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Atenção: Estas notas destinam-se exclusivamente a servir como roteiro de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram reproduzidas estritamente com fins didáticos. Química Analítica Quantitativa (QATQ5) Licenciatura em Química Prof. Renata Beraldo Agosto/2020 Toda substância homogênea, sólida ou líquida, de origem inorgânica que surge naturalmente na crosta terrestre. Normalmente com composição química definida e, se formado em condições favoráveis, terá estrutura atômica ordenada condicionando sua forma cristalina e suas propriedades físicas. calcita Minerais EXCEÇÕES: o petróleo e o âmbar são considerado minerais, embora não possuam composição química definida e serem matéria orgânica Âmbar calcita Âmbar - não é inorgânico, é uma resina fóssil produzida por gimnospermas Pérola não é inorgânica mas sim produzida por um molusco, a ostra Mercúrio não é sólido, mas sim liquído 3 Opala e Calcedônia não têm a estrutura interna cristalina, são amorfos Limonita óxido de ferro hidratado, sem estrutura interna cristalina OUTRAS EXCEÇÕES de minerais em relação a definição Minerais Todo mineral tem composição química definida dentro de certos limites. calcita • Alguns são substâncias puras de composição simples, como o quartzo, cuja composição é SiO2, ou a hematita Fe2O3. • Outros minerais, como os feldspatos, anfibólios, granadas, micas e piroxênios são soluções sólidas e suas composições variam dentro de certos limites. Minerais calcita A formação de minerais ocorre através de três processos principais: a cristalização do magma (ou lava), crescimento de cristais no estado sólido (durante o metamorfismo ou diagênese) e precipitação a partir de soluções (nas bacias sedimentares). Cristalização do magma (ou lava) Durante o resfriamento do magma (ou da lava em superfície) os íons se combinam e formam os minerais típicos das rochas ígneas. Perídoto (variedade de olivina) em basalto Fonte: wikipedia Os primeiros cristais a se formarem do magma estão imersos em uma pasta e não têm problemas de espaço, deste modo, podem formar cristais bem formados com formas bem definidas. Exemplos: minerais silicatados como a olivina, quartzo, muscovita, biotita e feldspatos, que são minerais constituintes de rochas como o granito e o gabro. Minerais - Como se Formam calcita Nas rochas metamórficas ocorre o crescimento dos minerais no estado sólido, via reações metamórficas e um mecanismo chamado difusão. Minerais - Como se Formam Gnaisse. Fonte: Wikipedia As reações metamórficas são reações químicas que ocorrem no estado sólido e demoram muito tempo para ocorrer, mas que por causa de mudanças de temperatura (T) e pressão (P), minerais ou associações minerais (pares ou trios, etc), que ultrapassaram seus limites de estabilidade, reajam entre si para formar novos minerais que são agora mais estáveis nas novas condições P-T reinantes. Tudo isso ocorre por causa da difusão, que é o mecanismo que controla o caminhamento de átomos dentro da estrutura cristalina e é controlada e dependente da temperatura. calcita Depósito de halita precipitado, a camada preta é de matéria orgânica. Minerais - Como se Formam Nas rochas sedimentares o principal processo para formação de minerais é via precipitação das soluções, quando ocorre a saturação de sais, sulfatos, carbonatos e fosfatos e outras espécies de íons (cátions mais ânions) que podem estar dissolvidos nas águas e atingir o limite de saturação e se precipitar, como em uma salmoura.. Minerais com mesmo radical aniônico apresentam propriedades físicas e morfológicas muito mais semelhantes entre si do que minerais com o mesmo cátion. Classificação Químicas dos Minerais Assim, a classificação dos minerais é baseada em seu radical aniônico, e issofoi seguido da Química Inorgânica. • Classes – baseado no ânion dominante (são 12 classes) • Famílias – são divisões de tipos químicos • Grupos – reúnem minerais com características químicas e cristaloquímicas • Os grupos são formados por espécies A maior classe de todas é a dos silicatos e isso ocorre pois os tetraedros (poliedro de coordenação o básico dos silicatos, com um Si cercado por 4 O) conseguem se polimerizar em diversos tipos diferentes de cadeias, formandos diferentes famílias e grupos de silicatos. Existem 12 classes minerais: Classificação Químicas dos Minerais • Elementos Nativos: minerais que possuem somente um elemento químico. Ex: Ouro, diamante, grafite; • Sulfetos: minerais que possuem radical S(enxofre). Ex.: Pirita, Bornita; • Sulfossais: minerais que possue m radical Pb, Cu ou Ag, combinados com S, As, Bi, etc. Ex.: Enargita, Tetraedita; • Óxidos: combinação de um metal com o oxigênio. Ex. gelo, cuprita, corindon, etc. • Hidróxidos: presença da água ou hidroxila. Ex. bauxita; • Haloides: cloretos, fluoretos, brometos e iodetos. Ex. halita, silvita, fluorita, etc. • Carbonatos: minerais com o radical CO3. Ex. calcita, dolomita, etc. • Nitratos: minerais com o radical NO3. Ex. nitro de sódio. • Boratos: minerais com o radical BO3. Ex. boracita. • Fosfatos: minerais com o radical PO4. Ex. Apatita. • Tungstatos: minerais com o radical WO4. Ex. scheelita. • Sulfatos: minerais com o radical SO4. Ex. barita. • Silicatos: minerais com o radical SiO4. Ex. quartzo, feldspato, etc. Estrutura Cristalina Estrutura do Cristal - Estrutura do mineral é determinada em grande parte pela forma como os ânions estão dispostos e como os cátions se encaixam entre eles. Os ânions são, em geral, maiores que os cátions. Ocorrem vários poliedros de coordenação, ou seja, unidades básicas em que o centro é ocupado por um cátion e é envolto por vários ânions. Coordenação 4, é um tetraedro, coordenação 6 um octaedro, coordenação 8 um cubo e coordenação 12. Os poliedros de coordenação se combinam para formar a estrutura cristalina dos minerais Estrutura Cristalina Estrutura cristalina significa o arranjo espacial de longo alcance em que se encontram os átomos ou moléculas no mineral. Na natureza existem 14 arranjos básicos tridimensionais, agrupados em 7 sistemas de cristalização distintos, que permitem descrever os cristais até agora encontrados 7 Sistemas Cristalinos: cúbico, tetragonal, trigonal, hexagonal, ortorrômbico, monoclínico, triclínico. Cada um dos sete sistemas cristalinos tem uma relação de tamanho e ângulos interaxiais característica e é isso que irá determinar as formas dos cristais. As faces dos cristais podem ser representadas por coordenadas parecidas com as cartesianas, mas aqui terão três índices, pois cada sistema tem três eixos. Estrutura Cristalina Forma com que seus cristais crescem. Isométrico = cúbico Tetragonal Ortorrômbico Hexagonal Trigonal = romboédrico Monoclínico Triclínico Composição química; Estrutura cristalina dos materiais que o compõem. calcita Sendo assim, materiais com a mesma composição química podem constituir minerais totalmente distintos em resultado de meras diferenças estruturais na forma como os seus átomos ou moléculas se arranjam espacialmente (como por exemplo a grafite e o diamante). Minerais Cada mineral é classificado e denominado com base na sua: Isomorfismo e Polimorfismo Minerais Isomorfos Possuem estruturas cristalinas semelhantes mas composição química diferente ou variável dentro de um determinado limite. Um exemplo é a halita, um composto de sódio e a galena, um sulfeto de chumbo. Compartilham da mesma estrutura cristalina cúbica. Halita (NaCl) Galena (PbS) Minerais Isomorfismo e Polimorfismo Minerais Polimorfos - Possuem a mesma composição química mas estruturas cristalinas diferentes. Ex.: a Pirita e a Marcassita são ambos constituídos por sulfeto de ferro. Marcassita (FeS2)Pirita (FeS2) Minerais Minerais Polimorfos – Outro exemplo Grafite e Diamante são polimorfos de carbono. Minerais Fonte: SteelCarbon (2020) Grafite