منوی دسته بندی

زمین شناسی مهندسی- شناخت کانی ها

سنگ ها و کانی‌ها

تمامی مواد غیر ارگانیک سازنده­ ی سیاره­ ی زمین از کانی­ها ساخته شده است.

کانی‌ها مواد سازنده سنگ‌ها می‌باشند.
 
پوسته زمین از سنگ‌ها تشکیل شده است.
 

اساس صنعت و تکنولوژی انسان­های روی زمین بر پایه ی خواص کانی ها استوار است.

بیش از 3500 نوع کانی در زمین شناسایی شده است. اکثریت کانی­ها در چند گروه دسته­ بندی می­شوند که عبارتند از:

سیلیکات­ها، اکسیدها، سولفیدها، سولفات­ها، هالیدها، کربنات­ها و عناصر خالص.

سیلیکات­ها فراوان ترین نوع کانی­ها هستند (%95 پوسته­ ی زمین)

کربنات­ها دومین گروه کانی­های فراوان در پوسته هستند.

اکسید­ها نیز در رده­ ی سوم اهمیت و فراوانی قرار دارند.

 

فراوانی عناصر موجود در پوسته­ ی زمین از دیدگاه اتمی

 پوسته­ ی زمین یک بسته­ ی بهم فشرده­ از آنیون­های (اتم با بار منفی) اکسیژن (O-2) است که کاتیون­های (اتم با بار مثبت) فلزی را در بر گرفته است البته با حضور غالب کاتیون­های شبه فلز سیلیکون (Si+4).اکسیژن آنیون حاکم در اکثر کانی­های موجود در طبیعت است. از نظر وزنی اکسیژن %46 وزن پوسته­ی زمین را تشکیل داده است ولی از نظر حجمی %94 آن را تشکیل می­دهد زیرا اتم­های آنیون­ها عموماً بزرگتر از کاتیون­ها هستند.

 کانی­های سیلیکاته از پیوند کاتیون­های Si+4 با آنیون­های O-2 بدست می­آیند. (فلدسپارها فراوان ترین نوع کانی­ها در پوسته­ ی زمین بوده و کوارتز نیز از نظر فراوانی در رده­ ی دوم قرار دارد)

 اکسیدها کانی­هایی مشتمل از کاتیون­های فلزی بوده که به آنیون­های اکسیژن پیوند خورده ­اند همانند هماتیت (Fe2O3) یا مگنتیت (Fe3O4).

در سولفیدها کاتیون­های فلزی با آنیون­های سولفید (S-2) پیوند خورده و کانی­هایی مثل پیریت (FeS2) یا گالن (PbS2) تشکیل می­شوند.

سولفات­ها کانی­هایی هستند که در آنها کاتیون­های فلزی با سولفات (SO4-2) پیوند برقرار می­کنند مثل: باریت (BaSo4) یا  انیدریت (CaSo4*2H2O) که اگر کمی حرارت داده شود آب آن بخار شده و ژیپسوم (CaSo4) (یا همان گچ) تولید می­شود.

 چنانچه کاتیون­های فلزی با آنیون­های هالیدی (عناصر کلرین Cl، فلورین F، یودین I) پیوند یابند کانی­های هالیدی مثل فلئوریت (CaF2) تشکیل می­شوند.
 
کانی­های فلزی نیز با اشتراک گذاشتن الکترون­های آزاد خود تنها از یک عنصر به وجود می­آیند مثل طلا (Au)، نقره (Ag) یا مس (Cu).
 
در کربنات­ها کاتیون­های فلزی با آنیون کربنات (Co3-2) پیوند می­خورند مثلاً کربنات کلسیم (CaCo3) یا کربنات مگنزیم یا مگنزیت (MgCo3).
 
کانی های نیترات از نظر ساختمانی شباهت زیادی به كربناتها دارند با این تفاوت که آنیون نیتروژن با سه اتم اكسیژن (-NO3) مجاور خود پیوند دارد مثلNaNO3.
 

کانی‌ها

تعریف کانی‌ها:

  • به صورت طبیعی وجود دارند
  • غیر آلی
  • جامد
  • ترکیب شیمیایی مشخصی دارند
  • ساختار بلوری منظم و مشخصی دارند

تعریف سنگ:

تجمعی از کانی‌ها به صورت جامد

برخی مواد دیگری نیز بر روی زمین وجود دارند که تمامی خواص کانی­ها از قبیل:

 تشکیل طبیعی،جامد،غیر ارگانیک بودن را دارا هستند ولی دارای شکل و ساختار مولکولی مشخصی نبوده و همچنین ترکیب شیمیایی آنها نیز از نظر تعداد عناصر تشکیل دهنده متغیر است.این مواد را شبه کانی (Mineraloid) می­ نامند.

