Tartalmi kivonat
Bevezetés és Terméselemek SZAKÁLL SÁNDOR ÁSVÁNYRENDSZERTAN A kristályrajzokat készítette: Fehér Béla Első rész: Bevezetés; Terméselemek 1 Bevezetés és Terméselemek Bevezetés Az ásványok sokfélesége és változatossága – jelenleg több mint 4000 ásványt ismerünk, és évente 50– 60 újabbat fedeznek föl a kutatók – szükségessé tette csoportosításukat, rendszerezésüket. Az ásványok rendszerezésével foglalkozó első – főleg német és svéd tudósok által írt – könyveket a 17. századból ismerjük Azóta jó néhány ásványrendszertan született. Az első magyar nyelvű ásványtani könyv is valójában ásványrendszertan – Benkő Ferenc Magyar Minerologia című műve 1786-ban jelent meg, – mely az akkor legismertebb rendszerezés alapján mutatja be az ásványokat (a német Abraham Gottlob Werner rendszere szerint). Ez a rendszertan még tartalmazza a mai értelemben vett ásványokon kívül a kőzeteket,
talajtípusokat, sőt ősmaradványokat is. Werner szerint a rendszerezés két fő szempontja a „külső és belső megesmértetőjegyek” számbavétele. Ezek mai felfogásunkban a kristálymorfológiának, illetve a kémiai jellegnek felelnek meg Ez a rendszerezési tevékenység az ásványtan fejlődésével együtt különböző szakaszokon ment keresztül. Az egyik legnagyobb ásványrendszerezőnek az amerikai James Dwight Dana tartható, akinek a 19 század közepén alkotott rendszerét – a mai napig igazítva a modern ismeretekhez – jelenleg is használják. Az utóbbi hat évtized legnagyobb európai rendszerezője a német Hugo Strunz, akinek ásványrendszertanát – természetesen egyszerűsített formában – fogjuk követni a továbbiakban. Meg kell említsük Sztrókay Kálmán Imre nevét is, akinek – elsősorban Strunz, Dana és Bragg alapján összeállított – rendszertanát használták a magyar ásványtani oktatásban a 20. század második
felében A mai ásványrendszerezés alapja alapvetően a kristálykémia, tekintettel arra, hogy az anyagszerkezet az elsődleges hordozója a kémiai, fizikai és morfológiai sajátságoknak. A rendszer alapvázát az egyszerű és összetett anionok által meghatározott osztályok jelentik. Így a rendszerezés alapjaként az anion-elvet fogadjuk el. Rendszerünk – az egyes osztályok révén – az ionizáció nélküli elemkapcsolódásoktól kezdődően a mind nagyobb ionizációs fokú kötések irányába mutat. A kezdeti uralkodóan fémes és kovalens kötések után, a kisebb ionizáció fokán az átmeneti kötések, majd az egyre inkább ionossá váló rendszerekben a kifejezetten heteropoláris kötések lesznek az uralkodók. Azonban már a 20 század elejétől jól tudjuk, hogy az ásványt nemcsak kémiai összetétele, hanem annak kristályszerkezete együttesen jellemzik. Így az ásványrendszertan egyrészt a fent említett kémiai, másrészt
kristályszerkezeti alapokon nyugszik. Kristályszerkezeti alapokon történő csoportosítást először szilikátokon William H. Bragg és Viktor M Goldschmidt készített a 20 század elején. Az ásványosztályok sorrendje: I. Terméselemek; II Szulfidok; III Halogenidek; IV Oxidok és hidroxidok; V Karbonátok és nitrátok; VI. Borátok VII Szulfátok; VIII Foszfátok és arzenátok; IX Szilikátok; X Szerves ásványok Az egyes osztályokon belüli csoportosításban részben az ionizáció fokozódása jut kifejezésre, amit az alosztályokra tagolás után a kristályszerkezeti rokonsággal valósítunk meg. A szoros szerkezeti rokonságba tartozó ásványokat családokba és csoportokba soroljuk. Ezen belül kerül sor az izomorf elegysorok tárgyalására. Végül, mint a rendszerezés alapelemei az ásványok (ásványfajok) következnek Az egyéb, ásványok elnevezésére használt nevek a jelenleg érvényes fajnévhez való viszony alapján négy fő csoportra
oszthatók: - változatnév: a fajnévnél alacsonyabb rendű, egy ásványfajnak valamilyen tulajdonsága alapján elkülönülő példányaira használják. Így lehetnek színváltozatok, a korundnál például a vörös rubin, a kék zafír, illetve alakváltozatok, a kvarcnál például jogarkvarc, tűkvarc. A kémiai összetételükben különböző változatokat ma egy különálló, előtagú megjegyzéssel kell megkülönböztessük a fajtól (régebben a fajjal egybeírt jelzővel vagy külön elnevezéssel tettük): mangántartalmú kalcit (manganokalcit); mangántartalmú sziderit (oligonit). - szinonima: a fajnévvel egyező ásványtani tartalmú, de vele nem egyenrangú, a hivatalos használatban kerülendő név (ma nem érvényes név). Ennek oka, hogy az egyes fázisokra ugyanazt a nevet kell használjuk, amiatt, hogy a nevezéktan egységes és egyértelmű legyen (például dezmin sztilbit, szfén titanit, hidrargillit gibbsit stb.) - rendszertani összefoglaló
név: fajnál magasabb szintű kategória, az egyes fajok közötti izomorf elegysorokat, illetve a fajok különböző rendszertani szintű csoportjait jelöli (pl. olivin, gránát, plagioklász) - egyéb nevek: olyan terminusok, melyek mai ásványtani tartalma már nem egyértelmű, például bomlástermékek és keverékek nevei (limonit, leukoxén stb.) Az alábbiakban osztályonként mutatjuk be a legfontosabb ásványokat. Ennek során hozzávetőleg 200 ásvánnyal fogunk részletesebben megismerkedni. A fajok tárgyalása előtt az osztályokra, alosztályokra, illetve csoportokra, családokra, és izomorf elegysorokra vonatkozó legfontosabb ismereteket közöljük. Ezek közül az adott egységhez tartozó legfontosabb fajokat táblázatosan mutatjuk be (azokat az ásványokat, melyeket később részletesebben is tárgyalunk, ebben a táblázatban vastag betűvel jelöltük). Az egyes ásványok ismeretanyagának részletes kifejtése során az alábbi sorrendet
