Minerāls

Minerāls ir savienojums, kas veidojies dabiskos fizikāli ķīmiskajos procesos un kuram piemīt noteikts ķīmiskais sastāvs un kristāliskā struktūra. Minerāli veido Zemes garozu, iežus, rūdas, meteorītus. Minerāli var sastāvēt no tīriem ķīmiskajiem elementiem un vienkāršiem sāļiem līdz ļoti sarežģīta sastāva silikātiem ar tūkstošiem apzināto paveidu un formu. Organiskos savienojumus parasti neuzskata par minerāliem. Ar minerālu izpēti nodarbojas mineraloģija.

Minerāla definīcija un jaunu minerālu reģistrēšana

Lai vielu uzskatītu par "īstu" minerālu, tai jābūt cietai un ar kristālisku struktūru. Tai jābūt neorganiskai (šeit pastāv izņēmumi), dabiski sastopamai, homogēnai vielai ar noteiktu ķīmisko sastāvu. Minerālu sistēmās ķīmiskais sastāvs var nedaudz svārstīties, pārejot no viena minerālu sistēmas minerāla uz citu. Piemēram, plagioklazu laukšpati veido nepārtrauktu sēriju no ar nātriju bagātā albīta (NaAlSi₃O₈) līdz ar kalciju bagāto anortītu (CaAl₂Si₂O₈) ar vēl četriem atsevišķi izdalītiem minerāliem starp abiem šiem savienojumiem. Minerāliem līdzīgas vielas, kas pilnībā neatbilst augstāk minētajiem kritērijiem, nereti tiek dēvētas par mineraloīdiem. Pārējās dabā sastopamās vielas ir neminerāli.

Kristāliskā struktūra ir atomu vai jonu izvietojums noteiktā ģeometriskā kārtībā, tādējādi veidojot minerāla struktūru. Izdala 14 galvenos kristālisko režģu veidus — atomu izkārtojuma veidus trijās dimensijās. Šos 14 veidus dēvē par "Brevē režģiem" ("Bravais lattices"). Katrs no šiem režģa veidiem pieder vienai no sešām kristālu sistēmām. Visas patlaban atzītās kristālu struktūras iekļaujas vienā vai otrā no Brevē režģiem un vienā no kristālu sistēmām. Kristālu struktūra balstās uz atomu vai jonu izkārtojumu, kas bieži izpaužas stingri ģeometriskā kristāla formā. Taču, pat ja minerāla graudiņi ir pārāk mazi, lai tos saskatītu ar neapbruņotu aci jeb vai tiem ir neregulāra forma, iekšējais atomu un jonu izkārtojums vienmēr precīzi atbilst noteiktai kristāliskajai struktūrai. Šo struktūru var noteikt ar rentgena staru difrakcijas metodi.

Vairākiem minerāliem var būt vienāds ķīmiskais sastāvs bet atšķirīga kristāliskā struktūra — šādus minerālus dēvē par polimorfiem minerāliem. Piemēram, gan pirīts, gan markazīts ir dzelzs sulfīdi, taču atšķiras abu minerālu atomu izkārtojums. Nereti minerāliem var būt atšķirīgs ķīmiskais sastāvs, bet tiem ir vienāda kristāliskā struktūra: piemēram, halītam (sastāv no nātrija un hlora), galenītam (sastāv no svina un sēra) un periklazam (sastāv no magnija un skābekļa) ir vienāda — kubiska kristāliskā struktūra.

Kristāliskajai struktūrai ir liela ietekme uz minerāla fiziskajām īpašībām. Piemēram, kaut arī dimantam un grafītam ir vienāds ķīmiskais sastāvs (tīrs ogleklis), grafīts ir ļoti mīksts, kamēr dimants ir cietākais no visiem zināmajiem minerāliem. Tas skaidrojams ar to, ka oglekļa atomi grafītā ir izkārtoti slāņos, kas viegli atdalās viens no otra. Savukārt dimanta atomi izkārtoti spēcīgā, trīs dimensijās saslēgtā režģī.

