Υλικά της Γής ΙΙ – Κρυσταλλοχημεία και συστηματική των ορυκτών Διάλεξη 1 η : Εισαγωγικές έννοιες ΔΙΔΑΣΚΩΝ : Δ. ΠΑΠΟΥΛΗΣ Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Γεωλογίας

ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ I.ΚΡΥΣΤΑΛΟΧΗΜΕΙΑ II.ΣΥΣΤΗΜΑΤΙΚΗ ΤΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ 2

Ι. ΚΡΥΣΤΑΛΟΧΗΜΕΙΑ Μελέτη του τρόπου με τον οποίο η κρυσταλλική δομή βρίσκεται σε συνάρτηση με τη χημική σύσταση της ύλης Διερεύνηση των σχέσεων μεταξύ χημικής σύστασης και φυσικών ιδιοτήτων της κρυσταλλικής ύλης Η Κρυσταλλοχημεία αναζητά τις σχέσεις μεταξύ εσωτερικής δομής και εξωτερικής συμπεριφοράς της κρυσταλλικής ύλης 3

ΙΙ. ΣΥΣΤΗΜΑΤΙΚΗ ΤΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ  Ταξινόμηση και περιγραφή των διαφόρων ορυκτών  Διερεύνηση των χημικών τους ιδιοτήτων  Διερεύνηση της δομικής τους συγκρότησης  Διερεύνηση της οπτικής τους συμπεριφοράς  Προέλευση των ορυκτών, τις παραγενετικές τους σχέσεις, την οικονομική τους σημασία και χρήσεις τους 4

1 η ΔΙΑΛΕΞΗ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 5

ΟΡΙΣΜΟΙ ΟΡΙΣΜΟΣ ΟΡΥΚΤΟΥ Φυσικά, ομογενή, κρυσταλλικά, ανόργανα στερεά με καθορισμένη χημική σύσταση. ΟΡΙΣΜΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΥ Στερεό υλικό με πολύ καλή ατομική διάταξη και επαναλαμβανόμενη ατομική δομή που περατώνεται σε επίπεδες επιφάνειες (έδρες). 6

ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ ΟΡΥΚΤΑ / ΣΥΝΘΕΤΙΚΟΙ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΙ Δύο παράγοντες διαφοροποιούν τα ορυκτά από τους συνθετικούς κρυστάλλους: 1.Η θερμοκρασία 2.Ο χρόνος Η υψηλή θερμοκρασία και ο μεγάλος χρόνος οδηγούν στο σχηματισμό κρυστάλλων με πολύ καλά καθορισμένη διάταξη και επαναλαμβανόμενη ατομική δομή. Ακόμα και οι τέλειοι συνθετικοί κρύσταλλοι δεν έχουν ποτέ τόσο καλή διάταξη ατόμων όσο τα φυσικά ορυκτά. 7

ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΕΣ ΜΟΡΦΕΣ Ιδιόμορφοι είναι οι Κρύσταλλοι που έχουν καλά σχηματισμένες όλες τις έδρες τους και τέλειο γεωμετρικό σχήμα. Υπιδιόμορφοι είναι οι Κρύσταλλοι που έχουν ορισμένες μόνο καλά σχηματισμένες έδρες και δεν έχουν τέλειο γεωμετρικό σχήμα. Αλλοτριόμορφοι είναι οι Κρύσταλλοι που δεν έχουν καλά σχηματισμένη καμία έδρα και δεν έχουν γεωμετρικό σχήμα. Άμορφο είναι το υλικό που έχει τυχαία ατομική δομή. 8

ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Ταξινόμηση στοιχείων του περιοδικού συστήματος με βάση τους γεωχημικούς χαρακτήρες τους και ανάλογα με την προτίμηση που δείχνουν για κάποια από τις ζώνες που περιβάλλουν ή συνιστούν τη γη: Σιδηρόφιλα : ανάγονται εύκολα από το σίδηρο, ιδιαίτερα εμπλουτισμένα στον πυρήνα της γης (Fe, Ni, Co, Mn) Χαλκόφιλα : Ισχυρή συγγένεια προς το S, παρουσιάζουν εμπλουτισμό στον μανδύα της γης (Cu, Zn, Pb, Cd) Λιθόφιλα : Ιδιαίτερα εμπλουτισμένα στις ανώτερες ζώνες του φλοιού της γης (Si, Al, K, Na, Mg, Ca) Ατμόφιλα : συνήθως σε αέρια κατάσταση (H, He, Ne, Ar) Βιόφιλα : εμπλουτισμένα στη βιόσφαιρα (C, N, B, P) 9

Η ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΓΗΣ ΚΑΤΑ ΒΑΡΟΣ ΕΙΝΑΙ: Σίδηρος33.1% Οξυγόνο27.2% Πυρίτιο17.2% Μαγνήσιο15.9% Νικέλιο1.6% Ασβέστιο1.6% Αργίλιο1.5% Θείο0.7% Νάτριο0.25% Τιτάνιο0.071% Κάλιο0.019% Άλλα στοιχεία0.86% Τα κύρια στοιχεία στο φλοιό και στο μανδύα της Γης είναι ίδια. Σε ποια στοιχεία πιστεύεται ότι είναι πιο πλούσιος ο μανδύας και γιατί ; 10

ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΣ ΦΛΟΙΟΣ ΤΗΣ ΓΗΣ 11 Εικόνα 1: Σύσταση του φλοιού της Γής (Παπούλης, 2015)

ΑΦΘΟΝΙΑ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Κύρια στοιχεία (major elements): Σημαντική συμμετοχή στα ορυκτά. Ελέγχουν τη βασική δομή του ορυκτού και το σύνολο των ιδιοτήτων του. Δευτερεύοντα στοιχεία (minor elements): Συμμετοχή σε μικρότερο ποσοστό υποκαθιστώντας κύρια στοιχεία. Επηρεάζουν ορισμένες μόνο ιδιότητες, ποιες ; Ιχνοστοιχεία (trace elements): εξαιρετικά μικρή συμμετοχή στη δομή των ορυκτών (ppm). Πολύτιμες πληροφορίες για τον τρόπο και τις διεργασίες σχηματισμού τους. 12

ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΟΡΥΚΤΩΝ Τα Ορυκτά σχηματίζονται (συνήθως) από συνδυασμό πολλών στοιχείων:  Διατεταγμένα σε κανονική διευθέτηση  Που συνδέονται μεταξύ τους Παράδειγμα Κεροστίλβη: (Ca, Na) 2-3 (Mg, Fe, Al) 5 [(Si,Al) 8 O 22 ] (OH) 2 13

ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΟΡΥΚΤΩΝ 2 Οφείλεται στη συνένωση και καθορισμένη διάταξη των συστατικών τους στοιχείων Οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται γύρω από ένα μόριο Σχηματίζεται αρχικά ένας κρυσταλλικός πυρήνας Μέχρι ο κρύσταλλος να πάρει την τελική του ορατή μορφή 14

ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΜΟΡΦΗ ΤΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ Παράγοντες που ελέγχουν το μέγεθος και την τελειότητα της κρυσταλλικής μορφής των ορυκτών: 1.Θερμοκρασία 2.Χρόνος 3.Περίσσεια ή έλλειμμα των αναγκαίων χημικών στοιχείων 4.Παρουσία ή απουσία ρευστού 15

1. ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ  Υψηλή θερμοκρασία αυξάνει την κινητικότητα των ατόμων.  Οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται γρήγορα και είναι καλοσχηματισμένοι σε υψηλή θερμοκρασία. 16

2. ΧΡΟΝΟΣ Όσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος κρυστάλλωσης τόσο μεγαλύτεροι, πιο καλοσχηματισμένοι και με καλύτερη ατομική διάταξη είναι οι κρύσταλλοι. ΓΙΑΤΙ; 17

3. ΠΕΡΙΣΣΕΙΑ Η ΕΛΛΕΙΜΜΑ ΤΩΝ ΑΝΑΓΚΑΙΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ  Για την ανάπτυξη των κρυστάλλων χρειάζεται η παρουσία χημικών στοιχείων.  Τα ορυκτά που αποτελούνται από τα πιο κοινά στοιχεία είναι μεγαλύτερα από άλλα που αποτελούνται από σπανιότερα στοιχεία. 18

4. ΠΑΡΟΥΣΙΑ Η ΑΠΟΥΣΙΑ ΡΕΥΣΤΟΥ  Η σύσταση του ποικίλει  Διευκολύνει την μετακίνηση των στοιχείων  Λόγω διευκόλυνσης της κινητικότητας των στοιχείων, μπορούν να αναπτυχθούν και ορυκτά με σπάνια στοιχεία, σε μεγάλα μεγέθη (π.χ. σε πηγματίτες) 19

ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ Είναι τα Υλικά της Γης Ευρύτατη εξάπλωση Αντανακλούν τις συνθήκες σχηματισμού και εξέλιξης της Γης Η μελέτη τους είναι απαραίτητη και σε πολλές άλλες επιστήμες Χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη βιομηχανία. 20

ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ Πρώτες ύλες (μεταλλουργία): (μαγνητίτης, λειμωνίτης, βωξίτης, γαληνίτης) Βιομηχανία Πυρίμαχων: (χρωμίτης, λευκόλιθος, ολιβίνης) Χημική βιομηχανία: (ορυκτά άλατα πάσης φύσης) Ηλεκτρική βιομηχανία: (γραφίτης, μαρμαρυγίες, κ.λ.π.) Πολύτιμοι ή Ημιπολύτιμοι λίθοι: (διαμάντι, χαλαζίας, τοπάζιο, κορούνδιο,τουρμαλίνης, κ.λ.π.) Προϊόντα εξαλλοίωσης: (καολινίτης, μπεντονίτης, αμίαντος) 21

