Phương Nam Co LTD
© 26/12/2024 - Vietnam12h.com Application

Cấu trúc tinh thể khoáng vật Trong khoáng vật học và tinh thể học, một cấu trúc tinh thể là một sự sắp xếp đặc biệt của các nguyên tử trong tinh thể. Một cấu trúc tinh thể gồm có một ô đơn vị và rất nhiều các nguyên tử sắp xếp theo một cách đặc biệt; vị trí của chúng được lặp lại một cách tuần hoàn trong không gian ba chiều theo một mạng Bravais. Kích thước của ô đơn vị theo các chiều khác nhau được gọi là các thông số mạng hay hằng số mạng. Tùy thuộc vào tính chất đối xứng của ô đơn vị mà tinh thể đó thuộc vào một trong các nhóm không gian khác nhau. Cấu trúc và đối xứng của tinh thể có vai trò rất quan trọng với các tính chất liên kết, tính chất điện, tính chất quang,... của của tinh thể. Dựa vào sự sắp xếp và đặc tính liên kết giữa các nguyên tố trong các khoáng vật, người ta có thể chia cấu trúc của các loại tinh thể khoáng vật khác nhau thành các lớp sau: Tứ diện đơn (Single tetrahedral) Mạch đơn (Single chain) Mạch kép (Double chains) Cấu trúc lớp Cấu trúc khung Cấu trúc tinh thể tứ diện đơn: Trong cấu trúc tứ diện riêng rẽ thì các tứ diện sắp xếp riêng rẽ và liên kết với nhau bởi các cation. Tỷ lệ Silic : Oxy của các khoáng vật này là Olivine. Ví dụ điển hình là các khoáng vật nhóm Olivine (Fe, Mg) SiO4. Đây là một chuỗi dung dịch cứng (Solid - Solution) bao gồm một nhóm các khoáng vật có cấu trúc giống nhau nhưng có các ion kim loại khác nhau có cùng kích thước có thể thay thế cho nhau. Cấu trúc của Olivin dạng nguyên tử nhìn từ trục a. Màu đỏ là ôxy, màu hồng là silic, và magiê/sắt có màu lam. Hình chiếu của ô đơn vị được giới hạn trong hình chữ nhật đen Một chuỗi dung dịch cứng thường có 2 khoáng vật cuối cùng (end - nember) trong đó tất cả các vị trí Cation tiềm tàng đều được chiếm giữ bởi một loại Ion. Giữa 2 thành viên này là các khoáng vật mà các vị trí Cation thường bị chiếm giữ bởi 2 hay nhiều hơn các Cation khác nhau. Các khoáng vật tứ diện đơn khác còn có Granat, Topaz… Cấu trúc tinh thể dạng mạch đơn: Trong cấu trúc tinh thể dạng mạch đơn thì các tứ diện Silic - Oxy được nối với nhau tạo thành một mạch trong đó 2 góc của mỗi tứ diện nối với nhau, tạo thành một đơn vị với tỷ lệ Silic - Oxy là 1 : 3. Đại diện điển hình nhất của cấu trúc này là nhóm Pyroxene mà thành viên cuối Augit {(Ca, Na)(Mg, Fe3+, Fe2+, Al) [(Si, Al)2O6]} là phổ biến nhất. Sự liên kết yếu hơn giữa các mạch nằm cạnh nhau bởi các Ion dương so với sự liên kết chặt chẽ trong mạch dẫn đến sự thành tạo cắt khai trong khoáng vật. Cấu trúc dạng mạch kép: Hình ảnh cho cấu trúc tinh thể pyroxene Cấu trúc dạng mạch kép được hình thành khi 2 mạch đơn liên kết với nhau bằng cách chia xẻ các nguyên tử Oxy. Ở đây góc thứ 3 của tứ diện nối với nhau. Cấu trúc khung được đặc trưng bởi nhóm khoáng vật Amphibol mà thành viên Hornblende {(Na, Ca)2-3(Mg, Fe2+, Fe3+, Al)[(Si, Al)2O22(OH)2} là phổ biến nhất. Cấu trúc mạch kép giống như các tấm ván với cấu trúc tinh thể được hình thành bằng cách chất các tấm lần lượt chồng lên nhau và gắn với nhu bởi các Cation. Sự gắn kết yếu giữa các mạch kép bởi các Ion dương cũng tạo nên các cắt khai đặc trưng của khoáng vật (như Amphibole). Cấu trúc lớp: Hình ảnh cho cấu trúc tinh thể muscovite Trong cấu trúc lớp, các tứ diện Silicate nối với nhau tạo thành các lớp với cấu trúc hình 6 cạnh cân xứng. Ba nguyên tử Oxy của mỗi tứ diện liên kết với các Ion khác và để lại 1 Ion trống nằm phía ngoài của lớp. Tỷ lệ (Silic + nhôm) : Oxy là 2 : 5. Hầu hết các khoáng vật dạng lớp đều được hình thành bởi sự liên kết của 2 lớp tứ diện với nhau với các Cation nối