Мінерал

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Різноманітні мінерали

Мінера́л (від пізньолат. minera — руда, рудна жила, рудник) — природна речовина, що утворилась під час геологічних процесів в земній корі або за еквівалентних процесів на інших космічних тілах у Всесвіті[1]. Достатньою умовою для називання речовини мінералом є офіційне визнання IMA. Типовим прикладом мінералів можуть слугувати складові частини гірської породи граніту: польовий шпат мікроклін K(AlSi3O8), кварц SiO2, слюда мусковіт KAl2(AlSi3O10)(OH)2.[2] Число відкритих мінералів зростає з року в рік і нині перевищують 4000. Наука, що вивчає мінерали зветься мінералогією.

У вузькому значенні, мінерал — природна хімічна сполука кристалічної будови, що утворюється внаслідок прояву геологічного процесу. Ця дефініція є найбільш визнаною[2] й охоплює передусім типові (обов'язкові, прямі) природні об'єкти, які є складовими частинами гірських порід, руд і утворились внаслідок прояву геологічних процесів на (в) Землі або інших космічних тілах.

У широкому розумінні поняття, до мінералів зараховують також рідини — нафту, мінеральну воду та природний газ.

Визначення та класифікація мінералів[ред.ред. код]

До мінералів належать тверді тіла кристалічної будови, що мають природне походження та характеризуються однорідною структурою і певним хімічним складом. За визначенням Міжнародної Мінералогічної Асоціації (1995), мінерал — це хімічний елемент або сполука зазвичай кристалічної будови, утворена в результаті геологічних процесів. Згідно з таким визначенням, речовини біологічного походження не належать до мінералів:

«Речовини біологічного походження — це хімічні сполуки, утворені внаслідок винятково біологічних процесів, що не містять геологічного компоненту (наприклад, уроліти, кристали солей щавелевої кислоти, мушлі морських молюсків тощо) та не є мінералами. Проте якщо сполука утворена за участі деякого геологічного процесу, то вона може бути мінералом».[3]

Не всі дослідники дотримуються цього правила винятку; зокрема Ловенстем (1981) стверджує, що «живі організми здатні утворювати цілий ряд мінералів, чимало з яких не виникають у біосфері неорганічним шляхом». [4]

Таке розходження швидше стосується питання класифікації, ніж самого складу мінералів. Скіннер (2005) вважає, що усі тверді тіла є потенціальними мінералами, й зараховує біомінерали, тобто сполуки, утворені у процесі обміну речовин живих організмів, до мінералів. Це включення мінералів біологічного походження вимагає розширення визначення мінералу як «елементу чи сполуки аморфної або кристалічної будови, утвореної внаслідок біогеохімічних процесів».[5]

Поняття «мінерал» виникло давно й з того часу безперервно змінюється відповідно до зміни змісту мінералогії. На початковому етапі її розвитку термін «мінерал» був синонімом терміна «копалина» й охоплював власне мінерали (в сучасному розумінні), гірські породи, руди та скам'янілості.

У 1765 році Нікола Лемері власною працею «Загальна хімія» розділив усі відомі на той час речовини на мінеральні, рослинні та тваринні, а у 1820-1830-х роках Берцеліус протиставив одну одній органічну та неорганічну («мінеральну») хімію. Саме через це побутове вживання прикметника мінеральний (наприклад, мінеральні води, солі, барвники) не відповідає сучасному науковому визначенню «мінерал».[2]

Загальна характеристика[ред.ред. код]

Поштовий блок марок «Мінерали України», 2009 рік

Нині мінералогія досягла такого консолідованого стану розвитку, що чітко окреслилося коло її об'єктів дослідження, якими стали мінерали-кристали будь-якої форми. Отже, основна сутність мінералу — кристалічний стан, обумовлений закономірним розташуванням будівельних частинок (атомів, йонів, молекул) у просторі й підпорядкований законам симетрії. Відтак, некристалічні (тверді) природні утворення (речовини з аморфним, метаміктним, інколи колоїдним станом) не є мінералами. Їх рекомендовано віднести до іншої множини сполук — мінералоїдів. Однак останні є повнокровними об'єктами мінералогії або суміжних наук, оскільки генетично й парагенетично пов'язані з мінералами.

Нетрадиційними об'єктами дослідження в мінералогії є хімічні сполуки кристалічної структури, які штучно отримує (синтезує) людина; сполуки, що виникають внаслідок перетворення, часто довільного, техногенних продуктів — териконів шахт, відходів підприємств, атомних електростанцій тощо, а також каміння, що утворюється в організмі людей, тварин, рослин. Всі ці сполуки є назагал другорядними об'єктами мінералогії й їх доцільно відповідно називати так: штучні мінерали, техногенні мінерали, біомінерали.