Diamante Minerais Polimorfos – Outro exemplo Grafite e Diamante são polimorfos de carbono. Apresentamdiferentes estruturas cristalinas. Minerais Estrutura do grafite Estrutura do diamante Minerais Muitas pessoas veem o diamante como um mineral muito mais valioso do que o grafite, mas o grafite é tão valioso quanto! Isso porque cada um desses minerais tem a sua função e o grafite é um material tão interessante quanto o diamante em muitos aspectos. O grafite é o componente de alta resistência dos compósitos que são usados para construir automóveis, aeronaves, tacos de golfe de alta tecnologia e raquetes de tênis. Diamante e Grafite: diferenças e semelhanças Minerais Diamante e Grafite: diferenças e semelhanças Mas por que o diamante é tão rígido e o grafite é tão suave? Além disso, se o grafite é tão “mole”, como pode ser usado como um material de alta tecnologia para tacos de golfe e até aeronaves? A resposta reside nas diferentes estruturas atômicas do diamante e do grafite. O grafite consiste em camadas ou folhas sobrepostas onde os átomos de carbono possuem ligações fortes no mesmo plano ou camada, mas ligações muito fracas em relação a camada acima ou abaixo. Os átomos de carbono em diamantes, por outro lado, têm fortes ligações em três dimensões. Em diamantes, os átomos estão muito embalados e cada átomo está conectado a outros quatro átomos de carbono, dando-lhe uma estrutura muito forte e rígida em três dimensões. No caso do grafite, apenas as ligações entre as camadas são fracas. Ou seja, quando as camadas ou folhas são “enroladas” em fibras, e essas fibras são “torcidas” em fios, a verdadeira força das ligações aparece. Para que os fios ganhem forma, eles são agrupados e mantidos no lugar por um aglutinante, como uma resina epóxi. Os compósitos feitos a partir desse método têm um dos maiores índices força-peso em relação a qualquer outro material. As propriedades físicas dos minerais resultam da sua composição química e das suas características estruturais. Por serem observáveis em amostra de mão, são as mais utilizadas para uma primeira identificação. Propriedades Físicas dos Minerais Clivagem É a propriedade que alguns minerais têm de se partirem segundo determinadas superfícies planas e paralelas. É a tendência de um mineral quebrar-se em direções preferenciais, paralelamente à planos atômicos específicos, sendo consistente com a simetria do mineral e relacionada à estrutura cristalina Propriedades Físicas dos Minerais Exemplos de minerais com boa clivagem são: • Muscovita que apresenta uma única direção de clivagem - clivagem basal; • Calcita que tem três direções de clivagem - clivagem romboédrica; • Galena apresentando uma clivagem cúbica. Estas superfícies planas são chamadas de planos de clivagem. Geralmente são brilhantes e correspondem às direções onde as ligações iônicas ou atômicas são mais fracas Clivagem Propriedades Físicas dos Minerais Clivagem não é face cristalina ou superfície de crescimento, é uma face de quebra, um plano de fraqueza no qual o mineral sempre irá se quebrar Clivagem da calcita (CaCO3) Fraturas Entende-se por fratura de um mineral a maneira pela qual ele se rompe quando isto não se produz ao longo de superfícies de clivagem. Assim como a clivagem, as superfícies de fratura são controladas pela estrutura atômica interna do mineral, podem ser irregulares ou conchoidais. Propriedades Físicas dos Minerais A fratura é o modo como certos minerais se partem. Esta quebra não tem direções ou planos definidos e são diferentes dos planos de clivagem por serem geralmente embaçadas, irregulares e não planas e não se repetem paralelamente. Fraturas Propriedades Físicas dos Minerais Conchoidal ou concoidal - fratura com superfícies côncavas e convexas, lisas ou estriadas, semelhantes a conchas. Por exemplo, quartzo rosa e enxofre Irregular - fratura onde o mineral parte segundo uma superfície irregular. Por