Zasady systematyki krzemianów
Podstawą systematyki krzemianów jest sposób połączenia ze sobą tetraedrycznych anionów [SiO4]4-, stopień ich kondensacji. Aniony te mogą się łączyć ze sobą narożami według schematu: [SiO4]4- + [SiO4]4- = [Si2O7]6- + O, tworząc grupy złożone z określonej liczby tetraedrów (krzemiany grupowe, pierścieniowe), bądź też utwory zbudowane z nieokreślonej ilości tetraedrów [SiO4]4- (krzemiany łańcuchowe, wstęgowe i warstwowe), a także struktury przestrzenne (szkieletowe) w których tetraedry krzemotlenowe są powiązane wzajemnie wszystkimi narożami. Ze wzrostem kondensacji zmniejsza się stosunek ilościowy O:Si. Krzemiany dzielimy na:
a) wyspowe - zbudowane z izolowanych tetraedrów [SiO4]4-, w których stosunek O:Si wynosi 4:1 (np. oliwiny (Fe,Mg)2[SiO4])
b) grupowe - dzielą się na pirokrzemiany - inaczej dwukrzemiany, w których dwa tetraedry połączone są wspólnym narożem, i tworzą anion [Si2O7]6-, w których stosunek O:Si wynosi 3,5:1 (hemimorfit Zn4[(OH)2/Si2O7]*H2O)
- pierścieniowe - w których kilka tetraedrów (najczęściej 6) złączonych każdy dwoma narożami tworzy pierścień, stosunek O:Si wynosi 3:1 (beryl)
c) łańcuchowe - nieograniczone łańcuchy tetraedrów złączonych każdy dwoma narożami, tworzy się anion n*[Si2O6]4-, stosunek O:Si - 3:1 (pirokseny)
d) wstęgowe - podwójne łańcuchy, tworzy się anion n*[Si4O11]6-, O:Si = 2,75:1 (amfibole, np. tremolit)
e) warstwowe - nieograniczone warstwy tetraedrów złączonych trzema narożami każdy, stosunek O:Si = 2,5:1 (miki, np. muskowit)
f) szkieletowe(przestrzenne) - tworzone przez nieograniczony szkielet utworzony z tetraedrów, złączonych każdy czterema narożami, O:Si = 2:1 (skalenie, np. ortoklaz)
Podstawy budowy wewnętrznej krzemianów warstwowych
Krzemiany warstwowe reprezentuja wysoki stopień kondensacji anionów [SiO4]4-. Są one wykształcone jako połączenia pierścieni sześcioczłonowych utworzonych z anionów krzemotlenowych [SiO4]4-. Wolne aniony O2- są skierowane ku sąsiedniej warstwie metalo-tleno-wodorotlenowej w której kationami są najczęściej Al3+ lub Mg2+. Częste są podstawienia anionów [SiO4]4- przez [AlO4]5-. Krzemiany tego typu utworzone sa z warstw krzemotlenowych i glinotlenowych rozmieszczonych równolegle do dwuścianu podstawowego. Tworzą kształty heksagonalne lub pseudoheksagonalne.