các mặt Oxy hóa trị âm. Sự gắn kết giữa các lớp tứ diện rất chặt chẽ. Các lớp liên kết xếp chồng lên nhau tạo ra cấu trúc của khoáng vật. Đại diện của cấu trúc này là nhóm Mica. Trong nhóm này, khoáng vật Mica Sắt - Magie, Biotite, {K (Mg, Fe2+)3(Al, Fe3+)Si3O10(OH)2} hai lớp tứ diện được liên kết với nhau bởi sắt hoặc Magie trong khi đó trong loại Mica không chứa Sắt và Magie, KAl2(AlSi3)O10(OH)2 thì 2 lớp được nối với nhau bởi nhôm. Các tấm Silicate được liên kết yếu ớt với nhau bởi các ion Kali. Đặc tính cắt khai mạnh của Mica chính là do sự liên kết yếu của Ion Kali giữa các lớp cấu trúc. Các khoáng vật sét cũng có cấu trúc lớp điển hình. Chúng được thành tạo bởi phong hóa hóa học của hầu hết các khoáng vật Silicate và là thành phần chính của nhiều loại đất khác nhau. Cấu trúc khung: Cấu trúc khung là sự sắp xếp 3 chiều của các tứ diện trong đó 2 tứ diện cạnh nhau đều có chung 1 Oxy, tạo ra một tỷ lệ Silic / Oxy = 1 : 2. Các khoáng vật Feldspar (các khoáng vật tạo đá chính) và Thạch anh có cấu trúc kiểu này. Các khoáng vật nhóm Feldspar được chia thành 2 phụ nhóm là các khoáng vật Feldspar Kali và Plagioclas. Phụ nhóm Plagioclas là một chuỗi dung dịch cứng trong đó thành phần thay đổi từ thành viên cuối giàu Canxi (Anorthoclas - CaAl2Si2O8) tới thành viên cuối giàu Natri (Albit - NaAlSi2O8). Các khoáng vật Feldspar gồm có Octhoclase, Microcline và Sanidine. Tất cả các khoáng vật này đều khác nhau về cấu trúc tinh thể. Thạch anh (SiO2) là khoáng vật có mặt nhiều thứ hai trong vỏ Trái Đất sau Feldspar. Trong cấu trúc tinh thể của thạch anh thì mỗi nguyên tử ôxy trong cấu trúc tứ diện Silic - Oxy cung cấp một hóa trị âm cho hai phức Si4+. Do đó không cần bất cứ một ion dương nào cần thiết để trung hòa điện thế. Vì vậy công thức cấu trúc của thạch anh (SiO2; 1 : 2) cũng giống với tỷ lệ Silic / Oxy (1 : 2) của cấu trúc mạng. Việc phân chia các khoáng vật Silicate thành các nhóm Sắt - Magie và không Sắt – Magie cũng phân chia chúng thành các nhóm có các đặc tính vật lý cơ bản khác nhau. Vì sắt trong cấu trúc tinh thể có đặc tính hấp thụ ánh sáng mạnh nên tất cả các khoáng vật chứa Sắt - Magie đều có màu sẫm, từ màu đen, xanh thẫm, tới nâu. Ngược lại, các khoáng vật không chứa Sắt - Magie thường có màu nhạt, từ không màu, trắng, hoặc hồng. Do có chứa những hàm lượng nhất định của sắt nên các khoáng vật Sắt - Magie thường có trọng lượng riêng cao hơn các khoáng vật không Sắt - Magie. Đây là những đặc tính quan trọng để phân biệt hai nhóm khoáng vật trên. Các khoáng vật không Silicate: Mặc dù các khoáng vật không Silicate chỉ tạo thành dưới 10% khối lượng vỏ Trái Đất, nhưng chúng đóng mọt vai trò quan trọng. Chúng bao gồm các khoáng vật Carbonat, Sulphur, Sulphat, Halid, Hydroxyt, Photphat và tự sinh. Các khoáng vật nhóm Carbonat, Sulphat, và Photphat: Phức anion (CO2)2- kết hợp với các Cation kim loại tạo thành các khoáng vật Carbonat. Trong số đó quan trọng nhất là Calcit, Aragonit và Dolomit. Aragonit và Calcit có cùng thành phần và là dạng đồng hình của nhau (Polymorph). Khoáng vật Calcit (CaCO3) là khoáng vật chủ yếu của đá vôi, là nguyên liệu quan trọng của ngành công nghiệp xây dựng. Apatit là khoáng vật Photphat quan trọng nhất, được tạo thành từ phức Anion (PO4)3- và tạo thành công thức khoáng vật Ca5(PO4)3(F,OH). Apatit là những nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp hóa chất (Phân bón, thuốc trừ sâu…). Các khoáng vật Sulphat được tạo thành nhờ phức Anion (SO4)2-. Các khoáng vật phổ biến nhất là Anhydrit (CaSO4) và Gypsit (CaSO4. 2H2O) được thành tạo chủ yếu từ sự bốc hơi của nước biển.

