Röosterstructuur van steenzout = Ha/iet EE

Transcriptie

1 KRISTALLIJNE STRUCTUUR Mineralen die vrije ruimte hebben om te groeien zullen kristallen voortbrengen. Die kristallen hebben meestal een karakteristieke vorm, de habitus van dat mineraal. Welke kristalvorm ontstaat hangt af van de kristallijne structuur maar ook van het milieu waarin de kristallen tot ontwikkeling komen en factoren als temperatuur en druk. Minerajen onderscheiden zich wezenlijk van elkaar door hun structuur, dat wil zeggen de atomen (ionen) waaruit een mineraal is samengesteld zijn volgens een karakteristiek drie-dimensionaal patroon gerangschikt, we spreken ook wel van een roosterstructuur of een ruimtetralie. De structuur van steenzout is een voorbeeld van een heel eenvoudige kristallijne structuur' waarin de kleine Na+ -ionen en grotere CI- -ionen elkaar in drie loodrecht op elkaar staande richtingen regelmatig afwisselen. Röosterstructuur van steenzout = Ha/iet De afstand tussen de opbouwende delen (atomen) van een structuur is niet bij iedere vaste stof gelijk, dat hangt o.a. weer af van de aard en de eigenschappen van die bouwstenen. Sommige vaste stoffen hebben een heel dichte structuur waarvan diamant een bekend voorbeeld is. Alle atomen van diamant (= koolstof) trekken elkaar in alle richtingen (= 3 dimensies) vrijwel even sterk aan. Die aantrekkingskracht van atomaire deelljes noemt men cohesie. Bij grafiet, ook geheel opgebouwd uit koolstof atomen, i de cohesie. in twee richtingen net zo sterk als bij diamant. In de derde richting loodrecht daarop is de cohesie veel zwakker terwijl de onderlinge afstand van de koolstofatomen in die richting groter is. Tegenover kristallijn gekenmerkt door orde met als uiterlijke verschijningsvormen daarvan de kristallen, staat amorf zonder vorm en gekenmerkt door een wanordelijke vermenging van scheikundige elementen (bijvoorbeeld glas). EE

2 Kristalroosters worden door mineralogen bestudeerd met behulp van röntgenenergie. Van kleine kristallen of zeer.fijne mineraalpoeders kunnen zogenaamde röntgenfoto's gemaakt worden waarop patronen van punten of lijnen zichtbaar zijn die karakteristiek zijn voor de onderzochte mineralen. Determinatie met behulp van röntgen poederopnamen heeft echter zijn bezwaren. De benodigde apparatuur is duur en alleen in enkele laboratoria aanwezig terwijl een ander bezwaar kan zijn dat voor een opname een weinig poeder van de steen moet worden afgekrabd (bijvoorbeeld langs de uiterste rand (= rondist)) van een geslepen steen en alleen wanneer andere vaak veel goedkopere determinaties geen uitsluitsel geven kan daarvoor gekozen worden. Kristalstructuren ztjn, binnen beperkte grenzen homogeen. Kleine onregelmatigheden als gevolg van atomaire vervangingen zullen doorgaans niet waarneembaar zijn ook niet met behulp van röntgenonderzoek. De kristallijne structuur van mineralen varieert van eenvoudig tot uiterst ingewikkeld. In het laatste geval zal zo' n kristalrooster opgebouwd zijn uit roosterelementen die op regelmatige wijze met elkaar verbonden zijn door weer andere ionen. De grote groep der silicaten zijn zelfs ingedeeld op grond van de wijze waarop de bouwelementen van silicium en zuurstof zijn gerangschikt. Die structuurelementen bestaan uit een verbinding van een silicium-atoom in het zwaartepunt van een regelmatig.viervlak (tetraëder) omgeven door vief zuurstofatomen op de hoekpunten. De tetraëdérs kunnen zelfstandig in de mineraalstructuur aanwezig zijn maar ook in ketens, lagen en in drie-dimensionale netwerken. '"t Roosterstructuurelementen van silicaten (a) een Si04-tetraëder en (b) een ring bestaande uit zes tetraëders. In de kristalstructuur van beril worden zulke ringen door beryllium en aluminiumatomen onderling verbonden. EE