követjük: 2 Bevezetés és Terméselemek Név – Kémiai képlet Krist. (kristálytani, morfológiai jellemzők); Fiz (fizikai sajátságok); Tércsop (tércsoport, elemi cella adatok); Ércmikr. (ércmikroszkópi adatok opak ásványok esetén); Pol mikr (polarizációs mikroszkópi adatok nem opak ásványok esetén); Kém. (kémiai sajátságok); Vált (fontosabb változatok) Földt. – Előf (földtani-genetikai keretek, legfontosabb előfordulások, különös tekintettel a kárpát-övezet lelőhelyeire); Ásv.társ (leggyakoribb kísérő ásványok) Felh. (jelentősebb felhasználási területek) 3 Bevezetés és Terméselemek I. osztály Terméselemek (fémek és intermetallikus vegyületek; félfémek és nemfémek; karbidok, szilicidek, nitridek és foszfidok) Jelenleg közel 100 terméselemet és rokon vegyületet ismerünk ásványként, mennyiségük azonban nem haladja meg a földkéreg tömegének 0,1%-át. A terméselemek és rokon vegyületek roppant
változatos szerkezettel és kötéstípusokkal rendelkeznek. A fémek viszonylag egységes szerkezetűek, melyekre zömmel a legtömöttebb illeszkedés, illetve a fémes kötés jellemző. A félfémek minden szempontból átmenetet képeznek a nemfémek irányába. A nemfémek szerkezetében részben kovalens kötés (szén módosulatai), részben van der Waals kötés ismert (kén és rokon elemek). Amíg a fémek fémes rácsot alkotnak, addig a nemfémek atomrácsot, és molekularácsot egyaránt. A szorosan vett terméselemek mellett ebbe az osztályba tartoznak az intermetallikus vegyületek (ötvözetek), illetve a karbidok, szilicidek, nitridek és foszfidok. Az alábbiakban – a gázneműeket kivéve, mivel azok nem tartoznak az ásványok közé – csak a leggyakoribb terméselemeket mutatjuk be. A terméselemek osztályát három alosztályban – fémek, félfémek és nemfémek, illetve fémes és nemfémes karbidok, szilicidek, nitridek és foszfidok – tárgyaljuk.
I. A alosztály Fémek és intermetallikus vegyületek A fémek és intermetallikus vegyületek kristályrácsában fémes kötés érvényesül, ezzel magyarázhatók jellegzetes fizikai és kémiai sajátságaik. A fémes kötést a rácspontokban elhelyezkedő atomok és a közöttük szabadon mozgó elektronok hozzák létre. A fémes rácsot alapvetően a legtömöttebb rácsilleszkedés jellemzi, ennek két típusa: köbös lapon centrált (ccp) és hexagonális lapon centrált (hcp). Ezekben a koordinációs számok egyaránt 12. Tömött rácsilleszkedés jellemzi a fémeknél szintén jellemző, köbös térben centrált rácsot, ahol a koordinációs szám 8. A fémes rácsokra jellemző fizikai tulajdonságok, mint az átlátszatlanság (opak megjelenés), fémes fény, nagy fényvisszaverőképesség (reflexió), jó elektromos- és hővezetés, kis keménység, nagy sűrűség, nyújthatóság, alakíthatóság (ez utóbbi két sajátság egyébként csak a ccp és hcp
típusú rácsokra jellemző). A fémes rács általában nem követel meg szigorú kémiai összetételt, sőt ha az atomrádiuszok hasonlóak, korlátlanul képeznek egymással szilárd oldatot (fémek ötvözetei). A fémekhez tartozik az egyetlen kivételnek számító folyékony ásvány, a terméshigany. Arany-csoport Az arany-csoportba tartozó fémek mind a köbös rendszerben kristályosodnak, a legtömöttebb illeszkedésű, lapon centrált fémes ráccsal (ábra). Tekintettel arra, hogy az Au és Ag atomrádiusza azonos (1,44 Å), könnyen képeznek egymással szilárd oldatot. Ezzel szemben, mivel a Cu atomrádiusza kisebb (1,28 Å), a Cu csak korlátozottan elegyedik az arannyal és az ezüsttel. Mindhárom ásvány reflexióképessége kiemelkedik az ásványok közül, sőt az Ag reflexiója mindegyikét felülmúlja. A csoport tagjainak hasonló fizikai tulajdonságai (pl. fémes fény, nagy reflexióképesség, jó elektromos- és hővezetés, kis keménység, nagy
sűrűség, alakíthatóság) alapvetően a kristályszerkezetek közötti nagyfokú hasonlóságnak köszönhetők. Termésréz (termésarany, termésezüst), köbös lapon centrált rács (fekete gömbök Cu-atomok) termésréz termésarany termésezüst Cu Au Ag köbös köbös köbös 4 Bevezetés és Terméselemek Termésréz Cu Krist.: köbös Uralkodó formák az {111} oktaéder, {100} hexaéder, {110} rombdodekaéder, {210} tetrakiszhexaéder (ábra). Az {111} szerinti penetrációs ikrek ritkák Gyakoriak torzult kristályai – legömbölyödött élekkel és csúcsokkal, – melyek sokszor trigonális vagy tetragonális jellegűek. Általában ágasbogas vagy drót- és hajszerű halmazok, dendrites aggregátumok (ábra), bekérgezések, vagy vaskos tömegek formájában ismert. Fiz: hasadása nincs, törése horgas; K = 2,5–3; S = 8,5–8,9; színe frissen rézvörös, erős fémes fénnyel, idővel azonban felszíne fénytelen barnává vagy feketévé alakul