Cấu trúc tinh thể khoáng vật

Trong khoáng vật học và tinh thể học, một cấu trúc tinh thể là một sự sắp xếp đặc biệt của các nguyên tử trong tinh thể. Một cấu trúc tinh thể gồm có một ô đơn vị và rất nhiều các nguyên tử sắp xếp theo một cách đặc biệt; vị trí của chúng được lặp lại một cách tuần hoàn trong không gian ba chiều theo một mạng Bravais. Kích thước của ô đơn vị theo các chiều khác nhau được gọi là các thông số mạng hay hằng số mạng. Tùy thuộc vào tính chất đối xứng của ô đơn vị mà tinh thể đó thuộc vào một trong các nhóm không gian khác nhau.

Cấu trúc và đối xứng của tinh thể có vai trò rất quan trọng với các tính chất liên kết, tính chất điện, tính chất quang,... của của tinh thể.

Dựa vào sự sắp xếp và đặc tính liên kết giữa các nguyên tố trong các khoáng vật, người ta có thể chia cấu trúc của các loại tinh thể khoáng vật khác nhau thành các lớp sau:

Tứ diện đơn (Single tetrahedral)

Mạch đơn (Single chain)

Mạch kép (Double chains)

Cấu trúc lớp

Cấu trúc khung

Cấu trúc tinh thể tứ diện đơn:

Trong cấu trúc tứ diện riêng rẽ thì các tứ diện sắp xếp riêng rẽ và liên kết với nhau bởi các cation. Tỷ lệ Silic : Oxy của các khoáng vật này là Olivine. Ví dụ điển hình là các khoáng vật nhóm Olivine (Fe, Mg) SiO4. Đây là một chuỗi dung dịch cứng (Solid - Solution) bao gồm một nhóm các khoáng vật có cấu trúc giống nhau nhưng có các ion kim loại khác nhau có cùng kích thước có thể thay thế cho nhau.

