Geol._Met._Cap.3_ppt_Estruturas Cristalinas

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Disciplina: Geologia Metalúrgica 
 
 Curso: Engenharia de Processamento Mineral 
 
TEMA: 
 Estruturas Cristalinas 
 
Docente: MSc. Gilberto Rogaciano Goba Sabonete 
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3. ESTRUTURAS CRISTALINAS 
3.1 Introdução 
• Estrutura Cristalina é o padrão geométrico segundo o qual os 
átomos, iões ou moléculas dos elementos químicos assumem num 
sólido cristalino (mineral). Resulta da forma como estão 
espacialmente ordenados os átomos, iões ou moléculas que o 
constituem. 
 
• Estrutura cristalina = Rede + Base. 
Rede: é a estrutura geométrica e Base: é a distribuição dos átomos 
em cada ponto da rede. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig.1 – Exemplo de uma Estrutura Cristalina 
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• Exemplo de estrutura cristalina do mineral halite (NaCl). 
 
 
 
 
 
 
 
Fig.2 – Mostra a Estrutura Cristalina do mineral Halite 
• As superfícies planas de um cristal são manifestações 
externas da estrutura cristalina ou dos arranjos estruturais 
internos. Exemplos: cristal de fluorite, halite e calcite. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig.3 – Exemplo de Cristais 
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3.2 Materiais Sólidos 
• Os materiais sólidos podem ser classificados em cristalinos e 
amorfos de acordo com a regularidade com que os átomos ou 
moléculas se dispõem em relação à seus vizinhos no espaço. 
 
♦ Materiais sólidos cristalinos (a): são caracterizados por 
possuírem uma estrutura ordenada como consequência de 
arranjos regulares de átomos que estão dispostos em posições 
fixas no espaço. Neles, os átomos, as moléculas ou iões que os 
constituem estão arranjados de uma forma periódica em três 
dimensões. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig.4 – Estrutura dos Materiais sólidos cristalinos 
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3.2 Materiais Sólidos (Cont.) 
 
• Um material sólido cristalino (mineral) é composto por um 
arranjo ordenado de atomos quimicamente ligados entre si para 
formar uma estrutura cristalina particular, onde esferas sólidas 
com diâmetros definidos representam os átomos em que os 
vizinhos mais próximos se tocam entre si. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig.5 – Arranjo atómico dos Materiais sólidos cristalinos 
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3.2 Materiais Sólidos (Cont.) 
 
• Materiais sólidos amorfos ou não-cristalinos (b) são aqueles no 
qual os átomos ou moléculas que que a constituem não possuem 
estrutura atômica ordenada e regular, embora possam apresentar 
alguma ordenação de curto alcance. No entanto, sua estrutura não 
é de facto organizada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig.6 – Arranjo atómico dos Materiais sólidos amorfos 
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3.3 Conceitos Decorrentes de Propriedades Químicas de Minerais 
 
• Por apresentarem o arranjo atômico interno ordenado que 
implica a existência de uma estrutura cristalina, onde os átomos 
ou iões estão dispostos em um padrão geométrico regular e 
repetetivo. 
 
• E devido a estreita relação existente entre composição química 
e esta estrutura cristalina, muitos minerais apresentam 
propriedades químicas importantes tais como: polimorfismo, 
isomorfismo, pseudomorfismo, solução sólida e diadoquia. 
 
• Estas propriedades químicas dependem da composição 
química, da geometria do arranjo atômico interno e da natureza 
das forças elétricas que mantém os átomos unidos. 
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3.3.1 Polimorfismo: ocorre quando minerais diferentes possuem 
a mesma composição química e o estrutura cristalina (arranjo 
atômico interno) diferente, o que se reflecte em suas 
propriedades físicas e morfológicas diferenciadas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 1 – Mostra o fenómeno de polimorfismo em minerais 
 
