ÁSVÁNY-KŐZETTAN Előadás
Földrajz BSc I. évfolyam
V. előadás
Nyugat-magyarországi Egyetem, Savaria Egyetemi Központ, Természetföldrajzi Tanszék
Kristálykémia A rácspontokban elhelyezkedő atomok, ionok és molekulák és a köztük lévő viszony
A kristályrácsot felépítő „rácspontok”: 1. Atom: A kémiában az atom a kémiai elemek legkisebb olyan mennyisége, ami még őrzi az elem kémiai tulajdonságait. Alkotóelemei: -atommag (proton+neutron) (az összes tömeg hordozója) mérete: 10-14m -elektronburok (héjakat alkot...1s2, 2s2 2p6....) mérete: 10-10m
2. Ion: olyan atom, vagy molekula (atomcsoport), mely elektromos töltéssel rendelkezik. A negatív töltésű ion, más néven anion olyan atom vagy molekula, melynek egy vagy több elektron többlete van, a kation pedig pozitív töltésű ion, amiben egy vagy több elektronhiány van, mint az eredeti részecskében Kation: Si4+, Al3+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Fe2+, Na+, K+, Mg2+, fémek Anion: Cl-, O2-, S2-, Br-, JKomplex anionok: SiO42-, PO43-, CO32-, NO3-, SO42-, WO42-
Atommag
Elektronfelhő
Oxidációs szám: Az oxidációs szám a kémiában az egyes atomok oxidációs állapotának leírására szolgáló előjeles egész szám. Az elemi állapotú anyagok oxidációs száma 0 (nulla), a pozitív értékek oxidált, a negatív értékek pedig redukált állapotra utalnak.
1. Példa: Magnetit (Fe3O4)-hematit (Fe2O3) Fe2+Fe3+2O4 Fe3+2O3
Fe3+: oxidált vas (ferro) Fe2+: redukált vas (ferri)
2. Példa: 7+
2+
2+
3+
MnO−4 + 5 Fe2+ + 8H+ → Mn2+ + 5 Fe3+ +4 H2O Mn5+ (oxidált) felvett 3e--t ezáltal (le)redukálódott a Fe2+(redukált) leadott e--t ezáltal (fel)oxidálódott 3. Példa: S (kén) oxidációs állapotai (geológiai gyakorlatban): -2, 0, +6
Terméskén So
FeS2 - pirit
BaSO4 - barit
3. Atomrádiusz: az atom legkülső elektronhéja maximális töltéssűrűségű részének az atommagtól való távolsága. Az effektív atom- és ionrádiusz az elemi minőségen túl függ az atomot/iont körülvevő atomok/ionok számától, típusától, az elektronkonfigurációtól, illetve az ionok töltésének nagyságától is. Az anionok többnyire nagyobbak, mint a kationok.
Növekvő ionrádiusz
Csökkenő ionrádiusz
Koordináció, koordinációs szám Maximum rádiusz hányados
Koordináció: az atomok/ionok elrendezési módja egy centrális tömegpont körül.
Koordinációs szám: egy atom/ion közvetlen szomszédjainak a száma. A koordinációs számot alapvetően a rádiuszhányados (a központi ion és szomszédok rádiuszainak a hányadosa), a kötésjelleg és a polarizáció befolyásolja.
