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PROPRIEDADES FÍSICAS DOS MINERAIS COMPOSIÇÃO QUÍMICA LIGAÇÕES QUÍMICAS ESTRUTURA CRISTALINA.

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Apresentação em tema: "PROPRIEDADES FÍSICAS DOS MINERAIS COMPOSIÇÃO QUÍMICA LIGAÇÕES QUÍMICAS ESTRUTURA CRISTALINA."— Transcrição da apresentação:

1 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS MINERAIS COMPOSIÇÃO QUÍMICA LIGAÇÕES QUÍMICAS ESTRUTURA CRISTALINA

2 Propriedades que dependem do tipo e força da ligação química Clivagem Dureza Maleabilidade Fusibilidade Condutividade (térmica e elétrica)

3 Tipos de ligações químicas IônicaCovalenteMetálicavan der Waals Transferência de elétrons entre orbitais de valência Elétrons compartilhados em orbitais de ligação Elétrons compartilhados entre muitos átomos Atração eletrostática (fraca) por dipolo induzido eletropositivo + eletronegativo eletronegativo + eletronegativo eletropositivo + eletropositivo Comum em minerais Ex: halita Não comum em minerais Ex.: diamante Metais Ex: cobre nativo Coesão de lamelas de micas e grafita

4 Ligações iônicas tornam-se parcialmente covalentes: Possibilidade de polarização dos ânions Maior parte dos minerais Formados por elementos que não se encontram nos extremos: que tipo de ligação está ocorrendo? Portanto há uma transição contínua entre ligações covalentes e iônicas Ligações covalentes tornam-se parcialmente iônicas: A-B: eletronegatividades diferentes a densidade eletrônica ficará mais deslocada em direção ao átomo mais eletronegativo

5 Eletronegatividade de alguns elementos Li 1,0 Be 1,6 B 2,0 C 2,6 N 3,0 O 3,4 F 4,0 Na 0,93 Mg 1,3 Al 1,6 Si 1,9 P 2,2 S 2,6 Cl 3,2 K 0,82 Ca 1,3 Ga 1,6 Ge 2,0 As 2,2 Se 2,6 Br 3,0 Rb 0,82 Sr 0,95 In 1,8 Sn 2,0 Sb 2,1 Te 2,1 I 2,7 Cs 0,79 Ba 0,89 Tl 2,0 Pb 2,3 Bi 2,0 Po 2,0 H 2,2 4,0- 3,0-3,9 2,0-2,9 1,0-1,9 0-0,99

6 ~ 2 : ligação predominantemente iônica < 1,5 : ¨ ¨ covalente

7 Exercício Explique como é a ligação química nos seguintes minerais: KCl (silvita) CaCO 3 (calcita)

8 iônica halita silicatos óxidos covalente diamante metálica cobre sulfetos MoS 2

9 Propriedades relacionadas com presença da ligação metálica ELEVADAS Maleabilidade Tenacidade Ductibilidade Condutividades BAIXOS Dureza Ponto de fusão Ponto de ebulição

10 Brilho no sólido metálico Quando a onda luminosa (campo elétrico oscilante) atinge o mar de elétrons, ela o empurra para frente e para trás. Os elétrons oscilam na mesma freqüência da luz incidente. Estes elétrons oscilantes refletem a luz, que vemos como brilho.

11 Propriedades X ligação química:grafita A grafita é um mineral Macio Untuoso Opaco Aparência metálica Condutor elétrico Usado como lubrificante

12 Estrutura da grafita

13 Exercício Como é a ligação química no diamante?

14 O diamante conduz calor? Por que?

15 O diamante é o melhor condutor térmico conhecido. Esta característica resulta da rígida estrutura tridimensional do cristal. A vibração de um átomo numa parte quente é rapidamente transmitida às partes mais distantes e frias, por meio das ligações covalentes. (Comparável ao efeito de bater uma porta numa estrutura metálica, Atkins & Jones, 1997)

16 Maior parte dos minerais possui mais de um tipo de ligação Ligações fortes: governam o padrão da estrutura do mineral Ligações fracas: determinam as propriedades físicas

17 Todos silicatos: Si-O Por que as propriedades (dureza, clivagem, traço) podem ser tão diferentes entre eles? mineralfórmuladureza TalcoMg 3 (Si 4 O 10 ) (OH) 2 1 MuscovitaK Al 2 (AlSi 3 O 10 ) (OH) 2 2,5 WollastonitaCaSiO 3 5 OrtoclásioK Al Si 3 O 8 6 QuartzoSiO 2 7 TopázioAl 2 (SiO 4 )(F,OH) 2 8 Elas dependem das outras ligações e da estrutura cristalina

18 Relação entre dureza e raio iônico EstruturasdurezaíonN.C.R.I. (Å) Tipo olivina MonticellitaCaMgSiO 4 5,5Ca 2+ 61,08 FayalitaFe 2 SiO 4 6,5Fe 2+ 60,86 ForsteritaMg 2 SiO 4 7Mg 2+ 60,80 T. coríndon HematitaFe 2 O 3 6Fe 3+ 60,73 CoríndonAl 2 O 3 9Al 3+ 60,61 Tipo halita SilvitaKCl2K+K+ 61,46 HalitaNaCl2,5Na + 61,10 Minerais isoestruturais (composição química diferente mas mesma estrutura cristalina), a dureza é reflexo do raio iônico > R.I. < D pois = (Q 1 x Q 2 )/d 2

19 Como varia a dureza nos minerais polimorfos? (mesma composição química e estrutura cristalina diferente) dureza Cgrafita1-2 diamante10 CaCO 3 calcita3 aragonita3,5 - 4 > P > dureza, pois o empacotamento é > denso