3 Bij nadere bestudering blijkt dat kristallijne structuren er in verschillende richtingen verschiflend uitzien. Die verschillen lijden ertoe dat mineralen karakteristieke eigenschappen bezitten die afhankelijk van de richting waarin men ze bestudeert verschillend kunnen zijn (bijvoorbeeld de hardheid, splijtbaarheid, optische eigenschappen, warmtegeleiding). * Dit verschijnsel noemt men anisatrapie. 1< Zijn de eigenschappen in verschillende richtingen gelijk dan spreken we van isotropt«. Mineralen kunnen optisch isotroop zijn maar bijvoorbeeld wat betreft de cohesie anisotroop (bijvoorbeeld diamant). Kristalsymmetrie en kristalstelsels Alle mineralen hebben hun typische kristalvorm(en) maar daarnaast komt het ook veelvuldig voor dat verschillende mineralen eenzelfde habitus hebben zoals biivoorbeeld de kristallen van diamant, pyriet en fluoriet. Bij nauwkeurige bestudering van kristalvormen valt op dat ze op één of meer manieren symmetrisch zijn. Nèemt men bijvoorbeeld een kubus dan blijkt dat zo 'n lichaam op negen manieren in twee gelijke helften te verdelen is. met andere woorden negen svmmetrievlakken bezit. Voorts bezit een kubus vier z.a., 4-t~/ige symmetrieassen. Het lichaam zal bij draaiing om zo 'n as over 360 graden vier maal achtereen een zelfde positie innemen. Zo zijn er vier 3-tallige en zes 2-talige symmetrieassen. Tenslotte bezit een kubus ook nog een svmmetriecentrum. Gebaseerd op deze symmetriekenmerken blijken de bekende kristalvormen in zeven groepen ingedeeld te kunnen worden die we kristalstelsels noemen. Voor de beschrijving van de kristalstelsel wordt gebrui~. gemaakt van een (denkbeeldig) ruimtelijk assenstelsel. Het aantal assen, hun positie tegenover elkaar en de lengte-eenheden op die assen kunnen verschillend zijn. De volgende kristalstelsels worden onderscheiden : I. Het kubische stelsel, gekenmerkt door drie loodrecht op elkaar staande assen die elkaar in één punt snijden. De lengte-eenheden op die assen zijn gelijk. De bekendste kristalvormen zijn de kubus (hexaëder), octaëder en rombendodecaëder. EE

4 11.Het tetragonale stelsel met drie assen Joodrecht op elkaar en op de verticale as een andere lengte-eenheid. De belangrijkste vormen zijn tetragonaal prisma en dipyrarnide. 111.Het hexagonale stelsel dat drie horizontale assen heeft die elkaar onder hoeken van 120 graden snijden en een verticale as met een andere lengte-eenheid. De bekendste kristalvormen zijn hexagonaal prisma en dipyramide. IV. Het trigdna/e stelsel met hetzelfde assenstelsel en verdeling van lengteeenheden op die assen als het hexagonale stelsel maar met minder symmetrie elementen. Een typische kristalvorm is o.a. de romboëder. De hexagonale en trigonale stelsels worden in sommige handboeken samengevoegd tot één kristalstelsel (hexagonaal). V. Het orfhorhombische stelsel gekenmerkt door drie loodrecht op elkaar staande assen met alle drie een andere lengte-eenheid. De belangrijkste vormen zijn prisma en dipyramide. VI. Het mönokliene stelsel met drie assen waarvan een loodrecht staat op het vlakvan beide andere en alle drie een andere lengte-eenheid. De kristalvorm : prisma. VII. Hèt trigonale stelsel waarbij drie assen elkaar onder verschillende hoeken in één punt snijden en alle drie een andere lengt-e-eenheid hebben. De zeven kristalstelsels met enige karakteristieke kristalvormen: hef hexagonale en trigonale stelsel zijn hier samengevoegd. Ç!)~à~ri. KlllSI'ALLOGRAFlSCH A&SENSfEhSFl VOORIlF.ELDEN KRlSTALLOGRAFISCH ASSENSTELSEL VOORBEELDEN c ([J I. r. '4- - I _ ~, 1 a... "1 IDJ frllcriel l:j] a- i I pendoo: diamar.\ \ (beven) ~_isch IV: crthorhombsce b (h3/ """".,Q "!, c l [) I1/ b b--- '._." fp ' I : :::~'/ gips arkoen a a I kassiteriet! '1".- It telragoncai V monoklien mi c c! t-\ I ip ~.'I il:l. ~.- ;I J I' I ; d ~ beryl '\i; ilijjlj C %b b~y~- A korund,.._r-~~_~rmai:jn..u....- aximet a 12ci' a I r':,.' ~!,/) r:..:..-.--'"j. rn hexagonaal i 'f~;" <;..~~...:.~~~ tevens tnçonaàl, ::a;c:et VI: triklien ~.' I EE

5 Er is een duidelijke lijn met vermindering van symmetrie waarneembaar indien men uitgaat van een kubus (I), via een uitgerekte/ingedrukte kubus (11) naar het model van een lucifersdoosje (IV) en dit eerst eenzijdig (V) en tenslotte willekeurig scheefgedrukt (VI). Tweelingen Twee of meer kristalindividuen kunnen op bepaalde manieren wetmatig met elkaar vergroeid zijn zodanig dat men van tweelingen spreekt. Tweelingen worden onderverdeeld in contact tweelingen met een duidelijk tweelingvlak (bijvoorbeeld spinel en diamant) en doordringings (doorkruisings) tweelingen zonder contact vlak (bijvoorbeeld fluoriet). Behalve enkelvoudige tweelingen komen ook meervoudige tweelingen voor (bijvoorbeeld chrysoberil en plagioklaas). c a. doordringingstweeling van fluoriet. b. eigenschappen van een spinel contacttweeling. Links: het tweelingvlak is te zien, de tweeling-as staat daar loodrecht op. Rechts: draaiing over een hoek van 60% levert een spineltweeling op (komt ook voor bij diamant). c. knievormige contacttweeling van bijvoorbeeld zirkoon... d. doorkruisingstweeling van chrysoberil. Isomorfe vervanging : mengkristallen Zoals de definitie van een mineraal reeds aangeeft is de scheikundige samenstelling van mineralen binnen beperkte grenzen constant. Het blijkt dat natuurlijke mineralen vrijwel altijd een enigszins variabele samenstelling hebben. EE

6 Het laatste wil zeggen dat de plaats van bepaalde elementen in de structuur door andere elementen ingenomen kunnen worden. Dit verschijnsel heet atomaire vervanging en zo'n mineraal wordt mengkristal genoemd. Een mengkristal is dus een homogene kristallijne vaste stof met een variabele samenstelling. Omdat deze atomair vervanging onder behoud van de kristallijne structuur plaatsvindt en dus ook onder behoud van de uiterlijke vorm van zo'n mineraal spreekt men ook van isomorfe vervanging (iso = gelijk, mort = vorm). Atomaire vervanging kan onder gunstige omstandigheden plaatsvinden indien de omvang en de lading (= valentie) van de atomen (ionen) dat toelaten. Een voorbeeld van mengkristallen is olivijn of peridot (Fe,MG)2Si04 dat een mengkristal is met forsteriet MG2Si04 en fayaliet Fe2Si04 als zuivere eindleden. De ijzer- en magnesiumionen zijn ongeveer even groot en hebben een zelfde valentie, Fe2+ en Mg2+. NATUURKUNDIGE EIGENSCHAPPEN DER MINERALEN Nu we iets meer over de samenstelling en de inwendige bouw (= kristalstructuur) van mineralen weten gaan we de natuurkundige eigenschappen der mineralen nader bekijken want deze zijn daar direct van afhankelijk. Onze aandacht richten wij eerst op de eigenschappen hardheid, splijtbaarheid en soortelijk gewicht. Daarna volgen de optische eigenschappen van edelstenen en de kleur. Hardheid Zowel hardheid als splijtbaarheid zijn eigenschappen die direct verband houden met de cohesie, de onderlinge aantrekkingskracht van de atomen in een kristallijne structuur. Hardheid kan men definiëren als de weerstand die een vaste stof biedt tegen krassen. Men kan de onderlinge hardheid van vaste stoffen bepalen door de ene stof met de andere te krassen. Het op deze manier toetsen van een eigenschap heeft een aantal nadelen. In de eerste plaats treedt beschadiging op en als we met mineralen te maken hebben is dat heel jammer maar in het geval dat we edelstenen aan een dergelijke toets onderwerpen doen we iets onvergeeflijks. In de tweede plaats verkrijgen we op deze manier misschien wel enige informatie over een te onderzoeken steen maar die waarneming heeft doorgaans geen determinatieve waarde! EE

7 Omdat mineralogen vroeger niet over de instrumenten voor mineraaldeterminatie beschikten welke men tegenwoordig wel heeft, was deze methode veelal onmisbaar. Gebaseerd op de veel voorkomende mineralen stelde de Oostenrijker F. Mohs in de vorige eeuw de volgende relatieve hardheidsschaal samen : 10 Diamant hardst 9 Korund 8 Topaas 7 Kwarts zakmes 6 Veldspaat 5 Apatiet koperen munt 4 Fluoriet 3 Calciet vingernagel 2 Gips 1 Talk zachtst Het bepalen van de hardheid van een mineraal als standaardprocedure gebeurt nog steeds bij de beschrijving en determinatie van ertsmineralen (opake mineralen). De methode wordt op een andere manier uitgevoerd en er worden absolute waarden mee verkregen. In de handel zijn nog steeds z.g. hardheidsstiften verkrijgbaar. Voor verzamelaars van mineralen zijn ze nog wel populair en de edelsteentherapeut zou deze ook kunnen gebruiken om bijvoorbeeld bij beursaankopen een snelle determinatie te kunnen verrichten. De hardheid is een belanqrijke eigenschap voor edelstenen waarmee terdege rekening gehouden moet worden. Slijtage van edelstenen vindt al plaats onder invloed van stofdeeltjes in de lucht (veelal kwarts!). De scheidingslijn tussen hardheid 7 en 8 is in het verleden de reden geweest om de zachtere stenen (met een hardheid kleiner dan 7) niet meer voor vol aan te zien en ze geen edelstenen meer te noemen. EE

8 Hieronder volgt een uitgebreidere lijst van natuurlijke en synthetische edelstenen en hun hardheden:.steen hardheid diamant 10 ~ru~ 9 chrysoberyl 8 % cubic zirconia 8 % YAG 8 spinel 8 topaas 8 beryl 7 % zirkoon (hoog) 7 % granaat 7 % toermalijn 7 jadeïet (jade) 7 spodumeen 7 kwarts 7 berylglas/boro silicaatglas 7 zoïsiet 6 % peridot (olivijn) 6 % zirkoon (laag) 6 % demantoïd (granaat) 6 % nefriet (jade) 6 % chalcedoon (kwarts) 6 veldspaat (maansteen) 6 pyriet 6 rhodoniet 6 hematiet 6 glas (zeer variabel) 6 turkoois 6 lapis lazuli 5 % opaal 5 % moldaviet 5 % obsidiaan 5 fluoriet 4 malachiet 4 rhodochrosiet 4 koraal 3 % parels 3 % plastics (variabel) 2 Sommige mineralen hebben een goede splijting waardoor het mineraal in die richting veel zachter lijkt. Voorbeelden zijn calciet, fluoriet en veldspaat. EE

9 Dit is nog een reden om het toetsen op hardheid zoveel mogelijk achterwege te laten..-.- _. f-- -- j' Vergelijking van de relatieve hardheidsschaal van Mohs met een absolute hardheidsschaal (Knoop). """.3000 I ~., "".-A/ :3 4 ~ v 9 ro Splijting en breuk Van sommige mineralen is bekend dat ze in één of meer richtingen makkelijk splijten terwijl andere mineralen geen voorkeurssplijting hebben en dus op een onregelmatige (onvoorspelbare) manier zullen breken. Splijting of breuk, beide eigenschappen zijn vaak heel karakteristiek voor mineralen. Een goede splijting wil zeggen dat de onderlinge aantrekkingskracht van de atomen in de kristallijne structuur in de richting loodrecht op een splijting beduidend zwakker is dan in andere richtingen. Splijtvlakken zijn doorgaans regelmatig en glad terwijl breukvlakken onregelmatig en schelpvormig zijn of anders splinterig of vezelig. Om de splijtbaarheid van een mineraal correct aan te geven dient men met twee aspecten rekening te houden: - het gemak waarmee een mineraal splijt, en - de perfectie van de splijtvlakken. Perfecte splijtvlakken bezitten mineralen als mica's, calciet, topaas en diamant. Mica's splijten daarbij uiterst gemakkelijk, topaas en diamant (veel) moeilijker. Fluoriet is een mineraal dat heel makkelijk splijt maar minder perfecte splijtvlakken bezit. De splijtingsrichting van een mineraal is altijd evenwijdig aan (mogelijke) kristalvlakken hoewel die kristalvlakken niet altijd aanwezig hoeven te zijn. EE

10 Zo zijn de splijtvlakken van diamant en fluoriet evenwijdig aan de octaëdervlakken, die bij de diamant meestal wel en bij fluoriet slechts zelden ontwikkeld zijn. Bekende mineralen die bij slag of stoot niet splijten maar breken zijn o.a. korund, granaat, toermalijn, kwarts en beryl. De breukvlakken zijn meestal typisch schelpvormig. ook glas heeft een zeer karakteristieke schelpvormige breuk. Soortelijk gewicht of dichtheid Vaste stoffen van gelijk volume (even groot) zijn doorgaans niet even zwaar. Dit verschijnsel kennen we ook heel goed bij geslepen stenen, zo zal een briljant geslepen zirkoon zwaarder zijn dan een briljant geslepen diamant van dezelfde afmetingen. We zeggen dan dat een zirkoon een hoger soortelijk gewicht heeft dan diamant. Soortelijk gewicht is een zuiver getal, niet uitgedrukt in eenheden. Het (s.g.) geeft aan hoeveel keer een lichaam van een bepaald volume zwaarder is dan een even groot volume water (gemeten bij 4 graden Celsius). In de handboeken komen we ook het begrip dichtheid tegen. De dichtheid is de massa per volume eenheid en wordt algemeen uitgedrukt in gram per cm3 en omdat.een gram gelijk is aan het gewicht van 1 cm3 water bij 4 graden Celsius zullen de getalwaarden voor het soortelijk gewicht en de dichtheid van een bepaalde vaste stof gelijk zijn. De verschillen in soortelijk gewicht tussen mineralen heeft twee hoofdoorzaken; - verschillen in de roosterstructuur (= stapeling van de atomen), en - verschillen in de samenstelling (= scheikundige aard van de atomen). Diamant en grafiet hebben eenzelfde samenstelling maar diamant (s.g. 3.52) is door een veel dichtere structuur zwaarder dan grafiet (s.g. 2.2). Olivijn (peridot) is een mengkristal (Fe,Mg)2Si04 met als eind leden Fe2Si04 (fayaliet, s.g. 4.41) en Mg2Si04 (forsteriet, s.g. 3.22); 1",., beide eindleden hebben eenzelfde structuur maar zijn niet even zwaar. Zwaardere atomen hebben een grotere massa en atomen met een grotere massa hebben in het periodiek systeem der elementen een hoger atoomnummer. Tenslotte varieert de exacte waarde van het soortelijk gewicht enigszins met veranderingen in temperatuur en druk omdat deze factoren de structuur kunne beïnvloeden (uitzetten en krimpen). EE

11 Het soortelijk gewicht van natuurlijke edelstenen varieert grofweg tussen de 2.5 en 5.0. De edele metalen zijn veel zwaarder 21.5). (s.g. voor zilver is 10.5, goud 19.3 en platina leder mineraal heeft binnen zekere grenzen een eigen soortelijk gewicht. Naarmate de samenstelling gecompliceerder en de atomaire vervanging belangrijk is zal het soortelijk gewicht van een mineraal sterker variëren. Bepaalde mineralen hebben echter een heel constant soortelijk gewicht (bijvoorbeeld diamant, korund en kwarts). EE