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UERJ/FEBF Profº Wellington Santos 1. O que é um mineral? 2. Minerais e o átomo – Ligações químicas 3. Composição química e estrutura cristalina 4. Classificação dos minerais 5. Como identificar minerais? 6. Minerais formadores de rochas 7. Os minerais e sua utilidade 8. Origem e distribuição dos minerais 9. Ciclo das rochas É um sólido homogêneo (possuem forma própria); Com composição química definida, mas que pode variar dentro de intervalos restritos; Formado por processos naturais inorgânicos; Possui uma estrutura interna ordenada (os átomos se encontram organizados em um arranjo tridimensional). O que exclui as substâncias sintéticas ou artificiais; Mesmo quando apresentam as mesmas características de seus equivalentes naturais. Rubi natural e seu análogo sintético. O rubi é a variedade vermelha do mineral Coríndon (Al2O3). Um rubi sintético não é um mineral, apesar de ambos terem a mesma composição química e estrutura cristalina. O gelo das geleiras, por exemplo, é um mineral; Já o gelo produzido em refrigeradores é um equivalente sintético do gelo natural; Na fala cotidiana, os compostos sintéticos recebem em geral os mesmos nomes de seus equivalentes naturais. Gelo natural e gelo sintético. O primeiro é um mineral por se formar em condições naturais. O segundo é sintético por se formar artificialmente. O que exclui as substâncias cristalinas biogênicas; Ex: As conchas carbonáticas que encontramos nas praias podem ter: A mesma composição química; A mesma estrutura cristalina; Dos minerais calcita ou aragonita (CaCO3). No entanto, as conchas carbonáticas não são consideradas minerais; São formadas pelo metabolismo de organismos; Assim como as pérolas, produzidas por processos biogênicos. Conchas carbonáticas presentes em uma praia e pérola produzida por moluscos (ostras). Ambos não são minerais, pois são produzidos por atividades biogênicas. A pérola é considerada um mineraloide. Âmbar e recifes de coral. Materiais cristalinos naturais biogênicos. Assim como a pérola, são considerados mineraloides, pois não satisfazem plenamente as condições do conceito formal de minerais. Opala e obsidiana. Materiais cristalinos naturais inorgânicos, mas sem estrutura cristalina. São amorfas, não tem formato de cristal. São considerados mineraloides, pois não satisfazem plenamente as condições do conceito formal de minerais. Estrutura cristalina é o nome dado ao arranjo tridimensional periódico de átomos, que gera sólidos simétricos; A grande maioria dos minerais é formada pela combinação de diferentes elementos químicos, em proporções fixas ou variáves; Há minerais com composição fixa, que praticamente não aceitam elementos estranhos em sua estrutura, como o quartzo (SiO2). Quartzo (SiO2). Praticamente não aceitam elementos estranhos em sua estrutura. Alguns minerais são compostos por um único elemento químico, como o diamante (C), o enxofre (S) e o ouro (Au); Diamante (C), Enxofre (S) e Ouro (Au). Minerais compostos por um único elemento químico. . Alguns elementos ou compostos químicos são conhecidos popularmente como “sais minerais”; Entretanto, nem todos os sais minerais são sais e nem todos têm origem mineral; As embalagens de alimentos se referem a “minerais” como ferro, potássio, sódio, que não são minerais e sim, elementos químicos. A fala popular também não faz distinção clara entre os termos mineral e minério; Minério é um conceito econômico e se refere a minerais ou rochas que possam ser extraídos da natureza com lucro. A água mineral e o carvão mineral não são minerais. O 1º é líquido à temperatura ambiente. O 2º é formado por material biogênico. Os minerais são formados por átomos organizados em um arranjo tridimensional denominado estrutura cristalina; Um átomo é a menor parte de um elemento químico e conserva todas as suas propriedades físicas e químicas; Tem um núcleo formado por prótons e