Allgemeines zur Mineralogie / wichtige Definitionen:

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1 Allgemeines zur Mineralogie / wichtige Definitionen: Mineralogie = Lehre von den überwiegend kristallinen Bausteinen der uns umgebenden geologischen Materie, den Mineralen (Mineralogie = Lehre von den Mineralen) Minerale = stofflich homogene, feste, kristalline, anorganische Körper der natürlichen Materie der Erde (Merke: zu jeder dieser Eigenschaften gibt es Ausnahmen) Beispiele für Abweichungen von der Mineraldefinition: stoffliche Homogenität (= definierter Chemismus und definierte Kristallstruktur): z.b. Zonierungen, Verunreinigungen, Baufehler fester Aggregatzustand: z.b. Hg Kristallinität: amorphe Minerale (z.b. Opal, Gläser, metamikte Minerale) anorganische Zusammensetzung: organische Minerale natürliche Minerale (= irdisch und kosmisch): z.b. technische Minerale, Synthesen terrestrische Entstehung: z.b. Minerale in Meteoriten Mineralart = alle Mineralindividuen, deren chemische Zusammensetzung und Struktur gleich ist Quarz; Beryll; Korund; Mikroklin (ein K-Feldspat); Forsterit; Diopsid ACHTUNG: Zu vielen Mineralen gibt es neben den anerkannten Bezeichnungen auch veraltete, wenngleich immer noch gebräuchliche Begriffe! Kalkspat (Calcit), Bleiglanz (Galenit), Zinkblende (Sphalerit), Roteisenstein (Hämatit), Schwerspat (Baryt) Mineralvarietät = alle Mineralinidividuen (einer Mineralart), die eine zusätzliche, spezifische Besonderheit aufweisen Amethyst = violetter Quarz Achat = lagig-gebänderter, mikrokristalliner Quarz Chalkotrichit = nadelig ausgebildeter Cuprit Smaragd = grüner Beryll Aquamarin = blauer Beryll Rubin = roter Korund Amazonit = grüner Mikroklin Mineralgruppe = Mineralarten mit weitgehende Ähnlichkeiten Granat-Gruppe Turmalin-Gruppe Feldspäte Zeolithe (Gerüstsilikate mit strukturellen Kanälen, in denen Wasser eingelagert wird) Olivine

2 Polymorphe (bzw. polymorphe Mineralarten) = Minerale mit gleichem Chemismus, aber unterschiedlichen Kristallstrukturen ( Vielgestaltigkeit ) C (Graphit, Diamant) SiO 2 (Quarz, Tridymit, Coesit, Stishovit,...) KAlSi 3 O 8 (Sanidin, Orthoklas, Mikroklin) CaCO 3 (Calcit, Aragonit, Vaterit) Isotype Minerale = Minerale mit gleichem Strukturtyp, aber unterschiedlichem Chemismus Strontianit, SrCO 3 (im Aragonit-Strukturtyp) Sylvin, KCl; Galenit, PbS (beide im Halit-Strukturtyp) Kassiterit ( Zinnstein ), SnO 2 (im Rutil-Strukturtyp) Isomorphe Minerale = sehr ähnliche Strukturen, dadurch chemische Mischbarkeit bzw. Mischkristallbildung ( Gleichgestaltigkeit ) Fayalit (Fe 2 SiO 4 ) Forsterit (Mg 2 SiO 4 ) = Olivine Albit (NaAlSi 3 O 8 ) Anorthit (CaAl 2 Si 2 O 8 ) = Plagioklase

