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MECÂNICA DOS SOLOS Minerais Prof. Paulo J. R. de Albuquerque Fevereiro / 2001 SUMÁRIO 1 – INTRODUÇÃO .......................................................................................... 3 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................ 5 2.2 – Minerais ........................................................................................ 5 2.2.1 – Conceituação .......................................................................... 5 2.2.2 – Formação ................................................................................ 6 2.2.3 – Classificação ........................................................................... 7 2.2.4 – Propriedades ........................................................................... 8 2.2.4.1 – Propriedades Físicas .......................................................... 8 2.2.4.2 – Propriedades Químicas ................................................... 14 3 – CARACTERÍSTICAS A SEREM OBSERVADAS NA AMOSTRA .................................... 14 1 – Introdução Desde o início da sua existência na Terra, percebe-se o interesse do ser humano pelas substâncias naturais no tocante ao seu conhecimento e sua utilização. Sua maior atenção fixou-se nos minerais e rochas, já que estes podiam servir para suas necessidades cotidianas, sendo modelados de forma rudimentar. Posteriormente, quando foram descobertos os metais (ouro, ferro, cobre, etc.), deu início à investigação e experimentação de todas as rochas que os continham. 4 Descobertas arqueológicas revelam que povos antigos como Babilônios, Celtas e Gregos praticavam a extração mineral, porém o grande desenvolvimento em todos os domínios das ciências geológicas e, conseqüentemente, da mineralogia, data do século XVIII. Nas obras de engenharia os solos e as rochas constituem os elementos de fundações, túneis, galerias, etc. A pedra britada, o saibro (forma natural); rochas para revestimento (beneficiadas) e o cimento (industrializada) também são utilizados como materiais de construção. Assim, na Engenharia, trabalha-se com uma grande variedade de tipos rochosos. Cada tipo rochoso tem suas características que devem ser conhecidas para que as obras sejam planejadas e executadas com menor custo e maior segurança. Deve-se enfatizar que os estudos petrográficos1, quando aplicados à Geologia de Engenharia, compreendem, além da determinação mineralógica e correta classificação da rocha, o fornecimento de informações detalhadas sobre sua granulometria, tipo de alteração (hidrotermal, intempérica) e sua intensidade, presença de minerais secundários, estado microfissural, microtectônica, etc. O desempenho dos diferentes tipos rochosos e as condições de uso a que serão submetidos visa a importância do conhecimento dos minerais formadores de rochas. 1 Petrografia – Ciência que estudas as rochas. 5 2 – Revisão Bibliográfica 2.1 – Mineralogia " É a ciência que se ocupa dos minerais, da sua morfologia, da sua composição, das suas propriedades físicas e químicas sem esquecer as condições de sua “formação.”2 2.2 – Minerais 2.2.1 – Conceituação Os minerais são combinações químicas naturais, ou, por vezes, mais raramente, elementos simples (Au, Ag, C), ou ligas que se formam no decurso dos processos geológicos. A maior parte dos minerais é de composição inorgânica, tendo excepcionalmente combinações de origem orgânica. Quando o mineral é formado sob condições favoráveis, adquire uma estrutura atômica característica, o que condiciona na sua forma cristalina e suas propriedades físicas. Os minerais devem ser ainda fisicamente homogêneos. Alguns minerais são amorfos (não têm forma própria) devido ao fato de não apresentarem estrutura interna definida. Minerais não amorfos ocorrem como cristais, que são corpos com forma geométricos, limitados 2 Conceito de mineralogia fornecido pela " A Grande Enciclopédia dos Minerais ", pag.08. 