anorganski nemetalni materijali mi l ijmineralogija (2 di )dio)anorganski nemetalni materijali mi l...

Anorganski nemetalni materijali Mi l ij (2 di )Mineralogija (2. dio)

Stanislav KurajicaFakultet kemijskog inženjerstva i 

tehnologijetehnologije

Geokemijski procesi nastajanja mineralaGeokemijski procesi nastajanja minerala• S obzirom na način postanka minerali se dijele na minerale 

magmatskog sedimentnog i metamorfnog postankamagmatskog, sedimentnog i metamorfnog postanka

Minerali magmatskog postanka• Minerali čiji je nastanak vezan za različite stupnjeve hlađenja 

magmeg• Magma ‐ prirodna talina kompleksnog silikatnog sastava ‐ potječe 

iz unutrašnjosti Zemlje• Sadrži lako hlapive sastojke ‐ umanjuju viskoznost i snižavaju tališta 

mineralaN j k h ij k k ši i bi• Na mjestu postanka homogena a tijekom puta ka površini gubi homogenost i mijenja joj se sastav, snižavaju joj se temperatura i tlak i oslobađaju lako hlapivi sastojcitlak i oslobađaju lako hlapivi sastojci

• Geokemijski procesi nastanka magmatskih minerala razlikuju se u ovisnosti o temperaturi: p

• Magmatsko nastajanje (pirogeni minerali)• Pegmatitsko nastajanje (pegmatitski minerali)g j j (p g )• Pneumatsko nastajanje (pneumatski minerali)• Hidrotermalno nastajanje (hidrotermalni minerali)j j ( )• TM > TPe > TPn > TH.

Magmatsko nastajanje (700‐1200 °C)Magmatsko nastajanje (700 1200  C)• Kristalizacija iz magme• U dubljim dijelovima litosfere ‐ kristalizacijaU dubljim dijelovima litosfere kristalizacija 

intruzivnih stijena• Gornji dijelovi litosfere – lava ‐ kristalizacija j j j

ekstruzivnih stijena• Zbog visokih T i p pri kojima nastaju nazivaju se  

i i i li ( č ipirogenim mineralima (prema grč. pyr=vatra i genesis=postanak)

• Primarni minerali izgrađuju magmatske stijene i• Primarni minerali, izgrađuju magmatske stijene i polazni su materijal za formiranje drugih stijena

• Broj pirogenih minerala relativno je mali pa je iBroj pirogenih minerala relativno je mali pa je i mineralni sastav litosfere relativno jednostavan ‐minerali visokog tališta poput silikatnih minerala B iBowenova niza

• Ostali minerali, kojih je znatno manje u magmatskimstijenama nazivaju se akcesorni mineralistijenama, nazivaju se akcesorni minerali. 

Pegmatitsko nastajanje (~700‐500 °C)Pegmatitsko nastajanje ( 700 500  C)• Nakon kristalizacije pirogenih

minerala magma je obogaćena g j gvolatilima, vrelim, kiselim plinovima i parama koje prate rastopljenu magmu (pregrijana vodena paramagmu (pregrijana vodena para, plinovitim HF, H3BO4 i HCl te CO2, SO2, H2S i CH4)2, 2 4)

• Prisutnost volatila snižava talište i viskoznost magme te omogućava k i li ij i lkristalizaciju minerala poput turmalina, berila, spodumena, rutila, magnetita i halkopiritamagnetita i halkopirita

• Mala viskoznost omogućava veliku pokretljivost mineralnih tvari ka p jcentrima kristalizacije te su zbog toga pegmatitni minerali često krupnikrupni

• Često sadrže i OH grupu

Pneumatsko nastajanje (400‐600 °C)Pneumatsko nastajanje  (400 600  C)• Kristalizacija sublimacijom plinova i paraj j p p• Nakon kristalizacije pirogenih i 

pegmatitskih minerala  u magmi je vrlo i k k t ij li i kvisoka koncentracija plinova s visokom temperaturom i tlakom 