3.3.2 Isomorfismo: verifica-se quando os minerais têm a mesma 
estrutura cristalina, mas composições químicas diferentes ou 
variáveis dentro de determinados limites. 
MINERAIS COMPOSIÇÃO QUÍMICA SISTEMA CRISTALINO 
Diamante 
Grafite 
C 
C 
Cúbico 
Hexagonal 
Pirite 
Marcassite 
FeS2 
FeS2 
Cúbico 
Ortorrômbico 
Calcite 
Aragonite 
CaCO3 
CaCO3 
Trigonal 
Ortorrômbico 
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3.3.2 Isomorfismo (Cont.) 
• É o que se passa com o mineral halite (NaCl) e galena (PbS), por 
exemplo, são isomórficos porque o arranjo de Pb e S na galena é 
idêntico ao do Na e Cl na halite. Os minerais são diferentes em 
muitas propriedades físicas e químicas, mas a sua estrutura 
reflecte-se numa simetria idêntica. O mesmo que acontece com o 
mineral uraninite (UO2) e fluorite (CaF2) o arranjo de U e O2 no 
uraninite é idêntico ao do Ca e F2 na fluorite, isto é os átomos 
ocupam as mesmas posições. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 2 – Mostra o fenómeno de isomorfismo em minerais 
Composição Mineral Sistema 
CaF2 
UO2 
Fluorite 
Uraninite 
Cúbico 
Cúbico 
NaCl 
KCl 
PbS 
Halite 
Silvite 
Galena 
Cúbico 
Cúbico 
Cúbico 
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3.3.3 Pseudomorfismo: ocorre quando um mineral se transforma 
em outro, modificando a sua estrutura interna, preservando 
porém a forma externa. Os átomos do mineral original são 
progressivamente substituídos por átomos doutro mineral. 
 
• Nesse processo o mineral original pode alterar a sua estrutura 
cristalina, assim como, a sua composição química. O mineral 
neoformado, com a forma do mineral original, é denominado de 
pseudomorfo. 
 
• Desta forma, um pseudomorfo é um mineral que por 
substituição ou incrustação ou alteração, mostra forma externa 
de outra espécie mineral. 
 
 
 
 
 
 
Tabela 3 – Mostra o fenómeno de pseudomorfismo em minerais 
Mineral Original Pseudomorfo 
Sistema cristalino Mineral Sistema cristalino Mineral 
Cúbico Fluorite (CaF2 ) Trigonal Quartzo (SiO2) 
Cúbico Galena (PbS) Ortorrômbico 
 
Anglesite (PbSO4) 
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3.3.4 Solução Sólida 
• A grande maioria dos minerais apresentam variações 
significativas em suas composições químicas, em maior ou menor 
escala. Essas variações ocorrem entre elementos e intervalos 
definidos e é consequência das próprias condições de formação 
dos minerais. 
 
• Os ambientes de formação dos minerais são, normalmente, 
sistemas quimicamente abertos, onde estão presentes além dos 
elementos maiores e menores, muitos elementos traços, com 
amplas possibilidades de interação entre eles, provocando 
consequentemente variações na composição química dos 
minerais. 
 
• A variação composicional é resultante da substituição, na 
estrutura do mineral, de um ião, ou grupo aniónico, por outro ião 
ou grupo aniónico. Este processo é conhecido por substituição 
iónica ou solução sólida. 
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3.3.4 Solução Sólida (Continuação) 
• Um mineral constitui uma solução sólida quando na sua 
estrutura existem posições atómicas específicas que estão 
ocupadas, em proporções variáveis, por dois ou mais elementos 
(ou grupos) químicos diferentes. Troca entre determinados 
elementos químicos com raio iônico semelhantes, mantendo a 
mesma estrutura cristalina. 
 
• Resulta em compostos minerais com composição química 
intermediária entre dois extremos. Os elementos em substituição 
iônica ocupam a mesma posição na estrutura cristalina do mineral 
e, na fórmula mínima, aparecem entre parênteses, separados por 
vírgulas. 
 
