5. elıadás AZ ÁSVÁNYRENDSZERTAN ALAPJAI

Átírás

1 5. elıadás AZ ÁSVÁNYRENDSZERTAN ALAPJAI

2 AZ ÁSVÁNYOK RENDSZEREZÉSE A mai ásványrendszertan alapja a kristálykémia. A rendszer alapvázát az egyszerő és összetett anionok által meghatározott osztályok jelentik. Az ásványok 10 osztálya a jellemzı anionokkal: I. osztály. Terméselemek II. osztály. Szulfidok S 2 III. osztály. Halogenidek Cl IV. osztály. Oxidok és hidroxidok O 2, OH V. osztály. Karbonátok és nitrátok (CO 3 ) 2, (NO 3 ) VI. osztály. Borátok (B x O y ) z (BO 3 ) VII. osztály. Szulfátok (SO 4 ) 2 VIII. osztály. Foszfátok (PO 4 ) 3 IX. osztály. Szilikátok (Si x O y ) z (SiO 4 ) X. osztály. Szerves ásványok

3 AZ ÁSVÁNYOK RENDSZEREZÉSE Az ásványrendszertan felépítése: OSZTÁLYOK ALOSZTÁLYOK CSOPORTOK (IZOMORF SOROK) ÁSVÁNYOK (FAJOK) VÁLTOZATOK Az ásványok legfontosabb adatai: Név Kémiai képlet Kristálytani adatok Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonságok Elıfordulások, földtani-genetikai jellegzetességek Felhasználás

4 I. osztály. TERMÉSELEMEK Az osztályba tartozó elemek és vegyületek változatos kristályszerkezettel és kötéstípusokkal rendelkeznek. A fémek viszonylag egységes szerkezetőek, melyekre zömmel a legtömöttebb illeszkedés, illetve a fémes kötés jellemzı. A félfémek átmenetet jelentenek a nemfémek irányába. A nemfémek szerkezetében részben kovalens kötés, részben van der Waals kötés ismert. Amíg a fémek fémes rácsot, addig a nemfémek atomrácsot vagy molekularácsot alkotnak. Jelenleg közel 100 terméselemet és rokon vegyületet (pl. ötvözetek) ismerünk, mennyiségük azonban nem haladja meg a földkéreg tömegének 0,1%-át. A terméselemeknek különös jelentıségük van az emberiség történetében, például a rezet, vasat, aranyat ilyen formájában ismerte meg és hasznosította elıször az ember.

5 A legfontosabb fémek Termésréz - Cu; köbös Termésezüst - Ag; köbös Termésarany - Au; köbös Kamacit - α-(fe,ni); köbös Ténit - γ-(ni,fe); köbös kamacit-ténit termésréz termésarany termésezüst termésvas

6 A legfontosabb nemfémek Terméskén - α-s; rombos Grafit - C; hexagonális Gyémánt - C; köbös gyémánt terméskén grafit

7 II. osztály. SZULFIDOK A leggyakoribb ércásványok Ebbe az osztályba a fémeknek kénnel alkotott vegyületei tartoznak. A szulfidokban a kémiai kötések széles skálája megtalálható. Az As,Bi,Sb szerkezetben történı változatos megjelenésével az ötvözetekhez hasonló fémes rácsokat alkothatnak; ha a valódi fémekhez hasonló szerepet töltenek be, akkor kettıs szulfidok jönnek létre; illetve a kénnel nemfémes jellegő félfém-szulfidokat alkotnak. A szerkezeti változatosság miatt a szulfidokat sok esetben átmeneti tulajdonságok jellemzik. Fıként fémes külsejőek, többé-kevésbé elektromos vezetık, de vannak közöttük félvezetık, szupravezetık, de szigetelık is. Optikailag zömmel opak ásványok. Keménységük általában kicsi vagy közepes (2 4 közötti), de vannak keményebbek, (az ún. kovandok), melyekben tömöttebb rácsilleszkedés van. A természetben eddig 550 szulfidásványt ismerünk. Átlagos eloszlásuk a földkéregben 0,2%-ot tesz ki. A szulfidok a fémek kinyerése szempontjából az emberiség legfontosabb vegyületei közé tartoznak, évezredek óta bányászat tárgyát képezik. Csoportosításuk alapja a fém/kation : kén arány (a fémgazdagoktól a fémekben szegény szulfidok irányába).

