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Main / Wie ist die Kristallstruktur von Pyrit?

Was ist die kristalline Struktur von Pyrit

Pyrit ist ein weit verbreitetes Sulfidmineral, das aufgrund seiner euhedrischen Form und seines metallähnlichen Glanzes, der Gold ähnelt, schon früh Interesse geweckt hat. Erst in unserem Jahrhundert haben wir begonnen, das Wachstum von Pyritkristallen unter Berücksichtigung der thermodynamischen und kinetischen Aspekte der Kristallbildung als Funktion der Temperatur und Konzentration der im Medium vorhandenen Elemente zu verstehen. Dieser Artikel berichtet über eine molekularmechanische Analyse von 11 Oberflächen, die mit beobachteten Morphologien assoziiert sind, um das Wachstum natürlicher und synthetisierter Mineralien zu erklären.

Die niedrigsten Oberflächen- und Bindungsenergien 1. Pyrit FeS 2 ist das häufigste natürliche Sulfidmineral und hat seit jeher das Interesse der Menschheit geweckt. Der Funke, der entsteht, wenn ein Kristall auf ein anderes härteres Material trifft, ist wahrscheinlich der Ursprung des Namens pyr, was auf Griechisch Feuer bedeutet.

Gut definierte Formen, dreieckige, kubische oder fünfeckige Facetten mit ihrer symbolischen Anziehungskraft und der goldene metallische Aspekt erklären ihre Faszination. Alte Zivilisationen wie die Maya verwendeten Pyrit als Ornament. Pyrit ist auch Teil des Biomineralisierungszyklus einiger Organismen, wie z. B. magnetotaktischer Bakterien, die in einer schwefelhaltigen Umgebung leben 9, 10.

Es könnte auch eine bedeutende Rolle bei der Entstehung des Lebens 11, 12 gespielt haben. Das Mineral hat sehr gemeinsame Elemente, Fe und S, ohne eigenen kommerziellen Wert. Der Stein ist jedoch auf den Mineralienmärkten vorhanden. Tatsächlich wird Pyrit häufig in Bergwerken während der Gewinnung von Kohle oder verschiedenen Metallen gefunden.

Dies verursacht leider Umweltprobleme während der Entwässerungsprozesse der Gesteine, bei denen der gelöste Pyrit an der Versauerung der Flüsse 13, 14 beteiligt ist. Die Affinität von Pyrit zu Metallen wurde immer negativ gesehen, da dies die Gewinnung der wertvollsten Metalle erschwerte. Heute wird diese Affinität untersucht, indem Pyrit verwendet wird, um Metalle aus Elektronikschrott zu extrahieren 15.

Im Fall von vulkanischen, sedimentären oder metamorphen Mineralien, die Pyrit enthalten, oder von Materialien, die im Labor synthetisiert wurden, ist bekannt, dass Pyritkristalle unterschiedliche Morphologien mit spezifischen Facetten aufweisen, d.h. Es ist bekannt, dass das Wachstum von Mineralien eine Funktion der Bedingungen des Mediums ist, wie der Temperatur und des Säuregehalts der Lösung, der relativen Konzentrationen der gelösten Stoffe in der flüssigen Phase, vor allem des Übersättigungsgrades der gelösten Eisen- und Schwefelstoffe und Partialdrücke der Gase über der Lösung.

Die verschiedenen exponierten Facetten sind im Allgemeinen gut definiert und zeigen ein kinetisches Wachstum, das gemäß diesen Bedingungen variiert. Dieser Artikel beschreibt einige Modelle, die mit molekularer Mechanik optimiert wurden, um verschiedene beobachtete Morphologien zu erklären.

Ziel ist es, neue Erkenntnisse über das thermodynamische und kinetische Wachstum zu gewinnen, um die beobachteten Morphologien und Streifen auf Oberflächen zu klären. Es ist wie folgt organisiert. Im nächsten Abschnitt wird die theoretische Methodik zur Simulation von Pyritoberflächen und -morphologien vorgestellt.

Abschnitt 3 befasst sich mit der Beschreibung der Morphologien der verschiedenen Pyritmineralien und der Berechnung freiliegender Oberflächen. Die theoretischen Ergebnisse werden dann in Abschnitt 4 diskutiert, wobei die experimentellen Daten im Lichte der vorhandenen Theorien analysiert werden.