Możliwe są dwa zasadnicze sposoby wiązania warstw krzemotlenowych i warstw metahydroksylowych w pakiety, które stanowią podstawowe elementy struktury krzemianów warstwowych:
a) warstwa matalohydroksylowa zostaje zamknieta między dwiema warstwami krzemowotlenowymi. Pakiety typu 2:1(grupa pyrofylitu i talku, miki zwyczajne (muskowit, biotyt), hydromiki (illit, glaukonit), grupa montmorillonitu(montmorillonit, wermikulit))
b) warstwa metalohydroksylowa jest jednostronnie połączona z warstwą krzemotlenową (pakiety typu 1:1 - grupa kaolinitu i serpentynu (podgrupa kaolinitu - kaolinit, dickit, nakryt, halozoit; podgrupa serpentynu - antygoryt, chryzotyl, lizardyt))
c) pakiet typu 2:1:1 (Chloryty - Pennin, Klinochlor)
Podział optyczny kryształów
kryształy jednoosiowe mają dwie skrajne barwy pleochroiczne w kierunku osi optycznej pleochroizm nie występuje (Trygonalny, Tetragonalny, Heksagonalny) ściemniają światło prosto
dwuosiowe mają trzy główne barwy pleochroiczne dla drgań odpowiadającym skrajnym współczynnikom załamania światła n, n, nγ (Trójskośny, Jednoskośny, Rombowy) ściemniają światło skośnie
izotropowe
anizotropowe
jednoosiowe n > nw + // n < nw -
dwuosiowe nγ - n > n - n + // n < n - n -
Struktura a własności optyczne ciał stałych
Właściwości optyczne zalezne sa od tego do którego układu krystalograficznego należy dany kryształ. Minerały izotropowe (ciała bezpostaciowe i kryształy układu regularnego) pojedynczo załamują światło (n=const), pod względem optycznym róznią się od siebie wartością współczynnika załamania światła, barwą i połyskiem.Właściwości optyczne tych ciał sa niezależne od kierunków obranych w krysztale. Minerały anizotropowe optycznie jednoosiowe (układu heksagonalnego, tetragonalnego, trygonalnego) podwójnie załamuja światło przy czym zmienność współczynnika załamania światła (n, nw) można odwzorować przy pomocy indykatrysy - powierzchni elipsoidy obrotowej, której półosiami są n i nw. Poszczególne minerały róznią się współczynnikiem załamania światła, dwójłomnością, charakterem optycznym, barwą, pleochroizmem, skręcaniem płaszczyzny polaryzacji swiatła itp. Minerały anizotropowe optycznie dwuosiowe (układu rombowego, jednoskośnego i trójskośnego) podwójnie załamują swiatło tworząc dwa promienie nadzwyczajne.Wyróznia się trzy skrajne wartosci współczynniki załamania światła w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach n, n, nγ . Zmienność współczynnika załamania światła odwzorowuje powierzchnia elipsoidy trójosiowej(indykatrysy) w której trzem półosiom odpowiadają n, n, nγ. Kryształy te mają dwie osie optyczne. Kierunki n, n, nγ odpowiadaja kierunkom dwukrotnych osi symetrii.
Budowa i zasada działania pryzmatu Nicola.
Pryzmat Nikola (zw.nikolem) służy do wyeliminowania jednego z dwóch promieni spolaryzowanych wskutek podwójnego załamania. Pryzmat polaryzujący jest utworzony z romboedrycznego kryształu szpatu islandzkiego (kalcyt CaCO3), odpowiednio oszlifowanego, przeciętego na 2 części i sklejonego balsamem kanadyjskim, promień światła padając na nikol rozszczepia się na 2 promienie spolaryzowane w kierunkach wzajemnie prostopadłych: zwyczajny i nadzwyczajny (dwójłomność), z nikola wychodzi tylko promień nadzwyczajny, gdyż promień zwyczajny ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na styku z balsamem kanadyjskim, a następnie pochłonięciu na zaczernionej bocznej ściance (bezwzględny współczynnik załamania światła balsamu kanadyjskiego ma wartość pośrednią między wartością współczynnika załamania szpatu islandzkiego dla promienia zwyczajnego a największą wartością tego współczynnika dla promienia nadzwyczajnego)
Zasady Paulinga
Reguły Paulinga dotyczą budowy i wzajemnych powiązań wielościanów koordynacyjnych w kryształach jonowych. Pozwalają one z dużym prawdopodobieństwem przewidzieć trwałość danej struktury.
1) Wokół każdego kationu skoordynowane są aniony w taki sposób że odległość kation - anion stanowi sumę ich promieni jonowych, a liczba koordynacyjna wyznaczana jest przez stosunek tych promieni. (zasada koordynacji)
2) W trwałej strukturze koordynacyjnej suma wytrzymałości wiązań łączących dany anion z wszystkimi otaczającymi go kationami jest równa ładunkowi tego anionu S = Z/LK (zasada wartościowości elektrostatycznej)
3) Występowanie wspólnych krawędzi, a zwłaszcza ścian, w sąsiadujących wielościanach koordynujących utworzonych przez aniony, zmniejsza trwałość struktury koordynacyjnej.(zasada wspólnych naroży)
4) Jeżeli kryształ zawiera kationy o różnej wartościowości to wówczas kationy o wysokiej wartościowości a małej liczbie koordynacyjnej unikają wspólnych ścian, krawędzi i naroży(zasada samodzielności silnych kationów)
5) Liczba różnorodnych wielościanów koordynacyjnych w krysztale jest najmniejsza (zasada oszczędności)
Barwy interferencyjne i ich geneza. Od jakich czynników i w jaki sposób zależy barwa interferencyjna.