8 A legfontosabb szulfidok Galenit - PbS; köbös Kalkopirit - CuFeS 2 ; tetragonális Szfalerit - ZnS; köbös Cinnabarit - HgS; trigonális kalkopirit galenit szfalerit cinnabarit

9 A legfontosabb szulfidok Antimonit - Sb 2 S 3 ; rombos Molibdenit - MoS 2 ; hexagonális Kobaltin - CoAsS; rombos Nikkelin - NiAs; hexagonális nikkelin molibdenit antimonit molibdenit kobaltin

10 A legfontosabb szulfidok Pirit - FeS 2 ; köbös Markazit - FeS 2 ; rombos markazit pirit és markazit pirit

11 III. osztály. HALOGENIDEK Felépítésükben a halogén elemekhez (F, Cl, Br, I), mint anionokhoz legtöbbször alkáli- vagy alkáliföldfém kationok kapcsolódnak. Szerkezetükben az ionos kötés többé-kevésbé meghatározó. Alapvetı szerkezeti típust képvisel közöttük a kısó- és fluorit-rács. Kémiai szempontból sószerő vegyületek, jobbára színtelen vagy gyengén színezettek. Kis sőrőségőek és keménységőek, vízben többé-kevésbé oldódnak, fénytörésük gyenge. A természetben jelenleg kb. 220 halogenidet ismerünk. A fluoritot kivéve többnyire üledékes körülmények között képzıdnek. Legnagyobb tömegben sótelepekben (evaporitok) halmozódnak fel. A halogenideket egyszerő (víztartalmú és vízmentes) és komplex halogenidek, illetve az O- és OH-tartalomtól függıen oxihidroxihalogenidek alosztályaiba soroljuk.

12 A legfontosabb halogenidek Kısó - NaCl; köbös Szilvin - KCl; köbös Fluorit - CaF 2 ; köbös fluorit kısó (halit)

13 IV. osztály. OXIDOK ÉS HIDROXIDOK A leggyakoribb ércásványok és kızetalkotók Anionként az O 2, vagy a vele közel azonos térigényő OH ion szerepel. Az oxidok nagy részében (kivéve a hidroxidokat), a szerkezetben fıleg ionos kötés érvényesül. Mivel az oxigén ionrádiusza kisebb, mint kéné, az oxidok jobbára tömöttebb rácsszerkezetet építenek fel mint a szulfidok, ami a kémiai és fizikai tulajdonságokban erısen kifejezésre jut (nagyobb keménység, magasabb olvadáspont, csekély oldhatóság). Jelenleg kb. 450 oxidot és rokon vegyületet ismerünk a természetben. Közöttük egyesek roppant gyakoriak (kvarc). Az oxidok legnagyobb mennyiségben a földkéregben találhatók, átlagos mennyiségüket 17-ra becsülik (ebbıl kb. 13%-ot a kvarc tesz ki). Gazdasági és kulturtörténeti szempontból fontos ásványok tartoznak az oxidok közé. Különösen a vas, mangán, króm, ón, titán, alumínium és az urán azok a fémek, melyeket oxidokból nyerünk ki. Sok oxidásvány ismert a drágakövek világában is. De gondoljunk csak a jégre, hiszen ez szintén ásvány. Az alosztályok a fém/kation : oxigén arányt követik (2 : 1-tıl a < 1: 2-ig). Külön alosztályba tartoznak a szerkezetileg és fizikai tulajdonságok szempontjából az oxidoktól jelentısen különbözı hidroxidok.

14 A legfontosabb oxidok Jég - H 2 O; hexagonális Spinell MgAl 2 O 4 ; köbös Magnetit Fe 2+ Fe 3+ O ; köbös 2 4 Kromit - FeCr 2 O 4 ; köbös Korund - Al 2 O 3 ; trigonális Hematit - Fe 2 O 3 trigonális Ilmenit - FeTiO 3 ; trigonális jég hematit korund magnetit

15 A legfontosabb oxidok Kvarc - SiO 2 ; trigonális, hexagonális Opál - SiO 2. nh 2 O; amorf vagy lokálisan rendezett szerkezető Rutil - TiO 2 ; tetragonális Piroluzit - MnO 2 ; tetragonális Kassziterit - SnO 2 ; tetragonális kvarc opál rutil kassziterit