nêutrons, circundado por uma nuvem de elétrons; As grandezas que definem os elementos químicos são: o número atômico (Z) que é o número de prótons de um átomo. Como também a massa atômica (A), que é a soma de prótons e nêutrons; O número atômico é constante para um determinado elemento químico; Entretanto, átomos de um mesmo elemento químico podem ter diferentes nºs de nêutrons e, portanto, diferentes massas atômicas; Esses são denominados ISÓTOPOS. Os átomos buscam uma configuração eletrônica estável; Na busca dessa configuração, os átomos doam e ou recebem elétrons, tornando-se eletricamente carregados, chamando-se ÍONS; Cátions são os ÍONS positivos; Ânions são os ÍONS negativos. As CARGAS dos ÍONS recebem o nome de valência. Os elementos das colunas da direita têm tendência a ganhar elétrons e formar ânions, ou seja, possuem alta eletronegatividade; Já os elementos das colunas a esquerda tendem a perder elétrons e formar cátions; Os elementos das colunas centrais são denominados elementos de transição e podem perder, ganhar ou compartilhar elétrons. Apresentam íons de diversas valências (ex: Fe2+ e Fe3+); São os principais formadores de cores em minerais, devido a oscilações eletrônicas em seus orbitais internos incompletos; As cores são geradas por absorção seletiva da energia luminosa. Determinam grande parte das propriedades físicas dos minerais; Os minerais podem apresentar em sua estrutura todos os tipos de ligações: Iônicas; Covalentes; Metálicas; Van der Waals e pontes de hidrogênio. Ocorrem quando átomos doam e recebem elétrons, e passam a ter cargas opostas; Estas ligações são fortes e os materiais iônicos tem baixa maleabilidade e alto ponto de fusão; Geralmente não são tão fortes quanto as ligações covalentes. Transferência de elétrons gerando cargas e atração eletrostática entre íons (Na+ e Cl− na halita - Na Cl) Se dão pelo compartilhamento de elétrons dos orbitais de valência; Materiais covalentes têm baixa maleabilidade, alto ponto de fusão e alta dureza; As ligações iônicas e covalentes são as mais importantes presentes nos minerais. Compartilhamento de elétrons de valência entre átomos vizinhos. Apresentam cátions neutralizados por uma nuvem eletrônica comum que os envolve; Nessa nuvem, os elétrons se movimentam livremente, permitindo a condução de calor e eletricidade; Confere maleabilidade e ductibilidade aos materiais metálicos; Os minerais com ligações metálicas são bons condutores elétricos e possuem brilho metálico. Elétrons com movimentação livre entre núcleos catiônicos (metais nativos como ouro, prata e platina). São as ligações mais fracas, formadas por cargas eletrostáticas residuais; Minerais com esse tipo de ligação têm baixa dureza; Ligações fracas que se dão por assimetria na distribuição de cargas em moléculas (ligações nos planos de clivagem de caolinita ou grafita). A estreita relação entre composição química e estrutura cristalina leva à definição de três conceitos decorrentes: Solução sólida; Polimorfismo; Isomorfismo. São estruturas cristalinas em que um ou mais sítios iônicos são ocupados por diferentes elementos químicos; Isto é possível para ÍONS que tenham raios iônicos semelhantes; As soluções sólidas podem ser completas quando a diferença de raios iônicos dos íons que se substituem for menor que 15%; Como no caso da série das olivinas (Mg,Fe)2SiO4, onde Fe2+e Mg2+são intercambiáveis na estrutura; Ou seja, as olivinas podem apresentar qualquer proporção Fe:Mg, desde o extremo puro em Fe (faialita Fe2SiO4) até em Mg (forsterita Mg2SiO4). Quando as diferenças de raio iônico são maiores, as possibilidades de substituição se tornam limitadas; Isso forma soluções sólidas parciais, como no caso dos feldspatos alcalinos(KAlSi3O8 - NaAlSi3O8); As diferenças de raio iônico entre K+ e Na+ permitem apenas uma limitada substituição de um pelo outro. É a propriedade de uma substância química se cristalizar em diferentes