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Principles of Crystal Cleavage

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Observing and Analyzing Crystal Form

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Observing and Analyzing Cleavage

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Summary

Physikalische Eigenschaften von Mineralien I: Kristalle und Spaltbarkeit

Quelle: Labor von Alan Lester - University of Colorado at Boulder

Die physikalischen Eigenschaften der Mineralien umfassen verschiedene messbar und erkennbaren Attribute, einschließlich Farbe, Streifen, magnetische Eigenschaften, Härte, Kristall Wuchsform und Kristall Dekolleté. Jede dieser Eigenschaften sind Mineral-spezifisch, und sie beziehen sich grundsätzlich auf einer bestimmten Minerals chemische Zusammensetzung und Atomstruktur.

Dieses Experiment untersucht zwei Eigenschaften, die in erster Linie aus symmetrischen Wiederholung grundlegende, strukturelle Atom-Gruppierungen, Einheit-Zellen in einem Kristallgitter, Kristall Wuchsform und Kristall Spaltung genannt.

Crystal Wuchsform ist der makroskopischen Ausdruck der atomaren Ebene Symmetrie, erzeugt durch die natürlichen Wachstumsprozess einer wachsenden Kristallgitter Einheit Zellen (die molekularen Bausteine von Mineralien) hinzufügen. Zonen der schnellen Einheit-Zelle-Zusatz werden die Kanten zwischen den planaren Flächen, d. h. Flächen des Kristalls.

Es ist wichtig zu erkennen, dass Felsen Gesteinskörnungen mineralischen Körner sind. Die meisten Felsen sind Polymineralic (mehrere Arten von mineralischen Körner), aber einige sind effektiv Monomineralic (bestehend aus einem einzigen Mineral). Da Felsen Kombinationen von Mineralien sind, Felsen nicht gekennzeichnet als kristalline Form. In einigen Fällen beziehen sich Geologen auf Felsen mit einer allgemeinen Spaltung, aber hier wird der Begriff einfach verweisen auf sich wiederholende brechen taucht auf und ist kein Spiegelbild der atomaren Kristallstruktur. Also, im Allgemeinen sind in Bezug auf mineralischen Proben und nicht Gesteinsproben die Begriffe Kristall Form und Kristall Spaltung verwendet.

Alle Mineralien, die physischen Eigenschaften besitzen, aber spezifische und leicht erkennbare Funktionen zugeordneten Eigenschaften werden nicht immer in einem einzelnen Kristalls ausgedrückt. Zum Beispiel Quarz-Kristalle haben eine charakteristische sechseckige Form, sondern tritt Kristallwachstum in einem Umfeld, wo andere Mineralien zu blockieren oder beeinträchtigen die natürlichen Wachstums-Form (was häufig der Fall in den meisten Felsen ist) dann die sechseckige Form, bildet keine. Also, mit diesem im Verstand ist es wichtig, eine geeignete Gruppe von Proben für Kristallwachstum oder Kristall Spaltung Analyse sorgfältig auszuwählen, da nicht alle Proben diese wichtigen Funktionen zeigen.

Darüber hinaus obwohl Kristall Spaltung relativ leicht ist zu testen – durch eine Probe mit einem Hammer zu brechen – verschiedene Mineralien zeigen eine Reihe von Spaltung Qualität, so dass die planaren Flächen erzeugt durch das brechen zerlumpt und rau sein können (genannt "Armen-Spaltung") oder extrem glatt (genannt "gut" oder "ausgezeichnet-Spaltung"). In einigen Fällen (z.B. Quarz) kristallographischen Klebkräfte sind gleichmäßig in alle Richtungen, und dadurch ein Mineral mit einem Mangel an erkennbaren Spaltung Flugzeuge.

1. Stellen Sie eine Gruppe von mineralischen Proben

Möglichst viele der folgenden wie möglich umfassen: Quarz, Halit, Calcit, Granat, Biotit und Muskovit. Einige sind für Kristall Wachstum Features und andere für Kristall Spaltung Features ausgewählt.