20 Relação entre densidade e raio iônico Minerais isoestruturais: > R.I. < Densidade composição química estrutura cristalina Densidade Minerais polimorfos: >T < Densidade >P > Densidade

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22 Densidade em minerais polimorfos 500 CaCO 3 Aragonita 2,95 Andalusita 3,15 Cianita 3,63 Al 2 SiO 3 Silimanita 3,24 Grafite 2,23 Diamante 3,50 Calcita 2,23 P (Kbar) T 0 C C P (Kbar)

23 Algumas generalizações (sujeitas a aprimoramento e exceções) Dureza Ligações químicas fortes originam elevada dureza. Minerais com ligação covalentes tendem a ser mais duros do que minerais iônicos. Clivagem Pobre se as ligações no cristal são fortes. Ligações covalentes costumam resultar em clivagem pobre ou ausente (diamante é exceção). Ligações iônicas resultam em boa clivagem. Ligações tipo van der Waals geram excelente clivagem. Brilho Tende a ser vítreo nos cristais iônicos e variável nos covalentes. Cor Depende do tipo de átomos e de impurezas. Muitos cristais iônicos são incolores. Metais de transição costumam colorir os minerais. Densidade Depende do peso atômico e do empacotamento cristalino. Minerais de ferro e metais possuem elevada densidade. Minerais covalentes possuem empacotamento mais aberto e são menos densos.

24 Substituições iônicas Minerais cristalizam a partir de soluções complexas (contêm quase toda tabela periódica) Facilmente um íon entra na posição de outro Quase todos minerais apresentam variações na composição química Muitas substituições não modificam o arcabouço cristalino dos minerais

25 Tipos de substituições iônicas 1)TOTAL: determinado íon é completamente substituído por outro, formando um novo mineral Exemplo: olivinas (X 2 SiO 4 ) Mg 2 SiO 4 Fe 2 SiO 4 forsterita fayalita Mg 2+ (NC=6, R.I.=0,80 Å) Fe 2+ (NC=6, R.I.=0,86 Å) TODAS as composições intermediárias são possíveis e reais

26 Tipos de substituições iônicas 2) PARCIAL: até certa porcentagem de moles de determinado íon pode ser substituída por outro Ex: esfalerita (ou blenda) ZnS aceita até 50 % de Fe 1-x S (pirrotita) na sua estrutura cristalina. (O inverso não ocorre, pois FeS, troilita, somente é encontrado em meteoritos)

27 Tipos de substituições iônicas 3) SUBSTITUIÇÃO ACOPLADA Plagioclásios - (Ca,Na)(AlSi) 4 O 8 NaAlSi 3 O 8 CaAl 2 Si 2 O 8 albita anortita Al 3+ (NC=4, R.I.=0,36 Å) Si 4+ (NC=4, R.I.=0,26 Å) Ca 2+ (NC=8, R.I.=0,91 Å) Na + (NC=8, R.I. = 0,94 Å)

28 É possível prever a substituição iônica? 1. Dois íons com o mesmo raio e a mesma carga serão igualmente incorporados em cristais que estão crescendo. Ex.: Hf 4+ R.I.= 0,79 Å Zr 4+ (R.I.=0,80 Å ) no zircão 2. Para íons de mesma carga, o menor terá preferência no cristal em crescimento. Mas a diferença de tamanho deve ser potencial iônico (Z/r) e formam ligações iônicas mais fortes. Ex.: Mg 2+ (R.I.= 0,80 Å) é preferido na olivina, comparado ao Fe 2+ (R.I.= 0,86 Å). 3. Para íons com o mesmo raio, mas com cargas diferentes (masZ=1!), o de maior valência terá preferência no cristal em crescimento. Explicação: > Z/r. Ex: Ba 2+ (R.I.= 1,55 Å) substitui o K + (R.I.= 1,63 Å ) facilmente em feldspatos.

29 Apesar da carga e raio iônico semelhantes, Cu 2+ (R.I.= 0,73 Å) não substitui o Mg 2+ (R.I.= 0,72 Å ) facilmente. Por que? Eletronegatividades: Cu 2+ = 2,0 e Mg 2+ =0,72 Cu 2+ formará ligações químicas com maior caráter covalente que o Mg 2+. A explicação acima, porém, não é geoquimicamente suficiente. Mais importante é a elevada afinidade do Cu (e de outros elementos) pelo enxofre (formando sulfetos), comparada com a sua afinidade para entrar na estrutura de silicatos.

30 Regras da substituição iônica Permitem prever quais elementos podem substituir outros nas estruturas minerais. São úteis também para compreender a distribuição dos elementos e suas associações. (1) Ampla substituição ocorre se r 15% (2) Elementos devem ter z (carga) 1 (Se z > 1, a substituição quase não ocorre). (3) Elementos com maior Z/r são favorecidos (4) eletronegatividade deve ser pequena

31 Mais sobre substituição iônica Substituições iônicas totais produzem soluções sólidas ou soluções cristalinas Alguns elementos somente são encontrados como substituintes, isto é, NÃO formam minerais próprios. Ex: Ga 3+ (Al 3+ ) e Ge 4+ (Si 4+ )

32 Substituições X defeitos Não há cristais perfeitos, com todos íons na posição correta Intersticial: Íons ocupam posições normalmente não ocupadas. Estão aprisionados na estrutura. Temperaturas elevadas e estruturas mais abertas: Na + em cristobalita (SiO 2 ) De omissão: ocorrência de defeitos, isto é, posições cristalográficas encontram-se vazias. São comuns. Intersticial Schottky


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