کانی سیلیکاتة اُپال (SiO2*nH2O) و همچنین کانی­های اُبسیدین (شیشه­ی آتشفشانی) (70%SiO2+Mgo+Fe3O4+…) و پومیس (یا سنگ پا) از جمله شبه کانی­ها هستند.

ترکیب کانی‌ها

•عناصر

اجزاء اصلی سازنده کانی‌ها،بیشتر از 100 عنصر شناسایی شده است که 92 تا از آنها در طبیعت وجود دارند.

‌•اتم‌ها

کوچکترین ذرات تشکیل دهنده ی مواد.

  کانی‌ها زمانی ایجاد می‌شوند که یون های عناصر (کاتیون ها و آنیون ها) از طریق پیوند‌های شیمیایی به هم متصل شده و ترکیب ایجاد می‌کنند. 
 

پیوند‌های شیمیایی

بسیاری از خواص فیزیکی و شیمیایی بلور­ها به پیوند­های بین اتمی و بین مولکولی موجود در ساختار بلور­ها بستگی دارد.دو واژه­ ی کانی و بلور اگرچه از نظر شیمیایی هر دو به یک ترکیب از مواد اشاره دارند اما در واقع با یکدیگر تفاوت دارند. کانی کربنات کلسیم (CaCo3) می­تواند به دو شکل بلورین کلسیت و آراگونیت با خواص متفاوت نمود پیدا کند. ساختار بلورین تعریف دقیق­تری از خواص کانی­ها ارائه می­دهد. بلور­ها در واقع بیانگر ساختارهای مختلف در کانی­هایی با ترکیب شیمیایی یکسان هستند. به عنوان مثال ترکیب شیمیایی گرافیت و الماس کاملاً مشابه یکدیگر است در حالی که این دو خواص فیزیکی بسیار متفاومتی با یکدیگر دارند. بنابراین از بلور­ها برای معرفی انواع پیوند­های بین اتمی و بین مولکولی تشکیل دهنده­ی کانی­ها استفاده می­شود. در طبیعت پیوندهای شیمیایی مختلفی وجود دارد اما چهار نوع اصلی آنها عبارتند از: 

پیوند فلزی، پیوند یونی،  پیوند کووالانسی و پیوند­های پسماند.

پیوند فلزی یا الکترونی

الکترون­های والانس عناصر فلزی بر خلاف موادی از قبیل سرامیک یا مواد پلیمری، چندان مقید به هسته­ های خاصی نبوده و در حال تبادل بین اتم­ها هستند که همین تبادل سریع الکترون موجب پیدایش پیوند فلزی می­شود. در فلزات، تغییرات در انرژی پیوندی کم است به طوری که یک اتم منفرد در طول آرایه­ ی مسطح سایر اتم­ها حرکت کرده و اتم­ها مقید به داشتن جایگاه و یا زاویه­ ی پیوندی مشخص نسبت به سایر اتم­ها نیستند. بلور­هایی که با پیوندهای فلزی تشکیل شده­اند بسیار متقارن و دارای سختی کم تا متوسط بوده، چکش خوار، شکل پذیر و رسانای حرارت و الکتریسیته هستند و فقط در اسید حل می­شوند.

پیوند کوالانسی:

در این نوع پیوند، تعداد دو یا چند اتم از عناصر غیر فلزی (یون­های با بار مساوی) یک جفت الکترون را به اشتراک می­گذارند به طوری که یک هشت­تایی پایدار تشکیل می­شود. به عنوان مثال یک اتم هیدروژن می­تواند با یک اتم هیدروژن دیگر یا با یک اتم فلورین یا کلورین پیوند برقرار کند زیرا تمامی این­ها تعداد الکترون والانس یکسانی دارند (چه مثبت یا منفی). برخی از اتم­های منفرد نیز وجود دارند که به اندازه­ی کافی الکترون داشته و می­توانند این الکترون­ها را بین چند اتم به اشتراک گذاشته و گروهی از اتم­های متصل به هم را تشکیل دهند. اکسیژن و سولفور دو پیوند کوالانسی دارند. نیتروژن سه تا، کربن و سیلیکون نیز می­توانند چهار پیوند داشته باشند. جدا کردن پیوند­های کوالانسی نیازمند انرژی بسیار زیادی بوده و این انرژی می­تواند اتم­ها را کاملاً بخار کرده یا از هم جدا کند. در جامدات کوالانسی، پیوند­ها زاویه­ ی مخصوص خود را دارند. پیوند اتم کربن با کربن به عنوان یک پیوند کوالانسی می­تواند یک آرایه­ ی سه بعدی تشکیل دهد. علت سختی و شکنندگی الماس نیز همین است که در این آرایش طول و زاویه­ ی پیوند­ها کاملاً مشخص و ثابت است. کانی­های گروه سولفاید مثال خوبی از این نوع پیوند هستند. مولکول­ها با این نوع پیوند در مایعات قطبی به راحتی حل نمی­شوند، دمای ذوب و سختی بالایی داشته، رسانای ضعیف دما و الکتریسیته بوده و بلور­های حاصله تقارن کمی دارند.

پیوند یونی: 

پیوندی که بین کاتیون­ها و آنیون­ها برقرار است. عناصر فلزی به کمک نیروی الکترواستاتیک بین یون­های مثبت فلزی به عناصر غیر فلزی با بار منفی پیوند می­خورند. جایی که والانس یون­های مثبت و منفی یکسان است، تعدادی مساوی از این باندها قرار دارد. در غیر این صورت، به عنوان مثال اگر مقدار بار مثبت بیشتر از بار منفی باشد، با توجه به فضای موجود بین یون­ها چندین یون منفی یک یون مثبت را احاطه خواهند کرد (توجه: کاتیون ها معمولاً کوچکتر از آنیون ها هستند).پیوندهای یونی بسیار محکم هستند. اگرچه نیروی الکتریکی جهت دار نبوده و در همه­ ی اطراف وارد می­شوند ولی آنها تنها اندکی بیشتر از پیوند­های کوالانسی می­توانند جابجایی خطی و زاویه­ ای داشته باشند. بلور­های تشکیل شده با این نوع پیوند قابلیت انحلال آسان در سیالات با مولکول­های قطبی مثل آب را دارند. بلور­های این پیوند تقارن مناسبی داشته، همچنین دارای دانسیته و سختی متوسط هستند. رسانای ضعیفی برای حرارت و الکتریسیته بوده و دمای ذوب بالا دارند. همانند پیوند کوالانسی، این نوع پیوند نیز باتوجه به انطباق شبکه پیوند بین دو سطح از مواد یونی می­تواند اتصال­های خیلی قوی یا ضعیف بین سطوح تماس ایجاد کند.

پیوندهای بین اتمی می­تواند به صورت ترکیبی کوالانسی و یونی باشد. مقدار و سهم پیوندهای یونی و کوالانت در یک مولکول را می­توان با استفاده از اختلاف الکترونگاتیویته بین اتم­ها تعیین کرد. در اتم­هایی با الکترونگاتیویته­ ی یکسان پیوندها تماماً از نوع کوالانت است. به عنوان مثال الماس %100 دارای پیوند کوالانسی است. SiC دارای %90 پیوند کوالانسی و %10 پیوند یونی است. به همین ترتیب Si3N4 %75 و SiO2 %50 کوالانسی هستند.

پیوند­های پسماند: 

 به دلیل برقراری پیوندهای یونی و کوالانسی بین اتم­ها در برخی موارد بارهای مثبت و منفی در طرف­های مولکول متمرکز می­شوند که این تمرکز بارها موجب ایجاد نیروهای ضعیفی بین مولکول­ها یا اتم­ها می­شود. به عنوان مثال نیروی موجود بین صفحات کلیواژ از این نوع هستند. پیوندهای پسماند مهم عبارتند از: پیوند هیدروژنی و پیوند واندروالسی.
 

پیوند پسماندپیوند هیدروژنی:

 این نوع پیوند در موارد خاصی در اثر وجود اتم هیدروژن رخ می­دهد. زمانی که هیدروژن الکترون خود را به اشتراک بگذارد دارای بار مثبت می­شود. به عنوان مثال مولکول­های آب قطبی هستند یعنی سمتی که اتم­های هیدروژن قرار دارند دارای بار مثبت و سمت اکسیژن دارای تمرکز بار منفی است. به طور مشابه مولکول OH نیز که در کانی­های ورقه­ ای سیلیکاته معمول است دارای بار منفی بوده و پیوند ضعیف هیدروژنی بین ورقه ­ها باعث کلیواژ می­شود. پیوند هیدروژنی فقط بین ترکیبات دارای H و O و N و F وجود دارد یعنی در این ترکیبات هیدروژن به عنوان پلی بین دو اتم الکترونگاتیو عمل می‌کند.
 

