1
KRYSTALOGRAFIA – podstawy
Z uwagi na nowowprowadzony przedmiot do programu studiów kierunku geologia oraz GZMiW
KRYSTALOGRAFIA Z MINERALOGIĄ, część poświęcona zagadnieniom z krystalografii została
skrócona. Zaś w ramach laboratoriów z przedmiotu Mineralogia zobowiązani są Państwo jedynie do
znajomości układów krystalograficznych.
W zależności od kształtu czworościanu zasadniczego i odpowiadającej mu komórki sieci przestrzennej
klasyfikuje się ciała krystaliczne do grup, zwanych układami krystalograficznymi
Kształt sieciowej komórki elementarnej i odpowiadającego
jej czworościanu zasadniczego
Lp.
Układ
kąty między osiami
jednostki osiowe
1
regularny
α = β = γ = 90°
a
0
= b
0
= c
0
2
tetragonalny
α = β = γ = 90°
a
0
= b
0
≠ c
0
3
rombowy
α = β = γ = 90°
a
0
≠ b
0
≠ c
0
≠ a
0
4
jednoskośny
α = γ = 90°; β ≠ 90°
a
0
≠ b
0
≠ c
0
≠ a
0
5
trójskośny
α ≠ β ≠ γ ≠ α
α, β, γ ≠ 90°
a
0
≠ b
0
≠ c
0
≠ a
0
6
heksagonalny
α = β = 90°; γ = 120°
a
0
= b
0
≠ c
0
7
trygonalny lub
romboedryczny
α = β = 90°; γ = 120°
α = β = γ = 90°
a
0
= b
0
≠ c
0
a
0
= b
0
= c
0
Kształt komórek sieciowych i czworościanów zasadniczych w
poszczególnych układach krystalograficznych
2
Minerał (mineral) – faza krystaliczna powstała w wyniku procesów geologicznych. Cechą minerałów jest
stan krystaliczny, tj. uporządkowane ułożenie atomów w przestrzeni.
Faza (phase)– część przestrzeni wypełniona materią jednorodną i odgraniczona od wyraźnymi
powierzchniami od przyległych obszarów.
Substancje mineralne – substancje niekrystaliczne powstałe w wyniku procesów geologicznych., niezbyt w
przyrodzie rozpowszechnione szkliwa magmowe (np. pumeks), zestarzałe żele mineralne (np. opal) i żywice
kopalne (np. bursztyn). Wykazują one tendencję do przekrystalizowania.
Ciało krystaliczne (crystalline solid) – ciało jednorodne i anizotropowe pod względem co najmniej jednej
własności. Jego cechą wyróżniającą jest uporządkowana budowa polegająca na periodycznym powtarzaniu
się w przestrzeni elementów fizycznych, takich jak atomy, jony czy cząsteczki. W praktyce mineralogicznej
jako kryterium krystaliczności przyjmuje się pojawienie się obrazu dyfrakcyjnego na rentgenogramach danej
substancji mineralnej. Następuje to wówczas, gdy wielkość domen uporządkowania (obszary danego ciała w
których jest zachowana periodyczność rozmieszczenia atomów) przekracza 10
-6
cm(=10 nm).
Ciało bezpostaciowe (amorficzne, szkliste) (amorphous solid)– izotropowe pod względem wszystkich
własności fizycznych, jest ono bądź całkowicie pozbawione prawidłowej budowy wewnętrznej, bądź też
periodyczność rozmieszczenia atomów dotyczy tak małych obszarów, że nie jest ona wykrywalna metodami
rentgenowskimi (uporządkowanie bliskiego zasięgu). Stan amorficzny jest termodynamicznie nietrwały i
dlatego ciała stałe bezpostaciowe (szkliwa) przechodzą, choć niekiedy powoli, w substancje krystaliczne –
proces przekrystalizowania (odszklenia, dewitryfikacji)
.
Kryształ (crystal) – ziarno ograniczone samorzutnie wytworzonymi właściwymi im prawidłowymi
płaszczyznami – ścianami.
Skała (rock) – układ wielofazowy, agregat różnych minerałów.
Jednorodność (homogeneity)– jednakowość własności fizycznych i chemicznych danego ciała we
wszystkich punktach.
Izotropia (isotropy)– niezależność od kierunku (tj. wszystkie własności fizyczne danej fazy nie zależą od
kierunku).
Anizotropia (anisotropy)– zależność od kierunku (tj. przynajmniej jedna z własności danej fazy zmienia się
w zależności od kierunku).
