Минерали

За остала значења, види Минерали (разврставање).

Минерал је природни хомогени кристал, настао као резултат геолошких процеса, са дефинисаним хемијским саставом, који не мора бити сталан. Минерали су основна компонента од које су изграђене стијене чврсте Земљине коре. Појам минерал се не односи само на хемијски састав, већ и на структуру минерала. Два минерала могу имати исти хемијски састав, а различиту кристалну структуру. Правилна унутрашња грађа увјетује и правилну вањску грађу минерала. Према хемијском саставу, минерали могу бити чисти елементи (називају се самородни елементи), једноставне соли, сложени силикати, итд. Наука која се бави проучавањем минерала се назива минералогија.

Дефиниција минерала и класификација

Да би била сврстана у минерале, супстанца мора бити чврста и мора имати кристалну структуру. Такође, мора се јављати у природи, као хомогена супстанца и имати одређени хемијски састав. Традиционалне дефиниције не укључују органске материје. Ипак, Интернационална Минералошка Асоцијација 1995. године усвојила је нову дефиницију:

Минерал је елемент или хемијски спој који је обично кристалан и који је настао као резултат геолошких процеса.^[1]

Нове класификације укључују и органску класу (нова Дана и Струнц класификациона схема).^[2]^[3] Хемијски састав може варирати између коначних чланова минералног система. На пример фелдспати се састоје од серије минерала која се креће од натријумом богатог албита (НаАлСи₃О₈) до калцијумом богатог анортита (ЦаАл₂Си₂О₈) и четири препознатљива хемијска састава између. Минералне супстанце које не одговарају у потпуности дефиницији минерала понекад се називају минералоидима. Минералоиди су природне супстанце, чија је структура парцијално кристалична. Могу садржавати неправилну структуру заједно са правилном. Неки примјери минералоида су опал и ћилибар.^[4] Кристална структура увелико утиче на физичке особине минерала, а најпознатији примјери су дијамант и графит, који имају исти хемијски састав (угљик), а различите особине. Дијамант је најтврђи минерал, док је графит изузетно мехак. Ове особине су посљедица различите унутрашње грађе. Графит је слојевит, а дијамант има тродимензионалну структуру. Анатас и рутил су такођер примјери минерала са истим хемијским саставом (титанијум диоксид) а различитом структуром.

Класификација

Класификација по Хуго Струнзу:^[4]

Класа I: Самородни елементи
Класа II: Сулфиди и сулфосоли
Класа III: Халиди
Класа IV: Оксиди и хидроксиди
Класа V: Нитрати карбонати и борати
Класа VI: Сулфати, хромати, молибдати и волфрамати
Класа VII: Фосфати, арсенати и ванадати
Класа VIII: Силикатни минерали
Класа IX: Органске компоненте и минералоиди

Класификација по Јамес Дwигхт Данау:

Класа I: Самородни елементи
Класа II: Сулфиди и сулфосоли
Класа III: Оксиди и хидроксиди
Класа IV: Халиди
Класа V: Нитрати карбонати и борати
Класа VI: Сулфати, арсенати и хромати
Класа VII: Фосфати, молибдати, ванадати и волфрамати
Класа VIII: Силикатни минерали
Класа IX: Органски минерали

Теоретска хемијска формула минерала је јединствена и одређује само једну минералну врсту. Практично, стварни хемијски састав је варијабилан, јер су могуће изоморфне замјене или присуство трагова нечистоћа. Релативна атомска маса или молекуларна маса се израчунавају из теоретске формуле.

Подјела према начину постанка

С обзиром на начин постанка, разликујемо пирогене минерале који су настали кристализацијом из магме. Ако су настали из водених отопина, називамо их хидратогенима, а ако су кристализирали из плинова и пара, пнеуматским минералима. Ако су минерали настали из вруће воде, ријеч је о хидротермалним минералима. Органогени минерали настали су дјеловањем организама у воденим отопинама. Ако су настали дјеловањем биљака, говоримо о фитогеним, а ако су настали дјеловањем животиња, зоогеним минералима.