formas; Minerais com a mesma composição química, mas estruturas cristalinas diferentes; Os principais fatores que possibilitam o polimorfismo são pressão e temperatura. Minerais com estruturas mais compactas são mais estáveis a pressões elevadas; Ex: diamante (C) – formado no manto a centenas de quilômetros; A grafita (C), forma-se a profundidade relativamente pequena no interior da crosta e tem estrutura menos densa. Ocorre em minerais de diferentes composições químicas que apresentam o mesmo tipo de estrutura cristalina; Ex: halita (NaCl) e Sylvita (KCl); fluorita (CaF2) e Uraninita (UO2); Possuem sistema cúbico. Isomorfos são minerais que têm o mesmo tipo de estrutura cristalina, mas composição química diferentes. Halita (NaCl) e Sylvita (KCl). Anisotropia – Variações das propriedades físicas em função da direção dentro de um cristal; Isotropia – Materiais cujas propriedades físicas são as mesmas em todas as direções; OBS: Nos materiais anisotrópicos , uma ou mais propriedades físicas, como dureza, são distintas em diferentes direções na estrutura cristalina. Anisotropia de dureza da cianita (Al2SiO5 ), que tem dureza menor longitudinalmente (dureza 5) e maior transversalmente (dureza 7). O principal fator que controla o arranjo dos átomos numa estrutura cristalina é o raio dos íons presentes na sua estrutura; O empacotamento ordenado dos átomos gera uma simetria, que é uma repetição ordenada das partes de um todo; Um dos conceitos relacionados à simetria de estruturas cristalinas é o número de coordenação. Corresponde ao número de átomos que estão em proximidade imediata com um átomo de referência; Uma regra indica que, quanto maior for um íon em relação aos seus vizinhos, mais vizinhos poderão se acomodar ao seu redor, e vice-versa; Outra forma de se referir à coordenação de íons em uma estrutura é usando poliedros. São figuras geométricas tridimensionais que idealmente reproduzem o empacotamento de íons ao redor de um íon de referência. EX: Sítio tetraédrico – 1 cátion é cercado por 4 ânions; Sítio octaédrico – 1 cátion é cercado por 6 ânions; Sítio cúbico – 1 cátion é cercado por 8 ânions. Nº de coordenação = 4 (tetraedro) Nº de coordenação = 6 (octaedro) Nº de coordenação = 8 (cubo) O raio iônico do oxigênio é 5x maior do que do silício; Quando a diferença entre os tamanhos dos íons é tão grande, estes organizam-se numa estrutura chamada tetraedro. Durante o crescimento do mineral halita, o Na+ e o Cl− organizam-se na forma de um octaedro; O pequeno íon Na+ (azul) está rodeado por 6 íons Cl− Quando um mineral cresce, os íons que o constituem tentam empacotar-se o mais perto possível; Se os cátions e ânions forem de tamanhos semelhantes serão organizados na forma de um cubo. A estrutura interna do mineral define como será a sua forma externa. Cada Na+ está rodeado por 6 íons de Cl−, numa posição octaédrica. Quando um mineral de halita está crescendo, os íons Na+ e Cl− se organizam numa estrutura externa cúbica. Cada cristal na imagem à direita contém milhões de íons empacotados de Na+ e Cl−. . O quartzo é constituído por tetraedros de SiO4. Cada tetraedro do SiO4 está ligado a outros quatro tetraedros de SiO4. O quartzo forma normalmente prismas hexagonais, que refletem a estrutura interna do mineral. Os minerais são divididos em classes de acordo com seu ânion ou grupo aniônico; Em geral, minerais com o mesmo ânion possuem semelhanças físicas e morfológicas; O que não acontece com minerais que têm apenas um cátion em comum. A siderita (FeCO3) tem mais semelhanças com a calcita (CaCO3), ou com a magnesita (MgCO3), do que com a pirita (FeS2) ou hematita (Fe2O3); Minerais com o mesmo radical aniônico tendem a se formar por: Processos físico-químicos semelhantes; E a ocorrer juntos na natureza. 