Cấu trúc của Olivin dạng nguyên tử nhìn từ trục a. Màu đỏ là ôxy, màu hồng là silic, và magiê/sắt có màu lam. Hình chiếu của ô đơn vị được giới hạn trong hình chữ nhật đen

Một chuỗi dung dịch cứng thường có 2 khoáng vật cuối cùng (end - nember) trong đó tất cả các vị trí Cation tiềm tàng đều được chiếm giữ bởi một loại Ion. Giữa 2 thành viên này là các khoáng vật mà các vị trí Cation thường bị chiếm giữ bởi 2 hay nhiều hơn các Cation khác nhau. Các khoáng vật tứ diện đơn khác còn có Granat, Topaz…

Cấu trúc tinh thể dạng mạch đơn: Trong cấu trúc tinh thể dạng mạch đơn thì các tứ diện Silic - Oxy được nối với nhau tạo thành một mạch trong đó 2 góc của mỗi tứ diện nối với nhau, tạo thành một đơn vị với tỷ lệ Silic - Oxy là 1 : 3. Đại diện điển hình nhất của cấu trúc này là nhóm Pyroxene mà thành viên cuối Augit {(Ca, Na)(Mg, Fe3+, Fe2+, Al) [(Si, Al)2O6]} là phổ biến nhất. Sự liên kết yếu hơn giữa các mạch nằm cạnh nhau bởi các Ion dương so với sự liên kết chặt chẽ trong mạch dẫn đến sự thành tạo cắt khai trong khoáng vật.

Cấu trúc dạng mạch kép:

Hình ảnh cho cấu trúc tinh thể pyroxene

Cấu trúc dạng mạch kép được hình thành khi 2 mạch đơn liên kết với nhau bằng cách chia xẻ các nguyên tử Oxy. Ở đây góc thứ 3 của tứ diện nối với nhau. Cấu trúc khung được đặc trưng bởi nhóm khoáng vật Amphibol mà thành viên Hornblende {(Na, Ca)2-3(Mg, Fe2+, Fe3+, Al)[(Si, Al)2O22(OH)2} là phổ biến nhất.

Cấu trúc mạch kép giống như các tấm ván với cấu trúc tinh thể được hình thành bằng cách chất các tấm lần lượt chồng lên nhau và gắn với nhu bởi các Cation. Sự gắn kết yếu giữa các mạch kép bởi các Ion dương cũng tạo nên các cắt khai đặc trưng của khoáng vật (như Amphibole).

Cấu trúc lớp:

Hình ảnh cho cấu trúc tinh thể muscovite

Trong cấu trúc lớp, các tứ diện Silicate nối với nhau tạo thành các lớp với cấu trúc hình 6 cạnh cân xứng. Ba nguyên tử Oxy của mỗi tứ diện liên kết với các Ion khác và để lại 1 Ion trống nằm phía ngoài của lớp. Tỷ lệ (Silic + nhôm) : Oxy là 2 : 5. Hầu hết các khoáng vật dạng lớp đều được hình thành bởi sự liên kết của 2 lớp tứ diện với nhau với các Cation nối các mặt Oxy hóa trị âm. Sự gắn kết giữa các lớp tứ diện rất chặt chẽ. Các lớp liên kết xếp chồng lên nhau tạo ra cấu trúc của khoáng vật. Đại diện của cấu trúc này là nhóm Mica. Trong nhóm này, khoáng vật Mica Sắt - Magie, Biotite, {K (Mg, Fe2+)3(Al, Fe3+)Si3O10(OH)2} hai lớp tứ diện được liên kết với nhau bởi sắt hoặc Magie trong khi đó trong loại Mica không chứa Sắt và Magie, KAl2(AlSi3)O10(OH)2 thì 2 lớp được nối với nhau bởi nhôm. Các tấm Silicate được liên kết yếu ớt với nhau bởi các ion Kali. Đặc tính cắt khai mạnh của Mica chính là do sự liên kết yếu của Ion Kali giữa các lớp cấu trúc.

Các khoáng vật sét cũng có cấu trúc lớp điển hình. Chúng được thành tạo bởi phong hóa hóa học của hầu hết các khoáng vật Silicate và là thành phần chính của nhiều loại đất khác nhau.