Физичке особине

Физичке особине минерала омогућавају њихову идентификацију. Неке минерале је могуће идентификовати само на основу физичких особина, док је за неке потребна додатна комплекснија и дуготрајнија анализа помоћу рендгенске дифракције. Најважније физичке особине минерала су:

Кристални систем и кристални хабитус: Минерал може имати изражену правилну кристалну форму или може бити масиван, грануларан или компактан, са микроскопски видљивим кристалима.
Тврдоћа: Тврдоћа минерала се одређује према Мохсовој скали. Минерал веће тврдоће може огребати површину минерала који се на Мохсовој скали налазе испод њега.
Сјај
Боја
Огреб
Калавост
Релативна густоћа
Остале особине: Осим наведених особина, неки минерали имају и специфичне особине нпр. флуоресценција, магнетизам, радиоактивност, пиезоелектрицитет, итд.

Хемијске особине

Минерали се класифицирају према њиховом хемијском саставу. Сљедећа листа представља групе минерала према њиховој заступљености у Земљиној кори (приближно су поредане од највише до најмање заступљених):

Ланчана структура силиката

Силикатни минерали

Главни чланак: Силикатни минерали

Далеко највећа класа су силикатни минерали. Они сачињавају више од 95% стијена. Главне компоненте силкатних минерала су силицијум и оксиген, а садрже и алуминијум, магнезијум, жељезо и калцијум, а такођер и друге елементе. Класифицирају се према структури на одговарајуће подкласе. Неки од силикатних минерала су кварц, оливин, топаз, итд.

Карбонатни минерали

Главни чланак: Карбонатни минерали

Карбонатни минерали садрже карбонат анион. Карбонати се често акумулирају на морском дну, јер су љуштуре морских организама грађене од карбоната. Такођер се налазе у евапоритима. Растварањем и таложењем карбонатних минерала настају сталактити и сталагмити. Карбонатна класа укључује нитрате и борате. Неки од карбонатних минерала су калцит, арагонит, малахит, итд.

Минерал халит кристалише у кубичном кристалном систему. Јасно су видљиви кристали облика коцке.

Сулфатни минерали

Сулфатни минерали често настају у евапоритима при спором испаравању воде, гдје долази до кристализације сулфатних и халидних минерала. Сулфатни минерали се такођер појављују у хидротермалним жилама, заједно са сулфидним рудама. Још један начин настајања сулфатних минерала је секундарна оксидација сулфидних минерала. Неки од сулфатних минерала су барит, гипс, целестин, итд. У сулфатну класу се убрајају и хромати, молибдати, селенати, сулфити, телурати и волфрамати.

Халидни минерали

Халиди се као и сулфати често налазе у евапоритима. У халидне минерале спадају природне соли као што су халит (натријум хлорид), флуорит (калцијум флуорид), силвит (калијум хлорид), итд. У халиде спадају флуориди, хлориди, бромиди и јодиди. Типични халидни минерали су мехки, могу бити транспарентни и генерално немају велику густоћу. Имају добру калавост и обично су свијетлих боја.^[5]

Оксидни минерали

Оксидни минерали су јако важна класа, јер се користе као руде за екстракцију вриједних метала (нпр. хематит). Они такођер носе податке о промјенама Земљиног магнетног поља. Обично долази близу површине Земљине коре, затим као продукти оксидације других минерала. Ова класа укључује и хидроксидне минерале. Велики диверзитет ове класе минерала се објашњава великом заступљеношћу оксигена у Земљиној кори (преко 45% масених процената). Многи минерали из других класа би се могли сврстати под класу оксида (нпр. кварц СиО₂, који ипак припада силикатним минералима), али се по конвенцији, ова група ограничава на некомплексне минерале који садрже оксиген или хидроксид.^[6]