1 – Silicatos; 2 – Sulfetos; 3 – Sulfossais; 4 – Óxidos e hidróxidos; 5 – Haletos; 6 – Carbonatos; 7 – Nitratos; 8 – Boratos; 9 – Fosfatos 10 – Sulfatos 11 – Tungstatos; 12 – Elementos nativos. Os SILICATOS são a classe mais abundante na crosta e manto terrestre. São os principais minerais formadores de rocha; Apresentam diversos tipos de estruturas cristalinas, decorrentes de diferentes modos de polimerização da sílica; As classes são divididas em grupos por critérios químicos. Os grupos são constituídos de espécies minerais. Algumas espécies se relacionam entre si por soluções sólidas; Formam assim séries, cujos membros têm a mesma estrutura cristalina e diferentes composições químicas (isomorfos); Ex: Série dos feldspatos plagioclásios. São minerais de mesma estrutura e que podem apresentar qualquer composição extrema: Sódica (Albita – NaAlSi3O8) e outra cálcica (anortita – CaAl2Si2O8); Em português, os nomes de novos minerais têm o sufixo “ita”. Enquanto que o sufixo “ito” se refere a rochas. Os nomes de minerais podem indicar a localização de sua descoberta. EX: Brasilianita - NaAl3 (PO4)2(OH)4; Como também suas propriedades físicas. Ex: magnetita – Fe3O4; O elemento químico predominante. Ex: Molibdenita – MoS2; Pode homenagear uma pessoa proeminente. Ex: Andradita – Ca3Fe2 (SiO4)3. Em homenagem a José Bonifácio de Andrada; Os minerais conhecidos há muito tempo podem ter nomes consagrados, que não seguem as regras atuais; EX: Quartzo (SiO2); Galena (PbS); Rutilo (TiO2). Podem ser identificados pelas suas propriedades macroscópicas determinadas através de ensaios físicos simples; Uma identificação precisa, entretanto, requer o uso de equipamentos sofisticados . EX: Difratômetro de Raios X; Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV). Forma habitual exibida pelos minerais, em decorrência de sua estrutura cristalina; Alguns minerais têm forma característica que auxiliam em sua identificação tais como: Laminar da mica muscovita – KAl2 (AlSi3O10)(OH)2 Prismático da apatita – Ca5(PO4)3(OH,F,Cl) Fibroso da serpentina crisotila – Mg3Si2O5(OH)4 Tabular da barita – BaSO4 Hábito laminar da muscovita Hábito prismático da apatita Hábito tabular da barita Hábito fibroso da crisotila Entretanto, nem todos os minerais têm um hábito característico que possa ser usado em sua identificação. Capacidade de permitir a passagem da luz, que divide os minerais em Transparentes; Translúcidos; Opacos. Os elementos nativos metálicos, óxidos e sulfetos são em sua maioria opacos; Refere-se ao modo como o mineral reflete a luz e é geralmente dividido em brilho metálico e não metálico; Os minerais que refletem mais de 75% da luz incidente exibem brilho metálico. É o caso dos minerais opacos; Os que não atingem essa reflexão têm brilho não metálico. Entre eles temos o brilho vítreo, gorduroso e sedoso. Não metálico Não metálico Não metálico Não metálico Não metálico Não metálico Não metálico Não metálico Não metálico Resulta da absorção seletiva de comprimentos de onda da luz visível; Principalmente em virtude da presença de elementos químicos de transição (Fe, Cu, Ni, Cr, V) ou de defeitos cristalinos; Os minerais que tem cores características são chamados idiocromáticos. Ex: Malaquita verde Cu2CO3 (OH)2. Os alocromáticos apresentam cores variadas, como o coríndon, o quartzo e a fluorita. Coríndon Al2O3 Quartzo SiO2 Fluorita CaF2 É a cor do pó obtido ao se riscar o mineral contra uma placa de porcelana; É útil para se identificar minerais opacos, que em geral apresentam traço colorido; A maioria dos mineraistranslúcidos ou transparentes tem traço incolor. Traço castanho avermelhado da hematita Fe2O3 em placa de porcelana. Goethita FeO (OH), Hematita Fe2O3, Magnetita Fe3O4 e Molibdenita MoS2 É a resistência do mineral ao ser riscado. Para classificá-la utiliza-se a escala relativa de dureza de Mohs; Baseada na dureza relativa de 10 minerais utilizados como padrões; A sequência de minerais na escala de dureza indica que os minerais de dureza maior riscam os minerais de dureza menor. Planos de fratura de notável