3 Auflistung wichtiger Minerale: Mineral chem. Formel Kristallsystem Mohs sche Härte Talk Mg 3 [(OH) 2 /Si 4 O 10 ] monoklin H 1 Gips CaSO 4 2H 2 O monoklin H 2 Halit NaCl kubisch H 2 Calcit CaCO 3 trigonal H 3 Fluorit CaF 2 kubisch H 4 Apatit Ca 5 [PO 4 ] 3 F hexagonal H 5 Orthoklas K[AlSi 3 O 8 ] monoklin H 6 Quarz SiO 2 trigonal H 7 Topas Al 2 [F 2 /SiO 4 ] rhombisch H 8 Korund Al 2 O 3 trigonal H 9 Diamant C kubisch H 10 Graphit C hexagonal H 1 Hämatit Fe 2 O 3 trigonal H Magnetit Fe 3 O 4 kubisch H 5.5 Pyrit FeS 2 kubisch H Galenit PbS kubisch H 2.5 Baryt BaSO 4 rhombisch H 3.5 Muscovit KAl 2 [(OH,F) 2 /AlSi 3 O 10 ] monoklin H 2-3 Biotit K(Mg,Fe) 3 [(OH,F) 2 /AlSi 3 O 10 ] monoklin H 2-3 Granat-Gruppe A 3 B 2 [SiO 4 ] 3 kubisch H Olivine (Mg,Fe)[SiO 4 ] rhombisch H Minerale der Granatgruppe: Allgemeine Formel A 2+ 3 B 3+ 2 [SiO 4 ] 3 Untergruppe Pyralspite : mit A 2+ : Mg, Fe 2+, Ca, Mn in 8er-Koordination zu O B 3+ : Al, Fe 3+, Cr in 6er-Koordination zu O Si 4+ : in 4er-Koordination zu O Pyrop Mg 3 Al 2 [SiO 4 ] 3 Almandin Fe 3 Al 2 [SiO 4 ] 3 Spessartin Mn 3 Al 2 [SiO 4 ] 3 Untergruppe Ugrandite : Uwarowit Ca 3 Cr 2 [SiO 4 ] 3 Grossular Ca 3 Al 2 [SiO 4 ] 3 Andradit Ca 3 Fe 2 [SiO 4 ] 3

4 Mineralklassifikation: (1) Klassifikation in zehn Mineralklassen (welche wiederum nach chemischen oder strukturellen Gesichtspunkten in Abteilungen unterteilt werden): 1. Element-Minerale (z.b. Eisen, Fe; Diamant, C; Graphit, C) 2. Sulfide (z.b. Pyrit, FeS 2 ; Galenit, PbS; Sphalerit, ZnS) 3. Halide / Halogenide (z.b. Halit, NaCl; Fluorit, CaF 2 ) 4. Oxide / Hydroxide (z.b. Quarz, SiO 2 ; Magnetit, Fe 3 O 4 ) 5. Karbonate / Nitrate (z.b. Calcit, CaCO 3 ; Malachit, Cu 2 [(OH) 2 /CO 3 ]) 6. Borate 7. Sulfate (z.b. Gips, CaSO 4 2H 2 O; Baryt, BaSO 4 ) 8. Phosphate / Arsenate/ Vanadate (z.b. Apatit, Ca 5 [PO 4 ] 3 F) 9. Silikate (z.b. Forsterit, MgSiO 4 ; Pyrop, Mg 3 Al 2 [SiO 4 ] 3 ; Topas, Al 2 [F 2 /SiO 4 ]; Muscovit, KAl 2 [(OH,F) 2 /AlSi 3 O 10 ]; Orthoklas, K[AlSi 3 O 8 ]) 10. organische Minerale (2) Sub-Klassifikation der Silikate nach kristallstrukturellen Gesichtspunkten in Abteilungen: nach Art der Vernetzung der SiO 4 -Tetraeder 1. bis 3. Keine unendliche Vernetzung: (1) Nesosilikate (Insel) Bsp. Forsterit Mg [SiO 4 ] (2) Sorosilikate (Gruppe) Bsp. Thortveitit Sc 2 [Si 2 O 7 ] (3) Cyclosilikate (Ring) Bsp. Beryll Al 2 Be 3 [Si 6 O 18 ] 4. Unendliche Vernetzung in einer Richtung: (4) Inosilikate (Kette) weiter unterteilt in Einfach- / Doppelketten und Einer-, Zweier-, Dreierketten etc. Bsp. Diopsid CaMg[Si 2 O 6 ] (Zweiereinfachkette) Bsp. Aktinolith Ca 2 (Mg,Fe) 5 [(OH) 2 /Si 8 O 22 ] (Zweierdoppelkette) 5. Unendliche Vernetzung in zwei Richtungen: (5) Phyllosilikate (Schicht) weiter unterteilt in Zweischicht-, Dreischicht-, Vierschicht-Silikate (mit und ohne Zwischenschichten etc.) Bsp. Muscovit, KAl 2 [(OH,F) 2 /AlSi 3 O 10 ] (Dreischichtsilikat mit Zwischenschicht- Kationen) 6. Unendliche Vernetzung in drei Richtungen: (6) Tektosilikate (Gerüst) Bsp. Orthoklas, K[AlSi 3 O 8 ], weiter Plagioklase, Zeolithe, Foide (Feldspatvertreter). Achtung: In manchen Lehrbüchern wird Quarz als Tektosilikat behandelt; Quarz ist ein Oxid!