16 A legfontosabb oxidok Uraninit - UO 2 ; köbös Ferberit - FeWO 4 ; monoklin A legfontosabb hidroxidok Goethit - α-feo(oh); rombos Böhmit - γ-alo(oh); rombos uraninit Gibbsit - γ-al(oh) 3 ; monoklin Manganit - γ-mno(oh); monoklin goethit manganit gibbsit rácsa

17 V. osztály. KARBONÁTOK Szerkezetükre a CO 3 (karbonát) összetett anion jelenléte jellemzı. Ebben a C 4+ központi kationt az O 2 ion hármas koordinációban planáris (sík) gyököt alkotva köríti. A karbonát-anionban lévı kötések sokkal erısebbek, mint a szerkezetben lévı többi kötés (anizodezmikus rácsok, sótermészető vegyületek). A karbonát-anion legtöbbször közepes vagy nagy ionrádiuszú, két vegyértékő kationokkal (Ca, Mg, Fe, Mn, Pb, Ba, Sr) kapcsolódik össze. A vízmentes, vízben nem oldódó karbonátok 3 5 közötti keménységőek. A vízben fıként az OH-csoportot tartalmazó, vagy a víztartalmú karbonátok oldódnak. A karbonátok a földkéreg felsı zónáiban, illetve a Föld felszínén elterjedt vegyületek. Karbonátok építenek fel számos igen elterjedt üledékes kızetet (pl. mészkı, márga, dolomit). Jelenleg kb. 200 karbonátásványt ismerünk. Gyakoriságuk és gazdasági jelentıségük miatt számunkra a kalcit-, az aragonit- és dolomit-csoport ásványai a legfontosabbak.

18 A legfontosabb karbonátok Kalcit - CaCO 3 ; trigonális Magnezit - MgCO 3 ; trigonális Sziderit - FeCO 3 ; trigonális Rodokrozit - MnCO 3 ; trigonális Smithsonit - ZnCO 3 ; trigonális Dolomit - CaMg(CO 3 ) 2 ; trigonális sziderit rodokrozit kalcit elemi cellája magnezit

19 A legfontosabb karbonátok Aragonit - CaCO 3 ; rombos Cerusszit - PbCO 3 ; rombos Malachit - Cu 2 (CO 3 )(OH) 2 ; monoklin Azurit - Cu 3 (CO 3 ) 2 (OH) 2 ; monoklin cerusszit azurit malachit

20 VI. osztály. BORÁTOK Ebbe az osztályba a borát (BO 3 ) 3 összetett anionnal jellemzett vegyületek tartoznak. A B 3+ kis ionrádiuszú elem, melyet az O 2 ion hármas koordinációban planáris gyököt alkotva (BO 3 ) 3 ), vagy négyes koordinációban (BO 4 ) 5 tetraédert képezve övezi. A borát-gyökök jellemzı sajátsága, hogy (a szilikátokhoz hasonlóan) polimerizációra képesek: győrőket, láncokat, rétegeket, illetve háromdimenziós szerkezet alkothatnak. A természetben jelenleg kb. 110 borátásványt ismerünk. Ezek többsége nagyon ritka ásvány. Csak néhány jelenik meg nagyobb mennyiségben, üledékes eredettel sótelepekben, illetve boraxtavakban. Kis részük magmás, illetve metamorf környezetben képzıdik. A borátok rendszerezése azt veszi alapul, hogy hány tagból állnak a szerkezetben lévı borátcsoportok. Ennek alapján vannak monoborátok egy borátcsoporttal (BO 3 ), diborátok két borátcsoporttal (B 2 O 6 ), triborátok stb.

21 VII. osztály. SZULFÁTOK A szulfátok és rokon vegyületeik alapvetıen oxigéndús környezetben, a földkéreg felszínhez közeli részein, a föld felszínén, illetve ezzel összefüggésben a troposzférában képzıdnek. Az osztályba tartozó ásványokban a tetraéderes koordinációjú szulfát (SO 4 ) 2 összetett anionok az alapvetı építıelemek. Az összetett anion izoláltsága miatt ezek a vegyületek határozottan sótermészetőek. Jellemzı fizikai tulajdonságok: alacsony olvadáspont, kis keménység, kis kémiai stabilitás, egy részüknél a vízben való könnyő oldékonyság. Gyakori a szulfátoknál, hogy ugyanaz a kation különbözı számú vízmolekulával változó szerkezeti felépítést mutat. Különbözı, 1,2 és 3 vegyértékő kationok egy szerkezetbe való beépülésekor kettıs vagy összetett szulfátok képzıdnek. A szulfátok tekintélyes számban (kb. 400 faj) ismertek a természetben. Nagy a jelentıségük a hidroszférában, az atmoszférában, illetve a környezetünkben zajló, recens ásványképzıdési folyamatokban is.