regularidade; Refletem a presença de planos de fraqueza em determinadas direções na estrutura cristalina; As superfícies de clivagem são nomeadas de acordo com sua orientação cristalográfica; Ou em referência aos sólidos geométricos por ela formados (laminar, cúbica ou romboédrica). Calcita CaCO3 – romboédrica , galena PbS - cúbica ; e biotita K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(F,OH)2 – Laminar ou basal Assim como a clivagem, as superfícies de fratura são controladas pela estrutura atômica interna do mineral; Podem ser irregulares ou conchoidais, quando apresentam ranhuras concêntricas, como no quartzo (SiO2); Quartzo SiO2 A densidade absoluta ou massa específica é um valor escalar (g/cm³), medida pela relação direta entre a massa e o volume do mineral; Os minerais de brilho metálico apresentam densidades próximas da pirita FeS2 (5,0 g/cm³); os minerais de brilho não metálico apresentam densidades próximas do quartzo (SiO2) ou calcita (CaCO3) (2,6/2,7 g/cm³). Qualquer mineral com uma densidade superior a 7 g/cm³ já é considerado muito denso, como é o caso do ouro (Au). Geminação é um intercrescimento do mesmo mineral com duas ou mais orientações; O tipo de geminação pode ser uma propriedade diagnóstica do mineral; Ex: geminação em cruz da estaurolita (Fe,Mg,Zn)2Al9(Si,Al)4O22OH2 Estaurolita (Fe,Mg,Zn)2Al9(Si,Al)4O22OH2 Entre os minerais mais comuns, a magnetita (Fe3O4) e a pirrotita (Fe1-xS) são os únicos atraídos pelo campo magnético de um imã de mão; Outros minerais podem apresentar magnetismo sutil, percebidos apenas por equipamentos mais potentes, como os eletroímãs. Dos milhares de minerais conhecidos, apenas pouco mais de uma dezena são considerados minerais formadores de rochas; São constituintes essenciais das rochas mais abundantes da crosta terrestre; Isto porque a crosta é composta quase que em sua totalidade por apenas oito elementos químicos. Mais de 70% da crosta é formada por oxigênio e silício; Em decorrência os silicatos são a classe amplamente predominante de minerais, constituindo mais de 90% de seu volume; Podemos dividir os minerais em silicatos e não silicatos. São os mais abundantes minerais da crosta e do manto terrestres; Seu radical aniônico, a sílica SiO4(4−), forma tetraedros que se unem entre si ou com cátions pelo compartilhamento dos átomos de oxigênio; É possível em virtude da distribuição interna da cargas nos tetraedros; Cada um dos 4 ânions de oxigênio (O-2) fornece metade da sua carga negativa para neutralizar o cátion silício (Si4+); O cátion silício se encontra no centro do tetraedro de coordenação. Assim, cada ânion de oxigênio pode usar metade de sua carga para se ligar a outros cátions ou a outros tetraedros de SiO4(4−); O tetraedro de sílica e a distribuição de suas cargas Há 7 tipos. A classe dos silicatos é dividida em subclasses de acordo com o tipo de polimerização; Os principais minerais formadores de rochas são silicatos, tais como feldspatos, quartzo, olivinas, piroxênios, anfibólios, granadas e micas. Os não silicatos, apesar de representarem menos de 10% em volume da crosta, têm grande importância científica e econômica; Os minerais são o substrato da vida, a matéria da qual nosso planeta é feito; Seria um desafio enumerar os materiais ao nosso redor que não contenham insumos minerais em si mesmos ou em sua cadeia de produção. Os minerais são formados por diferentes tipos de processos naturais, que envolvem principalmente: A – A cristalização a partir de magmas; B – De soluções aquosas saturadas; C – Degradação de minerais preexistentes pela reação com fluidos; D – Reações em estado sólido entre minerais. Produto do resfriamento de magmas, que são líquidos de composição em geral silicática e, mais raramente, carbonática; Os magmas são gerados pela fusão parcial de rochas do manto ou da crosta; Seu resfriamento leva à formação de um grande número de minerais. A cristalização dos