5 Kristallsymmetrie / Kristallsysteme: Klassifikation in sieben (acht) Kristallsysteme (welche wiederum nach strukturellen Gesichtspunkten in Kristallklassen und Raumgruppen unterteilt werden) 1. Kubisches System a = b = c ; α = β = γ = 90 (z.b. Diamant, C; Galenit, PbS; Pyrit, FeS2; Halit, NaCl; Magnetit, Fe3O4; Fluorit, CaF2) 2. Tetragonales System a = b, c beliebig ; α = β = γ = 90 (z.b. Chalkopyrit, CuFeS2) 3. Rhombisches / orthorhombisches System a, b, c beliebig ; α = β = γ = 90 (z.b. Olivin-Reihe, (Mg,Fe) 2 SiO4; Topas, Al2[F2/SiO4]; Baryt, BaSO4) 4. Hexagonales System a = b, c beliebig ; α = β = 90, γ = 120 (sechszählige Hauptachse) (z.b. Apatit, Ca5[PO4]3F) 5. Trigonales System a = b, c beliebig ; α = β = 90, γ = 120 (dreizählige Hauptachse) (z.b. Korund, Al2O3; Quarz, SiO2) Sonderfall: rhomboedrische Klasse mit a = b = c ; α = β = γ (Winkel beliebig) (z.b. Calcit, CaCO3) 6. Monoklines System a, b, c beliebig ; α = γ = 90, β beliebig (z.b. Gips, CaSO4 2H2O; Malachit, Cu2[(OH)2/CO3]; Muscovit, KAl2[(OH,F)2/AlSi3O10]) 7. Triklines System a, b, c beliebig ; α, β, γ jeweils beliebig (z.b. Mikroklin, K[AlSi3O8]) 8. Amorphe Minerale; kein Kristallgitter (z.b. Opal, SiO2 nh2o; Lechatelierit, SiO2) Achtung: Bernstein und andere fossile Harze = amorphe Kohlenwasserstoff-Verbindungen [Zuordnung als Minerale umstritten]

6 Kristallformen: Geschlossene Formen: gleichwertige (besser symmetrieäquivalente) Kristallflächen können einen geschlossenen Körper aufbauen Oktaeder, Würfel, hexagonale Dipyramide Offene Formen: gleichwertige (besser symmetrieäquivalente) Kristallflächen können NICHT einen geschlossenen Körper aufbauen tetragonales Prisma, hexagonale Pyramide, Pedion Einfache Formen: Kristalle bestehen aus nur einer Flächenart (besser: bestehen aus einer geschlossenen Form) Kombinierte Formen: Kristalle weisen Flächen mehrerer (geschlossener und/oder offener) Formen auf Morphologische Besonderheiten: Pseudomorphose = ein Mineral in der Kristallgestalt eines anderen z.b. Hämatit nach Magnetit (durch Reaktion 2 Fe 3 O 4 + ½ O 2 3 Fe 2 O 3 ) Paramorphose = Pseudomorphose ohne chemische Änderung z.b. Graphit nach Diamant (durch langsame Druckentlastung bei hoher Temperatur) Perimorphose = Umhüllungspseudomorphose Reguläre Mineralverwachsungen: Zwillinge: Individuen einer Mineralart mit unterschiedlicher kristallographischer Orientierung Parallelverwachsungen: Individuen einer Mineralart mit übereinstimmender kristallographischer Orientierung Epitaxie: Individuen verschiedener Mineralarten mit orientierter Verwachsung (durch Übereinstimmungen in den Gittersymmetrien bedingt)

7 Interatomare Bindung und Koordination: Einige wichtige Ionenradien: Element Symbol Wertigkeit Radius (Å) Koordination zu Sauerstoff Kohlenstoff C 4+ 0,16 3 Bor B 3+ 0,23 3 Silizium Si 4+ 0,42 4 Phosphor P 5+ 0,44 4 Aluminium Al 3+ 0,51 4, 5, 6 Eisen Fe 3+ 0,64 6 (auch 4) 2+ 0,74 6 (auch 8) Magnesium Mg 2+ 0,66 6 Natrium Na 1+ 0,97 8 Calcium Ca 2+ 0,99 8 (auch 9) Sauerstoff O 2-1,32 Kalium K 1+ 1,33 12 Chlor Cl 1-1,81 Radien von Ionen in Kristallgittern hängen ab von: (a) der Stellung im Periodensystem - zunehmend innerhalb einer Gruppe (im PSE von oben nach unten) - abnehmend innerhalb einer Periode (im PSE von links nach rechts) (b) der Ladung - zunehmend bei Elektronenaufnahme Cl +/ 0 1,0 Å Cl 1,7 Å - abnehmend bei Elektronenabgabe Fe +/ 0 1,24 Å Fe 2+ (in 6er-Koord.) 0,75 Å Fe 3+ (in 6er-Koord.) 0,69 Å (c) der Koordination - zunehmend mit zunehmender Koordination Al 3+ in 4er-Koordination 0,53 Å Al 3+ in 6er Koordination 0,68 Å Beispiel: Schwefel 1,70 Å als S 2 in 6er-Koordination 0,26 Å als S 6+ in 4er-Koordination Koordination von Ionen in Kristallgittern hängen ab vom Radien-Verhältnis: Radienverhältnis: Koordination: Beispiel: 0,155-0,225 3 CO 3 in Calcit 0,225-0,414 4 SiO 4 in Olivin 0,414-0,732 6 NaCl 6 in Halit 0, CaO 8 in Diopsid > 1 12 KO 12 in Muscovit

8 Substitutionen = atomare Ersetzungen Substitutionen sind eine der drei hauptsächlichen Arten von Punktdefekten (neben Vakanz und Interstitial) Substitutionen: untergliedert nach der Zahl der einander ersetzenden Atomarten (Ionenarten) und dem Umfang a) Einfache Substitution: b) Gekoppelte Substitution: oder Element A Element B Element A + Element B Element C + Element D Element A + Element B Element C + Vakanz (usw.) c) Diadochie, diadocher Ersatz: Ein Element ersetzt ein anderes in geringem Umfange. Lückenlose Mischkristallbildung ist nicht möglich. d) Isomorphie, isomorpher Ersatz: Ein Element ersetzt ein anderes in beliebigem Umfange. Es existiert eine Mischkristall- Reihe zwischen den Endgliedern. Substitutionen: Beispiele a) Einfache Substitution, Isomorphie: Mg 2+ Fe 2+ in Olivinen, (Mg,Fe) 2 [SiO4] (Mischreihe Forsterit-Fayalit) b) Einfache Substitution, Diadochie: Ni 2+ Fe 2+ in Olivinen c) Einfache Substitution, Isomorphie: Mg 2+ Fe 2+ in Pyralspit-Granaten (Mg,Fe) 3 Al 2 [SiO 4 ] 3 (Mischreihe Pyrop-Almandin) d) Einfache Substitution, Diadochie: Mg 2+ Mn 2+ in Pyralspit-Granaten (keine Mischreihe zw. Pyrop und Spessartin) e) Gekoppelte Substitution, Diadochie: 2 REE 3+ + Vakanz 3 Ca 2+ z.b. in Fluorit, CaF 2 ; in Monazit, CePO 4 f) Einfache Substitution (Isomorphie nur bei hohen Temp.): K + Na + in Alkalifeldspäten (K,Na)[AlSi 3 O 8 ] g) Gekoppelte Substitution, Isomorphie: Na + + Si 4+ Ca 2+ + Al 3+ in Plagioklasen (Mischreihe Albit, KAlSi 3 O 8 - Anorthit, CaAl 2 Si 2 O 8 )