Minerali

Za ostala značenja, vidi Minerali (razvrstavanje).

Mineral je prirodni homogeni kristal, nastao kao rezultat geoloških procesa, sa definisanim hemijskim sastavom, koji ne mora biti stalan. Minerali su osnovna komponenta od koje su izgrađene stijene čvrste Zemljine kore. Pojam mineral se ne odnosi samo na hemijski sastav, već i na strukturu minerala. Dva minerala mogu imati isti hemijski sastav, a različitu kristalnu strukturu. Pravilna unutrašnja građa uvjetuje i pravilnu vanjsku građu minerala. Prema hemijskom sastavu, minerali mogu biti čisti elementi (nazivaju se samorodni elementi), jednostavne soli, složeni silikati, itd. Nauka koja se bavi proučavanjem minerala se naziva mineralogija.

Definicija minerala i klasifikacija

Struktura rutila

Struktura anatasa

Da bi bila svrstana u minerale, supstanca mora biti čvrsta i mora imati kristalnu strukturu. Takođe, mora se javljati u prirodi, kao homogena supstanca i imati određeni hemijski sastav. Tradicionalne definicije ne uključuju organske materije. Ipak, Internacionalna Mineraloška Asocijacija 1995. godine usvojila je novu definiciju:

Mineral je element ili hemijski spoj koji je obično kristalan i koji je nastao kao rezultat geoloških procesa.^[1]

Nove klasifikacije uključuju i organsku klasu (nova Dana i Strunc klasifikaciona shema).^[2]^[3] Hemijski sastav može varirati između konačnih članova mineralnog sistema. Na primer feldspati se sastoje od serije minerala koja se kreće od natrijumom bogatog albita (NaAlSi₃O₈) do kalcijumom bogatog anortita (CaAl₂Si₂O₈) i četiri prepoznatljiva hemijska sastava između. Mineralne supstance koje ne odgovaraju u potpunosti definiciji minerala ponekad se nazivaju mineraloidima. Mineraloidi su prirodne supstance, čija je struktura parcijalno kristalična. Mogu sadržavati nepravilnu strukturu zajedno sa pravilnom. Neki primjeri mineraloida su opal i ćilibar.^[4] Kristalna struktura uveliko utiče na fizičke osobine minerala, a najpoznatiji primjeri su dijamant i grafit, koji imaju isti hemijski sastav (ugljik), a različite osobine. Dijamant je najtvrđi mineral, dok je grafit izuzetno mehak. Ove osobine su posljedica različite unutrašnje građe. Grafit je slojevit, a dijamant ima trodimenzionalnu strukturu. Anatas i rutil su također primjeri minerala sa istim hemijskim sastavom (titanijum dioksid) a različitom strukturom.

Klasifikacija

Klasifikacija po Hugo Strunzu:^[4]

Klasa I: Samorodni elementi
Klasa II: Sulfidi i sulfosoli
Klasa III: Halidi
Klasa IV: Oksidi i hidroksidi
Klasa V: Nitrati karbonati i borati
Klasa VI: Sulfati, hromati, molibdati i volframati
Klasa VII: Fosfati, arsenati i vanadati
Klasa VIII: Silikatni minerali
Klasa IX: Organske komponente i mineraloidi

Samorodni bakar

Klasifikacija po James Dwight Danau:

Klasa I: Samorodni elementi
Klasa II: Sulfidi i sulfosoli
Klasa III: Oksidi i hidroksidi
Klasa IV: Halidi
Klasa V: Nitrati karbonati i borati
Klasa VI: Sulfati, arsenati i hromati
Klasa VII: Fosfati, molibdati, vanadati i volframati
Klasa VIII: Silikatni minerali
Klasa IX: Organski minerali

Teoretska hemijska formula minerala je jedinstvena i određuje samo jednu mineralnu vrstu. Praktično, stvarni hemijski sastav je varijabilan, jer su moguće izomorfne zamjene ili prisustvo tragova nečistoća. Relativna atomska masa ili molekularna masa se izračunavaju iz teoretske formule.

Sumporna fumarola (hidrotermalni otvor)

Podjela prema načinu postanka

S obzirom na način postanka, razlikujemo pirogene minerale koji su nastali kristalizacijom iz magme. Ako su nastali iz vodenih otopina, nazivamo ih hidratogenima, a ako su kristalizirali iz plinova i para, pneumatskim mineralima. Ako su minerali nastali iz vruće vode, riječ je o hidrotermalnim mineralima. Organogeni minerali nastali su djelovanjem organizama u vodenim otopinama. Ako su nastali djelovanjem biljaka, govorimo o fitogenim, a ako su nastali djelovanjem životinja, zoogenim mineralima.

Fizičke osobine

Primjeri fluorescentnih minerala

Fizičke osobine minerala omogućavaju njihovu identifikaciju. Neke minerale je moguće identifikovati samo na osnovu fizičkih osobina, dok je za neke potrebna dodatna kompleksnija i dugotrajnija analiza pomoću rendgenske difrakcije. Najvažnije fizičke osobine minerala su:

Kristalni sistem i kristalni habitus: Mineral može imati izraženu pravilnu kristalnu formu ili može biti masivan, granularan ili kompaktan, sa mikroskopski vidljivim kristalima.
Tvrdoća: Tvrdoća minerala se određuje prema Mohsovoj skali. Mineral veće tvrdoće može ogrebati površinu minerala koji se na Mohsovoj skali nalaze ispod njega.
Sjaj
Boja
Ogreb
Kalavost
Relativna gustoća
Ostale osobine: Osim navedenih osobina, neki minerali imaju i specifične osobine npr. fluorescencija, magnetizam, radioaktivnost, piezoelektricitet, itd.

Hemijske osobine

Minerali se klasificiraju prema njihovom hemijskom sastavu. Sljedeća lista predstavlja grupe minerala prema njihovoj zastupljenosti u Zemljinoj kori (približno su poredane od najviše do najmanje zastupljenih):

Lančana struktura silikata

Lisnata struktura silikata

Silikatni minerali

Glavni članak: Silikatni minerali

Daleko najveća klasa su silikatni minerali. Oni sačinjavaju više od 95% stijena. Glavne komponente silkatnih minerala su silicijum i oksigen, a sadrže i aluminijum, magnezijum, željezo i kalcijum, a također i druge elemente. Klasificiraju se prema strukturi na odgovarajuće podklase. Neki od silikatnih minerala su kvarc, olivin, topaz, itd.

Karbonatni minerali

Glavni članak: Karbonatni minerali

Karbonatni minerali sadrže karbonat anion. Karbonati se često akumuliraju na morskom dnu, jer su ljušture morskih organizama građene od karbonata. Također se nalaze u evaporitima. Rastvaranjem i taloženjem karbonatnih minerala nastaju stalaktiti i stalagmiti. Karbonatna klasa uključuje nitrate i borate. Neki od karbonatnih minerala su kalcit, aragonit, malahit, itd.

Mineral halit kristališe u kubičnom kristalnom sistemu. Jasno su vidljivi kristali oblika kocke.

Sulfatni minerali

Sulfatni minerali često nastaju u evaporitima pri sporom isparavanju vode, gdje dolazi do kristalizacije sulfatnih i halidnih minerala. Sulfatni minerali se također pojavljuju u hidrotermalnim žilama, zajedno sa sulfidnim rudama. Još jedan način nastajanja sulfatnih minerala je sekundarna oksidacija sulfidnih minerala. Neki od sulfatnih minerala su barit, gips, celestin, itd. U sulfatnu klasu se ubrajaju i hromati, molibdati, selenati, sulfiti, telurati i volframati.

Halidni minerali

Halidi se kao i sulfati često nalaze u evaporitima. U halidne minerale spadaju prirodne soli kao što su halit (natrijum hlorid), fluorit (kalcijum fluorid), silvit (kalijum hlorid), itd. U halide spadaju fluoridi, hloridi, bromidi i jodidi. Tipični halidni minerali su mehki, mogu biti transparentni i generalno nemaju veliku gustoću. Imaju dobru kalavost i obično su svijetlih boja.^[5]

Oksidni minerali

Oksidni minerali su jako važna klasa, jer se koriste kao rude za ekstrakciju vrijednih metala (npr. hematit). Oni također nose podatke o promjenama Zemljinog magnetnog polja. Obično dolazi blizu površine Zemljine kore, zatim kao produkti oksidacije drugih minerala. Ova klasa uključuje i hidroksidne minerale. Veliki diverzitet ove klase minerala se objašnjava velikom zastupljenošću oksigena u Zemljinoj kori (preko 45% masenih procenata). Mnogi minerali iz drugih klasa bi se mogli svrstati pod klasu oksida (npr. kvarc SiO₂, koji ipak pripada silikatnim mineralima), ali se po konvenciji, ova grupa ograničava na nekompleksne minerale koji sadrže oksigen ili hidroksid.^[6]

Sulfidni minerali

Glavni članak: Sulfidni minerali

Sulfidni minerali su ekonomski jako važna klasa minerala, jer se upotrebljavaju kao rude za dobivanje metala. Najvažniji sulfidni minerali su pirit, halkopirit, galenit. U sulfidnu klasu spadaju i selenidi, teluridi, arsenidi, antimonidi i sulfosoli. Većina sulfidnih mineral su neprozirni, metalnog sjaja, male do srednje tvrdoće, visoke gustoće, crnog ili sivog ogreba i magmatskog postanka. Također postoji i nekoliko staklastih i transparentnih minerala u sulfidnoj klasi (npr. cinabarit).^[7]

Karpatit je rijetki mineral iz organske klase. Po hemijskom sastavu je policiklički aromatski ugljikovodik C₂₄H₁₂

Fosfatni minerali

U fosfatnu klasu spadaju minerali koji imaju tetraedarsku strukturu AO₄, gdje je A fosfor, antimon, arsen ili vanadijum. Osnovna tetraedaska jedinica može se kombinovati sa metalnim ionima u odnosu 1:1 ili davati još kompleksnije kombinacije sa hidroksid ionima, halogenima, ili čak molekulama vode. Fosfatni minerali su staklastog do mutnog sjaja, obično jako obojeni, srednje gustoće, srednje tvdoće (4 - 7), niskog indeksa prelamanja (osim ako ne sadrže olovo).^[8] Najvažniji fosfatni mineral je apatit. Fosfatni minerali služe kao sirovina za proizvodnju fosfatnih đubriva.^[9]

Samorodni elementi

Glavni članak: Samorodni elementi

Ova klasa uključuje metale (npr. zlato, srebro, bakar), nemetale (sumpor, ugljik) i neke prirodne legure, silicide, nitride i karbide. Minerali samorodnih elemenata su dosta velika klasa, jer obuhvataju jako rasprostranjenu podklasu nemetala. U ovu klasu ulaze legure, silicidi, i drugi spojevi, pa na prvi pogled može biti čudno što se u nju svrstavaju minerali koji se sastoje od više elemenata, a ne od samo jednog. Ova nedosljednost se objašnjava tako što se u klasu samorodnih elemenata svrstavaju samo minerali čije su hemijske veze slične kao u elementarnom stanju. Npr. veza ugljik-ugljik kakva postoji u dijamantu je slična vezi ugljik-silicijum u moisanitu.^[10]

Organska klasa

Organski minerali su biogene supstance kod kojih su geološki procesi dio geneze. U ovu klasu spadaju neki oksalati, citrati, acetati i druge vrste. Organski minerali su rijetka grupa minerala, koja obuhvata ugljikovodike. Ovi minerali se po nekim autorima ne trebaju svrstavati u minerale, jer definicija minerala ne uključuje organske spojeve. Ipak, neki od organskih minerala su nađeni u Zemljinoj kori u obliku velikih kristala, koji u potpunosti liče na anorganske minerale.^[11]

Minerali i stijene

Mineral je prirodna čvrsta supstanca, definisanog hemijskog sastava i specifične kristalne strukture. Stijena je agregat jednog ili više minerala, koja također može sadržavati organske ostatke i mineraloide. Neke stijene su predominantno građene od samo jednog minerala. Npr. krečnjak je sedimentna stijena, građena samo od jednog minerala – kalcita. Komercijalno važni minerali i stijene se nazivaju industrijski minerali. Najvažniji faktor koji određuje formiranje minerala u stijenama je njihov hemijski sastav, jer do formiranja dolazi ako je prisutna dovoljna količina odgovarajućih elemenata. Npr. kvarc nastaje u pješčarama i magmatskim stijenama sa velikim sadržajem silicijum dioksida. Također, dvije vrste stijena mogu imati sličan hemijski sastav, a potpuno različit sastav minerala, što zavisi od uslova nastanka.

Struktura dijamanta

Drago kamenje

Dragi kamen je prirodni mineral sa izuzetnim fizičkim osobinama, koji se može polirati i koristiti u draguljarstvu. Striktno se u drago kamenje ubrajaju sljedeća četiri minerala: dijamant, smaragd (varijetet berila) i dva varijeteta korunda (rubin i safir). U drago i poludrago kamenje ubrajaju se i drugi minerali, a i neki mineraloidi (npr. opal, lapis lazuli). Karakteristike dragog kamenja su ljepota, trajnost i rijetkost, dok poludrago kamenje ima samo jedan ili dva od navedenih kvaliteta. Drago kamenje se može pojaviti u svim geološkim materijalima, ali ih se većina nalazi u magmatskim stijenama i sedimentnim aluvijalnim šljuncima. Metamorfne stijene također mogu sadržavati drago kamenje.

Identifikacija minerala

Pored navedenih fizičkih osobina, za identifikaciju minerala se koriste i hemijski i pirognostički testovi.

Hemijski testovi

Reakcija sa jakim mineralnim kiselinama (hloridnom, nitratnom, sulfatnom, fluoridnom, zlatotopkom) je jedan od važnih i brzih testova identifikacije minerala. Neki minerali reaguju uz oslobađanje gasa, što se vidi po pojavi mjehurića. Npr. kalcit brzo reaguje i odmah se oslobađa ugljik dioksid, dok dolomit reaguje samo u sprašenom stanju. Fluorit oslobađa fluorovodonik, koji nagriza stakleno posuđe.

Pirognostički testovi

Pirognostički testovi su brze laboratorijske tehnike u mineralogiji, koje uz upotrebu plamena omogućavaju kvalitativnu identifikaciju, bez upotrebe kompleksne opreme. Postoji pet osnovnih testova:^[4]

plameni test: Omogućava identifikaciju na osnovu karakteristične boje u plamenu, koja potiče od prisustva nekih hemijskih elemenata
test topljivosti: Upoređuje tačku topljenja sa referentnim materijalom
redukcija na drvenom uglju: Većina sulfidnih minerala daje metalnu kuglicu i na osnovu boje se određuje koji je metal prisutan. Prilikom testiranja redukcijom na drvenom uglju može se dodati reagens, koji daje karakteristično obojenje u prisustvu određenog hemijskog elementa. Tipični reagensi su 5%-tni kobalt (II) nitrat i sumpor jodid (koji se generiše in situ miješanjem stehiometrijskih količina sumpora i joda s sprašenim mineralom).

Obojenje pri reakciji sa Co(NO₃)₂:

Boja	Hemijski element
Siva do crna	Barijum, stroncijum, kalcijum, niobijum
Plavo-siva	Berilijum
Ružičasto-siva	Tantal
Ružičasta	Magnezijum
Plava	Aluminijum
Tamno plava	Silicijum
Žuto-zelena	Titanijum
Zeleno-plava	Kalaj
Sivo-zelena	Antimon
Smaragdno-zelena	Cink
Tamno-ljubičasta	Cirkonijum, arsen, bor, fosfor

Obojenje pri reakciji sa sumpor jodidom:

Boja	Hemijski element
Ultramarin-plava	Molibden
Plavo-zelena	Volfram
Narandžasta	Arsen, antimon
Crveno-smeđa	Selen
Ružičasto-smeđa	Telurijum
Smeđa	Bizmut
Smeđe-zelena	Kobalt
Zlatna	Olovo
Žuta	Srebro
Žuto-smeđa	Kalaj
Žuta i crvena	Živa

test u otvorenoj i zatvorenoj cijevi: Kod testa u zatvorenoj cijevi posmatraju se promjene materijala, oslobađanje gasova ili sublimacija. Kod testa u otvorenoj cijevi dolazi do oksidacije minerala i oslobađanja gasova kao reakcionih produkata (npr. sumpor dioksid)
boraksna perla (boraksna biserka): Identifikacija se vrši na osnovu boje staklaste perle koja nastaje taljenjem sa boraksom.

Test sa boraksnom perlom:^[4]

Boja perle	Oksidirajuća	Reducirajuća
Bezbojna	th:Al, Si, Sn, Bi, Cd, Mo, Pb, Sb, Ti, V, W	Al, Si Sn, alkalni metali
Bezbojna	nz:Ag, Al, Ba, Ca, Mg, Sr	t: Cu; th: Ce, Mn
Siva/neprozirna	pz: Al, Si Sn	Ag, Bi, Cd, Ni, Pb, Sb, Zn; z:Al, Si, Sn; pz:Cu
Plava	h: Cu; th:Co	th: Co
Zelena	h: Cr, Cu; t: Cu, Fe + Co	Cr; th: U; pz: Fe; h: Mo, V
Crvena	h: Ni; t: Ce, Fe	h: Cu
Žuta/smeđa	t, nz: Fe, U, V; t, pz: Bi, Pb, Sb	W; t: Mo, Ti, V
Ljubičasta	t: Ni + Co; th: Mn	h: Ti