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 Beispiele: 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! Beispiele: Kalkspat (Calcit), Bleiglanz (Galenit), Zinkblende (Sphalerit), Roteisenstein (Hämatit), Schwerspat (Baryt) Mineralvarietät = alle Mineralinidividuen (einer Mineralart), die eine zusätzliche, spezifische Besonderheit aufweisen Beispiele:

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 Beispiele:

Granat-Gruppe Turmalin-Gruppe Feldspäte Zeolithe (Gerüstsilikate mit strukturellen Kanälen, in denen Wasser eingelagert wird) Olivine

Polymorphe (bzw. polymorphe Mineralarten) = Minerale mit gleichem Chemismus, aber unterschiedlichen Kristallstrukturen („Vielgestaltigkeit“) Beispiele:

C (Graphit, Diamant) SiO2 (Quarz, Tridymit, Coesit, Stishovit, ...) KAlSi3O8 (Sanidin, Orthoklas, Mikroklin) CaCO3 (Calcit, Aragonit, Vaterit)

Isotype Minerale = Minerale mit gleichem Strukturtyp, aber unterschiedlichem Chemismus Beispiele:

Strontianit, SrCO3 (im Aragonit-Strukturtyp) Sylvin, KCl; Galenit, PbS (beide im Halit-Strukturtyp) Kassiterit („Zinnstein“), SnO2 (im Rutil-Strukturtyp)

Isomorphe Minerale = sehr ähnliche Strukturen, dadurch chemische Mischbarkeit bzw. Mischkristallbildung („Gleichgestaltigkeit“) Beispiele:

Fayalit (Fe2SiO4) – Forsterit (Mg2SiO4) = Olivine Albit (NaAlSi3O8) – Anorthit (CaAl2Si2O8) = Plagioklase

Auflistung wichtiger Minerale: Mineral

chem. Formel

Kristallsystem

Mohs’sche Härte

Talk

Mg3[(OH)2/Si4O10]

monoklin

H1

Gips

CaSO4 · 2H2O

monoklin

H2

Halit

NaCl

kubisch

H2

Calcit

CaCO3

trigonal

H3

Fluorit

CaF2

kubisch

H4

Apatit

Ca5[PO4]3F

hexagonal

H5

Orthoklas

K[AlSi3O8]

monoklin

H6

Quarz

SiO2

trigonal

H7

Topas

Al2[F2/SiO4]

rhombisch

H8

Korund

Al2O3

trigonal

H9

Diamant

C

kubisch

H 10

Graphit

C

hexagonal

H1

Hämatit

Fe2O3

trigonal

H 6-6.5

Magnetit

Fe3O4

kubisch

H 5.5

Pyrit

FeS2

kubisch

H 6-6.5

Galenit

PbS

kubisch

H 2.5

Baryt

BaSO4

rhombisch

H 3.5

Muscovit

KAl2[(OH,F)2/AlSi3O10]

monoklin

H 2-3

Biotit

K(Mg,Fe)3[(OH,F)2/AlSi3O10] monoklin

H 2-3

Granat-Gruppe

A3B2[SiO4]3

kubisch

H 7-7.5

Olivine

(Mg,Fe)[SiO4]

rhombisch

H 6.5-7

Minerale der Granatgruppe: Allgemeine Formel A2+3 B3+2 [SiO4]3

mit A2+: Mg, Fe2+, Ca, Mn in 8er-Koordination zu O B3+: Al, Fe3+, Cr in 6er-Koordination zu O Si4+: in 4er-Koordination zu O

Untergruppe “Pyralspite“: Pyrop

Mg3Al2[SiO4]3

Almandin

Fe3Al2[SiO4]3

Spessartin

Mn3Al2[SiO4]3

Untergruppe “Ugrandite“: Uwarowit

Ca3Cr2[SiO4]3

Grossular

Ca3Al2[SiO4]3

Andradit

Ca3Fe2[SiO4]3

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, FeS2; Galenit, PbS; Sphalerit, ZnS) 3. Halide / Halogenide (z.B. Halit, NaCl; Fluorit, CaF2) 4. Oxide / Hydroxide (z.B. Quarz, SiO2; Magnetit, Fe3O4) 5. Karbonate / Nitrate (z.B. Calcit, CaCO3; Malachit, Cu2[(OH)2/CO3]) 6. Borate 7. Sulfate (z.B. Gips, CaSO4 · 2H2O; Baryt, BaSO4) 8. Phosphate / Arsenate/ Vanadate (z.B. Apatit, Ca5[PO4]3F) 9. Silikate (z.B. Forsterit, MgSiO4; Pyrop, Mg3Al2[SiO4]3; Topas, Al2[F2/SiO4]; Muscovit, KAl2[(OH,F)2/AlSi3O10]; Orthoklas, K[AlSi3O8]) 10. organische Minerale

