Metalele mono si bivalente formeaza sulfati anhidrii, in schimb metalele trivalente, in special Al³⁺ si Fe³⁺ formeaza sulfati hidratati. Duritatea scazuta este caracteristica tuturor sulfatilor.

Mineralele din subclasa cromatilor sunt rar intalnite in natura. Anionul (CrO₄)^2- poate forma retele cristaline doar cu Pb si K, elemente care au raze ionice mari. Cromatii se formeaza doar in medii puternic oxigenate.

Molibdatii si wolframatii contin metale din grupele de tranzitie (Mn, Fe, Pb, Cu) la care se adauga Ga si Al. Sunt minerale cu frecventa redusa in natura, numarul lor fiind de asemenea redus.

7. Clasa fosfatilor, arseniatilor si vanadatilor

Sunt saruri ale acidului ortofosforic H₃PO₄, arsenic H₃AsO₄½H₂O sau compusi ai metalelor cu anionul (VO₄)^3-. Anionii (PO₄)^3-, (AsO₄)^3- si (PO₄)^3- au dimensiuni mari ale razelor ionice si formeaza saruri stabile cu cationi trivalenti de dimensiuni mari, in special cu Bi si cu lantanidele. Metalele bivalente formeaza fie saruri acide fie saruri care contin anioni suplimentari (OH)^-, F^-, O^2-.

Numarul de minerale din aceasta clasa este deosebit de mare. Acest lucru se explica prin existenta seriilor de minerale cu variabilitate chimica limitata sau continua. Cu toate acestea, in afara fosfatilor care formeaza unele acumulari importante, prezenta acestor minerale in natura este rara.

8. Clasa silicatilor

In aceasta clasa intra un numar mare de minerale care alcatuiesc peste un sfert din numarul total de minerale cunoscute in natura. Silicatii constituie peste 80% din scoarta terestra, reprezentind componentii principali ai majoritatii rocilor. Silicatii au un rol important in compozitia mineralogica a majoritatii zacamintelor de substante minerale utile, fie ca insotitori ai mineralelor metalice, fie continind elemente utile cum sunt Ni, Zr, Be, Li, Cs, Rb, U si pamanturi rare. O serie de silicati sunt folositi ca pietre pretioase si semipretioase: smarald, aquamarin, turmalina, topaz, rodonit, nefrit etc.

Desi contin un numar restrans de elemente in compozitia lor chimica, silicatii au o structura atomica interna complexa si o variabilitate chimica ridicata ceea ce explica numarul mare de specii mineralogice ale acestei clase.

Clasificarea silicatilor se realizeaza pe criteriul structural, pornind de la gruparea anionica [SiO₄]^4- prezenta in toate structurile silicatilor. Siliciul este in coordinatie tetraedrica, fiind inconjurat de 4 atomi de oxigen. Legaturile chimice Si-O sunt covalente. Tetraedrii [SiO₄]^4- se asociaza cu cationi metalici prin legaturi chimice de tip ionic. Anionii suplimentari care pot intra in structura silicatiilor sunt O^2-, (OH)^-, F^-. Planele reticulare constituite din tetraedrii [SiO₄]^4- pot fi legate intre ele prin legaturi van der Waals. Diversele moduri de asociere ale acestor tetraedrii in structura silicatilor conduc la individualizarea celor 6 subclase de silicati. Substitutiile intre cationii metalici, precum si substitutia Al-Si in interiorul unitatilor tetraedrice sunt caracteristice si frecvente. Aceste substitutii reprezinta cauza variabilitatii chimice deosebit de mari a silicatilor.