át, végül halványzöld, filmszerű réz-karbonátos bevonat is megjelenhet felszínén; karcolási pora rézvörös és fémesen csillogó; opak; fémfényű; hidegen könnyen kalapálható, nyújtható; Tércsop.: Fm3m, a = 3,615, Z = 4 Ércmikr: telt rózsaszínű, izotróp Kém.: rendszerint tiszta, legfeljebb Au-t, Ag-t, As-t és Sb-t tartalmazhat kis mennyiségben Földt.-előf: elsődleges lelőhelyei bazaltos lávákhoz kapcsolódnak, melyekben hidrotermás oldatok és vasoxidos ásványok reakciójának eredményeként válik ki Ennek a típusnak legnagyobb előfordulása: Keweenawfélsziget, Michigan (USA), de egyesek ilyen jellegűnek tartják a recski Baj-patak termésrezét is Ehhez a hidrotermás úton képződött termésrézhez kalcit, prehnit, epidot és zeolitok kapcsolódnak. Másodlagos eredettel, általánosan elterjedt rézérctelepek oxidációs-cementációs zónájában: Rudabánya, Martonyi; Balánbánya, Újmoldova, Szászkabánya (RO), Libetbánya,
Nandrás, Dobsina (SK), Chessy (F), Cornwall (GB), Nyizsnij Tagil (RUS), Bisbee, Arizona (USA). Az oxidációs-cementációs zónában réz-szulfidok felszínközeli mállása során képződő réz-tartalmú oldatokból redukcióval keletkezik. Ásvtárs: kuprit, kalkozin, tenorit, covellin, azurit, malachit, goethit. Felh.: a réz az emberiség által legkorábban megismert fémek egyike Évezredekkel ezelőtt a réz legfontosabb nyersanyaga a termésréz volt. Ma azonban alapvetően különböző réz-szulfidokból nyerik ki a rezet A kohászat (ötvözetek) és az elektronikai ipar a legfontosabb felhasználói. Termésréz, tetrakiszhexaéderes kristály Termésréz, dendrites halmaz Termésezüst Ag Krist.: köbös Uralkodó formái az {111} oktaéder és {100} hexaéder Penetrációs ikrek {111} szerint ismertek Általában drót, haj, moha alakú képződmények, illetve ágas-bogas, dendrites, vagy bádogszerű halmazokként jelenik meg. Fiz: hasadása nincs, törése
horgas; K = 2,5–3; S = 9,6–12; hidegen könnyen nyújtható, hajlítható; opak; frissen ezüstfehér erős fémes fénnyel, idővel azonban fénytelen szürke, fekete lesz; karcolási pora 5 Bevezetés és Terméselemek ezüstfehér és fémesen csillogó. Tércsop: Fm3m, a = 4,085, Z = 4 Ércm: izotróp, tiszta fehér, igen nagy reflexióképességű. Kém: szilárd oldatot korlátlanul képez az arannyal A termésaranyhoz közelítő átmeneti tag neve elektrum. Higannyal alkotott szilárd oldatát amalgámnak nevezik Kisebb mennyiségben esetenként Au, As, Sb és Bi is észlelhető termésezütben. Földt.-előf: legnagyobb mennyiségben elsődleges kiválásként jelenik meg érctelepeken Hidrotermás eredettel az Au-Ag-formáció jellegzetes ásványa: Telkibánya, Rudabánya; Selmecbánya, Hodrusbánya (SK), Bojca, Felsőbánya (RO), Batopilas (MEX), Potosi, Oruro (Bolívia). Hidrotermás eredetű a Co-Ni-Bi-Ag-formációban is, ahol Ni-Co-szulfidok, kalcit, barit,
fluorit társulnak hozzá: Annaberg, Freiberg (D), Jáchymov (CZ), Kongsberg (N), Cobalt, Thunder Bay (CAN). Másodlagosan – az előbbiekhez képest kisebb mennyiségben – érctelepek oxidációs-cementációs zónájában jelenik meg: Rudabánya; Bisbee, Arizona és Butte, Montana (USA); Tsumeb, Namíbia. Üledékes eredetű termésezüst a mansfeldi (D) rézpalából ismert, ahol eredetileg szulfidos alakban vált ki más szulfidokkal együtt, és később redukálódott elemi fémmé. Ásvtárs: termésarany, akantit, pirargirit, proustit, galenit, tetraedrit, kalcit, kvarc. Felh.: évezredeken keresztül az ezüst legfontosabb forrása a termésezüst volt Ma alapvetően ezüstszulfidokból, illetve galenitből (szinte elmaradhatatlan ezüsttartalma révén) állítanak elő ezüstöt Legfontosabb felhasználói az elektronikai ipar, kohászat (ötvözetek, pénzérmék), fekete-fehér filmek készítése, ékszeripar. Termésarany Au Krist.: köbös Uralkodó formák az {111}
oktaéder, {100} hexaéder (ábra), illetve az {110} rombdodekaéder Kristályai sokszor orientált összenövést alkotnak (ábra). Gyakrabban haj, huzal alakú, dendrites, bádog-, fólia- vagy szivacsszerű halmazokat alkot. Törmelékes üledékekben, torlatokban legömbölyödött szemcsék, sima vagy lyukacsos felületű rögök (nugget) ismertek. Fiz: nem hasad; törése horgas; K = 2,5–3; S = 19,28; opak; fémfényű, színe erősen függ az ezüsttartalomtól, annak növekedésével az aranysárgától a világos aranysárgáig változhat; karcolási pora aranysárga és fémesen csillogó; hidegen könnyen nyújtható, hajlítható; egészen vékony, néhány µm vastagságúra nyújtott lemezei zölden áttetszőek. Tércsop: Fm3m a = 4,07; Z = 4 Ércm.: izotróp, ragyogó aranysárga (nagyobb ezüsttartalomnál világosabb aranysárga) Kém: teljes szilárd oldatot alkothat az ezüsttel. A 20 tömeg% körüli, vagy annál magasabb Ag-tartalmú termésarany neve elektrum
Kisebb mennyiségben Cu, Bi, Hg és Pd is beépülhet a szerkezetébe. Földt.-előf: elsődlegesen hidrotermás kvarctelérekben zömmel finom hintésekként, lemezkék, ágacskák formájában jelenik meg (telérarany vagy hegyiarany). Sokszor a kísérő szulfidokban mintegy rejtve, zárványokként fordul elő. Az arany-kvarc telérek részben mélységi magmás kőzetekben ismertek (ún idős aranyformáció): Magurka, Csucsom (SK), Alpok (A,CH), Ural (RUS), Kalifornia (USA), illetve részben harmadidőszaki szubvulkáni magmatitokhoz kapcsolódnak (ún. fiatal aranyformáció): Telkibánya, Recsk, Rudabányácska; Selmecbánya, Körmöcbánya (SK), Nagybánya, Felsőbánya, Verespatak, Zalatna, Brád (RO), Alaszka, Nevada, Kalifornia (USA), Yukon, Brit-Kolumbia (CAN), Mexikó, Peru, Ausztrália. Ellenálló voltánál fogva – az aranytartalmú kőzetek felszíni lepusztulása és szállítódása után – gyakran dúsul törmelékes üledékekben, torlatokban (mosóarany).