INTERFERENCJA ŚWIATŁA, interferencja fal świetlnych; w przypadku spójnych wiązek światła (pochodzących z jednego źródła punktowego i rozdzielonych przez odbicie, załamanie lub ugięcie, albo wiązek światła pochodzących z lasera), jeżeli fale te nie są spolaryzowane w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych, interferencja światła powoduje wystąpienie charakterystycznych prążków interferencyjnych na przemian jasnych i ciemnych, w przypadku interferencji światła monochromatycznego, bądź barwnych, w przypadku interferencji światła białego; położenie jasnego lub ciemnego prążka, a także barwa prążka kolorowego zależą od różnicy dróg opt. przebytych przez wiązki do miejsca (punktu) interferencji (jeśli jest ona nieparzystą wielokrotnością połowy długości fali, następuje wygaszenie, jeśli parzystą — maks. rozjaśnienie). Interferencja światła znajduje zastosowanie w interferometrach opt., filtrze opt. (interferencyjnym), holografii, mikroskopie (z kontrastem fazowym) i in.; pierwsze doświadczenie w zakresie interferencji światła wykonał 1801 Th. Young.
Barwy interferencyjne, które wykazują minerały anizotropowe, zależą od różnicy dróg, a ściślej od różnicy faz promieni wychodzących z płytki dwójłomnej badanej między nikolami skrzyżowanymi. Różnica ta zależy od dwójłomności.
Barwy interferencyjne zależą od trzech czynników: dwójłomności minerału (właściwość ośrodków opt. anizotropowych powodująca rozdwojenie promienia świetlnego przechodzącego przez ten ośr. (inaczej podwójne załamanie światła), przy czym obydwa załamane promienie są spolaryzowane liniowo w płaszczyznach wzajemnie prostop., kierunku wycięcia płytki(tylko w przypadku wycięcia płytki równolegle do osi Z można obserwować zjawisko interferencji) oraz od jej grubości (0,02mm stała wartość, im grubsza płytka tym większa różnica dróg).
Rentgenowska metoda Debye-Sherrer-Hulla-podstawowy sposób identyfikacji minerałów i wszelkich innych ciał krystalicznych. Zalicza się do metod oznaczania składu fazowego. Zasada DSH opiera się na tym że nieznane ciało krystaliczne bada się w postaci sproszkowanej. W takim preparacie zawsze pewna ilość ziarn jest tak zorientowana względem padających promieni Rentgenowskich że spełnia warunek interferencji Bragga, dając refleksy od systemów równoległych płaszczyzn sieciowych. Odstęp takich płaszczyzn oznaczamy jako d i można go wyliczyć ze wzoru Bragga: nλ = 2dsinθ n-liczba całkowita(rząd refleksu)
Równanie Bragga- warunek opisujący kierunek położeń maksimów interferencyjnych promieni rentgenowskich (interferencja fal) ugiętych (dyfrakcja fal) na sieci krystalicznej kryształu:
λ = 2dhklsinθ
λ -długość fali promieniowania rentgenowskiego
dhkl- odległość między płaszczyznami sieci krystalicznej,
θ - kąt pomiędzy powierzchnią kryształu a kierunkiem padania promieni rentgenowskich.
Warunek Braggów-Wulfa jest również spełniony dla fal de Broglie elektronów, neutronów itp. Wykorzystywany jest w badaniach struktury kryształów.
Wewnętrzna budowa kryształów- badania te w 1912r. zapoczątkował Laue ,który uzyskał efekt dyfrakcji na krysztale, co udowodniło fakt iż istnieje uporządkowana sieć kryształów . Rozróżnia się cztery zasadnicze typy sieci krystalicznych: cząsteczkowa (kryształy o takiej sieci krystalicznej stanowią dobre izolatory),atomowa(kryształ o takiej sieci krystalicznej jest izolatorem lub półprzewodnikiem),jonowa(kryształ o takiej sieci krystalicznej jest w temperaturze pokojowej izolatorem lub półprzewodnikiem, w wysokich temperaturach wykazuje przewodnictwo jonowe),metaliczna (kryształ o takiej sieci krystalicznej jest dobrym przewodnikiem)Geometrycznym odpowiednikiem sieci krystalicznej, w którym zamiast cząstek rozpatruje się punkty geometryczne, jest sieć przestrzenna kryształu
Rudy Cu. Występowanie i eksploatacja rud Cu w Polsce w ujęciu historycznym.