Polimorfizm (wielopostaciowość) (polymorphism) – zjawisko występowania substancji chemicznej
tworzącej dwie lub więcej faz krystalicznych, różniących się strukturą i własnościami fizycznymi. Np.
CaCO
3
–kalcyt, aragonit; C – grafit, diament; FeS
2
– piryt, markasyt.
Izomorfizm (równopostaciowość, izostrukturalność) (isomorphism) – podobieństwo form
krystalograficznych i morfologii danych substancji o odmiennym składzie chemicznym. Np. kalcyt CaCO
3
i
syderytFeCO
3
. Pojecie to obejmuje:
1. izomorfizm lato sensu (izotypia) – podobieństwo struktur i komórek elementarnych,
2. izomorfizm sensu stricte – możliwość tworzenia izomorficznych roztworów stałych (kryształy
mieszane), tzn. zdolność zastępowania w swoich sieciach krystalicznych jednych atomów lub jonów
przez inne.
Ciągły szereg izomorficzny – szereg dwóch substancji izomorficznych tworzących kryształy mieszane o
dowolnych proporcjach ogniw krańcowych, np. szereg oliwinów: forsteryt – fajalit.
Diadochia – zdolność zastępowania się jonów w sieci krystalicznej, wynikająca z ich powinowactwa
krystalochemicznego.
3
STRUKTURA I MORFOLOGIA KRYSZTAŁU
Charakterystyka minerału jako ciała krystalicznego obejmuje określenie zarówno jego budowy wewnętrznej,
jak i zewnętrznej. W odniesieniu do budowy wewnętrznej używamy terminu struktura, który oznacza
sposób przestrzennego rozmieszczenia atomów. Mówiąc o zewnętrznej budowie kryształu, tj. jego postaci
geometrycznej, używać będziemy takich terminów, jak: morfologia, pokrój, lub postać zewnętrzna
kryształu.
morfologia – jest niezależna od wielkości poszczególnych ścian kryształów lub ich relacji między sobą. Np.
w układzie regularnym może występować sześcian, ośmiościan, dwunastościan rombowy i ich kombinacje.
pokrój – opisuje relacje wielkości poszczególnych ścian. Np. halit – kostkowy, miki (dwuścian) – płytkowy,
blaszkowy.
Kryształy o tej samej morfologii mogą mieć zupełnie różny pokrój.
Parageneza (paragenesis)– wspólność występowania zespołu minerałów, który powstał w trakcie jednego
procesu geologicznego.
Pseudomorfoza (pseudomorph) – zastępowanie kryształów przez inny materiał wskutek zmian warunków
chemicznych czy fizycznych panujących w środowisku występowania minerałów. Zachowany zostaje
pierwotny pokrój minerału.
Defekt sieciowy – każde odstępstwo od idealnej, periodycznej budowy sieciowej kryształu. Można je
klasyfikować według:
– obszaru objętego zaburzeniem – defekty od skali makroskopowej do „subatomowej”;
– natury defektu – chemiczne bądź geometryczne;
– w zależności od tego w ilu wymiarach przestrzeni rozciąga się zaburzenie – punktowe, liniowe,
płaskie.
Zbliźniaczenia – zrosty lub przerosty prawidłowe kryształów. Zrost bliźniaczy polega na tym, że złączone ze
sobą osobniki krystaliczne wykazują równoległość nie tylko niektórych (co najmniej dwóch) elementów
budowy zewnętrznej i sieci. Bliźniak jako całość wykazuje obecność elementu symetrii, który jest nieobecny
na pojedynczych osobnikach, może to być płaszczyzna bliźniacza bądź oś bliźniacza. Każdy z tych
elementów przeprowadza zrośnięte osobniki jeden w drugi. Ślad granicy dwóch osobników tworzących
bliźniak nazywamy szwem bliźniaczym.
Wyróżniamy zbliźniaczenia:
- podwójne,
- wielokrotne (polisentetyczne).
W zależności od wzajemnego położenia poszczególnych osobników:
- bliźniaki kontaktowe (stykowe), np. gips – jaskółczy ogon;
- bliźniaki penetracyjne (przerosłe), np. piryt – żelazny krzyż.
Zbliźniaczenia opisuje się za pomocą tzw. praw bliźniaczych, które określają jakie wskaźniki ma
płaszczyzna lub oś bliźniacza. Na przykład dla skaleni wyróżniamy zbliźniaczenia:
- karlsbadzkie – według (110) lub [001]
- manebachskie – według (001)
- albitowe – według (010)
Skupienia – wygląd zbiorowiska wielu osobników krystalicznych lub form wytworzonych przez mieszaniny
mineralne lub bezpostaciowe substancje mineralne.
