ΥΛΙΚΑ ΤΗΣ ΓΗΣ ΙI : Κρυσταλλοχημεία και Συστηματική των Ορυκτών Ενότητα 2: Τα κοινά ορυκτά στη φύση ΔΙΔΑΣΚΩΝ : Δ. ΠΑΠΟΥΛΗΣ Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Γεωλογίας

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΝΟΤΗΤΑΣ Κοινά ορυκτά Διαφοροποίηση των στοιχείων Βασικές αρχές Θερμοδυναμικής Ελεύθερη Ενέργεια Διαγράμματα Φάσεων 2

ΚΟΙΝΑ ΟΡΥΚΤΑ  Πρωτογενή Σχηματίζονται σε ένα πέτρωμα από την πρώτη στιγμή της δημιουργίας του.  Δευτερογενή Σχηματίζονται μεταγενέστερα της αρχικής δημιουργίας του πετρώματος λόγω χημικών ή φυσικών αντιδράσεων εντός του πετρώματος. 3

ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗ  Οι χημικές αντιδράσεις υπεύθυνες για το σχηματισμό τους γίνονται παρουσία H 2 O ή CO 2  Σε συνθήκες εξαλλοίωσης (χαμηλές θερμοκρασίες) των προϋπαρχόντων πετρωμάτων 4

ΓΙΑΤΙ ΕΞΑΛΛΟΙΩΝΩΝΤΑΙ ΤΑ ΟΡΥΚΤΑ  Κάθε ορυκτό σχηματίζεται σε συγκεκριμένες συνθήκες P/T και συνήθως είναι μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες που επικρατούν στην επιφάνεια της Γης.  Αν λοιπόν βρεθούν τα ορυκτά αυτά στην επιφάνεια, είναι θερμοδυναμικά ασταθή  Και εξαλλοιώνονται, παρουσία νερού, σε θερμοδυναμικά σταθερά ορυκτά 5

ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ 1: ΠΡΩΤΟΓΕΝΗ Η ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗ  Βεβαίως είναι δυνατόν ένα ορυκτό να είναι πρωτογενές σε κάποιο πέτρωμα και δευτερογενές σε ένα άλλο ή και αντίστροφα.  Το επίδοτο π.χ. είναι πρωτογενές σε μεταμορφωμένα πετρώματα ενώ σε μαγματικά είναι συνήθως δευτερογενές. 6

ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ 2: ΚΥΡΙΑ Η ΟΥΣΙΩΔΗ ΟΡΥΚΤΑ  Η παρουσία τους χαρακτηρίζει τα πετρώματα π.χ. ασβεστίτης – ασβεστόλιθος  Και αποτελούν την κύρια παραγένεση π.χ. χαλαζίας + Κ-Άστριος – γρανίτης 7

ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ 3: ΕΠΟΥΣΙΩΔΗ Η ΣΥΝΔΡΟΜΑ ΟΡΥΚΤΑ  Συμμετέχουν σε μικρά ποσοστά (<1%) στο πέτρωμα  Και δεν επηρεάζουν ουσιαστικά τις ιδιότητες του πετρώματος  Πολλές φορές περιέχουν ασύμβατα στοιχεία 8

ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΣΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 1.Συμβατά στοιχεία (compatible elements) συμμετέχουν εύκολα στη δομή των κύριων ορυκτών 2.Ασύμβατα στοιχεία (incompatible elements) δεν μπορούν να συμμετέχουν στη δομή των κύριων ορυκτών και τείνουν να σχηματίζουν μόνα τους επουσιώδη ορυκτά 9

ΑΣΥΜΒΑΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΙ ΕΠΟΥΣΙΩΔΗ ΟΡΥΚΤΑ Zr ZrSiO4 P Απατίτης (Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) Ti Ιλμενίτης (FeTiO 3 ) Ρουτίλιο (TiO2) 10

ΑΣΥΜΒΑΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΑΙ ΚΥΡΙΑ ΟΡΥΚΤΑ Μερικές φορές ασύμβατα στοιχεία συμμετέχουν στη δομή κύριων ορυκτών Για παράδειγμα: Rb Μαρμαρυγίες Ba Άστριος Sc Πυρόξενος 11

ΑΣΥΜΒΑΤΑ Η ΣΥΜΒΑΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ; Κάποια στοιχεία μπορούν να συμπεριφέρονται είτε ως ασύμβατα είτε ως συμβατά, ανάλογα με τις συνθήκες, π.χ.: το Cr και Ni είναι: Συμβατά σε ορυκτά βασικών και υπερβασικών πετρωμάτων Ασύμβατα σε ορυκτά γρανιτικών πετρωμάτων 12