Głównymi minerałami miedzi są: chalkozyn (Cu2S), bornit (Cu5FeS4) i chalkopiryt (CuFeS2). Oprócz nich występują bardzo licznie inne minerały miedzi (kowelin CuS, kupryt Cu2O i in.)
W czasach historycznych złoża były eksploatowane w Niecce Pólnocnosudeckiej (okolice Bolesławca i Złotoryi), w Miedziance w Rudawach Janowickich na Dolnym Śląsku, także w Górach Świętokrzyskich - Miedziana Góra, Miedzianka koło Chęcin a w Tatrach w rejonie Ornaku. Dziś rudy miedzi eksploatowane są w Lubińsko-Głogowskim Okręgu Miedziowym. Obszar złożowy rud miedzi na monoklinie przedsudeckiej rozciąga się od Lubina na południowym wschodzie do Bytomia Odrzańskiego (obszar 60 km długi i 20 km szeroki). Jest to właściwie jedno złoże eksploatowane przez kopalnie Lubin-Małomice, Polkowice, Sieroszowice i Rudna.
Rudy Zn i Pb. Występowanie i eksploatacja rud Zn i Pb w Polsce w ujęciu historycznym.
Do głównych rud Zn należy zaliczyć sfaleryt i wurcyt (polimorfy ZnS), również jako składniki blendy skorupowej oraz smithsonit Zn(CO)3 i hemimorfit Zn4[(OH)2/Si2O7]*H2O - także w galmanach. Do najważniejszych rud Pb należy galena PbS a także cerusyt PbCO3 oraz anglezyt PbSO4.
Tradycyjnym obszarem występowania złóż rud cynku i ołowiu o znaczeniu przemysłowym jest północne i północno-wschodnie obrzeżenie Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. W obszarze śląsko-krakowskim wyróżnia się rejony: chrzanowski, olkuski, bytomski i zawierciański. Obecnie wydobycie rud prowadzi się ze złoża Balin-Trzebionka w rej. chrzanowskim oraz ze złóż Olkusz i Pomorzany w rej. olkuskim. Bytomski rejon złóż rud Zn-Pb ma tylko znaczenie historyczne. Wydobycie prowadzono tu od wieków średnich i w złożach pozostały jedynie zasoby rud pozabilansowych. Złoża czwartego rejonu - zawierciańskiego nie są dotychczas eksploatowane.
Rudy Fe. Występowanie i eksploatacja rud Fe w Polsce w ujęciu historycznym.
Najważniejszymi rudami żelaza są: magnetyt Fe3O4, różne odmiany hematytu Fe2O3 (błyszcz żelaza - krystaliczna odmiana hematytu, żelazak czerwony - czerwona ruda zawierająca głównie odmianę skrytokrystaliczną, śmietana hematytowa i in.), goethyt FeOOH i lepidokrokit γFeOOH obecne w rudach limonitowych, oraz syderyt FeCO3 - również jako składnik syderytów ilastych.
Rudy żelaza w Polsce występują na Suwalszczyźnie w okolicach Krzemianki, w rejonie Częstochowy, Łęczycy, Starachowic, Rudki koło Nowej Słupi, w Tatrach na hali Ornak a także na Dolnym Śląsku - głównie Kowary i Kletno. W Polsce w XX wieku prowadzono wydobycie rud żelaza w wielu kopalniach w rejonach: częstochowskim, kieleckim i łęczyckim. Złoża tych rud zostały skreślone z krajowego bilansu zasobów już w 1994 roku, gdyż parametry tych złóż nie spełniały warunków ekonomicznych nawet dla rud pozabilansowych. Od tego czasu w Polsce brak jest opłacalnych do eksploatacji złóż rud żelaza. Udokumentowane złoże darniowych rud żelaza (Dębe Małe) stanowi surowiec dla innych zastosowań niż metalurgia.