Skupienia kryształów – stanowią ich zbiory różniące się układem przestrzennym. Wyróżnia się: kryształy
(pojedyncze osobniki o prawidłowo wykształconych ścianach), szczotki krystaliczne (nieprawidłowe
skupienia kryształów osadzonych blisko siebie na wspólnym podłożu), geody (osadzone w owalnych
wnękach szczotki krystaliczne), dendryty (krzaczastosiatkowe powłoki rozwinięte wydłuż bardzo wąskich
szczelinek).
Skupienia ziarniste – są utworzone z wielu mniejszych lub większych ziaren minerałów nie mających
własnych zarysów krystalograficznych, lecz ograniczonych przypadkowymi powierzchniami. Zależnie od
wielkości ziaren wyróżnia się: wielko-, grubo-, średnio-, drobno-, bardzo drobnoziarniste, zbite, ziemiste,
4
słupkowe, pr
ęcikowe, igiełkowe, włókniste, tabliczkowe, płytkowe, blaszkowe, łuskowe, promieniste,
sferolitowe, rozetowe
.
Skupienia naciekowe – powstają w toku krążenia i odparowywania roztworów. Wyróżnia się tu: stalaktyty,
stalagmity; skupienia: nerkowe, groniaste, wykwity, naskorupienia, powłoki
.
Konkrecje – luźno rozmieszczone w skałach kuliste lub owalne skupienia substancji mineralnych, np. pirytu
lub markasytu. Powstają w skutek działania swoistych czynników mechanicznych podczas krystalizacji
substancji mineralnej drogą dyfuzji czy przemieszczenia przez roztwory krążące w skałach. Zewnętrznie są
one ograniczone owalnymi powierzchniami.
FIZYCZNE WŁASNOŚCI MINERAŁÓW
Gęstość (density) – czyli masa jednostki objętości [kg/m
3
]. Przy rozpoznawaniu minerałów, zwłaszcza
zawierających ołów, bar, wolfram, żelazo, itp., określanie gęstości może mieć praktyczne uzasadnianie, gdyż
pozwala na szybkie wyróżnienie niektórych minerałów (wad, baryt, scheelit, i in.).W przybliżeniu jest ona
określana poprzez ważenie w ręku badanego okrucha oraz podobnego wielkością okrucha minerału o znanej
gęstości.
MECHANICZNE WŁASNOŚCI MINERAŁÓW
Łupliwość (cleavage) – zdolność kryształów do rozłupywania się wzdłuż tzw. płaszczyzn łupliwości pod
wpływem uderzenia bądź nacisku. Zależnie od stopnia gładkości płaszczyzn łupliwości wyróżnia się:
– doskonałą, np. anhydryt, galena, halit;
– wyraźną, np. apatyt, hornblenda;
– niewyraźna lub niedokładną, np. kwarc, piryt.
Płaszczyzny łupliwości oznaczamy tak samo jak odpowiadające im ściany kryształu, a więc wskaźnikami
Przełam (fracture)– nierówne powierzchnie minerałów i kryształów wzdłuż których może dojść do
pęknięcia. Są to cechy swoiste dla ciał pozbawionych łupliwości. Płaszczyzny przełamu są nierówne.
Wyróżniamy przełamy:
– muszlowy (conchoidal)
– kwarc, opal;
– haczykowaty/zadziorowy (jagged, hackly) – metale rodzime;
– nierówny (uneven) - magnetyt;
– ziemisty(earthy) limonit, kaolinit.
Twardość (hardness ) – opór stawiany przez minerał zewnętrznemu czynnikowi mechanicznemu,
usiłującemu zarysować jego powierzchnię. Do oznaczania minerałów używa się skali twardości empirycznie
ustalonej przez Mohsa. Jest to szereg składający się z 10 minerałów uporządkowanych według wzrastającej
twardości. Wyznaczają one dziesięć stopni twardości, z których pierwszy oznacza stopień najniższy,
dziesiąty zaś najwyższy.