Jaunatklātus minerālus reģistrē un nodēvē Starptautiskā mineraloģijas asociācija. Saskaņā ar šīs institūcijas datiem pašlaik ir zināmi vairāk kā 4,000 minerāli. Ik gadus atklāj dažus desmitus jaunu minerālu un dažus agrāk reģistrētos "izsvītro" no minerālu saraksta — pierāda, ka šāds minerāls neeksistē. Tikai ap 150 minerālus var uzskatīt par "izplatītiem" , vēl ap 50 ir "samērā bieži sastopami", pārējie — "reti" vai "ļoti reti". Salīdzinoši nelielo minerālu skaitu ģeologi skaidro šādi:

Uz Zemes un visā Saules sistēmā plaši izplatīti ir tikai daži ķīmiskie elementi. Uz Zemes visbiežāk sastopami ir skābeklis un silīcijs (klarka skaitlis: skābeklis — 470 000 (Vinogradovs, 1962) vai 472 500 (Vedepols, 1967), silīcijs — 295 000 (Vinogradovs, 1962) vai 305 400 (Vedepols, 1967)). Tāpēc visvairāk minerālu ir silikātu klasē. Savukārt lielākā daļa pārējo ķīmisko elementu ir tik ļoti izkliedēti, ka tie nepiedalās minerālu sastāva veidošanā — tie labākajā gadījumā veido nebūtiskus piejaukumus citos minerālos.
Liela daļa ķīmisko savienojumu Zemes apstākļos nav noturīgi.

Minerāli un ieži

Iezis ir viena vai vairāku minerālu sakopojums, kurš var saturēt arī organiskas atliekas. Nereti ieži sastāv lielākoties no viena minerāla. Piemēram, kaļķakmens ir nogulumiezis kas sastāv gandrīz tikai no viena minerāla — kalcīta. Citi ieži satur vairākus minerālus. Daži minerāli — piemēram kvarcs, vizla vai laukšpats ir sastopami daudzu iežu sastāvā, savukārt citi ieži sastāv no retiem minerāliem un ir atrodami tikai vienā vietā pasaulē. Vairāk nekā puse zināmo minerālu ir tik reti, ka tie ir atrasti tikai atsevišķos paraugos, daudzi minerāli ir atrasti tikai vienreiz, pat kā viens mazs graudiņš.

Minerālu noteikšanā biežāk izmantotās fiziskās īpašības

Minerālu noteikšana var būt gan vienkārša, gan arī ļoti sarežģīta. Minerālu var identificēt pēc vairākām fiziskajām īpašībām, no kurām dažas ir tik raksturīgas, ka noder pilnai minerāla identifikācijai bez nepieciešamības veikt tālāko analīzi. Taču šādas izteikti raksturīgas pazīmes piemīt tikai nelielai daļai minerālu. Citos gadījumos minerālus var identificēt tikai pēc kompleksas ķīmiskās analīzes vai rentgena staru difrakcijas metodes. Jārēķinās, ka šādas metodes var būt dārgas, patērēt daudz laika un pat bojāt paraugu.