exemplo, topázio. Acicular - fratura com fragmentos pontiagudos semelhantes à madeira quando se parte. Por exemplo, asbesto. Fratura tipo conchoidal Fraturas Propriedades Físicas dos Minerais Fratura tipo fibrosa Fraturas Propriedades Físicas dos Minerais Fratura tipo dentada ou serrilhada Fraturas Propriedades Físicas dos Minerais Fratura e clivagem: a) fratura conchoidal do quartzo; b) clivagem no cristal de calcita. Fraturas Propriedades Físicas dos Minerais A dureza é avaliada comparando com a de certos minerais-padrão. A escala de dureza mais utilizada é a escala de Mohs, constituída por 10 graus correspondentes às durezas relativas de 10 minerais, ordenados por ordem crescente de dureza. Cada um dos minerais desta escala risca o anterior, de dureza inferior, e é riscado pelo seguinte na escala, portanto de dureza superior. Dureza Propriedades Físicas dos Minerais A dureza é a resistência que o mineral tem ao ser riscado por outro mineral ou objeto e depende do tipo de suas ligações químicas, quanto mais fortes forem estas ligações, maior dureza ele terá. É uma propriedade vetorial que depende da estrutura cristalina do mineral. Propriedades Físicas dos Minerais Dureza Também são utilizados objetos de dureza conhecida, sendo os mais comuns a unha, prego, moedas, canivete ou vidro. Quando se risca um mineral mais duro com outro menos duro, este vai desgastar-se sobre o mais duro, à semelhança de quando se escreve com giz no quadro-negro ou quando se escreve com o lápis no papel. Propriedades Físicas dos Minerais 1. Talco; 2. Gipsita; 3. Calcita; 4. Fluorita; 5. Apatita; 6. Feldspato; 7. Quartzo; 8. Topázio; 9. Corindon; 10. Diamante. Dureza A tenacidade é uma medida da resistência do mineral ao ser quebrado, esmagado, dobrado ou rasgado. Não é o mesmo que a dureza. Por exemplo, o diamante possui dureza muito elevada mas quebra-se relativamente fácil se sofrer um impacto. Propriedades Físicas dos Minerais Tenacidade Classificação Qualitativa: • Quebradiço: o mineral se rompe ou é pulverizado com facilidade • Séctil: o mineral pode ser cortado por uma lâmina de aço • Dúctil: o mineral pode ser estirado para formar fios • Maleável: o mineral pode ser transformado em lâminas, por aplicação de impacto • Flexível: o mineral pode ser curvado, mas não retorna à sua forma original após o esforço • Elástico: o mineral pode ser curvado, mas volta à sua forma original após o esforço Outro exemplo é o ouro que é dúctil, isto é, pode ser transformado facilmente em fios. Propriedades Físicas dos Minerais Tenacidade Os efeitos destes fatores podem ser facilmente avaliados comparando- se a diferença de densidade relativa entre o carbono puro na forma de grafite - densidade 2,2 g/cm³ e do diamante 3,5g/cm³, que mostra o efeito da estrutura cristalina na densidade relativa. Propriedades Físicas dos Minerais Densidade relativa (ou peso específico) A densidade relativa é a relação entre o peso do mineral e o peso de um volume igual de água pura. Não tem o mesmo significado que peso específico - medido em unidades de peso por unidade de volume. A densidade relativa é característica para cada mineral, e depende basicamente dos elementos químicos que constituem o mineral e a maneira como estes elementos estão arranjados dentro da estrutura cristalina Propriedades Físicas dos Minerais Densidade relativa (ou peso específico) Propriedades Físicas dos Minerais Magnetismo Materiais que apresentam a propriedade de ser atraídos por um imã são chamados de ferromagnéticos. O número de minerais que apresentam esta propriedade é muito pequeno. Dentre os minerais comuns na natureza, apenas a magnetita e a pirrotita apresentam esta propriedade. Portanto, quando presente em um mineral, o magnetismo é de extrema utilidade na identificação. Outros com elevado teor de metais que podem ser magnetizados após aquecimento, como o manganês, o níquel e o titânio. Propriedades Físicas dos Minerais