1
talk
Mg
3
[(OH)
2
|Si
4
O
10
]
2
gips
CaSO
4
·
2H
2
O
dają się zarysować
paznokciem
3
kalcyt
CaCO
3
4
fluoryt
CaF
2
5
apatyt
Ca
5
[F|(PO
4
)
3
]
dają się zarysować
ostrzem stalowym
6
ortoklaz
K[AlSi
3
O
8
]
7
kwarc
SiO
2
8
topaz
Al
2
[F,OH)
2
|SiO
4
]
9
korund
Al
2
O
3
10 diament
C
nie dają się
zarysować ostrzem
stalowym
Twardość minerałów zawłaszcza kryształów, jest właściwością kierunkową, tzn. że wyniki badań zależą od
kierunku zarysowania. Ponadto skupienia minerałów: ziemiste, drobnoziarniste i włókniste niemal zawsze
wykazują niższą twardość aniżeli odpowiadające im kryształy, ograniczone gładkimi ścianami.
5
Spójność (cohesion) – sposób zachowania się minerału wobec działania czynników mechanicznych.
Wyróżniamy minerały:
– sprężyste – powracają one do kształtu pierwotnego po usunięciu nacisku powodującego odkształcenie, np.
łyszczyki;
– giętkie – pozostają one w stanie odkształconym, np. grafit;
– kruche – nie odkształcają się lecz ulegają rozdrobnieniu na mniejsze okruchy, np. większość krzemianów;
– strugalne – dające się strugać na wióry, np. akanty, miedź rodzima;
Kowalno
ść – zdolność minerałów do odkształceń plastycznych powstających w trakcie kucia, np. miedź
rodzima, złoto rodzime, bizmut rodzimy.
Łagodno
ść (minerału) – przy przekraczaniu granicy wytrzymałości, minerał powoli pęka wykazując pewne
cechy odkształceń plastycznych, np. molibdenit, antymonit.
OPTYCZNE WŁASNOŚCI MINERAŁÓW
Połysk (lustre)– to zjawisko wywołane odbijaniem się światła od powierzchni ścian kryształów lub
płaszczyzn przełamu. Ilość światła odbitego od powierzchni minerału, a więc natężenie połysku, zależy od
jego współczynnika załamania światła. Połysk oznacza się na ścianach kryształów i na świeżym przełamie
minerałów, a to dlatego, że niektóre z nich szybko pokrywają się wtórnymi produktami, zmieniającymi
wygląd właściwy. Przy oznaczani połysku nie bierze się pod uwagę barwy minerału. Rozróżniamy połyski:
Metaliczne (metallic)
–metaliczny (właściwy) (metallic) – występuje na świeżych przełamach metali ciężkich, jest
charakterystyczny dla wielu rud, zwłaszcza rodzimych metali ciężkich i ich siarczków, jak np. złoto
rodzime, piryt, nikielin, galena;
– półmetaliczny (sub-metallic) – nieco słabszy od połysku metalicznego, jest właściwy niektórym kruszcom,
jak np. magnetyt;
Niemetaliczne (non- metallic)
– diamentowy (adamantine) – najsilniejszy z połysków niemetalicznych, dostrzegalny na diamencie,
sfalerycie i na niektórych innych minerałach;
– szklisty (vitreous) – charakterystyczny dla powierzchni szkła, można obserwować na ścianach kryształów
kwarcu i na wielu minerałach przezroczystych; pospolity u chlorków, tlenków i węglanów, np. kwarc;
– tłusty(greasy ) – jest dość popularny w świecie minerałów; odznacza się nim siarka rodzima;
– perłowy (pearly) – występuje na wielu minerałach o pokroju blaszkowym, np. muskowit;
– jedwabisty (silky) – spotyka się wśród odmian drobnowłóknistych, np. azbest, gips włóknisty;
– ziemisty (zwyczajny) (earthy, dull) – charakteryzuje fosforyty, np. kaolinit, limonit;
– matowy (mat) – to określenie wyraża, iż danemu minerałowi brak połysku.
Przezroczystość (transparency)
Ze względu na zdolność przepuszczania światła wyróżnia się minerały:
- przezroczyste, np. kwarc, sól kamienna;
-półprzezroczyste, np. magnetyt, piryt,
-nieprzezroczyste, np. metale rodzime.
Barwa (color)
Barwy minerałów to wynik selektywnej absorpcji światła. Są one określane ogólnie przyjętymi nazwami.
Minerały barwne krystalizujące w innych układach poza regularnym często odznaczają się pleochroizmem
(wielobarwno
ścią) w skutek tego, iż absorpcja światła w nich jest zależna od kierunku badania. W rzadkich
wypadkach pleochroizm można dostrzec makroskopowo, np. kordieryt – obserwowany w trzech
prostopadłych kierunkach okazuje odcienie barwy niebieskiej, fioletowej i żółtej.
