LV Materialwissenschaftliche Mineralogie Handout zum Vorlesungsteil Physikalische Eigenschaften von Mineralen

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1 LV Materialwissenschaftliche Mineralogie Handout zum Vorlesungsteil Physikalische Eigenschaften von Mineralen Wichtigste Gruppen von physikalischen Eigenschaften: - mechanische Eigenschaften - optische Eigenschaften - magnetische Eigenschaften - thermische Eigenschaften - elektrische Eigenschaften - radioaktive Eigenschaften Beschreibung der Isotropie / Anisotropie von Eigenschaften: - richtungsunabhängig = skalare Eigenschaften (Tensoren null-ten Grades; z.b. Dichte) - Tensoren 1. Grades: ein Vektor (Richtung und Stärke; z.b. Temperatur-Gradient) - Tensoren 2. Grades (z.b. thermische Leitfähigkeit) - Tensoren 4. Grades (z.b. Elastizität) (1) Mechanische Eigenschaften (hauptsächlich Eigenschaften, welche die Gesetzmäßigkeiten der mechanischen Verformung und Zerstörung von Mineralen beschreiben) Dichte: - ortsunabhängige Konstante, D, in g/cm 3 - Berechnung D = M/V M = Masse V = Volumen - bzw. als sog. Röntgendichte : D = Z M / N V Z = Zahl der Formeleinheiten pro Elementarzelle M = molekulare Masse bzw. Summe der Atommassen (in g) pro Formeleinheit N = Loschmidt sche Zahl: 6, Atome pro g V = Volumen der Elementarzelle Beispiele für Dichte von Mineralen (angegeben in g/cm 3 ; Auswahl): Eis 0.9 Halit 2.17 Graphit 2.22 Orthoklas 2.55 Quarz 2.65 Calcit 2.72 Biotit 2.98 Apatit 3.18 Topas 3.57 Rutil 4.30 Baryt 4.48 Haematit 5.3 Galenit 7.6 Quecksilber 13.5 Gold 19.3 Platin 21.5 Härte: - allgemein: Widerstand eines Minerals gegen das mechanische Eindringen eines anderen Minerals - keine absolute Messung, sondern relativ (vergleichend); Ergebnis abhängig von der eingesetzten Methode

2 Abb: Visualisierung der Härteansiotropie zweier kubischer Minerale durch Ritzhärtekurven (aus Rösler, Lehrbuch der Mineralogie) - wichtigste Verfahren: Ritzhärte (z.b. nach MOHS), Eindruckhärte (z.b. nach VICKERS, BRINELL, KNOOP, ROCKWELL), Schleifhärte (nach ROSIVAL), relative Korrosionshärte (nach EPPLER), Rückprallhärte (nach SHORE) Mohs sche Härteskala: 1. Talk Mg 3 [(OH) 2 /Si 4 O 10 ] monoklin 2. Gips CaSO 4 2H 2 O monoklin Halit NaCl kubisch 3. Calcit CaCO 3 trigonal 4. Fluorit CaF 2 kubisch 5. Apatit Ca 5 [PO 4 ] 3 F hexagonal 6. Orthoklas K[AlSi 3 O 8 ] monoklin 7. Quarz SiO 2 trigonal 8. Topas Al 2 [F 2 /SiO 4 ] rhombisch 9. Korund Al 2 O 3 trigonal 10. Diamant C kubisch Spaltbarkeit / Bruch: - Verhalten bei Gitterzerstörung infolge zu hoher mechan. Belastung - Spaltbarkeit: Zerstörung entlang kirstallographisch vorbestimmter Schwächezonen (d.h., bei dicht benetzten Netzebenen mit schwacher Bindung) - Bruch: eher richtungslose Zerstörung, ohne Vorhandensein wesentlicher Kohärenzminima im Gitter Elastizität / Plastizität (Verformung): Elastische Verformung: - ursprüngliche Form wird wieder eingenommen - beschrieben durch das Hooke sche Gesetz αp = Δl/l α = Dehnungskoeffizient P = Zugspannung Δl/l = relative Längenänderung - immer anisotrop (auch bei kubischen Mineralen) - beobachtete Eigenschaften: Biegsamkeit, Verformbarkeit (unterhalb der