Koordinációs szám
0,155
2
0,1550,225
3
0,2250,414
4
0,4140,732
6
0,732-1
8
1
12
Lineáris
Háromszöges
Tetraéderes
Oktaéderes
Hexaéderes szoros illeszkedés
Köbös szoros illeszkedés
Rádiuszhányados számítása
Z X
Z
(2Rz + 2Rx)2 = (2Rz)2 + (2Rz)2 = 2(4Rz2)
2Rz +2Rx = 2√2Rz Rz + Rx = √2Rz Rx = (√2 - 1)Rz Rx/Rz = 0.414
Z
Példák koordinációkra Kalcit
4-es Szilikát tetraéder
3-as 6-os
Példák koordinációkra II. 12-es koordináció A
Hexagonális tömött illeszkedés
A
B
Hatszöges
A
A
Köbös
B C A
Köbös tömött illeszkedés
Kötéstípusok a kristályrácsban: 1. Ionos kötés: Az ionos kötés elsőrendű kémiai kötés, mely ellentétes töltésű ionokat tartalmazó anyagokban fordul elő pl.: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, J-, SO42-fémek hozzák létre nem fémekkel -erős kötés -nem irányított a kötés -színtelenek, nem vezetők és közepes keménységűek
Pl.: szilikátok
2. Kovalens kötés: Olyan elektronpárok vesznek benne részt, amelyek az atomok legkülső elektronhéján helyezkednek el párosítatlanul és ellentétes a spinkvantumszámuk. Az atomok maguk semlegesek. -erős kötéstípus -irányított lehet (poláros: az elektronpárok ahhoz az atomhoz kerülnek közelebb, amelynek nagyobb az elektronegativitása -nem vezetők, nagy keménység, magas olvadáspont Pl.: gyémánt Poláros
Apoláros
3. Fémes kötés: A kötést elektronok hozzák létre, de az elektronok nem csak két atomhoz, hanem az egész rácshoz kötődnek, szabadon mozognak. Un. elektronfelhő jön létre delokalizált elektronokból Következményei: -nagyon szoros illeszkedés koordináció: 6-12 -opakok (átlátszatlanok) -vezetők -nyújthatóak Pl.: arany, réz
4. van der Waals kötés: molekulák között létrejövő gyenge kötések. Nem irányított, nem határozott számú. Oka a molekulán belüli töltés-asszimetria (polaritás lsd. kovalens kötés) -gyenge kötés -kis keménység -alacsony olvadáspont -szigetelők pl: Grafit, kén, realgár
5. Hidrogén-híd kötés
Dipol molekulák között, (jellemzően víz) létrejövő gyenge kötés -kis keménység -alacsony olvadáspont -nem vezetők
Nincsenek tiszta esetek...!!!
Kristályrácsok Ionrácsok A rácspontokban ellentétes töltésű ionok ülnek, a kötések irányítatlanok, az ionok annyira közelítik meg egymást amennyire azt az elektrosztatikus vonzó és taszítóerők megengedik. Jellemzők:
-közepes fénytörés -gyakran színtelenek -szilárd állapotban nem, de oldatban elektromos vezetők
Példák: kősó, szilvin, szilikátok…a legtöbb ásvány SiO2
NaCl
2. Atomrácsok A rácspontokban elhelyezkedő atomok között kovalens kötések vannak. A szomszédos atomok száma korlátozott. Jellemzők:
-szigetelők -lehetnek színesek, színtelenek -magas olvadáspont
Példák: gyémánt, szfalerit C (gyémánt)
ZnS
3. Fémes rácsok A rácspontokban pozitív atomtörzsek foglalnak helyet, az elektronok, szabadon az egész rácshoz kötődnek. Mivel nincsen korlátja a „közelségnek” ezért tömött a rács. Jellemzők:
-opakok -erős fényvisszaverőképesség -jelentős hő- és elektonvezetőképesség -jól transzlatálhatóak Tolv és a keménység tág határok között változik
Példák: grafit, réz, szulfidok
Au
Cu
4. Molekularácsok A rácspontokban molekulák ülnek a köztük lévő kötés van der Waals kötés Nagyon ritka pl: kén, auripigment, realgár Jellemzői azoknak az elemeknek a jellemzőivel azonosak amelyek a rácsot felépítik.
GEOFÁZISOK 1. Likvid-magmás szakasz: szulfidolvadék elkülönül a szilikátolvadéktól (pirrhotin, pentlandit, kalkopirit stb.) oxid: kromit, magnetit, ilmenit 2. Főkristályosodás (~1100 oC-650oC) nezo tektoszilikátig (Si/O 1:4 1:2) 3. Pegmatitos szakasz: (650oC-500oC) Dúsul: O, Si, Al, Na, K B, Li, Cs, Rb, Be, RFF, Zr, Th, U, Ti, Nb. 4. Pneumatolitos szakasz: (500oC-374,2oC) Granitoid: SnF4+2H2O SnO2+4HF fluorit, topáz SiF4+2H2O SiO2+4HF wolframit, kassziterit Karbonát (kontakt pneumatolit): SiF4+CaCO3+2H2O = CaSiO3+CO2+HF 3 SiF4+2FeF3+12CaCO3 = Ca3Fe2[SiO4]3+9CaF2+12CO2 2FeF 3+CaCO3 = 3CaF2+3CO2+Fe2O3 3FeF 3+4CaCO3 = 4CaF2+4CO2+Fe3O4+(HF) 5. Hidrotermás szak: Katatermás: ~ 370-300oC mezotermás: ~ 300-200oC epitermás: ~ 200-90oC teletermás: ~ 90oC