Minerały zabarwione – zawierające domieszki pierwiastków barwiących w stanie rozproszenia atomowego
(np. ametyst – fioletowa odmiana kwarcu), uszkodzenia struktury w skutek promieniotwórczości naturalnej
(np. malakom odmiana cyrkonu) czy wskutek obecności rozproszonego pigmentu mineralnego (np. biaława
siarka rodzima, która zawiera znaczną domieszkę pyłu kalcytowego lub gipsowego).
6
Różnobarwność – następstwo zmian składu chemicznego minerałów w czasie wzrostu osobników, np..
odmiany turmalinów; w minerałach o skupieniach zbitych utworzonych w wyniku przekrystalizowania żeli
mineralnych bywa wynikiem dyfuzji składników barwiących, w tych warunkach tworzą one pierścienie
Lieseganga
, typowe dla agatów.
Naloty – cienkie warstwy pokrywające powierzchnie minerałów (zgłasza tych zawierających miedź , np.
chalkopiryt, bornit), powstałe wskutek reakcji chemicznych ze składników atmosfery (O, CO
2
, H
2
O i in.). W
rezultacie owe minerały uzyskują odmienne barwy (barwy naleciałe) i odmienny połysk aniżeli występujący
na świeżym przełamie. Taka zmiana wyglądu minerału jest niejednokrotnie pomocna przy jego
rozpoznawaniu, gdyż w pewnym stopniu ujawnia własności fizyczne.
Rysa (streak)– barwa sproszkowanego minerału. Uzyskiwana jest poprzez potarcie minerału o twardą i
szorstką powierzchnię, np. nieszkliwionej płytki porcelanowej. Za pomocą rysy można odróżnić minerały
zabarwione (rysa bezbarwna) od barwnych (rysa barwna). Rysę bezbarwną mają także minerały bezbarwne.
Minerały twarde i bardzo twarde nie posiadają rysy, gdyż podczas pocierania o płytkę zadrapują jej
powierzchnię. W ostateczności można sproszkować badany minerał poprzez wzajemne pocieranie jego
dwóch kawałków.
Opalizacja (iridescence)– wynik rozszczepia białego światła wewnątrz minerału (obecność bardzo drobnych
szczelinek czy kanalików) i następującymi po tym zjawiskami interferencji jego barwnych składowych.
Luminescencja (luminescence)– ciało poddane określonemu działaniu fizycznemu absorbuje pewien rodzaj
energii, a następnie emituje go w postaci światła widzialnego.
Fotoluminescencja (photoluminescence, PL)– naświetlanie próbki minerału promieniowaniem
ultrafioletowym. Np. scheelit – odcienie niebieskie, cyrkon – ocienie złociste.
Katodoluminescencja (cathodoluminescence)– bombardowanie elektronami.
Termoluminescencja (thermoluminescence) – ogrzewanie.
Fluorescencja (fIuorescence)– jeżeli emisja promieniowania kończy się jednocześnie z zanikiem
wzbudzenia.
Fosforescencja (phosphorescence) – jeśli promieniowanie trwa jeszcze jakiś czas po zaprzestaniu
wzbudzenia.
CIEPLNE WŁASNOŚCI MINERAŁÓW
(rozszerzalność cieplna; przewodnictwo; ciepło właściwe; ogniotrwałość).
WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE
(paramagnetyzm; diamagnetyzm; ferromagnetyzm; antyferromagnetyzm; ferrimagnetyzm).
WŁASNOŚCI ELEKTRYCZNE
(przewodnictwo elektryczne, dielektryki, ferroelektryczno
ść, piezoelektryczność, piroelektryczność).
TOK ROZPOZNAWANIA MINERAŁÓW NA PODSTANIE CECH ZEWNĘRZNYCH
1. Określić połysk, barwę, rysę i twardość. Na tej podstawie zaszeregować dany minerał do jednej z
grup i podgrup według tabelarycznego zestawienia.
2. Dokładnie zapoznać się z opisem minerałów wybranej podgrupy.
3. Określić: spójność, gęstość, kryształy, łupliwość, postać i przełam skupienia oraz własności
szczególne, np. magnetyzm.
4.
Wyszukać w tabeli badany minerał.
LITERATURA
Bolewski A. Manecki A., Mineralogia szczegółowa, Wyd, PAE, Warszawa 1993.
Bolewski A. Manecki A., Rozpoznawanie minerałów, Wyd. Geol., Warszawa 1990.
Bolewski A., Kubisz. J., Manecki A., Sabiński W., Mineralogia ogólna, Wyd Geol., Warszawa 1990.
Bojarski Z., Gigla M., Stróż K., Surowiec M., Krystalografia, PWN, Warszawa 2008.