Magnetismo Propriedades Físicas dos Minerais Hábito Cristalino O hábito de um mineral é a forma com a qual ele aparecefrequentemente na natureza, seja como prismas alongados, como cristais achatados, ou mesmo como grãos sem uma forma definida. Muitas espécies de minerais ocorrem com um determinado hábito. A pirita quase sempre ocorre como cristais em forma de cubos, e as micas ocorrem como lamelas. Mas nem sempre um determinado mineral apresenta seu hábito característico, mesmo assim o hábito é de grande auxílio na sua identificação. Propriedades Físicas dos Minerais Hábito Cristalino Propriedades Físicas dos Minerais Hábito Cristalino Propriedades Físicas dos Minerais Hábito Cristalino Fonte: http://www.ige.unicamp.br/site/aulas/30/EstrcrixtII2004.pdf Diamante Magnetita Muitos minerais mostram um hábito característico. Por exemplo, cristais de magnetita (Fe3O4) e de diamante (C) são em geral octaédricos (duas pirâmides unidas pela base quadrada). Propriedades Físicas dos Minerais Hábito Cristalino A pirita (FeS2) e a fluorita (CaF2) comumente ocorrem como cristais em formas de cubos. Pirita Fluorita Importante: o fato do mineral apresentar com frequência um determinado hábito é de grande auxílio na sua identificação. Fonte: museuhe (2020) Cor É uma característica extremamente importante dos minerais. Resposta do olho ao intervalo da luz visível do espectro eletromagnético. Propriedades Físicas dos Minerais O que interpretamos como cor do mineral é o resultado da absorção seletiva de determinados comprimentos de onda (λ) da luz que atravessa o mineral. Os λs não absorvidos tornam-se dominantes no espectro que emerge do mineral e a combinação desses λs é o que se percebe como cor. Se a luz não é absorvida, o mineral é incolor. A cor pode variar devido a impurezas existentes e/ou a superfície do mineral pode estar alterada, não mostrando sua verdadeira cor. Cor Quanto à cor, os minerais podem ser Idiocromáticos e Alocromáticos. Propriedades Físicas dos Minerais Idiocromáticos - são os minerais cuja cor é característica e não varia de amostra para amostra, como a esmeralda. Alocromáticos - são os minerais que apresentam cores variáveis. Exemplo é o quartzo, que vai desde o incolor, rosa, lilás, amarelo, enfumaçado, até o preto Cor Propriedades Físicas dos Minerais Pirita amarelo-ouro Augita verde escuro a preto Jadeíta esverdeado Casiterita verde a castanho Cor Propriedades Físicas dos Minerais Traço vermelho da hematita. O traço é a cor do pó fino que se forma quando se risca o mineral numa placa de porcelana não vitrificada. Quando o mineral é mais duro que a porcelana que tem dureza 7, ele não se reduz a pó e não produz risco. Propriedades Físicas dos Minerais Traço (ou risca) A clorite, a gipsita (gesso) e o talco deixam um traço branco, enquanto o zircão, a granada e a estaurolita deixam, comummente, um traço castanho avermelhado. A cor do traço é importante na distinção de minerais que apresentam a mesma cor, por exemplo o caso da magnetita, goetita e hematita de coloração negra mas com traços diferentes, respectivamente, preto, amarelado e avermelhado. Minerais de brilho metálico e sub-metálico - produzem traço de cor escura e às vezes de cor bastante diferente da do mineral. Ex. pirita amarelo-latão e traço quase preto. Minerais de brilho não-metálico e alocromáticos geralmente têm traço branco ou acinzentado. Minerais de brilho não-metálico e idiocromáticos têm traço da cor do mineral, em geral mais pálida. Propriedades Físicas dos Minerais Traço (ou risca) Embora a cor de um mineral seja frequentemente variável, o seu traço tende a ser relativamente constante, e portanto é uma propriedade extremamente útil na identificação do mineral. Alguns minerais possuem dureza tão baixa que são capazes de deixar traço em materiais como papel, como é o caso do grafite e da molibdenita.. Sabor e Cheiro Para certos minerais estas propriedades são bons