پیوند پسماندپیوند واندروالسی:

 این پیوند نیز در اثر قطبی شدن مولکول­ها رخ می­دهد. قطبی شدن لحظه­ ای مولکول­ها در اثر چرخش ابر الکترونی اتم­های تشکیل  آن موجب ایجاد نیروی بین مولکولی ضعیفی به نام نیروی لاندن می­شوند. بعلاوه نیروهای جاذبه­ ی اتمی تا شعاع 3 الی 4 برابر اتم ادامه دارند، اگرچه در این فاصله این نیروها به شدت ضعیف می­شوند، زمانی که اتم­ها در کنار هم جمع شده و مولکول را تشکیل دهند، متناسب با اندازه­ ی مولکول این نیروها افزایش می­یابند. همچنین در صورتی که برخی مولکول­های تشکیل شده قطبی نیز باشند این نیروها بیشتر می­شوند. در ساختار­های مولکولی بزرگ همانند پلی­مرها این نیروها مولکول­ها را به یکدیگر متصل کرده و بخش اصلی مقاومت ماده را تامین می­کند. اما بهرحال این مقاومت بسیار کمتر از پیوندهای یونی، کوالانسی و فلزی است. پیوند بین لایه­ های کربن در گرافیت  از این نوع است.
 

کانی‌های سنگ ساز

  • حدود 3500 کانی در زمین وجود دارد اما تعداد محدودی از آنها بخش عمده‌ای از سنگ‌ها را تشکیل داده‌اند.
  • بعضی از سنگ‌ها از یک کانی تشکیل یافته اند: سنگ آهک.
  • بیشتر سنگ‌ها از چندین کانی تشکیل شده‌اند: گرانیت.

 

عمده کانی‌های سنگ ساز معمول به دو گروه تقسیم می‌شوند:

سیلیکات‌ها (Silicates)

غیر سیلیکات‌ها (Non-Silicates)

سیلیکات‌ها:

کانی های سیلیکاته بیش از 90 درصد پوسته ی زمین را تشکیل داده اند.ترکیب اصلی کانی های سیلیکاته شامل چهاروجهی سیلیسیوم-اکسیژن است به طوری که یک اتم سیلیکون توسط چهار اتم اکسیژن در اطراف با پیوند قوی کوالانسی احاطه شده است.این چهار وجهی دارای بار است زیرا اتم سیلیکون دارای الکترون والانس +4 است یعنی میتواند با چهار اتم دیگر پیوند بر قرار کند. هر اکسیژن هم دارای الکتورن والانس -2 است. بنابراین تتراهدرون SiO4 دارای بار -4 است.به همین دلیل این تتراهدرن می تواند با سایر تتراهدرن ها یا با کاتیون ها پیوند برقرار کند.

از آنجایی که تتراهدرن یا چهاروجهی ها همگی بار منفی دارند، همدیگر را دفع میکنند. پس چطور باید با هم پیوند برقرار کنند؟ساده ترین راه بر قراری پیوند بین اینها، استفاده از سایر کاتیون ها (یون های دارای بار مثبت) است.قدرت پیوند یونی کمتر از پیوند کوالانسی است.به جای کاتیون آهن، سایر کاتیون ها هم امکان برقراری این پیوند دار دارند مثل کاتیون منیزیم. بعلاوه حتی چند کاتیون، مثلاً آهن و منیزیم با هم نیز میتوانند این پیوند را ایجاد کنند. این دقیقاً همان پیوند مولکولی کانی اولیوین است.

 

کانی اولیوینOlivine:

 

در اولیوین تتراهدرن های سیلیکات با کمک کاتیون های آهن و منیزیم به هم پیوند یونی برقرار کرده اند و فرمول مولکولی آن به صورت زیر است:

SiO4(Mg, Fe)2

 

ساختار و گروه‌های کانی‌های سیلیکاته

چهاروجهی‌های منفرد می توانند با به اشتراک گذاشتن اکسیژنها، خودشان به همدیگر متصل شده و ساختارهای مختلفی را ایجاد می‌کنند.