Ο ΜΕΣΟΣ ΑΝΘΡΩΠΟΣ ΣΤΗ ΖΩΗ ΤΟΥ ΘΑ ΧΡΕΙΑΣΤΕΙ: Αργιλικά ορυκτά kg Αλάτι kg Ψευδάργυρος499 kg Μόλυβδος537 kg Άμμο και Αδρανή πετρώματα kg Άνθρακα kg Φωσφορικά kg Πετρέλαιο L Σίδηρο kg Τσιμέντο kg Αλουμίνιο2.800 kg Άλλα ορυκτά kg Σύνολο : kg ορυκτές πρώτες ύλες Πηγή : Mineral Information Institute Golden, Colorado, USA 22

ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΑ ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗΣ ΤΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ 1.Μαγματικό Περιβάλλον 2.Περιβάλλον Υδατικών Διαλυμάτων 3.Μεταμορφικό Περιβάλλον 23

1. ΜΑΓΜΑΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Περιβάλλοντα κρυστάλλωσης: Τα ορυκτά σχηματίζονται κατά την ψύξη του μάγματος Σε πολύ υψηλή θερμοκρασία το μάγμα είναι ρευστό λόγω πολύ υψηλής κινητικότητας των ατόμων Πτώση θερμοκρασίας / μείωση κινητικής ενέργειας των ατόμων οδηγεί στο σχηματισμό στερεών κρυστάλλων Κατά την ψύξη του το μάγμα είναι σε επαφή με τους αναπτυσσόμενους κρυστάλλους. 24

2. ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ Περιβάλλοντα κρυστάλλωσης: Θαλάσσιο Λιμναίο – Λιμνοθαλάσσιο Αργά κινούμενο υπόγειο νερό 25

ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ  Ανάπτυξη κρυστάλλων από υδατικά διαλύματα  Ιζηματογενή Ορυκτά  Στα ακόρεστα διαλύματα η κινητική ενέργεια των ατόμων δεν είναι ικανή για το σχηματισμό δεσμών μεταξύ τους.  Κορεσμός επιτυγχάνεται με μείωση της θερμοκρασίας ή με εξάτμιση του διαλύτη 26

ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ 2 Αν στο διάλυμα υπάρχει αυξημένη θερμοκρασία τότε αυτό ονομάζεται υδροθερμικό ρευστό Που μπορεί να οφείλεται η αυξημένη θερμοκρασία; 27

ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ 3 Υδροθερμικά ρευστά:  Κυκλοφορούν από θερμότερες προς ψυχρότερες περιοχές  Αν η θερμοκρασία είναι μόνο 50 0 C τότε αυτό ονομάζεται υδροθερμικό ρευστό; Εικόνα 2: Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Καολινίτης (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ) (Παπούλης, 2015) 28

3. ΜΕΤΑΜΟΡΦΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Κατά τη μεταμόρφωση το ορυκτό μετασχηματίζεται όταν αλλάξουν η πίεση ή/και η θερμοκρασία Έχουμε τήξη του υλικού ; Πραγματοποιείται διάσπαση των χημικών δεσμών στα ορυκτά και διάχυση των ατόμων σε στερεά κατάσταση ή μετακίνηση τους από ρευστά σε θέσεις ανάπτυξης νέων κρυστάλλων. 29

ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΙΚΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ Η ανάπτυξη μεταμορφικών ορυκτών μπορεί να γίνει:  Με απλή αντικατάσταση ενός ορυκτού από ένα άλλο Ασβεστίτης Αραγωνίτης  Με αντίδραση δύο ή περισσότερων ορυκτών (Ασβεστίτης χαλαζίας) CaCO 3 + SiO 2 (βολλαστονίτης) CaSiO 3 + CO 2  Με αντίδραση δύο ή περισσότερων ορυκτών και προσφορά ή αποκομιδή χημικών ουσιών από το ρευστό (μετασωμάτωση) Κυανίτης (Al 2 SiO 5 )Σταυρόλιθος (Fe,Mg) 2 Al 9 (Si,Al) 4 O 20 (O,OH) 4 30

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ Ποια η διαφορά μεταξύ κύριων, δευτερευόντων στοιχείων και ιχνοστοιχείων; Γιατί τα ορυκτά είναι σημαντικά στην καθημερινότητα μας ; Γιατί τα ιζηματογενή ορυκτά έχουν μικρότερο κοκκομετρικό μέγεθος από τα μαγματικά; Γιατί τα μεταμορφικά ορυκτά εμφανίζουν μεγαλύτερη ποικιλότητα από τα μαγματικά και τα ιζηματογενή; Γιατί είναι τόσο λίγα τα κοινά ορυκτά; 31

ΤΕΛΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑΣ 32

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 33

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Δ. Παπούλης (Επίκουρος Καθηγητής). «Υλικά της Γης ΙΙ: Κρυσταλλοχημεία και Συστηματική των Ορυκτών. Διάλεξη 1 η ». Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 34

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 35

Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Όλες οι εικόνες που περιέχονται στην ενότητα 1 προέρχονται από το προσωπικό αρχείο του κ. Δημητρίου Παπούλη. Τέλος Ενότητας 36