elementos de diagnóstico. Como por exemplo a halita, silvita, arsenopirita e o enxofre Propriedades Físicas dos Minerais Halita Sabor salgado. Enxofre Cheiro de ovos podres Silvita Sabor amargo Arsenopirita Cheiro de alho Fluorescência A luz ultravioleta é invisível para os seres humanos, porque as suas ondas são muito curtas e não detectadas pelos nossos olhos. Alguns minerais quando expostos à luz ultravioleta, emitem uma luz fluorescente. Estes minerais absorvem a luz ultravioleta e refletem ondas mais longas que são detectados pelos nossos olhos. Exemplo é a fluorita, mineral que dá o nome a esta propriedade. Propriedades Físicas dos Minerais Radioatividade Alguns minerais possuem propriedades radioativas. São exemplo os minerais de urânio. Propriedades Físicas dos Minerais urânio Esta propriedade pode evidenciar-se utilizando contadores de partículas - contador Geiger. Diafaneidade ou Transparência Diafaneidade ou transparência é a maior ou menor quantidade de luz que os minerais deixam atravessar, e se classificam em hialinos, transparentes, translúcidos e opacos. Propriedades Físicas dos Minerais Hialinos - através dos quais os objetos são visíveis sem modificação da cor como o cristal de rocha Transparentes - através dos quais os objetos são visíveis com possíveis modificação da cor, mantendo os contornos nítidos, por exemplo, o quartzo. Translúcidos - deixam atravessar parcialmente a luz, mas os objetos não são claramente visíveis. Exemplo: quartzo enfumaçado. Opacos - não deixam atravessar pela luz, como a ágata. Diafaneidade ou Transparência É raro que um mineral opaco tenha todos os espécimes translúcidos, contudo, alguns minerais translúcidos podem tornar-se opacos por inclusões ou efeitos do intemperismo. Propriedades Físicas dos Minerais A esfalerita é um exemplo de um mineral normalmente opaco que surpreende freqüentemente colecionadores com um espécime transparente. O brilho do mineral é o modo como este reflete a luz que incide na sua superfície. Brilho Propriedades Físicas dos Minerais Quanto ao brilho dividem-se os minerais em: Os minerais que refletem 75% da luz incidente tem brilho metálico. Metálico, Sub-metálico e Não-metálico. O brilho metálico é característico de determinados minerais que apresentam elevado índice de refração, tendo por exemplo, os metais nativos como o ouro e a prata. Têm aparência brilhante dos metais. Brilho Propriedades Físicas dos Minerais O brilho sub-metálico é um pouco menos intenso que o metálico, exemplo volframita. O brilho não metálico é característico dos minerais de cor clara, em geral transparentes ou translúcidos e podem ser classificados em adamantino, vítreo, sedoso, resinoso, nacarado e graxo. Brilho Propriedades Físicas dos Minerais Graxo- aspecto oleoso como o enxofre. Adamantino - aspecto semelhante ao do diamante, brilho intenso. Vítreo - semelhante, no aspecto ao vidro, como o quartzo. Sedoso - semelhante ao da seda, como o talco. Resinoso - aspecto da resina como a bromargirita - AgBr Nacarado - como o brilho das pérolas. Embaçado - com superfícies não reflexivas como a barita. • TEIXEIRA, W.; TOLEDO, M.C.M.; FAIRCHILD, T.R.; TAIOLI, F. Decifrando a Terra. São Paulo: Oficina de Textos, 2000. • Steel Carbon . Diamante e Grafite: diferenças e semelhanças Disponível em: https://www.steelcarbon.com.br/diamante-e- grafite/#:~:text=Diamante%3A%20estrutura%20covalente%20gigante%2C%20com,carbono%20em%20um%20arranjo%20hexago nal. Acesso em: 24 set 2020. • Museu de Minerais, Minérios e Rochas Heinz Eber. Disponível em: https://museuhe.com.br/minerais/ Acesso: 24 set 2020. • MORAES, R. Minerais – definições, propriedades físicas e químicas. Notas de aula. Instituto de Geociências da USP • SÉRIE Geologia na Escola caderno 4 - Rochas e Minerais como iniciar uma coleção e as características usadas na identificação Referência bibliográfica
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