• Intruzijom magme u šupljine u stijenama• Intruzijom magme u šupljine u stijenama ili izlaskom lave na površinu dolazi do sublimacije plinova i kristalizacije j p jpneumatolitskih minerala

• Primjerice liskuni, beril, feldspati, korund, h tit k it ithematit, kasiterit

• Istovremeno nastaju i metamorfni minerali agresivni plinovi slijedeći smjerminerali, agresivni plinovi, slijedeći smjer slabosti stijene, djeluju na minerale u okolnim stijenama i procesom j ppneumatolize vrše njihov preobražaj  

Hidrotermalno nastajanje (50‐400 °C)Hidrotermalno nastajanje (50 400  C)• Kad se plinovi i pare koji prate magmu 

ohlade toliko da dođe do njihove jkondenzacije nastaju hidrotermalni uvjeti

• Vrele vodene otopine agresivnih plinova l k š lji i k i j ćihprolaze kroz šupljine i pukotine postojećih 

stijena ‐ sniženjem temperature i tlaka dolazi do kristalizacije minerala izdolazi do kristalizacije minerala iz kondenzata

• Žile, žice i gnijezda , g j• Kaolinit i drugi glineni minerali uglavnom 

su nastali hidrotermalnim raspadom li d k d ilik ih i lglinenaca dok su od nesilikatnih minerala karakteristični galenit, sfalerit, halkopirit, cinabarit i slcinabarit i sl.

• I u ovom procesu istovremeno dolazi do nastanka metamorfnih minerala budući da otopine agresivnih plinova mijenjaju minerale u okolnim stijenama

Minerali sedimentnog postankaMinerali sedimentnog postanka• Minerali sedimentnog postanka nastaju na površini kore 

kristalizacijom iz hladnih vodenih otopina hidratogenikristalizacijom iz hladnih vodenih otopina, hidratogeniminerali, i biokemijskim procesima, organogeni minerali

Hidratogeni mineraliHidratogeni minerali• Nastajanje minerala kristalizacijom iz 

zasićenih, hladnih, pravih ili koloidnih otopina, , p p• Vodene otopine na površini ili u porama iznad 

stalne razine podzemne vode• Koncentrirane različite mineralne tvari• Stabilnost ovisi o koncentraciji, kemijskom 

l k i isastavu, tlaku i temperaturi• Do kristalizacije može doći evaporacijom, 

kemijskom reakcijom sublimacijom ikemijskom reakcijom, sublimacijom i smanjenjem topivosti zbog sniženja temperaturep

• Najčešće evaporacijom vode u suhim kopnenim područjima ili priobalnim dij l i i jdijelovima mora i jezera

• Intenzivno isparavanje ‐ povećanje koncentracije taloženjekoncentracije – taloženje

• Halit, gips, anhidrit te kalcit

Hidratogeni mineraliHidratogeni minerali• Nastanak hidratogenih mineralaNastanak hidratogenih minerala 

kemijskom reakcijom posljedica je miješanja otopina različitog k ij k t ili t jkemijskog sastava ili otapanja plinova u kapljevitoj otopini

• Slijede kemijske reakcije stvaranja• Slijede kemijske reakcije, stvaranja netopivih spojeva i taloženje. 

• Primjer kristalizacija barita:Primjer kristalizacija barita:• BaCO3+CaSO4 BaSO4 + CaCO3 ili• BaCl2 + Na2SO4 BaSO4 + 2NaClBaCl2 + Na2SO4 BaSO4 + 2NaCl• Nastanak sublimacijom primjer –

nastanak kristala snijegaj g• nastanak smanjenjem topivosti zbog 

smanjenja temperature  ‐ halogenidi

Organogeni mineraliOrganogeni minerali• Mogu nastati djelovanjem životinja ‐ zoogeni minerali, i 

djelovanjem biljaka ‐ fitogeni minerali j j j g• Mogu nastati fiziološkim funkcijama, bitumenizacijom i 

oksidacijom organske tvari te prekristalizacijom skeletnih k i lih iostataka uginulih organizama