2. beobachten Sie und analysieren Sie Kristallform

Legen Sie eine Probe auf die Beobachtung Oberfläche.
Drehen Sie, um alle Seiten zu beobachten. Suchen Kristallflächen, Kristall Kanten (Linien treffen sich Gesichter) und Kristall Scheitelpunkte (Punkte dem Kanten treffen).
Soweit möglich, Messen Sie die Grenzflächen Winkel mit dem Winkelmesser. Dies geschieht durch einen bestimmten Kristall Gesicht, die andere Seite des Goniometers auf einer angrenzenden Fläche einfach eine Seite des Goniometers Handauflegen und lesen dann den Winkel.
Vergleichen Sie mit den charakteristischen kristallinen Polyeder.
Wiederholen Sie die Schritte 2.1-2.4 für Quarz (Hinweis sechseckigen Dipyramidal Form (Abbildung 1)), Calcit (Hinweis Scalenohedron Form (Abbildung 2)), Halit (Hinweis kubischen Kristallform (Abbildung 3)), Granat (Hinweis Dodekaeder Form (Abbildung 4)) und Biotit (Hinweis Pseudo-sechseckige Form (Abbildung 5)).

Abbildung 1. Quarz sechseckigen Dipyramidal Formular anzeigen.

Abbildung 2: Anzeige Scalenohedron Form Calcit. Beachten Sie, wie mehrere Kristallflächen schneiden Form Kristall Kanten und die Kombination von Kanten Formen Punkte bekannt als "Scheitelpunkte." Symmetrische Kristallformen Wachstum entstehen durch Wiederholung der grundlegenden Atomstrukturen (Einheit Zellen) innerhalb des Kristallgitters. In diesem Fall generiert Calcit Kristallwachstum spezifische Polyeders als ein Scalenohedron bekannt.

Abbildung 3. Halit kubischen Kristallform anzeigen.

Abbildung 4. Granat Dodekaeder Formular anzeigen.

Abbildung 5. Biotit Anzeige Pseudo-sechseckige Form.

(3) beobachten und analysieren der Spaltung

Schutzbrille aufsetzen.
Legen Sie ein Stück Quarz auf brechen Oberfläche.
Mit einem Hammer, brechen Sie das Stück des Quarzes in zwei Hälften.
Mit einem Hand-Objektiv, gebrochene Stück Quarz für Spaltung Oberflächen beobachten. Beachten Sie, dass Quarz keiner hat. Quarz zeigt muscheligem Bruch, aber keine klar definierten Spaltung Oberflächen (Abbildung 6). Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Einheit Zellen in das Kristallgitter Quarz (SiO₄ Gruppen, Kieselsäure Tetraeder genannt) vergleichsweise gleich Klebkräfte in alle Richtungen. Diese Einheitlichkeit der Klebkräfte resultiert in einem Kristall ohne bevorzugt Flugzeuge zu brechen.
Wiederholen Sie die Schritte 3.2-3.4 für Calcit (rhombohedral Spaltung (Abbildung 7) sollte angezeigt werden), Halit (kubische Spaltung (Abbildung 8) sollte angezeigt werden), Biotit und Muskovit (jeweils angezeigt werden sollen planar Spaltung (Abbildung 9)).
Verwenden Sie eine Lupe, um verschiedene Spaltung Qualitäten zu bewerten. Spaltung kommt es bei einer Vielzahl von Ebenen. Wann gibt es ein dramatischer Unterschied in Klebkräfte in einer bestimmten Ausrichtung, wie z. B. zwischen den Blättern der SiO₄ Gruppierungen im Falle von Glimmer, eine nahezu perfekte Spaltung zwischen diese Blätter entsteht. Wie bereits erwähnt, stellt Quarz eine fast völlige Fehlen der Spaltung. Zwischen diesen extremen (der perfekte Dekolleté und mangelnder Spaltung) sind Mineralien, die gute Spaltung (z. B. Feldspat) und schlechte Spaltung (bestimmte Gesichter auf Amphibol Kristalle) haben.

Abbildung 6. Quarz mit muscheligem Bruch, ohne Spaltung Oberflächen.

Abbildung 7. Calcit anzeigen rhombohedral Dekolleté. Symmetrische brechen und Fraktur Oberflächen entstehen durch Zonen der relativen Schwäche in atomare Bindung innerhalb des Kristallgitters. Calcit-Spaltung führt die spezifischen Polyeder als Rhombohedron bekannt.

Abbildung 8. Halit anzeigen kubische Spaltung.