Сулфидни минерали

Главни чланак: Сулфидни минерали

Сулфидни минерали су економски јако важна класа минерала, јер се употребљавају као руде за добивање метала. Најважнији сулфидни минерали су пирит, халкопирит, галенит. У сулфидну класу спадају и селениди, телуриди, арсениди, антимониди и сулфосоли. Већина сулфидних минерал су непрозирни, металног сјаја, мале до средње тврдоће, високе густоће, црног или сивог огреба и магматског постанка. Такођер постоји и неколико стакластих и транспарентних минерала у сулфидној класи (нпр. цинабарит).^[7]

Фосфатни минерали

У фосфатну класу спадају минерали који имају тетраедарску структуру АО₄, гдје је А фосфор, антимон, арсен или ванадијум. Основна тетраедаска јединица може се комбиновати са металним ионима у односу 1:1 или давати још комплексније комбинације са хидроксид ионима, халогенима, или чак молекулама воде. Фосфатни минерали су стакластог до мутног сјаја, обично јако обојени, средње густоће, средње твдоће (4 - 7), ниског индекса преламања (осим ако не садрже олово).^[8] Најважнији фосфатни минерал је апатит. Фосфатни минерали служе као сировина за производњу фосфатних ђубрива.^[9]

Самородни елементи

Главни чланак: Самородни елементи

Ова класа укључује метале (нпр. злато, сребро, бакар), неметале (сумпор, угљик) и неке природне легуре, силициде, нитриде и карбиде. Минерали самородних елемената су доста велика класа, јер обухватају јако распрострањену подкласу неметала. У ову класу улазе легуре, силициди, и други спојеви, па на први поглед може бити чудно што се у њу сврставају минерали који се састоје од више елемената, а не од само једног. Ова недосљедност се објашњава тако што се у класу самородних елемената сврставају само минерали чије су хемијске везе сличне као у елементарном стању. Нпр. веза угљик-угљик каква постоји у дијаманту је слична вези угљик-силицијум у моисаниту.^[10]

Органска класа

Органски минерали су биогене супстанце код којих су геолошки процеси дио генезе. У ову класу спадају неки оксалати, цитрати, ацетати и друге врсте. Органски минерали су ријетка група минерала, која обухвата угљиководике. Ови минерали се по неким ауторима не требају сврставати у минерале, јер дефиниција минерала не укључује органске спојеве. Ипак, неки од органских минерала су нађени у Земљиној кори у облику великих кристала, који у потпуности личе на анорганске минерале.^[11]

Минерали и стијене

Минерал је природна чврста супстанца, дефинисаног хемијског састава и специфичне кристалне структуре. Стијена је агрегат једног или више минерала, која такођер може садржавати органске остатке и минералоиде. Неке стијене су предоминантно грађене од само једног минерала. Нпр. кречњак је седиментна стијена, грађена само од једног минерала – калцита. Комерцијално важни минерали и стијене се називају индустријски минерали. Најважнији фактор који одређује формирање минерала у стијенама је њихов хемијски састав, јер до формирања долази ако је присутна довољна количина одговарајућих елемената. Нпр. кварц настаје у пјешчарама и магматским стијенама са великим садржајем силицијум диоксида. Такођер, двије врсте стијена могу имати сличан хемијски састав, а потпуно различит састав минерала, што зависи од услова настанка.

Драго камење

Драги камен је природни минерал са изузетним физичким особинама, који се може полирати и користити у драгуљарству. Стриктно се у драго камење убрајају сљедећа четири минерала: дијамант, смарагд (варијетет берила) и два варијетета корунда (рубин и сафир). У драго и полудраго камење убрајају се и други минерали, а и неки минералоиди (нпр. опал, лапис лазули). Карактеристике драгог камења су љепота, трајност и ријеткост, док полудраго камење има само један или два од наведених квалитета. Драго камење се може појавити у свим геолошким материјалима, али их се већина налази у магматским стијенама и седиментним алувијалним шљунцима. Метаморфне стијене такођер могу садржавати драго камење.