Der Schwerpunkt dieser Studie lag auf dem Verständnis der Formen von Pyritkristallen als Funktion der thermodynamischen und kinetischen Bedingungen. Dazu wurden die Thermodynamik der Oberflächenenergien und die Kinetik der Bindungsenergien von Pyrit geschätzt. In diesem Abschnitt stellen wir die klassische Methode vor, die auf dem Born 16-Modell für die Untersuchung von Pyrit basiert. Pyrit gehört zum kubischen System; Die in Abbildung 1 gezeigte Elementarzelle enthält 4 FeS 2 -Einheiten. Eisenatome besetzen die Eckpunkte und die Mitte der Flächen in der Einheitszelle.

Das Eisenion hat die Koordinationsnummer 6 i. Die Pyritraumgruppe ist P a 3. Mit dem Tasker 19-Ansatz werden automatisch verschiedene Oberflächenabschlüsse erstellt. Eine breitere Beschreibung der Methodik findet der Leser in der Arbeit von de Leeuw et al. Das interatomare Potential wurde dann durch Hinzufügen von Coulomb-Wechselwirkungen und Buckingham-Potential gemäß der Beziehung aufgebaut:

Die Parameter der interatomaren Potentiale sind in Tabelle 1 aufgeführt; Die Gültigkeit dieser Potentiale wurde durch Vergleich der simulierten Werte mit den experimentellen Daten 17, 21, 22, der Elastizitätskonstante, den Strukturparametern usw. bestätigt. E Masse A hkl 4. Die Oberflächenenergie ist ein Index für die Stabilität der Oberfläche. Je niedriger die Oberflächenenergie ist, desto stabiler ist die Oberfläche.

Daher können thermodynamisch stabile Oberflächen inert sein, während instabile und fehlerhafte Oberflächen Reaktionen begünstigen können. Die Oberflächenreaktivität ist wichtig für Katalyse- und Korrosionsstudien. Die Bindungsenergie liefert nach der Theorie von Hartman-Perdok 23 ein Verständnis für das Wachstum von Kristallen.

Sie entspricht der Energie, die pro Mol durch das Wachstum einer Schicht oder Scheibe mit einer Dicke von d hkl zwischen den Ebenen freigesetzt wird, was ein exothermer Prozess ist.

Die Bindungsenergie ist gegeben durch den Ausdruck: E Scheibe. Oberflächen mit hoher Anheftenergie wachsen schnell, während die niedrigeren Oberflächenenergien vorzugsweise freigelegt werden, wodurch die Morphologie des Kristalls definiert wird. Die Morphologie eines idealen Kristalls mit festem Volumen minimiert die Oberflächenenergie des Partikels.

Es wurde nach dem Gesetz von Gibbs-Curie-Wulff 24 konstruiert. Mit der Software METADISE 18 kann die Kristallmorphologie unter thermodynamischer oder kinetischer Kontrolle des Pyrits unter Verwendung der mit klassischen Methoden extrahierten Energien abgeleitet werden. Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass mit einem einfachen Laptop verschiedene Arten von Oberflächen modelliert und Morphologien erzeugt werden können.

Die Prinzipien, die der Konstruktion kristalliner Morphologien zugrunde liegen, können einfach für die kubische Einheitszelle veranschaulicht werden. Die einfachste Morphologie ist in diesem Fall ein Hexaeder mit quadratischen Flächen, dh: In der simulierten Morphologie erhält die Kante am Schnittpunkt zwischen zwei Zwillingen einen größeren Abstand als die anderen vier Kanten. Einige simulierte Morphologien, die üblicherweise in Pyrit vorkommen, sind in Abb. 1 dargestellt.

Wir präsentieren drei typische Formen von Pyritkristallen geologischen Ursprungs: Arrouvel, Ursprung Peru. Die kubische Morphologie ist in der Natur häufig, aber natürliche Mineralien sind nicht perfekt kubisch und bilden Zwillinge.

Wir beobachten 3 verschiedene Längen entlang der Richtungen a, b, c, mit anderen Worten, es ist ein rechteckiges Prisma. Streifen werden auch auf den Kristalloberflächen mit kubischen Morphologien beobachtet. Abb. Der größte Kristall in Abbildung 3 a hat eine Fläche der Dimension 2. In der oktaedrischen Morphologie Abb. Die quadratische Basis des Kristalls ist 1. In den pyritoedrischen Pyritkristallen beträgt die Größe etwa die Hälfte Zentimeter und darunter, Abb.

Die Zwillingsfacetten 021 und 02-1 und durch Komplementarität weisen die Zwillingsfacetten 0-21 und 0-2-1 Streifen auf, die entlang der [100] -Richtung ausgerichtet sind. Die Streifen auf den Zwillingsfacetten 102 und -102 verlaufen entlang der Richtung und die Streifen auf den Zwillingsfacetten 2-10 und 210 entlang der Richtung. Wir können auch für jeden Zwilling beobachten, dass eine Facette rauer als die andere ist. Diese pyritoedrische Morphologie mit dieser Art von Streifen wird als positiver Pyrit bezeichnet, eine Bezeichnung, die auf Endo und Sunagawa 25 zurückzuführen ist.

