Mineral

Mineralien sind natürliche Verbindungen, die durch gebildet werden geologisch Prozesse. Der Begriff „Mineral“ umfasst nicht nur die chemische Zusammensetzung des Materials, sondern auch die Struktur des Minerals. Mineralien reichen in der Zusammensetzung von rein Elemente und einfach Salze bis hin zu sehr komplexen Silikaten mit Tausenden bekannter Formen (organische Verbindungen sind ausgeschlossen). Das Studium der Mineralien nennt man Mineralogie.

Eine Auswahl an Mineralien. Foto von US Geological Survey.

Definition und Klassifizierung von Mineralen

Um als „echtes“ Mineral eingestuft zu werden, muss ein Stoff ein Feststoff sein und a Kristall Struktur. Außerdem muss es sich um einen anorganischen, natürlich vorkommenden, homogenen Stoff mit definierter chemischer Zusammensetzung handeln. Die chemische Zusammensetzung kann zwischen den Endgliedern eines Mineralsystems variieren. Zum Beispiel der Plagioklas Feldspäte umfassen eine fortlaufende Reihe von Natrium -reicher Albit (NaAlSi ₃ Ö ₈ ) zu Kalzium -reicher Anorthit (CaAl _zwei Ja _zwei Ö ₈ ) mit vier anerkannten Zwischenkompositionen dazwischen. Mineralähnliche Substanzen, die der Definition nicht streng entsprechen, werden manchmal als Mineraloide klassifiziert. Andere natürlich vorkommende Substanzen sind Nichtmineralien. Industriemineralien ist ein Marktbegriff und bezieht sich auf kommerziell wertvolles, abgebautes Material (siehe auch den Abschnitt „Mineralien und Gesteine“ weiter unten).

EIN Kristallstruktur ist die geordnete geometrische räumliche Anordnung von Atome in der inneren Struktur eines Minerals. Es gibt 14 grundlegende Kristallgitteranordnungen von Atomen in drei Dimensionen, und diese werden als die 14 'Bravais-Gitter' bezeichnet. Jedes dieser Gitter kann in eines der sechs klassifiziert werden Kristall Systeme, und alle derzeit anerkannten Kristallstrukturen passen in ein Bravais-Gitter und ein Kristallsystem. Diese Kristallstruktur basiert auf einer regelmäßigen inneren atomaren oder ionischen Anordnung, die oft in der geometrischen Form ausgedrückt wird, die der Kristall annimmt. Selbst wenn die Mineralkörner zu klein sind, um sichtbar zu sein, oder unregelmäßig geformt sind, ist die darunterliegende Kristallstruktur immer periodisch und kann durch Röntgenbeugung bestimmt werden.

Chemie und Kristallstruktur definieren zusammen ein Mineral. Tatsächlich können zwei oder mehr Mineralien die gleiche chemische Zusammensetzung haben, sich aber in der Kristallstruktur unterscheiden (diese sind bekannt als Polymorphe ). Zum Beispiel, Pyrit und Markasit sind beide Eisensulfid, aber ihre Anordnung der Atome unterscheidet sich. Ebenso haben einige Mineralien unterschiedliche chemische Zusammensetzungen, aber die gleiche Kristallstruktur: zum Beispiel Halit (hergestellt aus Natrium und Chlor ), Galenit (hergestellt aus führen und Schwefel ) und Periklas (hergestellt aus Magnesium und Sauerstoff ) haben alle die gleiche kubische Kristallstruktur.

Die Kristallstruktur hat einen großen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften eines Minerals. Aber zum Beispiel Diamant und Graphit haben die gleiche Zusammensetzung (beide sind rein Kohlenstoff ), Graphit ist sehr weich, während Diamant das härteste aller bekannten Mineralien ist. Dies geschieht, weil die Kohlenstoffatome in Graphit zu Schichten angeordnet sind, die leicht aneinander vorbeigleiten können, während die Kohlenstoffatome in Diamant ein starkes, ineinandergreifendes dreidimensionales Netzwerk bilden.

Laut der International Mineralogical Association, die für die Zulassung und Benennung neuer in der Natur vorkommender Mineralarten verantwortlich ist, gibt es derzeit etwas mehr als 4.000 bekannte Mineralien. Davon können vielleicht 150 als „häufig“ bezeichnet werden, 50 sind „gelegentlich“ und der Rest ist „selten“ bis „extrem selten“.

Mineralien und Gesteine

Ein Mineral ist ein natürlich vorkommender, anorganischer Feststoff mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung und einer kristallinen Struktur. Ein Gestein ist ein Aggregat aus einem oder mehreren Mineralien. (Ein Gestein kann auch organische Überreste enthalten.) Einige Gesteine ​​bestehen überwiegend aus nur einem Mineral. Beispielsweise ist Kalkstein ein Sedimentgestein, das fast vollständig aus dem Mineral besteht Calcit . Andere Gesteine ​​enthalten viele Mineralien, und die spezifischen Mineralien in einem Gestein können stark variieren. Einige Mineralien, wie Quarz , Glimmer bzw Feldspat sind häufig, während andere nur an ein oder zwei Orten weltweit gefunden wurden. Über die Hälfte der bekannten Mineralarten sind so selten, dass sie nur in einer Handvoll Proben gefunden wurden, und viele sind nur aus einem oder zwei kleinen Körnern bekannt.

Kommerziell wertvolle Mineralien und Gesteine ​​werden als Industriemineralien bezeichnet. Gesteine, aus denen zu wirtschaftlichen Zwecken Mineralien abgebaut werden, werden als Erze bezeichnet (die Gesteine ​​und Mineralien, die übrig bleiben, nachdem das gewünschte Mineral vom Erz getrennt wurde, werden als Tailings bezeichnet).

Physikalische Eigenschaften von Mineralien

Die Klassifizierung von Mineralien kann von einfach bis sehr schwierig reichen. Ein Mineral kann durch mehrere physikalische Eigenschaften identifiziert werden, von denen einige für eine vollständige Identifizierung ohne Zweideutigkeit ausreichen. In anderen Fällen können Mineralien nur durch komplexere chemische oder Röntgenbeugungsanalysen klassifiziert werden; Diese Methoden können jedoch kostspielig und zeitaufwändig sein und riskieren sogar, die Probe zu beschädigen.

Üblicherweise verwendete physikalische Eigenschaften sind :

• Kristallstruktur und Habitus : Siehe die obige Diskussion der Kristallstruktur. Ein Mineral kann eine gute Kristallgewohnheit oder -form aufweisen, oder es kann massiv, körnig oder kompakt mit nur mikroskopisch sichtbaren Kristallen sein.
• Härte : Die physikalische Härte eines Minerals wird üblicherweise nach der Mohs-Skala gemessen. Diese Skala ist relativ und reicht von 1 bis 10. Mineralien mit einer bestimmten Mohs-Härte können die Oberfläche jedes Minerals zerkratzen, das eine geringere Härte als sie selbst hat. Die Mineralien, die die Skala definieren, sind unten angegeben:

1. - Talk
2. - Gips
3. - Calcit
4. - Fluorit
5. - Apatit
6. - Orthoklas Feldspat
7. - Quarz
8. - Topas oder Beryll
9. - Korund
10. - Diamant

• Lüster gibt an, wie die Oberfläche eines Minerals mit Licht interagiert und kann von matt bis glasig (glasartig) reichen.
  • Metallisch - hohe Reflektivität wie Metall, z.B. Galenit
  • Submetallisch – etwas weniger als metallisches Reflexionsvermögen, z. Magnetit
  • Glasartig – der Glanz eines zerbrochenen Glases, z. Quarz
  • Pearly - ein sehr weiches Licht, das von einigen Schichtsilikaten, z. Talk
  • Seidig – ein weiches Licht, das von faserigen Materialien, z. Gips
  • Stumpf/erdig – dargestellt durch fein kristallisierte Mineralien, z.B. die Nierenerz-Varietät von Hämatit

• Farbe zeigt das Aussehen des Minerals im reflektierten Licht oder bei durchscheinenden Mineralien im Durchlicht an (d. h. wie es mit bloßem Auge aussieht).
• Strähne bezieht sich auf die Farbe des Pulvers, das ein Mineral nach dem Reiben auf unglasiertem Porzellan hinterlässt Ausstrichplatte .
• Dekollete beschreibt die Art und Weise, wie sich ein Mineral entlang verschiedener Ebenen aufspalten kann. Im Dünnschliff ist die Spaltung als dünne parallele Linien über einem Mineral sichtbar.
• Fraktur beschreibt, wie ein Mineral bricht, wenn es entgegen seiner natürlichen Spaltungsebene gebrochen wird, z. a chonchoidale Fraktur ist ein glatter Bruch mit konzentrischen Graten des Typs, der durch Glas gezeigt wird.
• Spezifisches Gewicht bezieht die mineralische Masse auf die Masse eines gleichen Wasservolumens, nämlich die Dichte des Materials. Während die meisten Mineralien, einschließlich aller gesteinsbildenden Mineralien, ein spezifisches Gewicht von 2,5 - 3,5 haben, sind einige wenige merklich mehr oder weniger dicht, z. Einige Sulfidmineralien haben im Vergleich zu den üblichen gesteinsbildenden Mineralien ein hohes spezifisches Gewicht.
• Weitere Eigenschaften: Fluoreszenz (Antwort auf ultraviolettes Licht), Magnetismus B. Radioaktivität, Zähigkeit (Antwort auf mechanisch induzierte Form- oder Formänderungen) und Reaktivität gegenüber verdünnten Säuren.

Chemische Eigenschaften von Mineralien

Mineralien können nach ihrer chemischen Zusammensetzung klassifiziert werden. Sie sind hier nach Anionengruppen kategorisiert. Die folgende Liste ist in ungefährer Reihenfolge ihrer Häufigkeit auf der Erde Kruste . Die Liste folgt dem Dana-Klassifizierungssystem.

Klasse Silikat

Die mit Abstand größte Gruppe von Mineralien sind die Silikate (die meisten Gesteine ​​bestehen zu >95 % aus Silikaten), die größtenteils aus Silikaten bestehen Silizium und Sauerstoff , unter Zusatz von Ionen wie z Aluminium , Magnesium , Eisen , und Kalzium . Einige wichtige gesteinsbildende Silikate umfassen die Feldspäte , Quarz , Olivine, Pyroxene, Amphibole, Granate und Glimmer.

Klasse Karbonat

Das karbonatische Mineralien bestehen aus jenen Mineralien, die das Anion (CO ₃ ) ^zwei- und beinhalten Calcit und Aragonit (beide Calciumcarbonat), Dolomit (Magnesium/Calciumcarbonat) und Siderit (Eisencarbonat). Karbonate werden üblicherweise in marinen Umgebungen abgelagert, wenn sich die Schalen toter Planktonlebewesen auf dem Meeresboden absetzen und ansammeln. Karbonate kommen auch in Verdunstungsumgebungen vor (z Großer Salzsee , Utah) und auch in Karstgebieten, wo die Auflösung und Wiederausfällung von Karbonaten zur Bildung von Karbonaten führt Höhlen , Stalaktiten und Stalagmiten. Zur Klasse der Karbonate gehören auch die Nitrat- und Boratminerale.

Klasse Sulfat

Sulfate alle enthalten das Sulfatanion SO ₄ ^zwei- . Sulfate bilden sich üblicherweise in Verdunstungsumgebungen, in denen stark salzhaltiges Wasser langsam verdunstet, was die Bildung von Sulfaten und Halogeniden an der Wasser-Sediment-Grenzfläche ermöglicht. Sulfate treten auch in hydrothermalen Adersystemen als Gangminerale zusammen mit Sulfiderzmineralien auf. Ein weiteres Vorkommen ist als sekundäres Oxidationsprodukt ursprünglicher Sulfidmineralien. Übliche Sulfate umfassen Anhydrit (Calciumsulfat), Coelestin (Strontiumsulfat), Schwerspat (Bariumsulfat) und Gips (hydratisiertes Calciumsulfat). Die Sulfatklasse umfasst auch die Mineralien Chromat, Molybdat, Selenat, Sulfit, Tellurat und Wolframat.

Halogenid-Klasse

Das Halogenide sind die Gruppe der Mineralien, die das Natürliche bilden Salze und umfassen Fluorit (Calciumfluorid), Halit (Natriumchlorid), Sylvit (Kaliumchlorid) und Salmiak (Ammoniumchlorid). Halogenide, wie Sulfate, werden häufig in Verdunstungsumgebungen wie Playa-Seen und Binnenmeeren wie dem gefunden Totes Meer und Great Salt Lake. Die Halogenidklasse umfasst die Fluorid-, Chlorid- und Jodidmineralien.

Oxidklasse

Oxide sind dabei extrem wichtig Bergbau da sie viele der Erze bilden, aus denen wertvolle Metalle gewonnen werden können. Sie tragen auch die beste Aufzeichnung von Änderungen im Magnetfeld der Erde. Sie treten häufig als Niederschläge nahe der Erdoberfläche, als Oxidationsprodukte anderer Mineralien in der oberflächennahen Verwitterungszone und als Begleitminerale in magmatischen Gesteinen der Kruste und des Mantels auf. Übliche Oxide umfassen Hämatit (Eisenoxid), Magnetit (Eisenoxid), Chromit (Eisen-Chrom-Oxid), Spinell (Magnesium-Aluminium-Oxid – ein häufiger Bestandteil des Mantels), Ilmenit (Eisen-Titan-Oxid), Rutil (Titandioxid) und Eis (Wasserstoffoxid). Die Oxidklasse umfasst die Oxid- und die Hydroxidmineralien.

Sulfid-Klasse

Viele sulfidische Mineralien sind als Metallerze wirtschaftlich wichtig. Übliche Sulfide umfassen Pyrit (Eisensulfid - allgemein bekannt als Narrengold ), Kupferkies (Kupfer-Eisen-Sulfid), Pentlandit (Nickel-Eisen-Sulfid) und Bleiglanz (Bleisulfid). Die Sulfidklasse umfasst auch die Selenide, die Telluride, die Arsenide, die Antimonide, die Bismuthinide und die Sulfosalze (Schwefel und ein zweites Anion wie Arsen).

Klasse Phosphat

Das phosphatmineral Gruppe umfasst eigentlich jedes Mineral mit einer tetraedrischen Einheit AO ₄ wo A sein kann Phosphor , Antimon , Arsen oder Vanadium . Das bei weitem häufigste Phosphat ist Apatit, was eine wichtige Rolle spielt biologisch Mineral, das in Zähnen und Knochen vieler Tiere vorkommt. Die Phosphatklasse umfasst die Phosphat-, Arsenat-, Vanadat- und Antimonatmineralien.

Elementklasse

Die Gruppe der Elemente umfasst Metalle und intermetallische Elemente (Gold, Silber, Kupfer), Halbmetalle und Nichtmetalle (Antimon, Wismut, Graphit, Schwefel). Zu dieser Gruppe gehören auch natürliche Legierungen wie Elektrum (eine natürliche Legierung aus Gold und Silber), Phosphide, Silizide, Nitride und Karbide (die normalerweise nur in wenigen seltenen Meteoriten natürlich vorkommen).