22 A legfontosabb szulfátok Anhidrit - CaSO 4 ; rombos Barit - BaSO 4 ; rombos Alunit - KAl 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6 ; trigonális Jarosit - KFe 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6 ; trigonális barit alunit jarosit

23 A legfontosabb szulfátok Gipsz - CaSO 4. 2H 2 O; monoklin Kalkantit - CuSO 4. 5H 2 O; triklin Melanterit - FeSO 4. 7H 2 O; monoklin Epsomit - MgSO 4. 7H 2 O; rombos Alunogén - Al 2 (SO 4 ) 3. 17H 2 O; triklin kalkantit epsomit alunogén melanterit

24 VIII. osztály. FOSZFÁTOK ÉS ARZENÁTOK Az osztály ásványaira a foszfát (PO 4 ) 2 és arzenát (AsO 4 ) 2 összetett anionokat tartalmazó vegyületek jellemzık. Ezekre az anionokra a tetraéderes koordináció érvényes, melyekben erıs kötések uralkodnak. Ennél gyengébb kötések vannak az összetett anion és a kationok között (sótermészető vegyületek). Általában kis keménységőek, nagy az oldékonyságuk, kicsi a stabilitásuk. A szulfátokhoz hasonlóan a foszfátokra is jellemzı, hogy ugyanazon kationokhoz eltérı számú vízmolekula társulhat. A foszfátok szerkezetében gyakori mind a kation-, mind az anionhelyettesítés, illetve pótanionok megjelenése. Így nem véletlen, hogy a foszfátásványok száma ma már 700 körül van. A foszfátok alapvetıen oxigéndús környezetben képzıdnek. Fıként a földfelszín közelében, illetve a Föld felszínén jelennek meg. Ezektıl kivételt képeznek a magmás kızetekben szinte mindig jelenlévı apatitcsoport tagjai. Komolyabb gazdasági jelentısége éppen az apatitféléknek van. A foszfátok csoportosítása fıként a víztartalom hiánya vagy jelenléte, és a pótanionok hiánya vagy jelenléte alapján történik.

25 A legfontosabb foszfátok Apatit-csoport tagjai Fluorapatit - Ca 5 (PO 4 ) 3 F; hexagonális Hidroxilapatit - Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH); hexagonális Karbonáthidroxilapatit - Ca 5 (PO 4,CO 3 ) 3 (OH); hexagonális Klórapatit - Ca 5 (PO 4 ) 3 Cl; hexagonális

26 A legfontosabb foszfátok és arzenátok Vivianit - Fe 3 (PO 4 ) 2. 8H 2 O; monoklin Eritrin - Co(AsO 4 ) 2. 8H 2 O; monoklin Annabergit - Ni(AsO 4 ) 2. 8H 2 O; monoklin Szkorodit - FeAsO 4. 2H 2 O; rombos Türkiz - CuAl 6 (PO 4 ) 4 (OH) 8. 5H 2 O; triklin szkorodit vivianit eritrin türkiz

27 X. osztály. SZERVES ÁSVÁNYOK A szerves vegyületekbıl álló ásványok a földkéreg felszíni, felszín közeli zónájában, a litoszféra bioszféra határán jelennek meg. Keletkezésük valamilyen módon mindig a bioszféra jelenlétével függ össze. Növények és állatok szerves anyagainak alkotóiból, illetve gyakori kızetalkotókból keletkeznek földtani folyamatok során. Két nagy csoportjukat különböztetjük meg: szerves savas sói, illetve szénhidrogének vegyületei. A mai rendszertan szerint nem tartoznak az ásványok közé a fosszilis gyanták (például borostyánfélék), bituminitek és hasonló anyagok, minthogy ezek különféle szerves anyagok keverékei. A szerves ásványok legtöbbször széntelepekben fordulnak elı. A leggyakoribb szerves ásványok: Whewellit - CaC 2 O 4. H 2 O; monoklin Mellit - Al 2 C 6 (COO) 6. 16H 2 O; tetragonális Fichtelit - C 19 H 34 ; monoklin Kárpátit - C 24 H 12 ; monoklin whewellit