Идентификација минерала

Поред наведених физичких особина, за идентификацију минерала се користе и хемијски и пирогностички тестови.

Хемијски тестови

Реакција са јаким минералним киселинама (хлоридном, нитратном, сулфатном, флуоридном, златотопком) је један од важних и брзих тестова идентификације минерала. Неки минерали реагују уз ослобађање гаса, што се види по појави мјехурића. Нпр. калцит брзо реагује и одмах се ослобађа угљик диоксид, док доломит реагује само у спрашеном стању. Флуорит ослобађа флуороводоник, који нагриза стаклено посуђе.

Пирогностички тестови

Пирогностички тестови су брзе лабораторијске технике у минералогији, које уз употребу пламена омогућавају квалитативну идентификацију, без употребе комплексне опреме. Постоји пет основних тестова:^[4]

пламени тест: Омогућава идентификацију на основу карактеристичне боје у пламену, која потиче од присуства неких хемијских елемената
тест топљивости: Упоређује тачку топљења са референтним материјалом
редукција на дрвеном угљу: Већина сулфидних минерала даје металну куглицу и на основу боје се одређује који је метал присутан. Приликом тестирања редукцијом на дрвеном угљу може се додати реагенс, који даје карактеристично обојење у присуству одређеног хемијског елемента. Типични реагенси су 5%-тни кобалт (II) нитрат и сумпор јодид (који се генерише ин ситу мијешањем стехиометријских количина сумпора и јода с спрашеним минералом).

Обојење при реакцији са Цо(НО₃)₂:

Боја	Хемијски елемент
Сива до црна	Баријум, стронцијум, калцијум, ниобијум
Плаво-сива	Берилијум
Ружичасто-сива	Тантал
Ружичаста	Магнезијум
Плава	Алуминијум
Тамно плава	Силицијум
Жуто-зелена	Титанијум
Зелено-плава	Калај
Сиво-зелена	Антимон
Смарагдно-зелена	Цинк
Тамно-љубичаста	Цирконијум, арсен, бор, фосфор

Обојење при реакцији са сумпор јодидом:

Боја	Хемијски елемент
Ултрамарин-плава	Молибден
Плаво-зелена	Волфрам
Наранџаста	Арсен, антимон
Црвено-смеђа	Селен
Ружичасто-смеђа	Телуријум
Смеђа	Бизмут
Смеђе-зелена	Кобалт
Златна	Олово
Жута	Сребро
Жуто-смеђа	Калај
Жута и црвена	Жива

тест у отвореној и затвореној цијеви: Код теста у затвореној цијеви посматрају се промјене материјала, ослобађање гасова или сублимација. Код теста у отвореној цијеви долази до оксидације минерала и ослобађања гасова као реакционих продуката (нпр. сумпор диоксид)
бораксна перла (бораксна бисерка): Идентификација се врши на основу боје стакласте перле која настаје таљењем са бораксом.

Тест са бораксном перлом:^[4]

Боја перле	Оксидирајућа	Редуцирајућа
Безбојна	тх:Ал, Си, Сн, Би, Цд, Мо, Пб, Сб, Ти, V, W	Ал, Си Сн, алкални метали
Безбојна	нз:Аг, Ал, Ба, Ца, Мг, Ср	т: Цу; тх: Це, Мн
Сива/непрозирна	пз: Ал, Си Сн	Аг, Би, Цд, Ни, Пб, Сб, Зн; з:Ал, Си, Сн; пз:Цу
Плава	х: Цу; тх:Цо	тх: Цо
Зелена	х: Цр, Цу; т: Цу, Фе + Цо	Цр; тх: У; пз: Фе; х: Мо, V
Црвена	х: Ни; т: Це, Фе	х: Цу
Жута/смеђа	т, нз: Фе, У, V; т, пз: Би, Пб, Сб	W; т: Мо, Ти, V
Љубичаста	т: Ни + Цо; тх: Мн	х: Ти