Rudy Ag. Produkcja Ag w Polsce.
Do najważniejszych rud srebra należy zaliczyć srebro rodzime oraz chlorargiryt AgCl i argentyt Ag2S, srebro występuje też często w formie podstawień diadochowych w siarczkach Cu oraz w galenie. W czasach historycznych rudy srebra były eksploatowane na niewielką skalę w wielu miejscach na Dolnym Śląsku - obecnie odzyskuje się srebro z rud miedzi monokliny przedsudeckiej oraz z galeny obszaru śląsko-krakowskiego.
Górnictwo kruszcowe w Polsce w ujęciu historycznym
Do najważniejszych rud srebra należy zaliczyć srebro rodzime oraz chlorargiryt AgCl i argentyt Ag2S, srebro występuje też często w formie podstawień diadochowych w siarczkach Cu oraz w galenie. W czasach historycznych rudy srebra były eksploatowane na niewielką skalę w wielu miejscach na Dolnym Śląsku - obecnie odzyskuje się srebro z rud miedzi monokliny przedsudeckiej oraz z galeny obszaru śląsko-krakowskiego.
Rudy złota to złoto rodzime, telleruki Au a także kalawertyt oraz sylwanit. Dziś złoto w Polsce jest odzyskiwane z rud Cu monokliny przedsudeckiej, gdzie występuje w formie podstawień diadochowych. Złoża historyczne: Złoty Stok, zloża piaskow złotonośnych rejonu Lwówka Śląskiego i Zlotoryi - inne niewielkie złoża to złotonośne arsenopiryty rejonu Czarnowa i Radomic.
Platynowce w Polsce nie były i nie sa eksploatowane gdyż nie występują w wystarczających ilościach.
Polimorfizm - izomorfizm definicje porównanie przykłady.
Oba zjawiska odkrył Mitscherlich - izomorfizm w 1819 a polimorfizm w 1822 roku. Polimorfizm(wielopostaciowość) - polega na tym że ta sama substancja chemiczna tworzy dwie lub więcej faz krystalicznych różniących się strukturą i właściwościami fizycznymi. Odmiany polimorficzne mogą tworzyć pierwiastki jak i związki chemiczne. W przypadku polimorfii pierwiastków mówimy często o allotropii. Substancją dymorficzną nazywamy substancję która tworzy tylko dwie fazy o odmiennej strukturze.
Przykłady polimorfizmu: diament i grafit (zdecydowanie różne pod względem właściwości fizycznych i chemicznych polimorfy węgla. Każda odmiana polimorficzna jest trwała w określonych warunkach fizyczno-chemicznych. Zmiany temp i ciśnienia mogą prowadzić do przemian fazowych odwracalnych(enancjotropowych),bądź nieodwracalnych(monotropowych) gdy przy zmianie warunków w kierunku odwrotnym faza B nie przechodzi w odmiane A (w takim przypadku mówimy że faza B jest trwała, a faza A - nietrwała), przykładem przemiany enancjotropowej jest odwracalne przejście trygonalnego kwarcu w heksagonalny kwarc przy 573°C. Przykładem przemiany monotropowej jest przejście rombowego CaCO3(aragonitu) w trygonalny (kalcyt).
Reguła stopni Ostwalda - w danych warunkach najpierw krystalizuje odmiana najmniej trwała przechodząc stopniowo później w modyfikacje coraz trwalsze..
Niektóre przemiany polimorficzne nie powodują zasadniczej zmiany ugrupowań koordynacyjnych atomów czy jonów, lecz tylko zmianę ich wzajemnego położenia. Wyróżniamy tu:
a) przemiany fazowe z przemieszczeniem, w których zachodzi nieznaczna deformacja sieci krystalicznej, bez zrywania wiązań; zachodzi ona szybko i odwracalnie (np. kwarc w kwarc
2) przemiany fazowe z przebudową tj. związane ze zrywaniem wiązań i zasadniczą zmianą budowy sieci, zachodzą bardzo powoli, przykładem takich przemian są przejścia miedzy kwarcem, trydymitem i cristobalitem zachodzące opornie i powoli.