Nastali fiziološkim funkcijamaNastali fiziološkim funkcijama• Taloženjem materijala nastalih djelovanjem 

živih organizama. Nprg p• Koralji i mekušci ekstrahiraju kalcijev 

karbonat iz morske vode te od kalcita i i i đ j lj š kl k ći iaragonita izgrađuju ljušture, oklope, kućice i 

sl.• Spužve i dijatomeje na isti način stvaraju• Spužve i dijatomeje na isti način stvaraju 

opal SiO2×H2O• Mahovine i alge asimiliraju ugljičnu kiselinuMahovine i alge asimiliraju ugljičnu kiselinu 

iz vode koja sadrži kalcijev hidrogenkarbonatpri čemu dolazi do izlučivanja kalcijeva k b čk dkarbonata, vapnenačka sedra

• Dušik iz gvana (ptičjeg izmeta) oksidira se O2iz zraka pri čemu nastaje HNO ona daljeiz zraka pri čemu nastaje HNO3 ‐ ona dalje reagira s Na2CO3 karbonatom koji je prethodno nastao iz NaCl i H2CO3 vulkanskog p 2 3 gpodrijetla ‐ nastaje čilska salitra, NaNO3.

Bitumenizacija i prekristalizacijaBitumenizacija i prekristalizacija• Bitumenizacija organske tvari zbiva se pod utjecajem anaerobnih 

bakterija koje žive u sredinama bez kisika j j• Ovim procesom nastaju nafta i bitumen (iz ostataka riba i nižih 

životinjskih organizama) te ugljen (od ostataka biljnog materijala).• Primjer nastanka prekristalizacijom ‐ transformacija metastabilnog

opala (nastalog taloženjem ostataka spužvi) u stabilni kvarc te transformacija aragonita (nastalog taloženjem ostataka puževa ilitransformacija aragonita (nastalog taloženjem ostataka puževa ili zelenih algi) u kalcit ‐ smatra se da je gotovo sav kalcit organogenog podrijetla.g g g p j

Minerali metamorfnog postankaMinerali metamorfnog postanka• Minerali metamorfnog postanka nastaju od ranije stvorenih 

minerala procesima u čvrstom stanju, pri temperaturama i p j , p ptlakovima različitim od onih pri kojima su nastali i uz pomoć fluida ispod zone površinskog trošenja P j j i li j bil i ij j j• Promjena uvjeta  ‐minerali postaju nestabilni ‐mijenjaju se

• Metamorfizam ‐ procesa fizikalno‐kemijske prilagodbe minerala novim ravnotežnim uvjetima različitim od uvjeta njihova postankanovim ravnotežnim uvjetima različitim od uvjeta njihova postanka

• Do metamorfnih promjena dolazi u dubini Zemljine kore• Kemijske strukturne i mikrostrukturne promjene• Kemijske, strukturne i mikrostrukturne promjene • Razlikuju se kontaktna i regionalna metamorfoza, pneumatolitska i 

hidrotermalna metamorfoza te metasomatski procesihidrotermalna metamorfoza te metasomatski procesi

Kontaktna metamorfozaKontaktna metamorfoza• Lokalnog karaktera• Glavni čimbenik kontaktne metamorfoze – temperaturap• Naziva se i termalnom• Magma se utiskuje u ranije nastalu stijenu (intruzija)g j j j ( j )• Pri intruziji magme u hladniji stijenski masiv magma djeluje na 

minerale u kontaktnim rubnim dijelovima masiva što dovodi do jih ih jnjihovih promjena

• Tipične temperature 100‐850 °CP i j d l i l f li ih ij• Primjer: andaluzit termalnom metamorfozom glinenih stijena

