O percurso escolar que tens vindo a realizar permite-te saber que o chão que pisas é constituído por rochas e que essas rochas são constituídas por minerais, por uma variedade enorme de minerais. Na natureza, até à atualidade, já foram identificados cerca de 3500 minerais, sendo que apenas 30 ocorrem como constituintes principais das rochas.
À semelhança dos seres vivos, que têm uma unidade estrutural da vida, os minerais também apresentam essa unidade – os átomos.
Os átomos são as mais pequenas partículas de um elemento químico que ainda conservam as propriedades desse elemento. São constituídos por três tipos de partículas subatómicas protões, neutrões e electrões. A configuração electrónica mais estável nos átomos depende de duas condições fundamentais:
- Atingir o estado de neutralidade eléctrica,
- Preencher completamente as orbitais eléctricas.
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| Iões de Sódio (Na+) e Cloro (Cl-) |
Os iões com carga positiva (catiões) tendem a reagir (ou combinar-se) com iões de carga negativa (aniões) para neutralizar o seu desequilíbrio elétrico e formam moléculas estáveis – compostos.
As moléculas são constituídas por átomos ligados entre si, através de forças, designadas por ligações químicas. As ligações químicas podem ser: iónicas, covalentes, metálicas e de Van der Waals. Os minerais apresentam geralmente dois ou mais tipos de ligações.
Ligações Iónicas: envolvem a transferência de electrões da orbital externa de
um átomo para a do outro e, subsequente criação de forças de atracção entre iões de
carga oposta. Os minerais com ligações iónicas são em geral solúveis, fracos condutores de calor e electricidade, com dureza moderada e temperatura de fusão alta.
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| Exemplo de uma ligação iónica - Fluoreto de Lítio |
Ligações Covalentes: partilha de electrões das orbitais externas de dois
átomos para produzir uma configuração electrónica inerte. Os minerais com ligações covalentes são em geral insolúveis, estáveis, com dureza intermédia a alta, temperatura de fusão muito alta, fracos condutores de electricidade e, os minerais onde esta ligação ocorre, apresentam um grau de simetria elevado.
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| Exemplo de uma ligação covalente - Molécula de água |
Ligações Metálicas: A ligação metálica é semelhante à ligação covalente,
mas envolve a partilha de electrões de orbitais internas. Os electrões envolvidos na
ligação não pertencem a qualquer átomo em particular e são livres para mover-se através da estrutura ou mesmo inteiramente fora dela, sem romper o mecanismo da ligação.
Nos metais, como o ferro ou o ouro, os átomos estão empacotados muito densamente e os electrões movem-se livremente através do cristal. Os minerais com este tipo de ligação são brandos, maleáveis, e excelentes condutores eléctricos.
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| Representação esquemática de uma liga metálica |
Ligações de Van Der Waals: A ligação de Van der Waals, embora seja comum nos compostos orgânicos e nos gases raros, não é frequente entre os minerais. Trata-se de uma ligação fraca causada por forças de atracção electrostática entre átomos ou iões de carga oposta.
A grafite é um exemplo típico de um mineral com ligações de Van der Waals. Tal
como o diamante, é constituída exclusivamente por átomos de carbono. Na grafite, os
átomos de carbono estão unidos através de ligações covalentes e dispõem-se em
camadas que, por sua vez, se ligam entre si através de forças de Van der Waals.
Os minerais com este tipo de ligação têm, em geral, dureza baixa e clivagem fácil segundo uma direcção.
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| Exemplo de uma ligação de Van der Waals - Grafite |
O empacotamento ordenado de átomos/iões nas três direcções do espaço dá origem a sólidos com estrutura cristalina: os minerais.
Mas afinal, qual a definição de mineral?
Quando um geólogo se refere a um mineral, deves saber que está a ter em conta que:
- É um sólido homogéneo, formado por processos naturais;
-Tem uma composição química definida, contudo não necessariamente fixa, que pode ser expressa por uma fórmula química;
- Possui uma estrutura cristalina, isto é, os átomos dos elementos químicos que constituem o mineral apresentam uma distribuição ordenada nas três direções do espaço;
-Têm, geralmente, origem inorgânica.
Os minerais são classificados e denominados com base na sua composição química e na sua estrutura cristalina. Existem substâncias com a mesma composição química que constituem minerais totalmente distintos devido a diferenças na forma como os seus átomos ou moléculas se dispõem espacialmente. Um exemplo, representado na figura abaixo, é a grafite e o diamante, ambos compostos por átomos de carbono mas, devido às estruturas cristalinas diferentes, apresentam-se como dois minerais completamente distintos.
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| Estrutura Cristalina do Diamante (à esq.) e da Grafite (à dir.) |
Em termos de composição química, os minerais podem ser formados por elementos químicos, em estado puro ou quase puro, sais simples ou compostos inorgânicos complexos, como é o caso dos silicatos. De entre estes grupos de minerais destacam-se os silicatos (SiO4)4- que representam o grupo mineral mais abundante na crusta terrestre.