Krāsa — minerāla izskats atstarotā gaismā vai cauri spīdošā gaismā (caurspīdīgu minerālu gadījumā).
Svītra — minerāla pulvera krāsa, kādu tas atstāj pēc minerāla parauga skrāpēšanas pret neglazēta porcelāna virsmu.
Skaldnība — minerāla spēja sadalīties noteiktos kristāliskās struktūras virzienos.
Lūzums — plēstas minerāla virsmas faktūra, ja tā netiek veikta pa minerāla skaldnības plaknēm. Raksturīga lūzuma virsma ir t.s. gliemežnīcas lūzums ar koncentriskiem vaļņiem — raksturīgs stiklam.
Cietība: minerāla fizisko cietību parasti mēra saskaņā ar Mosa skalu. Šī ir relatīva skala, kas tiek graduēta no 1 līdz 10. Noteiktas Mosa skalas cietības minerāli var ieskrāpēt virsmu citam minerālam, kam ir zemāka cietība. Mosa skalu definē šādi minerāli:
- 1 — talks
- 2 — ģipsis
- 3 — kalcīts
- 4 — fluorīts
- 5 — apatīts
- 6 — ortoklazs laukšpats
- 7 — kvarcs
- 8 — topāzs
- 9 — korunds
- 10 — dimants
Spīdums — minerāla virsmas spēja atstarot gaismu. Izdala šādus spīduma veidus:
- Metālisks — augsta atstarošanas spēja, kā metālam, piem. galenīts
- Pusmetālisks — nedaudz vājāka atstarošanas spēja kā metālam, piem. magnetīts
- Stikla — plēstas stikla virsmas atstarošanas spēja, piem. kvarcs
- Pērļains — izkliedēta gaismas atstarošana, kas raksturīga slāņotiem silikātiem, piem. talkam
- Zīdains — izkliedēta gaismas atstarošana, kas raksturīga šķiedrainiem materiāliem, piem. ģipsim
- Matēts/zemes — raksturīgs smalki kristāliskiem minerāliem, piem. hematīta putekļainajām varietātēm.
Caurspīdīgums — minerāla spēja laist cauri gaismu;
Laušanas koeficients — minerāla kristāliskā režģa spēja palenināt gaismas fāzes ātrumu;
Blīvums ir masas attiecība pret tilpuma vienību. Visbiežāk tiek norādīta viena minerāla kubikcentimetra masa gramos (g/cm³). Nereti mineraloģijā šo lielumu sauc arī par specifisko masu un norāda, ka specifiskā masa ir minerāla tilpuma vienības masas attiecība pret tāda paša tilpuma ūdens masu — taču šis skaitlis būtībā atbilst blīvumam, jo viens ūdens kubikcentimetrs sver vienu gramu. Vairumam minerālu, tai skaitā iežus veidojošajiem minerāliem specifiskā masa ir 2.5 — 3.5, taču citiem (piem. sulfīdu minerāliem) ir izteikti lielāka vai mazāka specifiskā masa.
Kristāliskā struktūra un habituss: minerālam var būt izteikts habituss vai kristāliskā forma, bet daudzkārt minerāli sastopami tikai kā masa, kas sastāv no mikroskopiskiem graudiņiem.
Citas īpašības: fluorescence (reakcija uz ultravioleto gaismu), magnētisms, radioaktivitāte, un reakcija uz šķīdinātājiem, gk. skābēm.

Minerālu klasifikācija

Pastāv daudzi minerālu klasifikācijas veidi. Visbiežāk izmantotās klasifikāciju sistēmas grupē minerālus pēc to ķīmiskā sastāva un kristāliskās struktūras — taču arī uz šiem principiem balstās vairākas vienlīdz populāras minerālu klasifikācijas sistēmas.

Jau kopš 19. gadsimta vidus minerālus klasificē pēc to ķīmiskā sastāva. Pēc šīs sistēmas minerālus iedala klasēs pēc dominējošā anjona vai anjona grupas (piem. halīdi, oksīdi, sulfīdi). Šāds minerālu iedalījums ir pietiekami labi pamatots, jo anjons nosaka lielāko daļu minerāla īpašību. Piemēram, karbonātu minerāliem savā starpā ir lielāka līdzība nekā vara minerāliem (varš ir katjons). Bez tam minerāliem ar vienu un to pašu anjonu ir lielāka iespēja tikt atrastiem līdzīgā ģeoloģiskajā vidē. Neorganiskos savienojumus arī klasificē pēc šī principa un vienota klasifikācijas pieeja ļauj labāk apvienot ķīmijas un mineraloģijas zinātņu metodiku. Pēc ķīmiskā sastāva minerālus iedala minerālu klasēs.

Ķīmiskais sastāvs vien var būt nepietiekams minerālu klasifikācijai — nepieciešams analizēt arī minerāla kristālu uzbūvi un grupēt minerālus ar līdzīgu uzbūvi. Minerālu klasifikācijas kristaloķīmiskos pamatus izstrādāja britu fiziķis Lourenss Bregs un norvēģu mineralogs Viktors Morics Goldšmits, kuri nodarbojās ar silikātu minerālu pētījumiem. Tieši lielajai silikātu minerālu klasei bija visvairāk nepieciešams smalkāks iedalījums un kristāliskās struktūras pētījumi ļāva to pamatoti izdarīt, balstoties uz SiO₄ tetraedronu topoloģiju. Pēc kristāliskās uzbūves minerālus iedala minerālu apakšklasēs, taču šādu iedalījumu parasti izmanto tikai silikātu minerāliem

Mūsdienās visbiežāk izmanto trīs minerālu klasifikācijas sistēmas — Štrunca minerālu klasifikācijas sistēmu, veco Danas minerālu klasifikācijas sistēmu un detālo jauno Danas minerālu klasifikācijas sistēmu (1997). Vikipēdijā biežāk tiek izmantota Štrunca minerālu klasifikācijas sistēma, kas nozīmīgās zinātnes institūcijās šobrīd tiek uzskatīta par vadošo.