magmas não é homogênea; Minerais estáveis a temperaturas mais elevadas se cristalizam primeiro; À medida que a temperatura cai, outros minerais se cristalizam; Esta sequência de cristalização é conhecida como série de Bowen. A cristalização de minerais a partir de soluções aquosas a baixas temperaturas (< 100ºC) é um processo importante na: Formação de rochas sedimentares químicas; Um processo que ocorre em ambientes evaporíticos em desertos e nas plataformas carbonáticas marinhas. Este tipo de cristalização também ocorre a temperaturas mais elevadas, até poucas centenas de ºC; Quando soluções aquosas quentes (hidrotermais) interagem com as rochas causando dissolução e precipitação de minerais. Excesso de sal cristaliza naturalmente. Está intimamente relacionado com a precipitação a partir de soluções saturadas; As soluções aquosas, tanto a baixas temperaturas (intemperismo), como a altas temperaturas (hidrotermalismo) são: Importantes agentes de transformação da crosta terrestre, sendo importante na formação de jazidas. Variações nas condições de pressão e temperatura podem levar a reações entre minerais no estado sólido; Sem que haja fusão ou dissolução do mineral original; As reações minerais em estado sólido são parte importante dos processos metamórficos. A distribuição dos tipos de rochas na crosta continental indica que 95% do seu volume total corresponde a rochas ígneas e metamórficas; Apenas 5% são de rochas sedimentares; Entretanto, considerando a parte superficial da crosta continental e oceânica, os números se modificam: 75% sedimentares e 25% cristalinas. As rochas ígneas ou magmáticas são formadas pela cristalização de magmas; Podem conter jazidas de vários metais como Au, Pt, Cu, Sn; Trazem a superfície do planeta importantes informações sobre as regiões profundas da crosta e manto terrestre. As rochas sedimentares são produto da consolidação de sedimentos na superfície terrestre; Os fósseis são encontrados em rochas sedimentares; A importância econômica está em suas reservas de petróleo, gás natural e carvão mineral. As rochas metamórficas são o produto da transformação de qualquer tipo de rocha quando exposta a um ambiente em que: As condições físicas (pressão e temperatura) ou composição química são muito distintas daquelas onde a rocha se formou; O estudo permite a identificação de grandes eventos geotectônicos fundamentais para o entendimento da atual configuração continental. Representa as variadas possibilidades de transformação de um tipo de rocha em outro; Os processos ígneos são colocados no início do ciclo, pois se considera que nas fases iniciais de acreção e consolidação da Terra: A formação de rochas acontecia principalmente pela cristalização a partir de magmas. As rochas à ação da atmosfera, hidrosfera e biosfera sofrem intemperismo; Faz com que as rochas percam sua coesão, sendo erodidas, transportadas e depositadas em depressões onde: Após a diagênese (compactação e cimentação), passam a constituir as rochas sedimentares. A dinâmica interna da Terra faz com que rochas formadas em um certo tipo de ambiente geológico: Sejam levadas a ambientes muito diferentes (pressão, temperaturae composição química); As rochas sofrem transformações mineralógicas e texturais, tornando-se rochas metamórficas. Quando as condições de metamorfismo são particularmente intensas, as rochas podem: Se fundir, gerando magmas que, ao se solidificar, darão origem a novas rochas ígneas; O ciclo das rochas existe desde os primórdios da Terra e, através dele, a crosta está em constante transformação e evolução. ANDRADE, F.R.D.; McREATH, I.; FILHO, J.B.M.; ATENCIO, D. A Terra sólida: minerais e rochas. In: TEIXEIRA, W.; TOLEDO, M. C. M.; FAIRCHILD, T. M.; TAIOLI, F. (Orgs). Decifrando a Terra. São Paulo: Oficina de Textos, pp 130-151. 2009; Webgeology. Disponível em: https://www.nbvm.no/index.html
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