Aranytartalmú torlatairól ismert folyók, területek: Duna, Dráva; Maros, Aranyos (RO), Ural (RUS), Alaszka, Kalifornia (USA), Yukon, Brit-Kolumbia (CAN), Dél-Afrikai Közt., Ausztrália. Néhány idős (fosszilis) torlat adja a Föld aranytermelésének nagy részét (pl Witwattersrand (DélAfrikai Közt) Ásvtárs: pirit, arzenopirit, akantit, kalkopirit, termésezüst, szilvanit, krennerit, kalkozin Felh.: évezredekkel ezelőtt és ma is a termésarany az aranykinyerés legfontosabb nyersanyaga (aranytartalmú szulfidokból és telluridokból mindig kevesebb aranyat nyernek ki). Az arany minden időben alapvetően értékmegőrző nemesfém volt. Emellett az ékszeriparban, az orvostudományban és tudományos berendezések speciális részeihez használják nagyobb mennyiségben. Termésarany: a{100}, o{111}, hexaéder és oktaéder kombinációja 6 Bevezetés és Terméselemek Termésarany, torzult kristályok orientált összenövése Vas-nikkel család Ebből a
családból a földkéregben csak ritkán előforduló termésvasat és két Fe-Ni ötvözetet (kamacit, ténit) tárgyaljuk részletesebben, az utóbbi kettő vasmeteoritok közönséges elegyrészei. Mivel a Fe és Ni atomrádiusza igen hasonló (1,26 és 1,27 Å), a Ni gyakran helyettesítheti a vasat. A termésvas (α-vas) és kamacit (utóbbi átlagosan 5,5 tömeg% Ni-t tartalmaz) köbös térben centrált rácsszerkezettel rendelkezik (ábra). Ezzel szemben a ténit (melynek Ni-tartalma széles sávban, 27 és 65 tömeg% között változhat) köbös lapon centrált ráccsal rendelkezik. Azt feltételezzük, hogy ilyen típusú Fe-Ni ötvözetekből állhat a Föld magja Termésvas (α-vas), köbös térben centrált rács (fekete gömbök Fe-atomok) Vas-kamacit-csoport termésvas kamacit ténit Nikkel-csoport termésnikkel termésalumínium termésólom Fe α-(Fe,Ni) γ-(Ni,Fe) köbös köbös köbös Ni Al Pb köbös köbös köbös Termésvas Fe Krist.: köbös
Kristályokat a természetben nem ismerünk, általában szemcsés halmazok, hintések vagy vaskos tömegek formájában jelenik meg. Fiz: {100} sz rosszul hasad, törése horgas; K= 4,5; S = 7,3–7,9; opak; frissen fémes fényű, színe vasfekete, idővel fénytelen, barna oxid-réteg jelenik meg felületén, karcolási pora vasfekete; nyújtható, alakítható; erősen ferromágneses (hevítve 769 °C fölött elveszti mágnesességét, miközben β-vassá alakul át). Tércsop: Im3m, a = 2,86, Z = 2 Ércmikr: izotróp, tiszta fehér Kém: kevés Fe3C (cohenit), FeS (troilit) és Fe1–xS (pirrhotin) lehet benne. A termésvas igen instabil a földi atmoszféra és a földfelszín oxidatív viszonyai közepette, így könnyen különféle Fe-oxidokká(-hidroxidokká) alakul át. 7 Bevezetés és Terméselemek Földt.-előf: a földi eredetű (terresztrikus) termésvas bázisos magmatitok (főként bazaltok) ritka elegyrésze, ahol vastartalmú kőzetalkotók karbonátos
anyagok beolvasztása által, redukcióval képződik: Bühl (D), Ovifak (Grönland), Tajmír-félsziget (RUS). Felh.: a vas az egyik legkorábban megismert fém Az első, még luxusnak számító vastárgyakat vasmeteoritokból készítették. Tömegesebb felhasználása az emberiség történetében a vaskor óta közismert Az utóbbi 3-4000 évben a vasat vas-oxid-(hidroxid), illetve az utolsó két évszázadtól még vastartalmú karbonátokból is kinyerik. A technika fejlődése során a vas volt az első fém, melyet tömegesen használt az ember a legkülönbözőbb célokra. Kamacit α-(Fe,Ni) Ténit γ-(Ni,Fe) Krist.: köbös Kristályaik ritkák, lemezesek, általában azonban vaskos megjelenésűek Általánosak a kamacit- és ténit-lamellák oktaédersíkok szerinti orientált összenövései (ábra). Ezek a vágott felület polírozása után jól láthatóvá válnak (Widmanstätten-féle rajzolat). Fiz: nem hasadnak, törésük horgas; K= 4,5; S = 7,3–7,9; opakok;
fémes fényűek, színük acélszürke vagy vasfekete, de idővel fénytelen oxidréteg jelenik meg felületükön; nyújthatók, alakíthatók; erősen ferromágneses sajátságúak. Tércsop: Im3m, a = 2,86, Z = 2 (kamacit); Fm3m, a = 3,56, Z = 4 (ténit). Ércmikr: izotrop, tiszta fehér Kém: a Fe és Ni a hasonló atomrádiuszok miatt könnyen képeznek szilárd oldatot. Földt.-előf: kozmikus eredetűek, vasmeteoritok uralkodó ásványai, melyekben legtöbbször a fent ismertetett orientált összenövésben jelennek meg (oktaedrit-típus). A kamacit azonban önállóan is megjelenhet egyes vasmeteoritokban (hexaedrit-típus). Kondritoknak járulékos elegyrészei Ásvtárs: cohenit, schreibersit, osbornit. Felh.: a vasat az emberiség először vasmeteoritokból ismerte meg A régészek a vastárgyak nyersanyagának földi vagy égi eredetét eredményesen meg tudják állapítani vegyelemzéssel, hiszen nikkelt %-os nagyságrendben szinte csak a vasmeteoritok tartalmaznak.
Kamacit és ténit lamellákból álló Widmanstätten-féle rajzolat vasmeteorit vágott és polírozott felszínén Higany-amalgám család A terméshigany az egyetlen – normál földi körülmények között – folyékony halmazállapotú ásvány. A Hg-nak fémekkel alkotott vegyületei az amalgámok. A család tagjai Hg-tartalmú szulfidok mállása során képződnek érctelepek oxidációs zónájában. terméshigany amalgámok kolymit moschellandsbergit schachnerit weishanit Hg (–38,9 °C alatt) trigonális Cu7Hg6 Ag5Hg7,5 Ag1,1Hg0,9 (Au,Ag)1,2Hg0,8 köbös köbös hexagonális hexagonális 8 Bevezetés és Terméselemek Terméshigany Hg Krist.: trigonális Közönséges hőmérsékleten folyékony, –38,9 °C-on szilárdul meg (az egyetlen folyékony halmazállapotú ásvány). Apró gömbök formájában jelenik meg Fiz: ezüstfehér, erősen fémes fényű, illékony, gőzei mérgezők; S = 13,6. Tércsop: R-3m; a = 3,46, c = 6,71, Z = 3 Kém: rendszerint
kevés Ag-t tartalmaz Fémekkel (pl. Ag, Au, Pb, Cu) alkotott szilárd oldatát amalgámnak nevezik Földt.-előf: másodlagosan képződik cinnabarit, vagy más Hg-tartalmú szulfidok (elsősorban fakóércek) mállásából: Rudabánya; Alsósajó (SK), Zalatna (RO), Belgrád (YU), Idrija (SLO), Almaden (E), New Almaden, Santa Clara, Colorado, illetve Terlingua, Texas (USA). Ásvtárs: kuprit, cinnabarit, tetraedrit, malachit, moschellandsbergit. Felh.: gyógyszeripar, műszeripar, mérőeszközök, egészségügy (pl fogászat) Platina-csoport Bár az alábbiakban csak a csoport leggyakoribb ásványát, a termésplatinát mutatjuk be, a platinacsoportba az összes platinafém (Pt, Ru, Rh, Pd, Os, Ir), illetve számos intermetallikus vegyület tartozik, a legtöbb köbös lapon centrált rácsszerkezettel. Érdemes megjegyezni, hogy ezzel szemben néhány platinafém, illetve ötvözet hexagonális legszorosabb illeszkedésű rácsszerkezettel rendelkezik (például Os, Ru). A
platinafémek keményebbek, és magasabb az olvadáspontjuk, mint az arany-csoport tagjainak. A természetben a platinafémek gyakran képeznek egymással szilárd oldatot. termésplatina termésiridium terméspalládium termésozmium termésruténium Pt Ir Pd Os Ru köbös köbös köbös hexagonális hexagonális Termésplatina Pt Krist.: köbös Ritka kristályain az uralkodó forma az {100} hexaéder Általában xenomorf szemcsék, finom hintések formájában ismert. Torlatokban legömbölyödött szemcsék, sima vagy lyukacsos felületű rögök (nugget) formájában jelenik meg. Fiz: nem hasad, törése horgas; K = 4–4,5; S = 14–19 (21,45, ha tiszta Pt); ezüstfehér, acélszürke; karcolási pora ezüstfehér; erősen fémes fényű; opak; hajlítható, alakítható; gyengén mágneses lehet, ha a Fe-tartalom a 10–20 tömeg%-ot eléri. Tércsop: Fm3m, a = 3924, Z = 4 Ércmikr: tiszta fehér, nagy reflexióképességű, izotróp. Kém: a Fe beépülése a szerkezetbe
általános jelenség (polixén), de tartalmazhat néhány %-ban más Pt-fémeket is. Földt.-előf: elsődlegesen ultrabázisos kőzetekben (főként dunit) fordul elő, ahol olivinnel, kromittal, spinellfélékkel, piroxénekkel társul. Kémiai ellenállóságánál fogva másodlagosan torlatokban feldúsulhat Ultrabázisos kőzetekben: Nyizsnij Tagil (RUS), Rustenburg, Bushveld (Dél-Afrikai Közt.) Torlatokban: Nyizsnij Tagil (RUS), Platinum Creek, Alaszka (USA), Papayan, Cauca (Kolumbia). Felh.: felhasználása elsősorban a magas olvadásponttal (1755 °C) és a kémiai hatásokkal szembeni különlegesen nagy ellenállóképességgel függ össze. Így hasznosítja a vegyipar, elektronikai ipar, egészségügy és ékszeripar. I. B alosztály Félfémek és nemfémek Az alosztályba tartozó terméselemeknél a fémes jelleg egyre csökkenő tendenciát mutat. Ez mind a rácsszerkezet, mind a fizikai és kémiai tulajdonságok esetében megfigyelhető. A félfémekben és
nemfémekben az atomi elektronpályák hibridizációjának igen különböző típusait ismerjük. Ezeknél az elektronok és szomszédos atomok közötti kölcsönhatások határozzák meg a félfémekre, illetve nemfémekre jellemző jellegzetességeket. Ezzel lehet magyarázni például a gyémánt extrém tulajdonságait okozó, a szerkezetében lévő nagyon erős kovalens kötés létrejöttét. Az alosztályon belül három, egymástól jelentősen különböző csoport különíthető el: első az As, Sb, Bi társasága (arzén-csoport), második a S, Te, Se csoportja (kén-csoport), harmadik társaság az elemi szén kristályos módosulatai (szén-csoport). Arzén-csoport A félfémek csoportja kémiai, fizikai és kristályszerkezeti sajátságaikat tekintve átmenetet képez a fémek és a nemfémek között. A fémekhez való hasonlóságot a köbös legtömöttebb illeszkedéshez közelálló szerkezet, míg a nemfémekhez való rokonságot a kovalens kötés részleges
jelenléte jelzi. A szerkezet emlékeztet a köbös legtömöttebb illeszkedésre, az {10-11} romboéder torzult hexaédernek tekinthető (ábra). A szerkezet torzulása úgy jön létre, hogy egy-egy atom a 12 szomszédja közül a hexagonális (0001) síkban hattal mindig közelebbi kapcsolatban van. Ez az erősebb, kovalens jellegű kötés rétegszerű szerkezetet hoz létre Ezek a rétegek a {0001} lappal párhuzamosak, és tekintettel arra, hogy közöttük gyengébb fémes kötés van, ez a jó 9 Bevezetés és Terméselemek hasadásban nyilvánul meg (ábra). A szerkezeti állandók és fizikai sajátságok a termésbizmuttól a termésarzénig a fémestől a nemfémes irányba fokozatosan változnak. A fémes jelleg csökkenésével a romboéderszög egyre kisebb, a rétegesség kifejezettebbé válik, a keménység kissé növekszik. A félfémek sokkal kevésbé vezetik az elektromosságot és a hőt, mint a fémek, ami szintén azt jelzi, hogy fémes és kovalens
kötés közötti átmeneti kötéstípusok jelennek meg. Termésarzén: a) As-atomok ( szürke gömbök) köbös legtömöttebb illeszkedéshez közelálló elrendezése; b) As-atomok rétegszerű elhelyezkedése a {0001} síkkal párhuzamosan termésarzén termésbizmut termésantimon sztibarzén As Bi Sb AsSb trigonális trigonális trigonális trigonális Termésarzén As Krist.: trigonális Ritka kristályai {10-11} romboéderek (ábra) Általában koncentrikus héjas és gömbösvesés-cseppköves halmazok, bekérgezések, vagy szemcsés tömegek formájában ismert Fiz: hasadása {0001} sz. kitűnő; K= 3,5; S = 5,6–5,8; friss felületén erősen fémes, ónfehér színű, de levegőn hamar fénytelen feketére változik; rideg; opak. Tércsop: R-3m; a = 3,76; Z = 6 Ércm: fehér, reflexiója erős, de nem kifejezetten fémes jellegű; anizotrópája gyenge. Kém: gyakran tartalmaz szilárd oldatként Sb-t, ritkábban Ag-t Lángban sajátos fokhagymaszag kíséretében
szublimál. Földt.-előf: hidrotermás érctelepeken a kései, alacsony hőmérsékletű szakaszban jelenik meg: Nagybörzsöny; Kapnikbánya, Felsőbánya, Nagyág, Sztanizsa, Oravica (RO), St.-Marie-aux Mines (F), Copiapo (Chile) Jellemző megjelenése a Co-Ni-Ag ércformáció teléreiben is: Jáchymov, Příbram (CZ), Andreasberg, Wolfsberg (D). Ásvtárs: realgár, auripigment, antimonit, termésantimon, diszkrazit, proustit, markazit Felh.: ötvözőanyag, gyógyszer és vegyipar, bőripar (cserzőanyag) Termésarzén: c{0001}, b{-1-122}, R{11-21}, romboéderek és bázis kombinációja Termésbizmut Bi Krist.: trigonális Ritka romboéderes kristályai szinte kocka alakúak Általában vaskos pátos, leveles, pikkelyes, olykor dendrites halmazokként jelenik meg. Fiz: hasadása {0001} sz kitűnő, {02-21} sz jó; a hasadási 10 Bevezetés és Terméselemek felületen {02-21} szerinti poliszintetikus ikerlemezesség finom rostozottság formájában látható; K = 2–2,5;
S = 9,7–9,8; frissen színe rózsaszín árnyalatú ezüstfehér, ami idővel tarkára futtatódik, fémfényű. Tércsop: R 3 m; a = 4,546; Z = 6. Ércmikr: krémfehér, gyengén pleokroós, de élénken anizotróp Kém: kis mennyiségben szilárd oldatot képezhet arzénnal, kénnel, ritkábban tellúrral. Földt.-előf: kassziterit-scheelit-pegmatitokban: Serra da Cabréira (P) Hidrotermás ónérctelepekben: Cinovec (CZ), Altenberg (D), Cornwall (GB), a Co-Ni-Bi-Ag-formáció teléreiben: Jáchymov (CZ), Schneeberg, Annaberg (D), Cobalt (CAN). Az Sn-Ag-formáció ércesedéseiben Bolíviában jelenik meg Egyes hidrotermás érctelepekben bizmutin és Bi-telluridok kísérik (Nagybörzsöny). Ásvtárs: arzenopirit, bizmutin, pirrhotin, szfalerit, kalkopirit, nikkelin, termésarzén, scheelit. Felh.: ötvözőanyag, gyógyszeripar, egészségügy Kén-csoport A nemfémek kristályszerkezete jelentősen különbözik mind a fémekétől, mind a félfémekétől. A fémes jelleg
ezeknél az ásványoknál gyakorlatilag megszűnik, (bár megjegyezhető, hogy a grafit a rétegsíkban fémesen vezet). A terméskénnek három kristályos módosulata ismeretes a természetben Leggyakoribb (az alábbiakban részletesebben tárgyalt) módosulata a rombos, vagy α-kén, mely 1 atmoszféra nyomáson, 95,5 °C alatt stabilis. A 95,5 °C fölött képződő monoklin, vagy β-kén már 119 °C-on megolvad. A szintén monoklin, vagy γ-kén (melynek ásványtani neve rosickýit) a legritkább, természetben előforduló kén-módosulat, szinte minden hőmérsékleten instabil. A rombos módosulat elemi cellájában sok kénatom (szám szerint 128) található A szerkezetben nyolc kénatomból kovalens kötéssel összeálló, gyűrű alakú molekulák sorakoznak csigavonalban (16 S8 molekula egy elemi cellában) (ábra). A gyűrű alakú molekulák között azonban gyenge van der Waals kötőerők hatnak. Ez a tény jut kifejezésre a terméskén fizikai sajátságaiban:
kis keménység, alacsony olvadáspont. Megjegyezzük, hogy a terméskénnel rokon szerkezete van a terméstellúrnak és termésszelénnek is: csigavonalban elhelyezkedő láncok, a láncokban fémes-kovalens kötés, míg a láncok között van der Waals kötés található. Terméskén: a) S8 gyűrű alakú molekula (fehér gömbök S-atomok); b) az elemi cella a csigavonalban összekapcsolódó S8 gyűrűkkel terméskén β-kén rosickýit termésszelén terméstellúr α-S β-S γ-S Se Te rombos monoklin monoklin trigonális trigonális Terméskén S Krist.: rombos Uralkodó formák az {111} dipiramis és {111} diszfenoid (ábra), de gyakoriak változatos formakombinációi (eddig hozzávetőleg 60 formát figyeltek meg kristályain). Általában vaskos, földes, gyakran 11 Bevezetés és Terméselemek alkot gömbös-vesés bekérgezéseket vagy cseppköves halmazokat. Fiz: hasadása nincs, törési felülete gyantafényű; K = 1,5–2,5; S = 2,05–2,08; kénsárga,