RegionalnaRegionalna• Razlozi regionalne ‐ povišena temperatura (zbog geotermalnog 

gradijenta) i tlak (zbog stupa naležećih stijena ili naprezanja)g j ) ( g p j p j )• Naziva se i dinamotermalnom ‐ T 300‐400 °C i p do 20000 At • Regionalna – zbiva se na širem području i može dovesti do g p j

preobražaja velikih masa• Prekristalizacija ‐ fina zrna kalcita koja tvore stijenu vapnenac 

k i li i j k k l i k j ijprekristaliziraju u krupna zrna kalcita koja tvore stijenu mramor• Ili nastanak novih minerale veće gustoće

Plići dij l i li f l k ij i i li li ić ili• Plići dijelovi litosfere ‐tlak orijentiran ‐minerali listićavog ili pločastog habitusa okomito na smjer djelovanja tlaka

• Dublji dijelovi litosfere tlak je neusmjeren bez orijentacije• Dublji dijelovi litosfere ‐ tlak je neusmjeren ‐ bez orijentacije• Primjer: disten regionalnom metamorfozom glinenih stijena

Pneumatolitska i hidrotermalnaPneumatolitska i hidrotermalna• Pneumatolitska ‐ posljedica djelovanja agresivnih plinova i para 

magmatskog postanka na minerale stijena unutar kojih prodiru• Kemijskom reakcijom dolazi do stvaranja novih, pneumatolitskih

minerala, a proces se naziva pneumatoliza (od grč. pneuma=zrak i lizein=razlaganje)lizein=razlaganje)  

• Hidrotermalna ‐ na sličan način ali pri nešto nižim temperaturama pri kojima je došlo do kondenzacije para u kojima su otopljenipri kojima je došlo do kondenzacije para u kojima su otopljeni agresivni plinovi

• Kemijskom reakcijom otopine sa stijenama s kojima dolazi u j j p j jkontakt stvaraju se hidrotermalni minerali

• Primjer ‐ pretvorba olivina u serpentin

Metasomatski procesiMetasomatski procesi• Zamjena jedne vrste iona u kristalnoj rešetci minerala s drugom• Često u uvjetima pneumatolize i hidrotermalnog nastajanjaČesto u uvjetima pneumatolize i hidrotermalnog nastajanja• Za razliku od pneumatolitskih i hidrotermalnih minerala u ovom se 

slučaju kristalna rešetka ne mijenja – samo kemijski sastavj j j j• Može i djelovanjem hladnih otopina• Primjer: dolomitizacija karbonata pod uticajem magnezijem j j p j g j

bogatih otopina• Magnezijski ion iz otopine prelazi u dolomit, a kalcijski ion iz 

č k l i l i ičvrstog kalcita prelazi u otopinu

TrošenjeTrošenje• Procesi mijenjanja minerala do kojih dolazi na površini ili 

neposredno ispod površine Zemlje pri relativno niskim p p p j ptemperaturama i tlakovima

• Procesima mehaničke i kemijske dezintegracije stijena, dolazi do d j i ih i l i k ihraspadanja primarnih minerala i nastanka novih

• Mehanička: temperaturne razlike, smrzavanja vode i kristalizacije solisoli

• Kemijske: djelovanjem vode, kisika i ugljičnog dioksida ‐ dolazi hidrolize oksidacije i karbonatizacijehidrolize, oksidacije i karbonatizacije

• Novonastali minerali nazivaju se mineralima kore trošenja• Najčešće se radi o hidroksidima oksidima i karbonatimaNajčešće se radi o hidroksidima, oksidima i karbonatima

Otporni na trošenje i nastali trošenjemOtporni na trošenje i nastali trošenjem• Među mineralima nastalimMeđu mineralima nastalim 

trošenjem mogu se razlikovati:• Otporni na kemijsko trošenje ‐p j j

talože se nepromijenjeni ‐rezistentni minerali (primjerice kvarc i neki silikati)kvarc i neki silikati)

• Minerali nastali trošenjem primarnih silikata (primjericeprimarnih silikata (primjerice minerali glina i aluminijskih hidroksida)

• Minerali nastali djelovanjem H2CO3 na primarne silikatne minerale prvo se stvarajuminerale ‐ prvo se stvaraju karbonati koji potom prelaze u okside te hidrokside

