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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

Propriedades Físicas dos Minerais I: Cristais e Clivagem

Fonte: Laboratório de Alan Lester - Universidade de Colorado Boulder

As propriedades físicas dos minerais compreendem vários atributos mensuráveis e perceptíveis, incluindo cor, raia, propriedades magnéticas, dureza, forma de crescimento cristalino e decote cristalino. Cada uma dessas propriedades são específicas do mineral, e estão fundamentalmente relacionadas à composição química e estrutura atômica de um determinado mineral.

Este experimento examina duas propriedades que derivam principalmente da repetição simétrica de agrupamentos atômicos fundamentais e estruturais, chamados células unitárias, dentro de uma rede cristalina, uma forma de crescimento cristalino e decote cristalino.

A forma de crescimento cristalino é a expressão macroscópica da simetria de nível atômico, gerada pelo processo de crescimento natural da adição de células unitárias (os blocos moleculares de construção de minerais) a uma rede cristalina crescente. Zonas de rápida adição de células unitárias tornam-se as bordas entre as superfícies do planar, ou seja, faces, do cristal.

É importante reconhecer que as rochas são agregados de grãos minerais. A maioria das rochas são polimineralic (múltiplos tipos de grãos minerais), mas algumas são efetivamente monomineralicas (compostas por um único mineral). Como as rochas são combinações de minerais, as rochas não são referidas como tendo forma cristalina. Em alguns casos, geólogos se referem às rochas como tendo um decote geral, mas aqui o termo é simplesmente usado para se referir a superfícies repetitivas de ruptura e não é um reflexo da estrutura de cristal atômico. Assim, em geral, os termos forma cristalina e decote de cristal são usados em referência a amostras minerais e não amostras de rocha.

Todos os minerais possuem propriedades físicas, mas características específicas e facilmente reconhecíveis associadas às propriedades nem sempre são expressas em um cristal individual. Por exemplo, cristais de quartzo têm uma forma hexagonal característica, mas se o crescimento do cristal ocorre em um ambiente onde outros minerais bloqueiam ou impingem a forma de crescimento natural (que é comumente o caso na maioria das rochas) então a forma hexagonal não se forma. Então, com isso em mente, é importante selecionar cuidadosamente um grupo adequado de amostras para o crescimento de cristais ou análise de decote de cristal, pois nem todas as amostras mostram essas características principais.

Além disso, embora o decote cristalino seja relativamente fácil de testar — quebrando uma amostra com um martelo — diferentes minerais demonstram uma gama de qualidade de decote, de modo que as superfícies planares geradas pela quebra podem ser irregulares e ásperas (denominadas "decote ruim") ou extremamente lisas (denominadas "boa" ou "excelente decote"). Em alguns casos (por exemplo, quartzo), as forças de ligação cristalográfica são uniformes em todas as direções, e isso resulta em um mineral com falta de planos de decote reconhecíveis.

1. Estabelecer um grupo de amostras minerais

Inclua o maior número possível de informações: quartzo, halita, calcita, granada, biotite e/ou moscovita. Alguns são escolhidos para características de crescimento de cristal e outros para características de decote de cristal.

2. Observe e analise a forma cristalina

Coloque uma amostra na superfície de observação.
Gire para observar todos os lados. Procure rostos de cristal, bordas de cristal (linhas onde os rostos se encontram) e vértices de cristal (pontos onde as bordas se encontram).
Sempre que possível, meça os ângulos interfaciais usando o goniômetro. Isso é feito simplesmente colocando um lado do goniômetro em uma cara de cristal particular, o outro lado do goniômetro em um rosto adjacente, e, em seguida, lendo o ângulo.
Compare com o conjunto de poliedra cristalina característica.
Repetir passos 2.1 – 2.4 para quartzo (nota forma de dipyramidal hexagonal(Figura 1),calcita (nota forma scalenoedron(Figura 2)), halita (nota forma de cristal cúbico(Figura 3)), granada (nota dodeahedron forma(Figura 4)) e biotite (nota pseudo-hexagonal forma(Figura 5)).

Figura 1. Quartzo exibindo forma de dipyramidal hexagonal.

Figura 2. Calcite exibindo forma de scalenoedron. Observe como várias faces de cristal se cruzam para formar bordas de cristal e a combinação de bordas forma pontos conhecidos como "vértices". As formas de crescimento de cristais simétricos são geradas pela repetição de estruturas atômicas fundamentais (células unitárias) dentro da rede cristalina. Neste caso, o crescimento do cristal de calcita gera o poliedro específico conhecido como scalenoedro.