• Exemplo: No mineral olivina (Mg,Fe)2SiO4, Mg
2+ pode ser 
substituído, em parte, ou completamente, por Fe2+; os parênteses 
indicam que Mg2+ e Fe2+ se substituem mutuamente formando uma 
solução sólida completa de Forsterite (Mg2SiO4) e Faialite 
(Fe2SiO4). 
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3.3.4 Solução Sólida (Continuação) 
• Os principais factores que determinam o grau de solução sólida 
em minerais são: 
 
1. Raio dos iões, átomos ou grupos iónicos que se substituem. 
Geralmente, uma substituição ampla é possível se a diferença de 
raios entre os iões (ou átomos) que se substituem for menor que ~ 
15%. Se a diferença dos raios nos dois elementos for entre 15 e 
30%, a substituição é limitada ou rara, e se os raios diferirem em 
mais de 30%, a substituição é fraca ou inexistente. 
 
2. As cargas dos iões envolvidos na substituição. As estruturas 
minerais devem manter a neutralidade elétrica.Se as cargas dos 
iões que se substituem são as mesmas, como no Mg+2 e no Fe+2, 
a substituição iônica permanece eletricamente neutra e sua 
ocorrência é portanto, mais provável. Se as cargas não são as 
mesmas, como no caso do Al+3 que substitui o Si+4 deve ocorrer 
uma substituição iônica adicional em outro sítio estrutural para 
manter a neutralidade eletrostática geral. 
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3.3.4 Solução Sólida (Continuação) 
3. A temperatura e a pressão na qual as substituições ocorrem. Os 
minerais, assim como outros materiais tendem a se expandir em 
altas temperaturas e a se contrair em grandes pressões. Em 
temperaturas elevadas, os tamanhos dos sítios atômicos 
disponíveis são maiores e aceitam maiores diferenças de 
tamanhos. Portanto, em uma dada estrutura, espera-se uma maior 
variabilidade na composição mineral em alta temperatura do que 
em baixa temperatura. O inverso ocorre com o aumento da 
pressão. À medida que a pressão aumenta, as estruturas 
cristalinas são comprimidas e menos tolerantes às discrepâncias 
de tamanho. Quando ambas, temperatura e pressão, aumentam, a 
temperatura é tipicamente o factor dominante. 
 
4. A disponibilidade de ião(s). Para que uma solução sólida ocorra, 
os iões que se substituem devem estar facilmente disponíveis. Por 
exemplo, em um ambientequímico onde o Fe é raro e o Mg é 
abundante, deverá ocorrer pouca substituição de Mg+2 por Fe+2. 
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3.3.5 Diadoquia 
• É o fenómeno pelo qual dois ou mais iões podem intersubstituir-
se em todas as proporções no interior de uma estrutura cristalina 
por outro sem a modificar. 
 
• Essa capacidade de permuta química verifica-se quando os 
elementos menores (não formadores de rochas), são incorpurados 
na estrutura cristalina, substituindo normalmente os elementos 
formadores de rochas (elementos maiores), por camuflagem, 
captura e admissão. 
 
3.3.5.1. Camuflagem 
• Ocorre quando um elemento menor com a mesma carga e raio 
iônico semelhante que o elemento maior que se pretende 
substituir entra na estrutura cristalina. 
 
• Exemplo: No mineral Olivina o Ni2+(0.69Å) substitui o 
Mg2+(0.66Å). Nos alumino-silicatos o Ga3+(0.62Å) substitui o 
Al3+(0.51Å). 
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3.3.5.2. Captura 
• Ocorre quando um elemento menor com carga maior e raio 
menor entra na estrutura cristalina no lugar de um elemento maior 
com carga menor e raio maior. 
 
• Exemplo: Nos minerais do grupo dos feldspatos o Ba2+(1.44 Å) 
ou Sr2+(1.21 Å) entra no lugar de K+(1.46 Å). 
 
 
3.3.5.3. Admissão 
• Ocorre quando elemento menor com mesma carga e raio iónico 
maior que o elemento maior que o admite entra na estrutura 
cristalina. 
 
• Exemplo: Nas plagioclases o Ca2+(0.99Å) admite o Sr2+(1.18 Å) e 
o K+(1.33Å) admite Cs+(1.67 Å).