6 por faces, arranjadas de maneira regular e relacionadas com a orientação da estrutura atômica. Encontram-se na natureza mais de 3000 espécies de minerais. Os mais abundantes pertencem à classe dos silicatos. Os mais freqüentes quantitativamente na crosta terrestre são os minerais constituintes das rochas (quartzo, o feldspato, a mica, a calcita, entre outros). Os únicos minerais líquidos considerados são o mercúrio metálico e a água. 2.2.2 – Formação O estudo da origem dos minerais está intimamente ligado ao da origem das rochas, já que estas são formadas por minerais. São poucos os minerais que se formam livremente, em cavidades ou veios, ou pela sublimação de gases encanados dos vulcões. Alguns minerais podem ter mais de uma forma de origem, aparecendo em circunstâncias bem diferentes na crosta terrestre. De uma maneira geral, os minerais podem ser formados pelo resfriamento do magma, resfriamento de soluções ou gases magmáticos, reações entre substâncias e intemperismo. Através do processo magmático, formam-se os minerais a partir de silicatos incandescentes em fusão (o magma), ricos em componentes voláteis. Os magmas contêm, às vezes, quantidades consideráveis de água, que além de lhes conferir maior mobilidade, permitindo que os cristais adquiram volumes avantajados, toma parte da composição de muitos minerais formados. 7 No estágio final de solidificação do magma, produz-se freqüentemente a separação de silicatos sob a forma de corpos irregulares, de lentículas e de veios de aspecto granuloso, os pegmatitos. A estes pegmatitos estão associados numerosos minerais com grande importância econômica. Neste estágio ocorrem os feldspatos, os quartzos, as micas, alguns minerais opacos (magnetita e hematita), etc. Algumas vezes, os minerais destacam-se diretamente dos gases e vapores incandescentes, a esta formação se dá o nome de pneumatolítica. Por esse processo se formam o topázio, a turmalina, a fluorita e outros. 2.2.3 – Classificação É necessário classificar os minerais conforme um sistema que possibilite compará-los entre si e identificá-los. A classificação dos minerais se dá segundo a sua composição química e estrutura interna. Os minerais que têm em comum a composição química, a estrutura interna e as propriedades físicas constituem a mesma espécie mineral. Os minerais que contêm uma reduzida quantidade de outro elemento ou aqueles que, embora possuindo a mesma composição química e a mesma estrutura cristalina, diferem exteriormente da espécie considerada são referidos como variedades dessa espécie. Tendo como base esses critérios, os minerais conhecidos são distribuídos por classes. Em 1970, Strunz distribuiu os minerais em 9 classes de acordo com o Quadro 2.1. Quadro 2.1 – Classes de classificação dos minerais segundo Strunz. 8 1 – Elementos 2 – Sulfaretos (Selênio, telúrio, arsênico, antimônio, bismuto) 3 – Halogenetos 4 – Óxidos e hidróxidos 5 – Nitratos, carbonatos, boratos 6 – Sulfatos (cromatos, molibdatos, volframatos) 7 – Fosfatos, arsenatos, vanadatos 8 – Silicatos 9 – "minerais" orgânicos Sendo essas classes divididas em subclasses, grupos, subgrupos, espécies e variedades. 2.2.4 – PropriedadesAs propriedades físicas dos minerais, muito importantes para a sua determinação, serão apresentadas de maneira resumida, na ordem que aparecem nos tratados de mineralogia. 2.2.4.1 – Propriedades Físicas • Clivagem – é a propriedade de um mineral se fragmentar segundo direções determinadas. A clivagem faz parte do grande conjunto de características que determinam a coesão do mineral. Esta propriedade é uma boa característica de identificação, pois nem todos minerais apresentam clivagem. Os planos de clivagem são orientados na direção de menor coesão, ou seja, na direção das ligações mais fracas entre cada unidade da estrutura cristalina. Ex: Calcita. 9 • Fratura – é a superfície irregular que alguns minerais apresentam quando rompidos sob a ação de uma força, diferente do plano de clivagem ou de partição. Os termos usados mais comumente para exprimir o tipo de fratura são: concóide ou conchoidal, fibrosa ou estilhaçada, serrilhada, desigual ou irregular. Ex: Quartzo (conchoidal). • Dureza – é a resistência que oferece à penetração de outro corpo, ou seja, é a resistência oferecida por uma superfície lisa do mineral ao ser riscado. Na prática, utilizam-se escalas comparativas, relativas, representadas por certos minerais. A mais utilizada é a escala de Mohs que comporta dez graus e é constituída apenas por minerais que, 10 quando pulverizados deixam um pó branco. Para determinação aproximada, utiliza-se uma escala prática, indicada no Quadro 3.2. Quadro 3.2 – Determinação da dureza de um mineral. • Tenacidade – é a resistência oferecida pelo mineral ao ser rasgado, moído, dobrado ou triturado. Também é ima propriedade relacionada com a coesão. Segundo tal propriedade os minerais podem ser: ⇒ Friáveis – facilmente rompidos e que se reduzem com facilidade a pó. (galena, pirolusita) ⇒ Maleáveis – possível de ser cortado por uma lâmina de aço. (ouro, cobre) ⇒ Dúcteis – minerais que como o ouro e a prata são redutíveis a fios. ⇒ Plásticos – possível de ser dobrado, mas não volta a forma original, terminada a tensão que o deforma. (gesso, clorita) ⇒ Elásticos – recupera a forma primitiva, ao cessar a tensão que o deforma, desde que não tenha atingido o limite de ruptura. (mica) Mohs Determinação da dureza no campo Escala prática 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mineral típico talco gipso calcita fluorita apatita ortoclásio quartzo topázio coríndon diamante 7,0 6,0 5,5 5,0 3,0 2,5 unha moeda canivete vidro porcelana quartzo material dureza Riscado pela unha Riscado pela moeda Riscado pelo canivete Riscado pelo vidro e porcelana Riscado pelo quartzo 11 • Peso específico – corresponde ao peso do mineral em relação ao peso de igual volume de água, calculado através : águaar ar esp PP P − =.ρ (2.1) onde: Par = peso do mineral no ar; Págua = peso do mineral imersa na água. O resultado deve ser obtido com precisão de duas casas decimais, para auxiliar a identificação do mineral. Como o resultado tem relação com a composição e a estrutura cristalina, o valor é constante para cada tipo de mineral. O peso específico normalmente se encontra entre 2 e 4, quando encontrado acima de 4, os minerais são denominados pesados. Propriedades que dependem da luz • Brilho – é a propriedade que os minerais possuem de refletir a luz. O brilho é dependente de vários fatores, entre os quais o índice de refração, absorção de luz, as características da superfície estudada (lisa ou rugosa). O brilho de um mineral aumenta com a elevação do índice de refração, diminui com a absorção da luz e com a rugosidade da superfície. O brilho não depende da cor, podendo o mineral apresentar brilho metálico ou não metálico.Ex: Pirita (ouro de tolo) 12 • Cor – importante característica de identificação dos minerais, estando relacionada com defeitos estruturais, composição química ou impurezas contidas no mineral. Segundo a origem da respectiva cor, a mineralogia separa os minerais em 4 grupos. 1. Incolores (acromáticos) – os raios luminosos atravessam-nos sem absorção na parte visível do espectro. (diamante, cristal de rocha). 2. Coloridos (idiocromáticos) – a cor resulta da presença de átomos de um dado elemento próprio do mineral. (azurita – azul devido ao Cu, rodonita – rosa devido ao Mg) 3. Cor adquirida (alocromáticos) – a cor resulta da presença de átomos de um elemento que o mineral contém vestígios, como acontece, por exemplo, com certas variedades de quartzo, de halita, de turmalina, etc. A coloração pode ser proveniente da presença de núcleos coloridos produzidos por um defeito na estrutura cristalina sem mistura de outros elementos. (quartzo fumado, ametista, diamante, fluorita) 13 4. Aparentemente coloridos (pseudocromáticos) – produzem-se efeitos coloridos no cristal na seqüência de fenômenos ópticos. (fratura, refração, curvatura, dispersão ou interferência dos rios luminosos) • Traço (cor do pó) – é uma excelente característica de identificação para distinguir os minerais coloridos dos de cor adquirida. O pó pode ser obtido riscando o mineral com um objeto acerado, ou para uma determinação mais precisa, friccionando-o num pedaço de porcelana branca dura e não vidrada. Nos minerais opacos de brilho metálico (óxidos e sulfetos), esta é uma das propriedades avaliadoras para a identificação da espécie. • Refração – propriedade que alguns minerais possuem de deixar passar a luz (de um meio menos denso para outro mais denso); diminuindo a velocidade quando a mesma atravessa o mineral e muda de direção, obtendo-se deste modo o índice de refração. Cada mineral apresenta um índice de refração. Sendo esta propriedade utilizada somente em minerais transparentes. (calcita, diamante, topázio) • Magnetismo – existem materiais que naturalmente apresentam magnetismo, com a magnetita e em grau menor a pirrotita; ambos contêm alto teor de ferro em sua composição sendo desta maneira afetados por um campo magnético, podendo ser atraídos por um ímã. 14 2.2.4.2 – Propriedades Químicas É a propriedade química que determina a classificação dos minerais no sistema mineralógico. Quanto às propriedades químicas, é feito apenas um teste utilizando ácido clorídrico (HCl) diluído. Quando ocorre efervescência ao pingar uma gota do ácido no mineral, conclui-se que o mesmo é um carbonato. 3 – Características a serem Observadas na Amostra Para que uma amostra seja identificada macroscopicamente, devem ser feitas as observações abaixo na seguinte seqüência; a) Reconhecer o tipo de brilho do mineral: se é metálico ou não metálico; b) Reconhecer a cor do mineral; c) Determinar a dureza: é uma propriedade relativa, devendo o mineral ser enquadrado entre certos valores na Escala de Mohs. Como escala prática usar: Quadro 3.1 – Escala de Mohs. Escala Prática Unha 2,5 Moeda 3,0 15 Canivete 5,0 Vidro 5,5 Porcelana 6,0 Quartzo 7,0 Obs.: A dureza do mineral será baixa quando estiver entre 1 – 2; média entre 3-5 e, alta, acima de 5. d) Reconhecer a cor do traço observado numa placa de porcelana opaca; e) Identificar o hábito mineral, ou seja, a forma como ele normalmente se apresenta, como por exemplo: lamelar, prismático, globular, granular, etc. f) Observar outras propriedades tais como: magnetismo,flexiblilidade, maleabilidade, clivagem, fratura, reação com ácido clorídrico diluído, etc. Como os elementos acima obtidos, recorre-se a tabelas de determinação de minerais, como aquelas em anexo, a fim de selecionar um ou mais minerais que possuam propriedades semelhantes. Deve-se ter em mente que este é um processo de determinação simplificado, que utiliza apenas propriedades macroscópicas e fáceis de serem observadas, não requerendo praticamente equipamento algum. Para um trabalho mais rigoroso, faz-se necessária à utilização de outras propriedades, como: ópticas, difração de raio X, peso específico, composição química, etc. 16 17 Tabela Simplificada para Identificação de Minerais (Anexo 1) Nº Traço Cor Brilho Durez a Clivagem e Fratura Outras Propriedades Nome e Fórmula Emprego 1 Incolor incolor, transparente Não metálico 2,0 a 2,5 1 direção placas elásticas; lamelar; escamoso Mica (muscovita) 2H2O.K2O.3Al2O3.6Si O2 Isolante térmico e elétrico 2 Incolor Verde e preto Não metálico 2,0 a 3,0 1 direção placas elásticas; lamelar; escamoso Mica (biotita) (H,K)2.(Mg,Fe)2.Al2(Si O4)3 Isolante térmico e elétrico 3 Incolor branco; verde; branco amarelado Não metálico 1,0 a 1,5 1direção lamelar; escamoso, granular e fibroso Talco (pedra sabão) H2Mg(SiO3)4 Cosméticos; tintas; suporte de inseticida; velas de motores 4 Incolor branco; incolor; cinza; vermelho; Não metálico 3,0 3 direções romboédrico, reação com HCl Calcita CaCO3 Fabrica de cimento 18 amarelo 5 Incolor incolor; amarelo; verde; fume; violeta; róseo Não metálico 7,0 Fratura Conchoidal prismático; maciço; granular Quartzo SiO2 Cerâmica, abrasivos; vidro e eletrõnica 6 Incolor incolor; branco; cinza; amarelo; vermelho Não metálico 1,5 a 3,0 Perfeita prismáticos; granular, fibroso Gipsita (Gipso) CaSO4.2H2O Construção; gesso Tabela Simplificada para Identificação de Minerais (Anexo 2) Nº Traço Cor Brilho Dureza Clivagem e Fratura Outras Propriedades Nome e Fórmula Emprego 7 Incolor Incolor; branco; cinza; róseo; violeta; verde; azul Não metálico 4,0 Clivagem perfeita Cúbico; ortaédrico granular; compacto Fluorita CaF2 Fundente; cerâmica; fluor 8 Incolor Verde mar; verde azulado; azul violeta e cinza e Não metálico 5,0 Fratura conchoidal Prismático; tabular; globular; granular Apatita Ca(F,Cl,OH) Ca4(PO4)3 19 vermelho 9 Incolor Vermelho carne; incolor; branco; róseio pálido; cinza Não metálico 6,0 Clivagem em duas direções Prismático; maciço; granular; compacto Ortoclásio (feldspato) KalSi3O8 Porcelana; vidro; cristal 10 Preto esverdead o, preto castanho Amarelo latão pálido Metálico 6,0 a 6,5 Clivagem indistinta Cúbico; maciço; granular Pirita FeS2 Minério de fabricação de ácido sulfúrico 11 Cinza escuro a preto Cinza chumbo Metálico 2,5 Fratura conchoidal a plana Cristais cúbicos; granular; octaédrico Galena PbS Minério de chumbo 12 Vermelho a marrom Preta; cinza escuro Metálico 5,5 a 6,5 Tabular; granular Hematita Fe2O3 Minério de ferro 20 Identificação de Minerais Nome:_________________________________________________________________________________RA_____________Turma______ Traço Cor Brilho Dureza Clivagem e Fratura Hábitos Nome e Fórmula Emprego 21 SUMÁRIO 1 – Introdução 2 – Revisão Bibliográfica 2.2 – Minerais 2.2.1 – Conceituação 2.2.2 – Formação 2.2.3 – Classificação 2.2.4 – Propriedades 2.2.4.1 – Propriedades Físicas Propriedades que dependem da luz 2.2.4.2 – Propriedades Químicas 3 – Características a serem Observadas na Amostra
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