viaszsárga, (bitumen- vagy agyagzárványoktól barna is lehet), karcolási pora fehér; áttetsző, átlátszó; rideg. Tércsop: Fddd; a = 10,45; Z = 128 Kém: általában tiszta kén, ritkán 1–2% Se vagy Te helyettesítés lehet a szerkezetben. Földt.-előf: változatos módon képződik, de mindig felszínközelben, illetve a felszínen Vulkáni-posztvulkáni tevékenységek (pl. fumarola-működés) során H2S-gázból szublimációval bekérgezések, vaskos tömegek, illetve földes halmazok keletkeznek: Torja, Tusnádfürdő, Gura Haitii (RO), Kalinka (SK), Vezúv, Vulcano, Etna (I), Yellowstone Park, Mauna Loa, Kilauea (USA). Forrásvizek lerakódásaként: Budapest, Margitsziget, Egerszalók; Kovászna (RO). Szulfidok bomlásából felhagyott bányavágatokban, külfejtésekben és meddőhányókon: Rudabánya, Gyöngyösoroszi, Nagybörzsöny. Gazdasági szempontból legjelentősebb tömegei azonban üledékes eredetűek. Különösen evaporitokban gyakori, ahol
Ca-szulfátok (gipsz, anhidrit) baktériumos elbontása révén keletkezik nagy mennyiségben: Alsótelekes, Perkupa; Rozdol (UA), Machów, Tarnobrzeg (PL), Girgenti, Caltanisetta (I), Texas, Louisiana (USA). Ásvtárs: gipsz, aragonit, anhidrit, kalcit barit, cölesztin Felh.: vegyipar, gumiipar, egészségügy, növénytermesztés, olajfinomítás, textil- és papíripar, festék-, tűzijátékgyártás. Terméskén: p{111}, p1{1-11}, n{011}, b{010}, t{115}, x{133}, z{135}, c{001}, s1{1-13} a) dipiramisos termet; b) diszfenoidos termet Szén-csoport A szén két legismertebb kristályos módosulatának (a hexagonális grafit és a köbös gyémánt) feltűnően ellentétes fizikai tulajdonságai vannak. Ennek oka szintén a rácsszerkezetben keresendő Amíg a gyémántban erős kovalens kötések uralkodnak, addig a grafitot vegyes kötés jellemzi, melyben nagy szerepet játszik a van der Waals kötés. A gyémánt szerkezete kovalens kötéssel, tetraéderes koordinációban
épül fel Tehát minden egyes szénatomot másik négy vesz körül tetraéderes elrendezésben (ábra). Elemi cellája lapon centrált kocka, melynek belsejében még négy, minden második térnyolcad közepén egy-egy szénatom található. Megjegyezzük, hogy a szénnek van egy olyan ritka hexagonális módosulata is, a lonsdaleit, melyben a szénatomok (a gyémánthoz hasonlóan) szintén tetraéderesen koordináltak, de a tetraéderek elrendeződése hexagonális, ún. 4Hwurtzitszerű rácsot alkot (lásd a szulfidoknál), nem pedig szfalerit típusú kockarácsot, mint a gyémánt Ilyen módon a gyémánt és a lonsdaleit viszonya ugyanaz, mint a szfalerité és wurtzité. A gyémánt rácsában a szénatomok egymástól való távolsága egységesen 1,45 Å. A leggyakoribb hexagonális szénmódosulat, a grafit szerkezete ezzel szemben tipikus rétegrács. Az egyes rétegek hat szénatomból álló gyűrűkből állnak össze (ábra). A rétegen belül a szénatomok közötti
távolság a gyémántéhoz képest kissé lerövidül (1,42 Å). Ezzel szemben a rétegek közötti távolság több, mint a kétszeresére nő (3,35 Å). A rétegsíkban lévő szénatomok négy vegyértékelektronjából három a szomszédos három szénatom irányába kovalens kötést létesít, a negyedik azonban szabadon marad és ezekből diffúz, negatív elektromos töltésállapot jön létre a rétegek között. Ezek a vezető elektronok okozzák azt a különleges jelenséget, hogy a grafitnak a (0001) síkban 10.000-szer (!) nagyobb a vezetőképessége, mint a rétegekre merőlegesen A rétegeken belüli erős kovalens kötéshez képest azonban az egyes rétegeket egymással csak gyenge van der Waals kötések (más szerzők szerint a rétegek közötti szabad elektronokkal létrejövő fémes kötések) tartják össze. Ez az oka a grafit kis keménységének, illetve a (0001) síkkal párhuzamos kiváló hasadásának A grafit és a gyémánt stabilitási viszonyai
erősen különböznek egymástól (ábra). Amíg a grafit kis nyomáson, addig a gyémánt nagy nyomáson mutat stabilitást. Tehát a gyémánt a szén nagy nyomású polimorfja Kis nyomáson és alacsony hőmérsékleten viszont instabil, így átalakulhat grafittá. A két polimorf közötti átalakulás azonban igen lassú, ezért van az, hogy szobahőmérsékleten mindkét ásvány jelen lehet. Grafitból 12 Bevezetés és Terméselemek gyémánt gyorsan csak extrém magas hőmérsékleten képződhet, hiszen igen nagy aktivációs energia szükséges a grafitszerkezet gyémánttá alakulásához. Gyémánt kristályrácsa, minden szénatom négy másikkal van tetraéderesen koordinálva (fekete gömbök szénatomok) Grafit kristályrácsa, hat szénatom által alkotott gyűrűk rétegeket alkotnak (fekete gömbök szénatomok) 13 Bevezetés és Terméselemek A grafit és a gyémánt stabilitási diagramja a hőmérséklet és a nyomás függvényében grafit
gyémánt lonsdaleit C C C hexagonális köbös hexagonális Grafit C Krist.: hexagonális Számos formával határolt, hatszöges {0001} sz táblás kristályai ritkák (ábra) Ezek bázislapján sokszor háromszögű rostozottság észlelhető. Alapvetően pikkelyes, leveles vagy tömeges-vaskos megjelenésű, ritkán rostos, szemcsés vagy földes. Fiz: kitűnően hasad {0001} sz; ugyanezen forma szerint kitűnő transzlációt mutat, lemezkéi hajlíthatók; lágy, zsíros tapintású, papíron nyomot hagy; K = 1; S = 2,1–2,2; fémfényű vagy fénytelen, vasfekete, karcolási pora fekete; elektromosan vezető; átlátszatlan. Tércsop: P63/mmc; a = 2,463; Z = 4. Ércmikr: enyhén barnásszürke, erősen pleokroós és anizotróp Kém: tiszta szén A metamorfitokban megjelenő grafit viszont tartalmazhat vas-oxidokat, hamuanyagokat, bitument, illetve más szerves vegyületeket. Savakban nem oldódik Földt.-előf: a regionális metamorfózis során szenes üledékekből
szénhidrogének oxidációja, illetve CO és CO2 redukciója során keletkezik (Déli-Kárpátok, Alpok). Nagy tömegek széntelepek metamorfózisakor jönnek létre (Kína, Korea, Oroszország). Agyagos üledékekben kontakt metamorf hatásra képződik Megtalálható gránitpegmatitokban (Srí Lanka, Kanada, Madagaszkár, Brazília), kis mennyiségben magmás kőzetekben (Grönland, India) és vasmeteoritokban (Toluca, Mexikó). Ásvtárs: kalkopirit, kvarc, pirit, arzenopirit Felh.: festékipar, vegyipar, kohászat, autógyártás, elektronikai ipar, írószerek előállítása Grafit: c{0001}, a{10-10}, p{10-11}, q{10-12}; táblás kristály Gyémánt C Krist.: köbös Sokszor fordul elő benn-nőtt kristályokként Gyakoribb formák: {111} oktaéder (ábra), {100} hexaéder és {210} tetrakiszhexaéder. Penetrációs ikrek {111} sz gyakoriak (spinell-iker) A kristálylapok felülete nemegyszer görbült, az élek lekerekítettek. Közönségesen vaskos, finom szemcsés, olykor
kriptokristályos aggregátumokat alkot. Fiz: hasadása {111} sz kitűnő; K = 10 (a legnagyobb az ásványok között); S = 3,50–3,53 (ez a szén atomtömegéhez képest igen jelentős, és a szerkezetből adódó térkitöltés következménye); hővezetőképessége a legnagyobb az összes ismert anyag között, viszont hőtágulási együtthatója a legkisebb; nagy a fénytörése (gyémántfény); erős a színszórása (diszperziója), vagyis a 14 Bevezetés és Terméselemek törésmutató fénynemenként jelentősen változik, ennek eredményeként a kristályba belépő fehér fény színekre bontva lép ki belőle (ennek megsokszorozására szolgálnak a csiszolással készített brilliáns formák); általában színtelen, halványsárga, ritkán színes (sárga, kék, vörös); áttetsző, átlátszó, de gyakran átlátszatlan, szürke, fekete (karbonádó). Tércsop: Fd3m; a = 3,567; Z = 8 Pol mikr: izotróp, kettőstörése jelentős Kém: a színtelen gyémánt
tiszta szén, de a sötétszínű változatok akár 20% mennyiségben is tartalmazhatnak szennyező vegyületeket (Fe2O3, MgO, TiO2 stb.) Oxigén jelenlétében 770 ºC-on CO2-dá ég el Vált: karbonádó, bort (kriptokristályos jellegű). Földt.-előf: megjelenése elsődlegesen egy ritka ultrabázisos magmás kőzet, a kimberlit kürtőszerű kifejlődéséhez kapcsolódik. Legnagyobb lelőhelyei Oroszországban (Jakutföld), a Dél-Afrikai Köztársaságban és Botswánában vannak. Ma a legjelentősebb gyémánttelepek Ny-Ausztráliában, egy magas K-, és alacsony Altartalmú magmás kőzetben (lamproit) fordulnak elő Másodlagos lelőhelyein az anyakőzet elmállása után folyóvízi vagy tengerparti torlatokban fordul elő. Dúsulását elősegíti nagy keménysége, kémiai ellenállóképessége és relatíve nagy sűrűsége. A legjelentősebb recens torlatok Zairében, Angolában, Ghánában, Brazíliában és Venezuelában ismertek. Ásvtárs: spinell, pirop, ilmenit,
olivin, korund Felh.: gépipar, fúró- és csiszolóipar, ékszeripar (a legértékesebb drágakő) Gyémánt, oktaéderes kristály I. C alosztály Fémes és nemfémes karbidok, szilicidek, nitridek és foszfidok A fémes karbidokban, szilicidekben, nitridekben és foszfidokban a nemfémes atomok (C, Si, N, P) a fémes rács tetraéderes pozícióiban helyezkednek el. A rácsban fémes vagy kovalens kötések érvényesülnek Ezek általában meteoritok elegyrészeként jelennek meg, így ritkaságuknál fogva bővebben nem tárgyaljuk őket. A hasonlóan ritka nemfémes karbidok, szilicidek, nitridek és foszfidok szerkezetében erős kovalens kötést találunk. Legfontosabb ásvány közöttük a számos politípusban ismert moissanit A mesterségesen (karborundum néven) előállított anyagot a csiszoló- és fúróiparban elterjedten használják. Fémes karbidok stb. cohenit schreibersit osbornit suessit Nemfémes karbidok stb. moissanit nierit Fe3C (Fe,Ni)3P TiN Fe3Si
rombos tetragonális köbös köbös SiC Si3N4 hexagonális trigonális 15