-ساختار جزیره‌ای
-ساختارهای زنجیره‌ای (تک زنجیره و جفت زنجیره)
-حلقه ای
-ساختار ورقه‌ای
-ساختار 3 بعدی (شبکه‌ای)
 

سیلیکات‌های تک زنجیره ای(Single Chain):

هر تتراهدرن یا چهاروجهی یک اتم اکسیژن خود را با تتراهدرن مجاور به صورت پیوند کوالانسی به اشتراک گذاشته است.بدین ترتیب ساختار تک زنجیره ای ایجاد می شود.زنجیره های ایجاد شده دارای بار منفی هستند، بنابراین همدیگر را دفع خواهند کرد.بنابراین برای اینکه بین زنجیره ها پیوند برقرار شود، بایست کاتیون ها وارد عمل شوند و بین زنجیره ها پیوند یونی بر قرار کنند.پیوند یونی ضعیف تر از پیوند کوالانسی بوده و شکست در امتداد این پیوند اتفاق می افتد.

یکی از کانی های دارای ساختار زنجیره ای پیروکسین است.کاتیون های موجود در ساختار پیروکسین، اغلب حاوی آهن است و به همین دلیل کانی پیروکسین تیره، سخت و سنگین است.یک کانی پیروکسین که بسیار فر اوان است، آگات (Augite) نام دارد.

کانی آگات(Augite):

 

به طور وفور در سنگ بازالت یافت می شود.فرمول مولکولی نسبتاً پیچیده ای هم دارد.اما نکته ی قابل توجه آن است که گاهی اتم آلومینیوم (Al) می تواند جانشین سیلیسیوم (Si) شود.

(Ca,Na)(Mg,Fe,Al,Ti)(Si,Al)2O6

سیلیکات‌های دو زنجیره ای:

در این ساختار، هر زنجیره اتم اکسیژن کناری خود را با زنجیره ی مجاور به صورت پیوند کوالانسی به اشتراک گذاشته است.بدین ترتیب ساختار دو زنجیره ای ایجاد می شود و طبیعتاً زنجیره های ایجاد شده دارای بار منفی هستند، بنابراین همدیگر را دفع خواهند کرد.بنابراین برای اینکه بین زنجیره ها پیوند برقرار شود، بایست کاتیون ها وارد عمل شوند و بین زنجیره ها پیوند یونی بر قرار کنند.پیوند یونی ضعیف تر از پیوند کوالانسی بوده و شکست در امتداد این پیوند اتفاق می افتد.یکی از کانی های دارای ساختار دو زنجیره ای آمفیبول ها هستند و مثال فراوان آن کانی هورنبلند است.

 

کانی هورنبلند(hornblende):

 

هورنبلند یک کانی اینوسیلیکات با فرمول مولکولی پیچیده است که به طور وفور در سنگ گرانیت وجود دارد.(کانی های سیاه رنگ موجود در گرانیت)

(Ca, Na)2–3(Mg, Fe, Al)₅(Al, Si)₈O₂₂(OH, F)₂

سیلیکات‌های ورقه ای:

در این ساختار، زنجیره ها اتم اکسیژن کناری خود را با زنجیرهای مجاور به صورت پیوند کوالانسی به اشتراک گذاشته است.بدین ترتیب ساختار ورقه ای ایجاد می شود و طبیعتاً ورقه های ایجاد شده دارای بار منفی هستند، بنابراین همدیگر را دفع خواهند کرد.

میکا ها یک مثال خوب از سیلیکات های ورقه ای هستند.

رس ها هم جزء سیلیکات های ورقه ای هستند که حاصل هوازدگی سنگ های آذرین هستند و البته مثل میکا نیستند که ورقه های آنها به آسانی دیده شود بلکه ورقه ها در ابعاد میکروسکوپیک هستند. از آنجایی که ورقه های سیلیکاته دارای بار منفی هستند، بنابراین مولوکول های قطبی آب را از سر مثبت به خود جذب می کنند.

 

کانی های  میکا(Micas)

کانی های گروه میکا از روی َرخ قاعده‌ای کامل خود به آسانی قابل تشخیص هستند.در سنگ های آذرین فراوان وجود دارند.

رئوس مطالب این آموزش:

  •  بند اول
  • بند دوم

دانلود فایل پی دی اف محتوای فوق:

دانلود

خرید و دانلود فایل پاورپویینت محتوای فوق:

خرید و دانلود

خرید و دانلود یکجای فایلهای پاورپویینت تمامی جلسات زمین شناسی مهندسی:

خرید و دانلود یکجا
admin وب‌سایت

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *