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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

Propiedades físicas de los minerales I: cristales y escote

Fuente: Laboratorio de Alan Lester - Universidad de Colorado Boulder

Las propiedades físicas de los minerales comprenden varios atributos medibles y perceptibles, incluyendo color, raya, propiedades magnéticas, dureza, forma de crecimiento del cristal y escote de cristal. Cada una de estas propiedades son específicas de minerales, y están relacionados fundamentalmente con un mineral particular composición química y estructura atómica.

Este experimento analiza dos propiedades que se derivan principalmente de la repetición simétrica de agrupaciones atómicas fundamentales, estructurales, llamadas células de la unidad, dentro de un enrejado cristalino, forma de crecimiento del cristal y escote de cristal.

Forma de crecimiento del cristal es la expresión macroscópica de la simetría de nivel atómico, generada por el proceso natural de crecimiento de la adición de células de la unidad (los bloques de edificio moleculares de minerales) con un creciente entramado de cristal. Zonas de unidad-celular-además de rápido se convierten en los bordes entre las superficies planas, es decir, caras, del cristal.

Es importante reconocer que las rocas son agregados de granos minerales. Mayoría de las rocas es polymineralic (varias clases de granos mineral) pero algunos son efectivamente monomineralic (compuesto por un único mineral). Porque las rocas son combinaciones de minerales, rocas no se refieren a forma de cristal. En algunos casos, geólogos refieren a rocas como tener un escote general, pero aquí el término se utiliza simplemente para referirse a superficies repetitivas y no es un reflejo de la estructura atómica cristalina. Así, en general, el escote de forma y cristal de cristal de términos se utilizan en referencia a muestras de minerales y no roca.

Todos los minerales poseen propiedades físicas y características fácilmente reconocibles y específicas asociadas con las propiedades no siempre se expresan en un cristal individual. Por ejemplo, cristales de cuarzo tienen una característica forma hexagonal, pero si crecimiento cristalino se produce en un ambiente donde otros minerales bloquear o afectan la forma de crecimiento natural (que es comúnmente el caso en la mayoría de las rocas) y luego la forma hexagonal forma. Así, con esto en mente, es importante seleccionar cuidadosamente un grupo adecuado de muestras para el crecimiento de cristales o análisis de escote de cristal, como no todas las muestras de estas características clave.

Además, aunque el escote de cristal es relativamente fácil de probar, mediante la ruptura de una muestra con un martillo — diferentes minerales muestran una gama de calidad de escote, tal que las superficies planas de última hora pueden ser desigual y áspero (llamados "pobres-escote") o extremadamente liso (llamado "bueno" o "excelente escote"). En algunos casos (e.g. cuarzo), fuerza de adherencia cristalográficos es uniforme en todas las direcciones, y esto da como resultado un mineral con la falta de planos de la hendidura reconocible.

1. establecer un grupo de muestras de minerales

Como muchos de los siguientes como sea posible: cuarzo, halita, calcita, granate, biotita y Moscovita. Algunos son elegidos para características de crecimiento cristalino y otras características de división de cristal.

2. observar y analizar la forma de cristal

Coloque una muestra sobre la superficie de observación.
Girar para observar todos los lados. Busque caras de cristal, bordes de cristal (líneas donde se encuentran caras) y vértices del cristal (puntos donde se unen los bordes).
Si es posible, medir los ángulos interfaciales con el goniómetro. Esto se hace simplemente colocando un lado del goniómetro en una cara de cristal particular, al otro lado del goniómetro en una cara adyacente, y entonces leyendo el ángulo.
Comparar con el conjunto de poliedros cristalinos característicos.
Repita los pasos 2.1 – 2.4 para cuarzo (Nota bipiramidal hexagonal forma (figura 1)), calcita (Nota escalenoedro forma (figura 2)), halite (Nota cristalino cúbico forma (figura 3)), granate (Nota dodecaedro forma (figura 4)) y biotita (forma pseudo hexagonal (figura 5) de la nota).

Figura 1. Visualización de forma bipiramidal hexagonal de cuarzo.

Figura 2. Mostrar formulario escalenoedro de Calcita. Cuenta cómo varios de cristal de caras se cruzan en los bordes de cristal de forma y la combinación de bordes formas conocidas como "vértices". Formas de crecimiento simétrico de cristal se generan por la repetición de estructuras atómicas fundamentales (células de la unidad) en el enrejado cristalino. En este caso, el crecimiento de cristales de Calcita genera el poliedro específico conocido como un escalenoedro.

Figura 3. Visualización de forma de cristal de halita.

