5. elıadás AZ ÁSVÁNYRENDSZERTAN ALAPJAI
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 S2– III. osztály. Halogenidek Cl– IV. osztály. Oxidok és hidroxidok O2–, OH– V. osztály. Karbonátok és nitrátok (CO3)2– , (NO3)– VI. osztály. Borátok (BxOy)z– (BO3) VII. osztály. Szulfátok (SO4)2– VIII. osztály. Foszfátok (PO4)3– IX. osztály. Szilikátok (SixOy)z– (SiO4) X. osztály. Szerves ásványok –
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
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.
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
A legfontosabb nemfémek Terméskén - α-S; rombos Grafit - C; hexagonális Gyémánt - C; köbös
gyémánt
terméskén
grafit
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).
A legfontosabb szulfidok Galenit - PbS; köbös Kalkopirit - CuFeS2; tetragonális Szfalerit - ZnS; köbös Cinnabarit - HgS; trigonális
kalkopirit
galenit
szfalerit
cinnabarit
A legfontosabb szulfidok Antimonit - Sb2S3; rombos Molibdenit - MoS2; hexagonális Kobaltin - CoAsS; rombos Nikkelin - NiAs; hexagonális nikkelin molibdenit
molibdenit
kobaltin
antimonit
A legfontosabb szulfidok Pirit - FeS2; köbös Markazit - FeS2; rombos
markazit
pirit és markazit
pirit
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.
A legfontosabb halogenidek Kısó - NaCl; köbös Szilvin - KCl; köbös Fluorit - CaF2; köbös
fluorit
kısó (halit)
IV. osztály. OXIDOK ÉS HIDROXIDOK A leggyakoribb ércásványok és kızetalkotók Anionként az O2–, 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.
A legfontosabb oxidok Jég - H2O; hexagonális Spinell – MgAl2O4; köbös Magnetit – Fe2+Fe3+2O4; köbös Kromit - FeCr2O4; köbös Korund - Al2O3; trigonális Hematit - Fe2O3 trigonális Ilmenit - FeTiO3; trigonális
hematit
jég
korund
magnetit
A legfontosabb oxidok Kvarc - SiO2; trigonális, hexagonális Opál - SiO2 . nH2O; amorf vagy lokálisan rendezett szerkezető Rutil - TiO2; tetragonális Piroluzit - MnO2; tetragonális Kassziterit - SnO2; tetragonális kvarc
opál
rutil
kassziterit
A legfontosabb oxidok Uraninit - UO2; köbös Ferberit - FeWO4; 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
V. osztály. KARBONÁTOK Szerkezetükre a CO3 (karbonát) összetett anion jelenléte jellemzı. Ebben a C4+ központi kationt az O2– 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.
A legfontosabb karbonátok Kalcit - CaCO3; trigonális Magnezit - MgCO3; trigonális Sziderit - FeCO3; trigonális Rodokrozit - MnCO3; trigonális Smithsonit - ZnCO3; trigonális sziderit
Dolomit - CaMg(CO3)2; trigonális
rodokrozit kalcit elemi cellája
magnezit
A legfontosabb karbonátok Aragonit - CaCO3; rombos Cerusszit - PbCO3; rombos Malachit - Cu2(CO3)(OH)2; monoklin Azurit - Cu3(CO3)2(OH)2; monoklin
cerusszit
azurit
malachit
VI. osztály. BORÁTOK Ebbe az osztályba a borát (BO3) 3– összetett anionnal jellemzett vegyületek tartoznak. A B3+ kis ionrádiuszú elem, melyet az O2– ion hármas koordinációban planáris gyököt alkotva (BO3) 3–), vagy négyes koordinációban (BO4)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 (BO3), diborátok két borátcsoporttal (B2O6), triborátok stb.
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 (SO4)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.
A legfontosabb szulfátok Anhidrit - CaSO4; rombos Barit - BaSO4; rombos Alunit - KAl3(SO4)2(OH)6; trigonális Jarosit - KFe3(SO4)2(OH)6; trigonális barit
alunit
jarosit
A legfontosabb szulfátok Gipsz - CaSO4 . 2H2O; monoklin Kalkantit - CuSO4 . 5H2O; triklin Melanterit - FeSO4 . 7H2O; monoklin Epsomit - MgSO4 . 7H2O; rombos Alunogén - Al2(SO4)3 . 17H2O; triklin
kalkantit
epsomit
alunogén
melanterit
VIII. osztály. FOSZFÁTOK ÉS ARZENÁTOK Az osztály ásványaira a foszfát (PO4)2– és arzenát (AsO4)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.
A legfontosabb foszfátok Apatit-csoport tagjai Fluorapatit - Ca5(PO4)3F; hexagonális Hidroxilapatit - Ca5(PO4)3(OH); hexagonális Karbonáthidroxilapatit - Ca5(PO4,CO3)3(OH); hexagonális Klórapatit - Ca5(PO4)3Cl; hexagonális
A legfontosabb foszfátok és arzenátok Vivianit - Fe3(PO4)2 . 8H2O; monoklin Eritrin - Co(AsO4)2 . 8H2O; monoklin Annabergit - Ni(AsO4)2 . 8H2O; monoklin Szkorodit - FeAsO4 . 2H2O; rombos Türkiz - CuAl6(PO4)4(OH)8 . 5H2O; triklin szkorodit
vivianit
eritrin
türkiz
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 - CaC2O4 . H2O; monoklin Mellit - Al2C6(COO)6 . 16H2O; tetragonális Fichtelit - C19H34; monoklin Kárpátit - C24H12; monoklin
whewellit