Abbildung 9. Biotit anzeigen planar Spaltung.

Historisch, wurde bewerten die physikalischen Eigenschaften der Mineralien ein wichtiger Schritt zuerst in mineralischen Identifikation. Auch heute noch, wenn fehlt mikroskopische und modernen analytischen Instrumenten (z.B. petrographische Mikroskopie, x-ray Diffraction, Röntgenfluoreszenz und Elektronenstrahl-Mikrosonde-Techniken), physische beobachtet sind Eigenschaften immer noch sehr nützlich, als Diagnose-Tools für mineralische Identifikation. Dies gilt insbesondere für geologische Feldstudien.

Bewertung und beobachten die physikalischen Eigenschaften der Mineralien ist ein ausgezeichnetes Mittel um die kritische Abhängigkeit der makroskopischen Eigenschaften auf atomarer Ebene Struktur und Anordnung zu demonstrieren.

Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften der Mineralien sind nicht immer in bestimmten Proben ausgedrückt. Wirklich in der Lage zu erkennen und verwenden Sie diese Eigenschaften als diagnostische Hilfsmittel zu sein erfordert daher eine Kombination aus Handwerk, Wissenschaft und Erfahrung. Oft muss der Geologe eine Lupe um relativ kleine Mineralkristalle oder Körner innerhalb der Matrix eines größeren Felsen bewerten nutzen. In solchen Fällen kann es eine deutliche Herausforderung, die nützliche Aspekte der Kristallform und Kristall Spaltung zu identifizieren werden.

In einem akademischen oder Lehre Einstellung, die Auswertung der Mineralien per Hand Probenanalyse ist eine Übung, die zeigt, wie sich wiederholende Muster und Eigenschaften werden durch die physikalische Chemie der Naturstoffe auferlegt. Das heißt, für jede spezifische Mineral gibt es bestimmte kristallographischen Funktionen (z.B. Kristall Morphologie) und physikalischen Eigenschaften (z.B. Farbe, Härte, Streifen), die durch die chemische Zusammensetzung und die atomare Struktur auferlegt werden.

Im Bereich mineralischer Rohstoffe und Explorationsgeologie ist die Identifizierung von Mineralien per Hand Probe eine Schlüsselkomponente der Feldarbeit, Auffinden von potentiellen Erze und wirtschaftlich Förderquellen abzielen. Beispielsweise kann die Identifizierung der verschiedenen Metallsulfide (Pyrit, Sphalerit, Galenit) in Verbindung mit hydrothermalen Eisen oxy-Hydroxiden (Goethitgruppen, Hämatit, Limonit) potenzielle Au-Ag-reiche Adern und Regionen hindeuten.

Im Kontext der historischen Geologie (Entschlüsselung der tief zeitlichen Geschichte einer Region) kann mineralische Identifikation Interpretationen des alten Bedingungen inszenieren. Beispielsweise sind bestimmte metamorphen Mineralien (z.B. Al₂SiO₅ polymorphe, Disthen, Andalusit und) Markierungen von bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen in der alten Kruste.

Transcript

Minerals are inorganic substances found in the Earth, with unique properties that aid in identification and analysis.

Many minerals exhibit crystalline structure. These crystalline materials have highly ordered atomic arrangements, made up of repeating atomic groupings, called unit cells. Because unit cells are identical within a crystal, they are responsible for the symmetry of the crystal on the micro- and macro-scale.

This symmetry causes mineral crystals to break, or cleave, in a predictable way. Cleavage is the tendency of a crystal to break along weak structural planes. Thus, the way a mineral cleaves provides insight into its crystal structure.

This video will demonstrate the analysis of macro-scale mineral crystal forms by breaking mineral samples and observing their cleavage.

Crystalline solids contain atoms organized in a repeated pattern, whereas amorphous solids have no order. For example, carbon can be found in many forms. The atoms in amorphous carbon are randomly organized, whereas the atoms in diamond are arranged in an ordered crystal.

A crystal is an array of repeating, identical unit cells, which are defined by the length of the unit cell edges and the angles between them. These repeated structures extend infinitely in three spatial directions, and define the uniformity and properties of the crystal.

There are seven basic unit cells. The simplest unit cell, the cube, has equal edge lengths, and an atom at each corner. Variations include tetragonal and orthorhombic, which possess different edge lengths.