Note-se que os minerais com o mesmo anião tendem a ter propriedades semelhantes e a ocorrer no mesmo tipo de ambientes geológicos. Qualquer que seja o processo envolvido na sua génese, nenhum mineral se pode formar se não existirem os ingredientes químicos (átomos ou moléculas) que o constituam. É por isso que os minerais mais comuns são aqueles que são compostos pelos elementos químicos mais abundantes no seu ambiente de formação. A maioria dos minerais conhecidos ocorre nas rochas da crusta terrestre. Sabe-se, actualmente, que a crusta da Terra contém 95% de rochas ígneas e metamórficas, 4% de argilitos, 0.75% de arenitos e 0.25% de calcários e tem como principais constituintes os seguintes elementos químicos: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na e K.
Note-se que os minerais com o mesmo anião tendem a ter propriedades semelhantes e a ocorrer no mesmo tipo de ambientes geológicos. Qualquer que seja o processo envolvido na sua génese, nenhum mineral se pode formar se não existirem os ingredientes químicos (átomos ou moléculas) que o constituam. É por isso que os minerais mais comuns são aqueles que são compostos pelos elementos químicos mais abundantes no seu ambiente de formação. A maioria dos minerais conhecidos ocorre nas rochas da crusta terrestre. Sabe-se, actualmente, que a crusta da Terra contém 95% de rochas ígneas e metamórficas, 4% de argilitos, 0.75% de arenitos e 0.25% de calcários e tem como principais constituintes os seguintes elementos químicos: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na e K.
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| Abundância dos elementos químicos na Crusta Terrestre. |
Tendo em conta a composição média da crusta, não é de estranhar que os minerais mais comuns pertençam à classe dos silicatos.
O tetraedro de sílica
Todos os silicatos têm a mesma unidade fundamental na sua estrutura: o tetraedro de sílica (SiO4)4-. O ião Silício (Si4+), de menores dimensões, localiza-se no centro do tetraedro e está ligado fortemente a 4 iões de oxigénio (O2-) que ocupam os vértices do tetraedro.
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| Diferentes formas de representar a unidade base dos silicatos: o tetraedro (SiO4)4- |
A diferença de electronegatividade entre o silício e o oxigénio faz com que a ligação Si-O nos tetraedros SiO44- seja 50% iónica e 50% covalente, ou seja, depende da atracção electrostática entre iões de cargas contrárias mas também envolve a partilha de electrões
entre os átomos que participam na ligação.
No entanto, o grupo aniónico SiO4 4- não pode, só por si, gerar nenhum mineral da classe dos silicatos porque não é electricamente neutro. Existem três modos distintos dos tetraedros SiO4 4- se ligarem a outros iões para neutralizar a sua carga:
-Ligação a iões metálicos positivos (e.g. Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+);
-Partilha de átomos de oxigénio entre tetraedros adjacentes;
-Combinação dos mecanismos anteriores.
No primeiro caso, cada tetraedro SiO4 4- comporta-se como uma unidade independente, neutralizando a sua carga eléctrica através da ligação com iões positivos. Os minerais produzidos por este processo apresentam estruturas relativamente simples, constituindo o grupo dos nesossilicatos.
O segundo mecanismo envolve a partilha de átomos de oxigénio entre tetraedros
adjacentes. Os grupos aniónicos SiO4
4- unem-se entre si originando estruturas
progressivamente mais complexas (anéis, folhas, cadeias, etc.).
Este processo, conhecido como polimerização, permite formar os seguintes grupos de silicatos:
No entanto, o grupo aniónico SiO4 4- não pode, só por si, gerar nenhum mineral da classe dos silicatos porque não é electricamente neutro. Existem três modos distintos dos tetraedros SiO4 4- se ligarem a outros iões para neutralizar a sua carga:
-Ligação a iões metálicos positivos (e.g. Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+);
-Partilha de átomos de oxigénio entre tetraedros adjacentes;
-Combinação dos mecanismos anteriores.
No primeiro caso, cada tetraedro SiO4 4- comporta-se como uma unidade independente, neutralizando a sua carga eléctrica através da ligação com iões positivos. Os minerais produzidos por este processo apresentam estruturas relativamente simples, constituindo o grupo dos nesossilicatos.
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| Unidade de repetição dos Nesossilicatos |
Este processo, conhecido como polimerização, permite formar os seguintes grupos de silicatos:
Tetraedros duplos - Sorossilicatos
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| Unidade de repetição dos Sorossilicatos |
Anéis - Ciclossilicatos
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| Unidade de repetição dos Ciclossilicatos |
Cadeias simples e duplas - Inossilicatos
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| Unidade de repetição de Inossilicatos de cadeia simples |
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Unidade de repetição de Inossilicatos de cadeia dupla |
Folhas - Filossilicatos
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| Unidade de repetição dos Filossilicatos |
Estruturas tridimensionais – Tectossilicatos
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| Unidade de repetição dos Tectossilicatos |
Sites que podes visitar:
Podes ver a estrutura do átomo, elementos químicos onde podes manipular o número atómico do elemento, assim como os diferentes tipos de ligações que as moléculas estabelecem entre si. Posteriormente podes ver as estruturas dos diferentes minerais, incluíndo as estruturas dos diferentes silicatos e as suas propriedades minerais - Minerals .
Este link leva-te para uma animação onde podes observar o arranjo das moléculas na estrutura dos silicatos - Silicate Mineral Structure