Dieselben Autoren 25 haben auch pyritoedrischen negativen Pyrit beschrieben. Die Ausrichtung der Streifen ist in Abbildung 5 b symbolisiert. Die fünfeckigen Facetten des natürlichen Minerals Abb. Die häufigsten Facetten wurden mit METADISE berechnet, um die Struktur und Stabilität jeder Oberfläche zu bewerten und die Morphologie des Kristalls abzuleiten.

Die klassischen Methoden ermöglichen die Berechnung einer höheren Anzahl von Oberflächentypen mit höheren Miller-Indizes, siehe Tabelle 2. Die Reihenfolge der Stabilität unter Verwendung der in Tabelle 1 angegebenen klassischen Potentiale lautet: Oberflächen mit niedrigerer Energie, wie sie nach der Entspannung gegeben sind, sind am stabilsten.

Die stabilste Oberfläche ist somit die Oberfläche 001, die im reinen Zustand eine kubische Morphologie ergibt. Die anderen stabilen Oberflächen gehören zu den pyritoedrischen Morphologien, wie sie in den hispanischen Minen Cameros 26 beobachtet wurden. Die nach klassischen und Quantenmethoden berechneten Oberflächenenergien, die in Tabelle 3 angegeben sind, stimmen in Bezug auf die Reihenfolge der Stabilität der Oberflächen überein.

Einige Unterschiede treten zwischen den Ergebnissen von Ab-initio-Berechnungen auf, die von Hung et al. Unter Verwendung von Kraftfeldmethoden fanden wir, dass die 210-Oberfläche stabiler ist als die stöchiometrische 111-Oberfläche, ein Ergebnis, das nicht mit den von Alfonso 29 beschriebenen Quantenergebnissen verglichen werden kann.

Im letzteren Fall enthalten die modellierten 111-Oberflächen tatsächlich Schwefel im Überschuss, was nach Berechnungen unter Anwendung des Ansatzes des chemischen Potentials zu einer Stabilisierung der Oberfläche führt. Die Oberflächenenergie der stöchiometrischen Oberfläche wird vom Autor nicht angegeben. Die optimierten stöchiometrischen Oberflächen sind in 5 dargestellt. Unter der Annahme der obigen Oberflächenenergien, die mit interatomaren Potentialen berechnet wurden, kann man die beobachtete Morphologie des Kristalls vorläufig erklären.

Betrachtet man zunächst ein Wachstum des Vakuums, an dem alle Oberflächen beteiligt sind, so dominiert das kubische Wachstum. Die relative Stabilisierung jeder Oberfläche hängt jedoch vom Partialdruck und der Temperatur ab. Wir verzögern die jeweilige Diskussion über beobachtete Kristallmorphologien bis zum nächsten Abschnitt und konzentrieren uns hier auf die Struktur der drei häufig beobachteten Oberflächen: Die 310-Oberfläche wird ebenfalls kurz beschrieben und ist die zweitstabilste der berechneten Oberflächen.

Auf der 001-Oberfläche nehmen die Fe-S-Abstände leicht auf 2 ab. Auf der Oberfläche 210 nehmen die Fe-S-Abstände auf 2 ab. Das Fe ist 4-koordiniert und S 2 -koordiniert. Es gibt auch ein 5-koordiniertes Fe und ein 3-koordiniertes S. Auf der 111-Oberfläche sind die Fe-Atome im Gegensatz zu den 001- und 210-Oberflächen über den S-Atomen positioniert.

Der äußerste Schwefel ist in einem Abstand von 2 an 2 Fe-Atome gebunden. In der Zelle der 310-Oberfläche befinden sich zwei 4-koordinierte Fe, drei 5-koordinierte Fe, eine doppelt verbrückende S und sechs dreifach verbrückende S. .

Das kürzeste Fe-S ist 2. Die Abstände der Oberflächen-S-S-Dimere sind etwas größer: Die Kristallstruktur von Pyrit ist bekannt und kann mit klassischen und Quantenmethoden leicht reproduziert werden. Röntgenbeugung ist die Schlüsselmethode, mit der die Struktur der Elementarzelle anhand der Atompositionen abgeleitet werden kann.

Die klassischen Berechnungen basieren auf experimentellen Daten und reproduzieren die Pyritstruktur. Die berechnete Dielektrizitätskonstante beträgt 2.

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