(2) Sub-Klassifikation der Silikate nach kristallstrukturellen Gesichtspunkten in Abteilungen: nach Art der Vernetzung der SiO4-Tetraeder 1. bis 3. Keine unendliche Vernetzung: (1) Nesosilikate (Insel) Bsp. Forsterit Mg [SiO4] (2) Sorosilikate (Gruppe) Bsp. Thortveitit Sc2[Si2O7] (3) Cyclosilikate (Ring) Bsp. Beryll Al2Be3[Si6O18] 4. Unendliche Vernetzung in einer Richtung: (4) Inosilikate (Kette) weiter unterteilt in Einfach- / Doppelketten und Einer-, Zweier-, Dreierketten etc. Bsp. Diopsid CaMg[Si2O6] (Zweiereinfachkette) Bsp. Aktinolith Ca2(Mg,Fe)5[(OH)2/Si8O22] (Zweierdoppelkette) 5. Unendliche Vernetzung in zwei Richtungen: (5) Phyllosilikate (Schicht) weiter unterteilt in Zweischicht-, Dreischicht-, Vierschicht-Silikate (mit und ohne Zwischenschichten etc.) Bsp. Muscovit, KAl2[(OH,F)2/AlSi3O10 ] (Dreischichtsilikat mit ZwischenschichtKationen) 6. Unendliche Vernetzung in drei Richtungen: (6) Tektosilikate (Gerüst) Bsp. Orthoklas, K[AlSi3O8], weiter Plagioklase, Zeolithe, Foide (Feldspatvertreter). Achtung: In manchen Lehrbüchern wird Quarz als Tektosilikat behandelt; Quarz ist ein Oxid!

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)2SiO4; 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]

Kristallformen: Geschlossene Formen: “gleichwertige” (besser symmetrieäquivalente) Kristallflächen können einen geschlossenen Körper aufbauen Beispiele: Oktaeder, Würfel, hexagonale Dipyramide Offene Formen: “gleichwertige” (besser symmetrieäquivalente) Kristallflächen können NICHT einen geschlossenen Körper aufbauen Beispiele: 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 Fe3O4 + ½ O2 → 3 Fe2O3) 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)

Interatomare Bindung und Koordination: Einige wichtige Ionenradien: Element

Symbol

Kohlenstoff Bor Silizium Phosphor Aluminium Eisen

C B Si P Al Fe

Magnesium Natrium Calcium Sauerstoff Kalium Chlor

Mg Na Ca O K Cl

Wertigkeit

Radius (Å)

4+ 3+ 4+ 5+ 3+ 3+ 2+ 2+ 1+ 2+ 21+ 1-

0,16 0,23 0,42 0,44 0,51 0,64 0,74 0,66 0,97 0,99 1,32 1,33 1,81

Koordination zu Sauerstoff 3 3 4 4 4, 5, 6 6 (auch 4) 6 (auch 8) 6 8 8 (auch 9) – 12 –

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 - abnehmend bei Elektronenabgabe

(c) der Koordination - zunehmend mit zunehmender Koordination Beispiel:

Schwefel

Cl+/–0 Cl–

1,0 Å 1,7 Å

Fe+/–0 Fe2+ (in 6er-Koord.) Fe3+ (in 6er-Koord.)

1,24 Å 0,75 Å 0,69 Å

Al3+ in 4er-Koordination Al3+ in 6er Koordination

0,53 Å 0,68 Å

1,70 Å als S2– in 6er-Koordination 0,26 Å als S6+ in 4er-Koordination

Koordination von Ionen in Kristallgittern hängen ab vom Radien-Verhältnis: Radienverhältnis:

Koordination:

Beispiel:

0,155 - 0,225

3

CO3 in Calcit

0,225 - 0,414

4

SiO4 in Olivin

0,414 - 0,732

6

NaCl6 in Halit

0,732 - 1

8

CaO8 in Diopsid

12

KO12 in Muscovit

>1

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: Element A ↔ Element B b) Gekoppelte Substitution: Element A + Element B ↔ Element C + Element D oder

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 MischkristallReihe zwischen den Endgliedern.

Substitutionen: Beispiele a) Einfache Substitution, Isomorphie: Mg2+ ↔ Fe2+ in Olivinen, (Mg,Fe)2[SiO4]

(Mischreihe Forsterit-Fayalit)

b) Einfache Substitution, Diadochie: Ni2+ ↔ Fe2+ in Olivinen c) Einfache Substitution, Isomorphie: Mg2+ ↔ Fe2+ in Pyralspit-Granaten (Mg,Fe)3Al2[SiO4]3 (Mischreihe Pyrop-Almandin) d) Einfache Substitution, Diadochie: Mg2+ ↔ Mn2+ in Pyralspit-Granaten (keine Mischreihe zw. Pyrop und Spessartin) e) Gekoppelte Substitution, Diadochie: 2 REE3+ + Vakanz ↔ 3 Ca2+

z.B. in Fluorit, CaF2; in Monazit, CePO4

f) Einfache Substitution (Isomorphie nur bei hohen Temp.): K+ ↔ Na+ in Alkalifeldspäten (K,Na)[AlSi3O8] g) Gekoppelte Substitution, Isomorphie: Na+ + Si4+ ↔ Ca2+ + Al3+ in Plagioklasen (Mischreihe Albit, KAlSi3O8 - Anorthit, CaAl2Si2O8)