Rhombohedral crystal structures possess similar parallel face geometry without right angles. Monoclinic and triclinic are similar in shape, but with varied angles and edge lengths. Finally, the hexagonal structure is composed of two parallel hexagonal faces, with six rectangular faces.

Variations in these structures arise when additional atoms are contained in the crystal face, called face-centered, or in the crystal body, called body centered.

When crystals are broken, they tend to cleave along structurally weak crystal planes. The cleavage quality depends on the strength of the bonds in and across the plane. Good cleavage occurs when the strength of the bonds within the place are stronger than those across the plane. Poor cleavage can occur when the bond strength is strong across the crystal plane. Crystals may cleave in one direction, called basal cleavage, resulting in two cleaved faces. This results from strong atomic bonds within the plane, but weak bonds between the planes.

Similarly, crystals may cleave in two directions, due to two weak planes, resulting in four cleaved faces and two fractured faces. Cubic and rhombohedral forms result from cleavage in three directions. Octahedral and dodecahedral forms arise from four and six fracture planes, respectively.

Some minerals don’t cleave along a crystal plane at all, due to strong bonds in all directions, and instead result in irregular fracture.

Now that we’ve covered the basics of crystal structure, and the different types of crystal cleavage, let’s look at these properties in real mineral samples.

To analyze crystal forms, first collect a group of mineral samples, such as quartz, halite, calcite, garnet, biotite, and muscovite.

Place the sample on the observation surface. Rotate the sample in order to observe all sides. Look for crystal faces, crystal edges, and crystal vertices.

Where possible, measure the interfacial angles using a goniometer. To do so, lay one side of the goniometer on a particular crystal face, and the other side of the goniometer on an adjoining face. Then read the angle.

Compare the observations to the set of characteristic crystalline polyhedra. Repeat these steps for other minerals, and note the differences.

Quartz samples have a hexagonal dipyramidal crystal form, as indicated by the 6 sides.

The calcite material, exhibits scalenohedron form, as shown by the 8 faces of the twinned pyramid structure.

Halite, shows characteristic cubic structure, with 90° angles.

Garnet has angled surfaces with 12 sides, indicative of its dodecahedron form.

Finally, biotite can show an apparent hexagonal form.

Next, to observe crystal cleavage, first put on eye protection.

Place a piece of quartz on the breaking surface. Using a hammer, break the piece of quartz. Using a hand lens, observe the broken piece of quartz for cleavage surfaces. Notice that quartz has none.

The unit cells in the quartz crystal lattice have comparably equal bond strengths in all directions, resulting in a crystal with no preferred breaking planes, called conchoidal fracture.

Next, repeat this breaking step for other specimens. Use a hand lens to evaluate different cleavage qualities.

When there is a dramatic difference in bond strengths in a particular orientation, such as between sheets of silicate groupings in the case of mica, a nearly perfect cleavage is generated between these sheets, called basal cleavage.

Biotite and muscovite each display basal cleavage, with a single break plane.

Halite displays cubic cleavage, resulting from three cleavage planes at 90°.

Calcite displays rhombohedral cleavage, resulting from three cleavage planes at 120 and 60°.

The analysis of crystal structure is important to understanding the types of minerals found in the field.

The quantitative analysis of crystal structure can be performed using X-ray diffraction, or XRD.

In this example, the crystal structure of an iron oxide was synthesized from a mixture of hematite and iron at high temperature and pressure in a diamond anvil cell. The XRD scattering pattern was analyzed throughout the reaction to determine the crystal structure.

The results showed smooth or spotty Debye rings, which indicate crystallinity. The location of each ring elucidates the crystal structure, as each ring corresponds to a crystal plane.

Due to its planar cleavage property, and therefore atomically flat surface, mica is frequently used as a substrate for small molecule imaging.

In this example, mica was used as a substrate for the imaging of photoreceptor molecules using atomic force microscopy, or AFM. The protein sample was adsorbed to a freshly cleaved mica sheet, and then rinsed with buffer.

The sample was then imaged using a fluid cell. The mica substrate enabled high resolution imaging of the protein sample due to its atomically flat surface.

You’ve just watched JoVE’s introduction to physical properties of minerals. You should now understand the basics of crystal unit cells, and how to determine crystal cleavage planes. Thanks for watching!