Dúsuló fémek: Au, Ag, Cu Pb, Zn, Hg, As, Sb, Bi (Fe,Co,Ni)
OXIDÁCIÓS ÖV: FeS2 +7O+H2O Fe2+SO4+H2SO4 2FeSO4+H2SO4+OFe 3+2(SO4)3+H2O Fe2(SO4)3+4H2O 2FeOOH+3H 2SO4 CEMENTÁCIÓS ÖV: H2SO4+CuFeS2=CuSO4+FeSO4+2H2S 4FeS2+7CuSO4+4H2O=7CuS+4FeSO4+4H2SO4
Előkristályosodás
Likvid magmás elkülönülés: A hõmérséklet csökkenésével csökken a szilikátolvadék és a szulfidolvadék kölcsönös oldhatósága, a két olvadék elkülönül. A magma réz- , nikkel- króm-, és platina tartalmának nagy többsége így halmozódik fel. Tulajdonképpeni elõkristályosodás:1000°C-on megjelennek az elsõ kristályok. Króm- és titánvasérc, a platinafémek, a gyémánt és a foszfátásványok így képzõdtek. Ásványai: olivin (FeMg)SiO4, szulfidok (pirrhotin, pentlandit, kalkopirit), terméselemek (Pt, Pd)
Magmás főkristályosodás (1100-650°C)
h ő m é r s é k l e t
Magmás kőzetek lelőhelyei, megjelenési formái
Vulkán
Intrúzió
Magyarország: Alkáli bazaltok, Velencei-hegység, Börzsöny, Cserhát, Mátra, Tokaji-hg. Világviszonylatban: Tűzgyűrű: hegységképződési övek, óceáni kéreg
Kimberlit: a gyémánt anyakőzete Kimberlit: olivin, ilmenit, diopszid, gránát kromit, flogopit És gyémánt!!!!
Mirny, Kelet Szibéria: a világ legnagyobb gyémántlelőhelye
Pegmatitos fázis 650-550°C
Főleg gránitokhoz kapcsolódóan, azok kupolazónájában megakristályok nőnek a fluidum megjelenésének hatására: kvarc, földpát, csillámok (Si, Al, Na, K) B, Li, Cs, Rb, Be, RFF, Zr, Th, U, Ti, Nb dúsulása
Magyarországi lelőhelyek: Velencei-hegység, Mecseki gránit, Szarvaskő Külföldi: Cornwall, Urál
Pneumatolitos fázis 500-374,5°C
374, 5°C a víz hármaspontja ez alatt beszélhetünk gáz-folyadék halmazállapotokról
A Cl-, Br-, F-, OH--ban gazdag forró savas oldatok reakcióba lépnek a magmás kőzettel és a mellékkőzettel: greizen telepek jönnek létre. Főleg gránitokhoz kötődnek.
Jellegzetes ásványai: kvarc, muszkovit, topáz, fluorit, turmalin (berill, turmalin) Ércásványok: wolframit (MnFe)WO4, molibdenit MoS2, scheelit CaWO4
Elemtársulás: Sn, W, Mo, F, Be, Ta, RFF Lelőhely: Cornwall, Csehország, Urál, Brazília
Hidrotermás fázis 374,5°C -
Teletermás: 100°CEpitermás: 200-100°C Mezotermás: 300-200°C Katatermás: 375-300°C
Modern elnevezés szerint csak hidrotermás
Hidrotermás fázis – szárazföldi vulkáni környezet 374,5°C -
terméskén, cinnabarit auripigment, realgár
termésarany, termésezüst,antimonit galenit, szfalerit, molibdenit
pirit, pirrhotin, kalkopirit
Meddőásványok: kalcit, kvarc, kalcedon, opál, illit, kaolinit, szmektit Nemérces nyersanyagok: barit, zeolit, kova
Hidrotermás képződmények a felszínen
solfatara
silica sinter és a mélyben
A tűzgyűrű
Hidrotermás lelőhelyek: M.o.: Recsk, Rudabánya, Velencei-hegység, Mátra, Tokaji-hegység Kárpátok: Selmecbánya, Körmöcbánya, Nagybánya, Beszetrcebánya, Verespatak
Óceánközépi hátságok hidrotermás folyamatai
Lelőhely: Szarvaskő, Kőszegi-hegység
Hipergén ásványképződési környezet oxidációs-cementációs zóna
Elsődleges érctelepek felszíni mállásával. A talajvízszint ingadozása hatására változik az ox-red zóna hatására ami másodlagos ércakkumulációt eredményez.
Oxidációs zóna
azurit, malachit, anglezit, cerusszitt
Talajvízszint Redukciós zóna
termésréz, kovellit, argentit, terésezüst
Primer érc
Verespatak bányászat az ókorban...
...és ma
a cél...
...és a következmény