Kružni ciklus mineralaKružni ciklus minerala• Magmatski

– PirogeniPegmatitski– Pegmatitski

– Pneumatski– Hidrotermalni

• Sedimentni– Hidratogeni, nastali:

• Evaporacijom• Kemijskom reakcijom• Sublimacijom• Sniženjem temperature

O i t li– Organogeni, nastali:• Fiziološkim funkcijama• Bitumenizacijom i 

oksidacijomoksidacijom• Prekristalizacijom

• Metamorfni– Kontaktna metamorfoza– Kontaktna metamorfoza– Regionalna metamorfoza– Pneumatoliza i 

hidrotermalnahidrotermalnametamorfoza

– Metasomatski procesi

Klasifikacija mineralaKlasifikacija minerala• Danas je poznato više od 4000 mineralaDanas je poznato više od 4000 minerala• Oko 200 česti u prirodi• 8 kemijskih elemenata (O, Si, Fe, Al, Ca,8 kemijskih elemenata (O, Si, Fe, Al, Ca, 

Na, Mg i K) čini 99% sastava minerala koji izgrađuju litosferu

• Nove minerale nakon detaljnog opisa atomne strukture i kemijskog sastava mora prihvatiti CNMNIMA (Commissionmora prihvatiti CNMNIMA (Commissionof New Minerals and Mineral Names of the International MineralogicalgAssociation)

• U nazivlju nema pravila• Imena prema izgledu, kemijskim ili 

fizikalnim svojstvima, lokaciji pronalaska pronalazaču drugimpronalaska, pronalazaču, drugim osobama…

Klasifikacija mineralaKlasifikacija minerala• Na temelju kemijskog sastava, posebice aniona, te prema 

kemijskoj strukturi. j j• Prema prema glavnoj anionskoj komponenti postoji ukupno 

trinaest razreda minerala:• 1. samorodni elementi• 2. sulfidi, selenidi, teluridi

• 8. borati• 9. sulfati, selenati, telurati, 

k i• 3. oksidi, oksihidroksidi, hidroksidi• 4. halogenidi

kromati• 10. fosfati, arsenati, vanadati

11 libd i lf i• 5. karbonati• 6. nitrati

• 11. molibdati, volframati• 12. silikati

13 ki i li• 7. jodati• Od njih daleko su najčešći, a time i najznačajniji silikati, oksidi i 

hid k idi k b i

• 13. organski minerali

hidroksidi te karbonati. •

Samorodni elementiSamorodni elementi• Cu• Cu

• Au

SulfidiSulfidi

• pirit, FeS2 sfalerit, ZnSp , 2 ,

• galenit, PbS halkopirit, CuFeS2

HalogenidiHalogenidi

• halit (NaCl) fluorit (CaF2).

Oksidi i hidroksidiOksidi i hidroksidi• hematit (Fe O ) magnetit (Fe O ) kasiterit sno2• hematit (Fe2O3) magnetit (Fe3O4) kasiterit, sno2

• rutil, tio2 brucit (Mg(OH)2 gibsit (Al(OH)3)

KarbonatiKarbonati

• kalcit (CaCO3)  dolomit (CaMg)CO3

SulfatiSulfati

• gips (CaSO4 2H2O) barit

FosfatiFosfati• apatit (Ca (PO ) (OH))• apatit (Ca5(PO4)3(OH))

BoratiBorati• Boraks (Na2BIII2BIV2O5(OH)4 8H2O).

Silikati• amfibol (Ca2(Fe,Mg)5Si8O22(OH)2), 

inosilikat

Silikati• cirkon (ZrSiO4), nezosilikat

t lk (M Si O (OH) ) fil ilik t• epidot (Ca2Al2FeO(OH)SiO4 Si2O7),• talk (Mg3Si4O10(OH)2), filosilikatp ( 2 2 ( ) 4 2 7),

• sorosilikat

• kvarc (SiO2), tektosilikat• beril (Be3Al2(SiO3)6), ciklosilikat