Figura 3. Halite exibindo forma de cristal cúbico.

Figura 4. Garnet exibindo forma dodecaedron.

Figura 5. Biotite exibindo forma pseudo-hexagonal.

3. Observe e analise o decote

Coloque proteção ocular.
Coloque um pedaço de quartzo na superfície quebrando.
Usando um martelo, quebre o pedaço de quartzo ao meio.
Usando uma lente de mão, observe um pedaço quebrado de quartzo para superfícies de decote. Note que o quartzo não tem nenhum. O quartzo apresenta fratura concoidal, mas não há superfícies de decote bem definidas(Figura 6). Isso é uma consequência do fato de que as células unitárias da rede de cristal de quartzo (grupos SiO_4, chamados de tetraedral de sílica) têm forças de ligação comparativamente iguais em todas as direções. Essa uniformidade dos pontos fortes dos laços resulta em um cristal sem planos de quebra preferidos.
Repetição de passos 3.2 – 3.4 para calcita (deve exibir decote rommbedral(Figura 7),halita(deve exibir decote cúbico(Figura 8),biotita e/ou moscovita (se cada um exibir decote planar(Figura 9).).
Use uma lente de mão para avaliar diferentes qualidades de decote. O decote pode ocorrer em uma variedade de níveis. Quando há uma diferença dramática nos pontos fortes dos títulos em uma determinada orientação, como entre folhas de agrupamentos_sio4 no caso de mica, um decote quase perfeito é gerado entre essas folhas. Como observado acima, o quartzo exibe uma quase total falta de decote. Entre esses extremos (de decote perfeito e falta de decote), há minerais que têm bom decote(por exemplo, feldspato) e decote pobre (certos rostos em cristais anfibes).

Figura 6. Quartzo exibindo fratura conchoidal, sem superfícies de decote.

Figura 7. Calcita exibindo decote româneo. Superfícies de ruptura e fratura simétricas são geradas por zonas de fraqueza relativa na ligação atômica dentro da rede de cristal. O decote calcita resulta no poliedro específico conhecido como romboedro.

Figura 8. Halite exibindo decote cúbico.

Figura 9. Biotite exibindo decote planar.

Historicamente, avaliar as propriedades físicas dos minerais tem sido um primeiro passo fundamental na identificação mineral. Ainda hoje, quando faltam instrumentação analítica microscópica e moderna (por exemplo, microscopia petrográfica, difração de raios-X, fluorescência de raios-X e técnicas de microproba eletrônica), as propriedades físicas observadas ainda são bastante úteis como ferramentas de diagnóstico para identificação mineral. Este é particularmente o caso em estudos geológicos de campo.

Avaliar e observar as propriedades físicas dos minerais é um excelente meio de demonstrar a dependência crítica das características macroscópicas na estrutura e arranjo de nível atômico.

As principais propriedades físicas dos minerais nem sempre são expressas em amostras específicas. Portanto, realmente ser capaz de reconhecer e usar essas propriedades como ferramentas de diagnóstico requer uma combinação de ciência, experiência e artesanato. Muitas vezes, o geólogo deve utilizar uma lente de mão para avaliar cristais minerais relativamente pequenos ou grãos dentro da matriz de uma rocha maior. Nesses casos, pode se tornar um desafio distinto identificar os aspectos úteis da forma cristalina e do decote cristalino.

Em um ambiente acadêmico ou de ensino, a avaliação de minerais via análise de amostras manuais é um exercício que demonstra como padrões e características repetitivas são impostas pela química física dos materiais naturais. Em outras palavras, para qualquer mineral específico, existem certas características cristalográficas (por exemplo, morfologia cristalina) e propriedades físicas(por exemplo, cor, dureza, raia) que são impostas pela composição química e estrutura atômica.

No domínio dos recursos minerais e da geologia de exploração, a identificação de minerais via amostra manual é um componente fundamental do trabalho de campo, visando a localização de minérios potenciais e depósitos economicamente úteis. Por exemplo, a identificação de vários sulfetos metálicos (pirita, esflerita, galena) em associação com hidroxídeos hidrotérmicos de ferro oxicodono (hematita, goethita, limonita) pode ser indicativo de potenciais veias e regiões ricas em Au e Ag.

No contexto da geologia histórica (decifrando a profunda história temporal de uma região), a identificação mineral pode preparar o cenário para interpretações de condições antigas. Por exemplo, certos minerais metamórficos (por exemplo, os polmorfos Al₂SiO_5, kyanita, andaluz e sillimanita) são marcadores de condições particulares de pressão e temperatura na crosta antiga.

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!