Przykładem przemiany polimorficznej pociągającej za sobą zmianę najbliższej koordynacji są przejścia między odmianami polimorficznymi CaCO3(LK wapnia w aragonicie-9, a w kalcycie-6). Podobnym przykładem jest przebudowa odmian pierwiastka C (w diamencie LK 4, a w graficie LK3). W drugim przypadku zachodzi również zmiana charakteru wiązań.
Szczególnym typem przemian polimorficznych są przemiany typu porządek-nieporządek. Zachodzą one wówczas, gdy atomy mogące się wzajemnie zastępować mają do dyspozycji nierównoważne pozycje sieciowe. Przykładu dostarcza Al, Si w skaleniach potasowych
Izomorfizm(równopostaciowość) - podobieństwo struktur krystalicznych substancji o odmiennym składzie chemicznym. Pojęcie to obejmuje:
a) izomorfizm w szerokim znaczeniu (izotypia), polegający na podobieństwie struktur które należą do tej samej grupy przestrzennej i wykazują analogiczne rozmieszczenie geometryczne elementów sieci krystalicznej. Komórki elementarne sieci musza mieć analogiczna budowę i zawierać jednakową liczbe atomów. Kryształy izotypowe moga natomiast wykazywać odmienny typ wiązań chemicznych oraz różne właściwości fizyczno-chemiczne. Przykładem takich minerałów izotypowych jest halit NaCl, galena PbS i peryklaz MgO. Jeśli kryształy odznaczają się podobną budową wewnętrzną, ale nie wszystkie założenia izotypii sa spełnione mówimy niekiedy o kryształach homeotypowych (np kalcyt CaCO3 i dolomit CaMg(CO3)2 lub diament C i sfaleryt ZnS). Termin heterotypia określa natomiast brak podobieństwa struktur (np fluoryt CaF2 i rutyl TiO2)
b) izomorfizm w ścisłym tego słowa znaczeniu (Grimm 1922r), występuje wówczas gdy kryształy izotypowe zdolne są tworzyć izomorficzne roztwory stałe (kryształy mieszane). tzn wykazują zdolnść zastępowania w swoich sieciach krystalicznych jednych atomów lub jonów przez inne.
Diadochia - zdolność zastępowania się jonów w sieci krystalicznej, wynikająca z ich powinowactwa krystalochemicznego. Możliwość takiego zastępowania się jonów uwarunkowana jest ich zblizonymi rozmiarami oraz właściwościami polaryzacyjnymi. Wyróżniamy diadochię izowalentną - gdy zastępują się jony o tej samej wartościowości (np. Mg2+ i Fe2+ w oliwinach (Fe,Mg)2[SiO4]), oraz diadochię heterowalentną - gdy zastępują się parami jony o odmiennej wartściowości, jednak suma ich ładunków musi być jednakowa, aby zapewnić kompensację elektryczna sieci (np. Na+ przez Ca2+ oraz Si4+ przez Al3+ w skaleniach sodowo-wapniowych Na[AlSi3O8] - Ca[Al2Si2O8]
Jeśli dwie substancje tworzą kryształy mieszane o dowolnych proporcjach zastępowanych jonów, wówczas mówimy o ciągłym szeregu izomorficznym. Szereg taki tworzą np oliwiny fajalit Fe2[SiO4] i forsteryt Mg2[SiO4] => (Fe,Mg)2(SiO4). Z pojęciem diadochii ma związek zjawisko zwane maskowaniem pierwiastków rzadkich - Jeśli atomy bądź jony mało rozpowszechnionego pierwiastka mają zbliżone rozmiary i własności polaryzacyjne do atomów (jonów) pierwiastka pospolitego, wówczas na ogół nie tworzą własnych faz krystalicznych, lecz ukrywają się na zasadzie podstawień diadochowych w sieciach krystalicznych minerałów utworzonych przez pierwiastek pospolity. Przykładem może być rubid, którego kation Rb+ ma na tyle zbliżone rozmiary i właściwości do kationu potasu K+, że pierwiastek ten nigdy nie tworzy własnych minerałów lecz jest zamaskowany w minerałach potasu, np. w mikach potasowych, skaleniach potasowych i w karnalicie. Kadm wykazuje tak ścisłą diadochię z cynkiem że wyłącznymi rudami kadmu są minerały cynku, a samodzielnie występujące minerały kadmu należą do rzadkości.