Cấu trúc khung:

Cấu trúc khung là sự sắp xếp 3 chiều của các tứ diện trong đó 2 tứ diện cạnh nhau đều có chung 1 Oxy, tạo ra một tỷ lệ Silic / Oxy = 1 : 2. Các khoáng vật Feldspar (các khoáng vật tạo đá chính) và Thạch anh có cấu trúc kiểu này.

Các khoáng vật nhóm Feldspar được chia thành 2 phụ nhóm là các khoáng vật Feldspar Kali và Plagioclas. Phụ nhóm Plagioclas là một chuỗi dung dịch cứng trong đó thành phần thay đổi từ thành viên cuối giàu Canxi (Anorthoclas - CaAl2Si2O8) tới thành viên cuối giàu Natri (Albit - NaAlSi2O8). Các khoáng vật Feldspar gồm có Octhoclase, Microcline và Sanidine. Tất cả các khoáng vật này đều khác nhau về cấu trúc tinh thể.

Thạch anh (SiO2) là khoáng vật có mặt nhiều thứ hai trong vỏ Trái Đất sau Feldspar. Trong cấu trúc tinh thể của thạch anh thì mỗi nguyên tử ôxy trong cấu trúc tứ diện Silic - Oxy cung cấp một hóa trị âm cho hai phức Si4+. Do đó không cần bất cứ một ion dương nào cần thiết để trung hòa điện thế. Vì vậy công thức cấu trúc của thạch anh (SiO2; 1 : 2) cũng giống với tỷ lệ Silic / Oxy (1 : 2) của cấu trúc mạng.

Việc phân chia các khoáng vật Silicate thành các nhóm Sắt - Magie và không Sắt – Magie cũng phân chia chúng thành các nhóm có các đặc tính vật lý cơ bản khác nhau. Vì sắt trong cấu trúc tinh thể có đặc tính hấp thụ ánh sáng mạnh nên tất cả các khoáng vật chứa Sắt - Magie đều có màu sẫm, từ màu đen, xanh thẫm, tới nâu. Ngược lại, các khoáng vật không chứa Sắt - Magie thường có màu nhạt, từ không màu, trắng, hoặc hồng. Do có chứa những hàm lượng nhất định của sắt nên các khoáng vật Sắt - Magie thường có trọng lượng riêng cao hơn các khoáng vật không Sắt - Magie. Đây là những đặc tính quan trọng để phân biệt hai nhóm khoáng vật trên.

Các khoáng vật không Silicate: Mặc dù các khoáng vật không Silicate chỉ tạo thành dưới 10% khối lượng vỏ Trái Đất, nhưng chúng đóng mọt vai trò quan trọng. Chúng bao gồm các khoáng vật Carbonat, Sulphur, Sulphat, Halid, Hydroxyt, Photphat và tự sinh.

Các khoáng vật nhóm Carbonat, Sulphat, và Photphat:

Phức anion (CO2)2- kết hợp với các Cation kim loại tạo thành các khoáng vật Carbonat.

Trong số đó quan trọng nhất là Calcit, Aragonit và Dolomit. Aragonit và Calcit có cùng thành phần và là dạng đồng hình của nhau (Polymorph). Khoáng vật Calcit (CaCO3) là khoáng vật chủ yếu của đá vôi, là nguyên liệu quan trọng của ngành công nghiệp xây dựng.

Apatit là khoáng vật Photphat quan trọng nhất, được tạo thành từ phức Anion (PO4)3- và tạo thành công thức khoáng vật Ca5(PO4)3(F,OH). Apatit là những nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp hóa chất (Phân bón, thuốc trừ sâu…).

Các khoáng vật Sulphat được tạo thành nhờ phức Anion (SO4)2-. Các khoáng vật phổ biến nhất là Anhydrit (CaSO4) và Gypsit (CaSO4. 2H2O) được thành tạo chủ yếu từ sự bốc hơi của nước biển.