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΤΙΚΑ ΟΡΥΚΤΑ (Rock forming minerals)  Τα ορυκτά που συμμετέχουν στα πετρώματα  Στη δομή τους συμμετέχουν κυρίως λιθόφιλα στοιχεία  Το Si συμμετέχει πάντα (πυριτικά ορυκτά) 13

ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΟΡΥΚΤΑ  Είναι τα ορυκτά που συμμετέχουν στα μεταλλικά κοιτάσματα ή μεταλλοφορίες (π.χ. Γαλινίτης)  Στη δομή τους συμμετέχουν κυρίως σιδηρόφιλα και χαλκόφιλα στοιχεία (π.χ. Σιδηροπυρίτης)  Έχουν, σχεδόν πάντα, μεταλλική λάμψη (π.χ. Σιδηροπυρίτης) 14

ΓΙΑΤΙ ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΤΟΣΟ ΛΙΓΑ ΚΟΙΝΑ ΟΡΥΚΤΑ ; Ενώ στη φύση υπάρχουν πάνω από 90 στοιχεία και θα μπορούσαν θεωρητικά να κάνουν άπειρους συνδυασμούς μεταξύ τους και να δημιουργήσουν ορυκτά (π.χ. Διοψίδιος). Αυτό όμως δεν συμβαίνει! 15

ΑΠΟΨΗ ΟΡΥΚΤΟΛΟΓΩΝ Οι ορυκτολόγοι έχουν αναγνωρίσει πάνω από ορυκτά. Από αυτά μόνο 200 είναι κοινά στη φύση και από αυτά μόνο 50 περίπου είναι κοινά ώστε να θεωρούνται κύρια ορυκτά! 16

ΤΑ ΚΟΙΝΑ ΟΡΥΚΤΑ Τα κοινά ορυκτά στο φλοιό της Γης ανήκουν μόνο σε 7 ομάδες. Τα μη πυριτικά συνιστούν μόνο το 8 %. Γιατί; Αργιλικά Ορυκτά 17

1 ο Η ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΤΟ ΦΛΟΙΟ Αν και υπάρχουν περίπου 90 στοιχεία, τα περισσότερα συμμετέχουν σε μικρές ποσότητες στο φλοιό. Έτσι μπορούν να συμμετέχουν μόνο ως ιχνοστοιχεία στα ορυκτά. Τα αφθονότερα στοιχεία στο φλοιό της Γης είναι: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti, H, P, Mn, Ba και συνιστούν περίπου το 99,5 wt % του φλοιού. 18

2 ο ΟΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ Όπως η ηλεκτραρνητικότητα των στοιχείων και η ατομική τους ακτίνα περιορίζουν το είδος των δεσμών που μπορούν να σχηματίσουν, άρα και τα είδη των ορυκτολογικών δομών στις οποίες μπορούν να εισέλθουν. 19

3 ο ΟΙ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΓΕΝΕΣΗΣ ΤΩΝ ΟΡΥΚΤΩΝ Υπάρχουν τρεις βασικές διεργασίες σχηματισμού των ορυκτών : 1.Μαγματικές 2.Ιζηματογενείς 3.Μεταμορφικές 20

ΚΑΙ 4 ο ΟΙ ΝΟΜΟΙ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ Ο πιο σημαντικός λόγος που ο αριθμός των κοινών ορυκτών είναι περιορισμένος συνδέεται με τους νόμους της θερμοδυναμικής. 21

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ Ένα σημαντικό πόρισμα των νόμων της Θερμοδυναμικής, ο κανόνας των φάσεων, λέει ότι:  Ο αριθμός των σταθερών φάσεων που συνυπάρχουν σε κάθε χημικό σύστημα πρέπει να είναι μικρός. Έτσι, τα σταθερά ορυκτά σε κάθε πέτρωμα είναι και προβλέψιμα αλλά και περιορίζονται σε μικρό αριθμό. 22

ΟΡΙΣΜΟΙ  ΣΥΣΤΗΜΑ (system): Οποιοδήποτε τμήμα μέσα στο σύμπαν, που μπορεί να απομονωθεί και να μελετηθεί πειραματικά. Επιλέγεται σχεδόν αυθαίρετα, ανάλογα με τις ανάγκες μας. Για παράδειγμα, ένα σύστημα μπορεί να αποτελεί ένα μάγμα το οποίο κρυσταλλώνεται, ή ένα πέτρωμα το οποίο περιέχει συγκεκριμένα ορυκτά. 23

ΟΡΙΣΜΟΙ-ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΛΕΙΣΤΟ (closed system) Απομονωμένο από το υπόλοιπο περιβάλλον. Δεν ανταλλάσσει ύλη με το περιβάλλον ενώ μπορεί να ανταλλάσει ενέργεια. ΑΝΟΙΚΤΟ (open system) Μπορεί να ανταλλάσει ύλη με το περιβάλλον του. 24

ΟΡΙΣΜΟΙ-ΦΑΣΗ  ΦΑΣΗ (phase): οποιοδήποτε τμήμα του συστήματος, με ομοιογένεια, συγκεκριμένη σύσταση και μπορεί, με μηχανικό τρόπο, να διαχωριστεί και να απομονωθεί από τις υπόλοιπες φάσεις, για να μελετηθεί πειραματικά. Παράδειγμα : σύστημα που αποτελείται από μίγμα ορυκτών ολιβίνη και πλαγιοκλάστου, περιέχει τις φάσεις ολιβίνη και πλαγιόκλαστο. 25

ΟΡΙΣΜΟΙ-ΣΥΣΤΑΤΙΚΟ  ΣΥΣΤΑΤΙΚΟ (component): Ο μικρότερος αριθμός ανεξάρτητων μεταβλητών χημικών συστατικών, αναγκαίων για να καθοριστεί μια φάση στο σύστημα. Μπορεί να είναι οξείδιο, στοιχείο ή ορυκτό. Παράδειγμα: Σύστημα: Ύδωρ, Φάσεις: πάγος-νερό-υδρατμοί. Συστατικό: H 2 O. 26

ΟΡΙΣΜΟΣ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ  ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ (equilibrium): Η κατάσταση ελάχιστης ενέργειας του συστήματος. Στην κατάσταση αυτή, μια αντίδραση δεν θα αλλάξει με την πάροδο του χρόνου, με την προϋπόθεση ότι η πίεση και η θερμοκρασία θα παραμείνουν σταθερές. Τα φυσικά συστήματα τείνουν προς καταστάσεις ελάχιστης ενέργειας. 27

ΙΣΣΟΡΟΠΙΑ 1.Σταθερή Κατάσταση ελάχιστης ενέργειας 2.Ασταθής Κατάσταση υψηλής και ασταθούς ενέργειας. Το ορυκτό μετασχηματίζεται σε σταθερότερη μορφή 3.Μετασταθής Ενδιάμεση κατάσταση. Ύπαρξη φράγματος ενέργειας 28

ΟΡΙΣΜΟΣ-ΒΑΘΜΟΙ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΣ  ΒΑΘΜΟΙ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΣ (freedom degrees): Ο αριθμός των ανεξάρτητων μεταβλητών, που μπορούν αυθαίρετα να τροποποιηθούν και το σύστημα να μπορεί να περιγραφεί πλήρως Οι πιο συνηθισμένες: πίεση, θερμοκρασία και συγκέντρωση. Επίσης pH, Eh, f O2. 29

ΟΡΙΣΜΟΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ  ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (Internal energy): Το σύνολο της ενέργειας ενός συστήματος, Ε (j/mol). Παραμένει σταθερή αν η σύσταση του συστήματος είναι σταθερή και δεν πραγματοποιείται ροή θερμότητας ή παραγωγή/κατανάλωση έργου (1 ος Θερμοδυναμικός Νόμος). 30

ΟΡΙΣΜΟΣ ΕΝΤΡΟΠΙΑΣ  ΕΝΤΡΟΠΙΑ (Entropy): Μέτρο της αταξίας ενός συστήματος, S (J/mol.K) (2 ος Θερμοδυναμικός Νόμος). Ορυκτά με απλές ατομικές δομές έχουν μικρή εντροπία ενώ αυτά με πολύπλοκες ατομικές δομές έχουν μεγάλη εντροπία 31

ΟΡΙΣΜΟΣ ΕΝΘΑΛΠΙΑΣ  ΕΝΘΑΛΠΙΑ (Enthalpy): Η θερμοδυναμική σταθερά που εκφράζει το σύνολο της εσωτερικής ενέργειας Ε και της ενέργειας λόγω μεταβολής όγκου μιας ουσίας H=E+P.V(J/mol). Ορυκτά μεγάλου όγκου είναι πιο σταθερά σε περιβάλλον χαμηλής πίεσης και αντιστρόφως. 32

ΟΡΙΣΜΟΣ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ  ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ GIBBS (Gibbs free energy): G=H-T.S= E+P.V-T.S(J/mol) Ορυκτά μεγάλης εντροπίας S είναι σταθερότερα σε υψηλή θερμοκρασία, ενώ αυτά που έχουν μικρή εντροπία είναι πιο σταθερά σε χαμηλή θερμοκρασία 33

ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (G)  ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (G) ενός ορυκτού είναι η αριθμητική τιμή που περιγράφει την σταθερότητα ενός ορυκτού. Όλα τα χημικά συστήματα στη φύση τείνουν προς την ελάχιστη ελεύθερη ενέργεια Το ορυκτό ή η ορυκτολογική παραγένεση με την ελάχιστη ελεύθερη ενέργεια είναι και τα θερμοδυναμικά σταθερότερα (ισορροπία) Αν μια φάση είναι ασταθής, τότε μετασχηματίζεται σε άλλη με μικρότερη ελεύθερη ενέργεια 34

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ - ΚΑΝΟΝΑΣ ΤΩΝ ΦΑΣΕΩΝ P + F = C + 2  P: αριθμός φάσεων  F: βαθμοί ελευθερίας  C: αριθμός συστατικών Σε ένα σύστημα που βρίσκεται σε ισορροπία ο αριθμός των φάσεων (P) συν τον αριθμό των βαθμών ελευθερίας (F) ισούται προς τον αριθμό των συστατικών (C) +2 35

ΚΑΝΟΝΑΣ ΤΩΝ ΦΑΣΕΩΝ  Ο κανόνας των φάσεων είναι ένα πολύτιμο εργαλείο στη μελέτη των διαγραμμάτων φάσεων και γενικότερα στις πειραματικές μελέτες ορυκτών και πετρωμάτων  Σε κάθε πέτρωμα ο αριθμός των ορυκτών (φάσεις) σχετίζεται προς τον αριθμό των συστατικών με τον κανόνα των φάσεων 36

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ – ΚΑΝΟΝΑΣ ΤΩΝ ΦΑΣΕΩΝ P + F = C + 2 Όταν F=0 → P=C+2 (τότε έχω τον μεγαλύτερο αριθμό φάσεων) Όταν F=2 → P=C (Ορυκτολογικός κανόνας των φάσεων) π.χ. P, T που κυμαίνονται αρκετά σε γεωλογικά περιβάλλοντα 37

ΟΡΥΚΤΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΑΝΟΝΑΣ ΤΩΝ ΦΑΣΕΩΝ Σε ένα σύστημα «n» συστατικών που βρίσκεται σε κάποιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, ο μέγιστος αριθμός των ορυκτών που συνυπάρχουν σταθερά, δεν υπερβαίνει το «n».  Εάν ένα μαγματικό πέτρωμα μπορεί να εκφραστεί με τα συστατικά O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K (8 συστατικά) τότε στο πέτρωμα θα υπάρχει ένας μέγιστος αριθμός οκτώ (8) ορυκτών. Συνήθως είναι μικρότερος διότι πολλά από τα συστατικά αντικαθίστανται στα ορυκτά. Για παράδειγμα: Ca ↔ Na στα Πλαγιόκλαστα Fe ↔ Mg στα σιδηρομαγνησιούχα ορυκτά 38

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΕΝΌΣ ΣΥΣΤΑΤΙΚΟΥ  Συμμετέχει ένα συστατικό (Unary Systems)  Τυπικές περιπτώσεις: τα συστήματα H 2 O και SiO 2 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΔΥΟ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ  Συμμετέχουν δύο συστατικά (Binary Systems)  Υπάρχουν 8 διαφορετικές περιπτώσεις 39

ΤΕΛΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑΣ 40

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. 41

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Δ. Παπούλης (Επίκουρος Καθηγητής). «Υλικά της Γης ΙΙ: Κρυσταλλοχημεία και Συστηματική των Ορυκτών. Διάλεξη 2 η ». Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 42

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. 43

Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Όλες οι εικόνες που περιέχονται στην ενότητα 2 προέρχονται από το προσωπικό αρχείο του κ. Δημητρίου Παπούλη. Τέλος Ενότητας 44