3 Elastizitätsgrenze), sprödes Verhalten (oberhalb der Elastizitätsgrenze) Plastizität - irreversible Verformung - Translation (Blattgleitung) entlang dicht besetzter Netzebenen mit starker Bindung (nicht auf einmal, Kettenreaktion) - Beobachtungen: Stufenversetzung, Schraubenversetzung, Gleitzwillings-Bildung - Plastizität nimmt mit der Temperatur zu und wird durch Verunreinigungen gehemmt - Beispiele: Eisfließen, Verformung in Salzstöcken (2) Optische Eigenschaften Lichtbrechung: - optische Dichte; erkennbar anhand der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Materie - beschrieben durch das SNELLIUS sche Brechungsgesetz: n = n 2 / n 1 = sin α 1 / sin α 2 = v 1 / v 2 n = Brechzahlen, optische Dichten α = Winkel zwischen Lichtstrahl und dem Lot auf die optische Grenze v = Lichtgeschwindigkeiten - Art der dreidimensionale Ausbreitung = optischer Charakter isotrop (amorph, kubisch) anisotrop einachsig (Hauptachse) anisotrop zweiachsig (rhombisch, monoklin, triklin) - Beschreibung: Indikatrixmodell Abb.: Optische Indikatrizen a, kubische Minerale (Isotropie visualisiert durch Kugelmodell) b, opt. einachsige Minerale (Rotationsellipsoid, hier einachsig positiv) c, d, opt. zweiachsige Minerale (zwei optische Achsen, OA; zwei Kreisschnittebenen) Glanz: - visuell erkennbarer Effekt der Lichtbrechung in Zusammenspiel mit Reflexions- und Absorptionsverhalten - sehr hohe Lichtbrechung: metallischer Glanz (bei opaken Festkörpern incl. Quecksilber). Bsp. Pyrit, Chalkopyrit

4 - mittelhohe Lichtbrechung: halbmetallischer Glanz, Diamantglanz, Fettglanz. Bsp. Sphalerit, Rutil, Titanit - niedrige Lichtbrechung: Glasglanz, matter Glanz. Bsp. Halit, Quarz - weitere (z.t. veraltete) Begriffe für genauere Beschreibung: blendeartiger, harzartiger, seidiger Glanz (bergmännisch: Kiese - Glanze - Blenden - Fahle ) - weitere dem Glanz i.e.s. nur verwandte Lichtwirkungen durch Doppelbrechung/Interferenz bzw. texturelle Besonderheiten (z.bsp. Opaleszenz, Labradorisieren, Asterismus) Weitere: - Doppelbrechung = Vermögen optisch anisotroper Kristalle, den einfallenden Lichtstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Strahlen zu trennen (Interferenzfarben) - Lichtabsorption, diffuse Streuung - Reflexion: R = ((n 1) 2 + n 2 χ 2 ) / ((n+1) 2 + n 2 χ 2 ) (angegeben in %) n = Brechzahlen, optische Dichten χ = Absorptionsindex (bei Metallen bis ca. 20) - Farbe = im homogenen Festkörper eine kooperative Eigenschaft von Chemie und Struktur, verursacht durch wellenlängenspezifische Licht-Absorption (Wellenlängenbereich ca nm). Siehe Vorlesungsteil M. Wildner. Selektive Absorption: Mineralfarben (idiochromatisch = eigenfarbig, allochromatisch = fremdfarbig) Anisotropie der Farbe: Pleochroismus, Dichroismus Abb.: Visualisierung des Pleochroismus (richtungsabhängige Vielfarbigkeit) von Cordierit (aus Tröger, Opt. Tabellen) - Strichfarbe, Strich = beobachtet am Pulver, reale Streu-/Absorptionsfarbe (Eigenfarbe), i.d.r. ohne Vorherrschaft kooperativer Effekte des homogenen makroskopischen Festkörpers Beispiele: Pyrit, FeS 2 Farbe goldgelb, Strich schwarz Malachit, Cu 2 (OH) 2 CO 3 Farbe grün, Strich grün Amazonit, KAlSi 3 O 8 Farbe grün, Strich weiß/farblos - Transparenz (= Durchsichtigkeit): transparent (durchsichtig), translucent (durchscheinend), trüb, milchig, undurchsichtig, opak (undurchsichtig bei Dünnschliffdicke) - Anlauffarben: Interferenz an z.b. Oxidhäutchen; Schiller: aufgrund Einlagerung von Fremdkörpern (z.b. Aventurin) Lumineszenz: - Emission von Licht nach vorheriger Anregung - Oberbegriff Lumineszenz: Fluoreszenz, nahezu sofortige Energieabgabe Phosphoreszenz, verzögerte Energieabgabe Afterglow, Energieabgabe nur nach energetischer Stimulation

5 Abb.: Vereinfachtes Elektronenbandmodell zur Visualisierung von Anregung, Energietransfer und radiativer Energieabgabe - Arten (nach Art der Anreguzng) z.b. Photolumineszenz, Radiolumineszenz, Kathodolumineszenz, Tribolumineszenz - Arten (nach Art der Stimulation) z.b. Thermolumineszenz (besser thermisch stimulierte Lumineszenz), OSL (3) Thermische Eigenschaften - Wärmeleitung, Wärmeleitfähigkeit: - anisotriop (analog Licht) - stärker in Richtung dichter Atompackungen - verringert durch Gitterfehler, Einschlüsse, Poren - thermische Ausdehnung (linear oder kubisch) Anwendung: minimale Volumenausdehnung bei Materialien für Heizgeräte (z.b. Ceranplatten, β-eukryptit) - Schmelzen: Schmelzpunkte (Auswahl): Eis 0 C ged. Wismut 271 C ged. Antimon 630 C ged. Gold 1063 C Magnetit 1527 C Spinell 2135 C Periklas 2800 C - Phasenumwandlungen z.b. Kalkbrennen (900 C): CaCO 3 CaO + CO 2 z.b. Gipsbrennen ( C): CaSO 4 2H 2 O (Gips) CaSO 4 (Anhydrit) + H 2 O - Modifikationswechsel polymorpher Minerale z.b. Sphalerit Wurtzit (bei 1020 C) z.b. Schwefel (rhomb.) Schwefel (monoklin) (bei 95 C) z.b. α-quarz β-quarz Hochtridymit Hochcristobalit (bei 575 / 1470 / 1720 C) Abb.: Stabilitätsdiagramm des elementaren Kohlenstoffs

6 (4) Magnetische Eigenschaften - Jeder Materiebaustein (Atom, Ion, Molekül) kann im magnetischen Feld ein magnetisches Moment M erhalten - quantitativ beschrieben durch magnetische Suszeptibilität χ (= magnetische Aufnahmefähigkeit) χ = M/H M = magnetisches Moment H = Stärke des äußeren Magnetfelds Abb: Stärke des magnetischen Moments in Ab- Hängigkeit von der Stärke des äüßeren Magnetfelds. M rs = Remanenz; verbleibendes M nach Wegfall des Magnetfelds (aus Putnis, Introduction to Mineral Sciences) - diamagnetische Minerale: nur gepaarte Elektronen, dadurch kein magnet. Moment M vorhanden; kleine negative Werte (-0,1 0) für χ Bsp. Kassiterit -0,08 Baryt -0,30 Quarz -0,35 Apatit -0,45 - paramagnetische Minerale: ungepaarte Elektronen mit ungeordneten magnet. Momenten, magnet. Moment M vorhanden (klein) und kann induziert werden kleine bis mittlere positive Werte (1 bis einige hundert) für χ Bsp. Rutil (dunkel)2 Epidot 24 Hellglimmer 1 8 Dunkelglimmer Pyroxene, Amphibole ferromagnetische Minerale: ungepaarte Elektronen, mit Bereichen in denen die magnet. Momente vorgeordnet vorliegen (Weiss sche Bezirke; voneinander getrennt von den Bloch-Wänden). Die summarischen magnet. Momente der einzelnen Bereiche heben einander zunächst i.w. auf (da ungeordnet), bei Anlegen eines Magnetfelds kommt es zur Ordnung und nach Wegfall des Magnetfelds verbleibt ein magnet. Moment (siehe Abb. Oben). hohe positive Werte für χ Bsp. Pyrrhotin Magnetit oberhalb der sog. Curie-Temperatur wird die magnetische Ordnung wieder aufgehoben und ferromagnetische Festkörper werden paramagnetisch (nach Abkühlen wieder ferromagnet.) Bsp. Für Curie-Temperaturen Magnetit 578 C Hämatit 680 C - antiferromagnetisch: Aufheben der magnet. Momente von Ionen mit ungepaarter Elektronen durch anti-parallele Orientierung; Beispiel Fe( ) O Fe( ) mit Bindungswinkel 180 in FeO - ferrimagnetisch: antiparallele Wechselwirkung wie oben, aber von unterschiedl. Stärke, daduch M

7 (5) Elektrische Eigenschaften elektr. Leitfähigkeit: (siehe Bändermodell) - Nichtleiter (Dielektrika: Rutil, Titanate, Glimmer) Ω 1 cm 1 - Halbleiter Ω 1 cm 1 - el. Leiter incl. Supraleiter Ω 1 cm 1 - spezif. elektr. Widerstand = reziproke Leitfähigkeit - Arten: Elektronenleitung (insb. Metalle) durch Elektronen im Leitungsband, bei Dotierung von Halbleitern Mangel- bzw. Überschuss-Halbleitung Ionenleitung durch Platzwechselvorgänge (nur möglich bei Gitter- Fehlordnungen) Pyro- und Piezoelektrizität: - Pyroelektrizität: elektr. Aufladung infolge Aufheizung (Minerale mit polaren Hauptachsen) Bsp. Turmaline, Skolezit, Hemimorphit, Rohrzucker - Piezoelektrizität: elektr. Aufladung durch Druck (Minerale mit polaren Achsen) Bsp. Quarz Abb.: Links Aufbau eines elektr. Ladungsunterschieds durch druckbedingte Verschiebung von Ionen (aus Mihailovich & Kononov, Mineralogy); Rechts Ladungsverteilung eines Quarzkristalls (aus Rösler, Lehrbuch für Mineralogie) Oberflächenkräfte: - generell insb. wirksam bei kleinen Teilchen (große aktive Oberfläche pro Masse); schwache van der Waals-Kräfte durch freie Valenzen an der Oberfläche - entgegengesetzt geladene Teilchen: Ausflockung (z.b. Kolloide mit Größen nm) - Anziehung gleich geladener Teilchen: Thixotropie (labiles Gerüst, leicht erschütterbar) - Benetzbarkeit: gemessen am Randwinkel Θ hydrophil / lyophil: Silikate, Sulfate, Karbonate, Phosphate (allg. Ionengitter) hydrophob / lyophob: Sulfide, metalloxide, Diamant (Nutzung bei Flotation)

8 (6) Radioaktive Eigenschaften - Zerfall instabiler Isotope mit konstanten Zerfallsraten (Halbwertszeiten) Arten: Alpha-Zerfall Z X Z 2 Y + 2 He + Energie (korpuskulare Strahlung) Beta-Zerfall Z X Z+1 Y + e + Energie (korpuskulare Strahlung) Gamma-Strahlung meist generiert bei α- oder β-zerfall (elektromagnet. Strahlung) Spontane Spaltung z.b. 94 Pu 50 Sn + 44 Ru n - Lokale Gitterzerstörung durch Spaltspuren (ca. 0,01 mm, selten) - Volumenzerstörung durch zahlreiche Alpha-Ereignisse (insb. Rückstöße der schweren Tochternuklei) - Radioaktiver Zerfall von Actinoiden (U, Th): 238 U 206 Pb (incl. acht α-zerfälle) 235 U 207 Pb (incl. sieben α-zerfälle) 232 Th 208 Pb (incl. sechs α-zerfälle) Wichtig: 204 Pb nicht radiogen - ermöglicht die Absolutdatierung von Mineralen, Gesteinen, Lagerstätten - Gitterzerstörung durch radioaktive Selbstbestrahlung: metamikte Minerale - Bestrahlung von Nachbarphasen: pleochroitische Höfe - resultierende Wirkungen und begleitende Effekte (neben Gitterzerstörung): Erwärmung Ionisierung chemische Veränderungen (Transmutation von Mutter- zu Tochterelementen, Helium) Dichteabnahme, Veränderung der Härte Veränderung der optischen Eigenschaften bis hin zu Isotropisierung Veränderung der elastischen Eigenschaften generell verringerte physikalische Widerstandsfähigkeit, erhöhte chemische Reaktivität, dadurch häufiger chemische Alteration oft (nicht immer) Farbänderungen, Rissbildung Abb.: Zirkonkristall (Rückstreu- Elektronenbild). Hellere Bereiche sind stärker strahlengeschädigt und daher stärker volumenexpandiert. Dies führte zur Bildung radialer Risse.