Figura 4. Granate con forma de dodecaedro.

Figura 5. Biotita mostrando forma pseudo hexagonal.

3. observar y analizar el escote

Poner en protección para los ojos.
Coloque un pedazo de cuarzo en la superficie de fractura.
Usando un martillo, romper la pieza de cuarzo por la mitad.
Usando una lupa, observar el pedazo roto de cuarzo para superficies de clivaje. Observe que el cuarzo tiene ninguno. Cuarzo exhibe fractura concoidea, pero ningunas superficies de clivaje bien definidos (figura 6). Esto es una consecuencia del hecho de que las células de la unidad en el enrejado del cristal de cuarzo (SiO₄ grupos, llamados sílice tetraédrica) tienen adhesión comparable iguales en todas las direcciones. Esta uniformidad de las fuerzas de adhesión resulta en un cristal con ningún preferida romper aviones.
Repita pasos 3.2 – 3.4 calcita (debe mostrar escote romboédrico (figura 7)), halite (debe mostrar escote cúbico (figura 8)), biotita y Moscovita (debe uno Mostrar escote planar (figura 9)).
Usar una lupa para evaluar cualidades diferentes escote. Escote puede ocurrir en una variedad de niveles. Cuando hay una diferencia dramática en la fuerza de adherencia en una orientación particular, tales como entre sábanas de SiO₄ agrupaciones en el caso de mica, un escote casi perfecto se genera entre estas hojas. Como se señaló anteriormente, cuarzo exhibe una falta casi total de la hendidura. Entre estos extremos (de escote perfecto y falta de clivaje), hay minerales que tienen buen escote (e.g. feldespato) y pobre escote (ciertas caras en cristales de anfíbol).

Figura 6. Cuarzo con fractura concoide, sin superficies de clivaje.

Figura 7. Mostrando escote romboédrico de Calcita. Superficies de fractura y rotura simétricas son generadas por las zonas de relativa debilidad en la vinculación atómica en el enrejado cristalino. Escote de Calcita se traduce en el poliedro específico conocido como romboedro.

Figura 8. Halite mostrando clivaje cúbico.

Figura 9. Biotita mostrando escote planar.

Históricamente, evaluar las propiedades físicas de los minerales ha sido una clave de primer paso en la identificación de minerales. Aún hoy, cuando falta microscópica y moderna instrumentación analítica (por ejemplo, microscopía petrográfica, difracción de rayos x, fluorescencia de rayos x y técnicas de microsonda de electrones), física propiedades siguen siendo muy útiles como herramientas de diagnóstico para la identificación mineral. Esto es particularmente el caso en estudios geológicos de campo.

Evaluación y la observación de las propiedades físicas de los minerales son un excelente medio para demostrar la dependencia crítica de características macroscópicas en nivel atómico estructura y arreglo.

Las principales propiedades físicas de minerales no se expresan siempre en muestras específicas. Por lo tanto, realmente ser capaz de reconocer y utilizar estas propiedades como herramientas de diagnóstico requiere de una combinación de ciencia, experiencia y arte. A menudo, el geólogo debe utilizar una lupa para evaluar relativamente pequeños cristales minerales o granos dentro de la matriz de una roca más grande. En tales casos, puede llegar a ser un reto distinto para identificar los aspectos útiles de la forma cristalina y cristal escote.

En un entorno académico o docente, la evaluación de los minerales a través de análisis de muestras de mano es un ejercicio que muestra cómo repetitivos patrones y características impuestas por la química física de materiales naturales. En otras palabras, cualquier mineral específico, hay ciertos rasgos cristalográficos (por ejemplo morfología cristalina) y propiedades físicas (por ejemplo, color, dureza, raya) que son impuestas por la composición química y estructura atómica.

En el ámbito de los recursos minerales y geología de exploración, la identificación de minerales mediante la muestra de la mano es un componente clave del trabajo de campo, dirigido a localizar los minerales potenciales y depósitos económicamente útiles. Por ejemplo, la identificación de diversos sulfuros metálicos (pirita, Esfalerita, galena) en asociación con hidrotermal oxi-hidróxidos del hierro (hematita, Goethita, limonita) puede ser indicativa de posibles venas de ricos en Au y Ag y regiones.

En el contexto de la Geología histórica (descifrando la historia profunda temporal de una región), identificación de minerales puede fijar la etapa para las interpretaciones de las antiguas condiciones. Por ejemplo, ciertos minerales metamórficas (por ejemplo Al₂SiO₅ polimorfos, cianita, andalucita y Sillimanita) son marcadores de determinada presión y temperatura en la corteza antigua.

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!