Мінерали існують в природі поодиноко у вигляді мінеральних індивидів (кристалів-багатогранників або кристалів-зерен) або, що буває значно частіше, утворюють між собою зростки агрегати (мономінеральні або полімінеральні). Останні переважають. Зростки бувають закономірні та випадкові. Мінеральні індивіди складають всі камені (гірські породи, руди), тобто складають весь мінеральний світ подібно індивідам-організмам, які складають світ тварин і рослин. У природі існує величезна кількість мінеральних індивідів, які своїм існуванням фіксують дискретність мінерального світу, є одиничними об'єктами мінералогії та являють собою конкретну форму існування мінеральних видів.

Структура мінералів[ред.ред. код]

Див. Структура мінералів

Внутрішня будова мінералів, яка визначається розміщенням і взаємозв’язком структурних одиниць (атомі, йонів, молекул).

Мінерали у Сонячній системі[ред.ред. код]

Мінеральний склад земної кори у відсотках за Булахом А. Г., 1996.[6]

Через неоднорідність елементного складу Сонячної системи на момент формування планет, існує певна диференціація елементного, а отже й мінерального складу планет. Дальні планети збагачені легкими елементами, внутрішні планети — важкими.[2] Найпоширеніші мінерали на планетах земної групи:

Поверхня планет земної групи вкрита гірськими породами, що утворені з польових шпатів, піроксенів, олівінів. Відомо 85 видів мінералів зібраних на поверхні Місяця та доставлених на Землю американськими та радянськими експедиціями. На поверхні Марса відомі виходи базальтових та андезитових лав, поклади титаномагнетиту, маггеміту, нонтроніту, сульфатів заліза та магнію. У метеоритах окрім олівінів, піроксенів, плагіоклазів також дуже поширеними є мінерали заліза, теніт та ферит. Загалом описано 175 мінералів у складі метеоритів. На поверхні дальніх планет гігантів та карликових планет пояса Койпера установлено існування лише легких твердих фаз кристалічних вуглекисню CO2, води H2O, сірки S та метану CH4.[2]

Генезис[ред.ред. код]

Докладніше: Мінерагенія

Біогенні мінерали[ред.ред. код]

Біогенні мінерали за походженням розподіляються на 3 типи кристалічних хімічних сполук[2]:

У складі живих організмів існують органо-мінеральні агрегати побудовані у комплексі орієнтованих кристалів та білкових наповнювачів.[7] Наприклад, головним мінералом твердих тканин людини є апатит, а кожне волокно його кісткової тканини складається з ланцюжка дрібних подовжених (до 100 нм) призматичних кристалів цього мінералу, оточених білком конхіаліном. У тканинах немовляти частина фосфатів аморфна, частина кристалізована, а білкова частка кісток становить понад 30%, тому й кістки у молодому віці досить м'які та гнучкі. З віком кристалізація фосфатної частини збільшується й кістки стають крихкими. З кристалів апатиту в білковій речовині утворені емаль й дентин зубів. Апатит в організмі має певні кристалохімічні особливості — він збагачений вуглекислотою та водою, має менший відсотковий вміст фосфорного ангідриду.[2]

Антропогенні мінерали[ред.ред. код]

Антропогенні мінерали утворюються під час хімічних реакцій у шлаках шахтних териконів, шламових хвостах гірничо-збагачувальних комбінатів.[2] Агентом виступає вода. Такі мінерали увійшли до мінералогічних довідників як самостійні одиниці. Від 1995 року Комісія з нових мінералів та назв мінералів (англ. Commission on New Minerals and Mineral Names (CNMMN)) Міжнародної мінералогічної асоціації не приймає заявок на утвердження нових антропогенних мінералів.

Класифікація мінералів[ред.ред. код]

Класифікація мінералів — розподіл мінералів на систематичні одиниці на основі їх спільних ознак (зовнішніх, геологічних, хімічних, кристалографічних, геохімічних і кристалохімічних). В залежності від того, яким ознакам надається перевага, класифікації мінералів поділяються на:

Найсучаснішою є кристалохімічна класифікація, в основу якої покладено взаємозв'язок між хімічним складом і будовою мінералів, а також їх властивостями і морфологічними особливостями. За цими ознаками всі мінерали поділяють на типи, класи, підкласи, відділи і групи.

Фізичні властивості[ред.ред. код]

Див. Фізичні властивості мінералів

Характерні властивості мінералів, обумовлені їх складом і будовою. Ф.в. визначаються конституцією мінералів, головним чином особливостями їх симетрії та анізотропії. Математичний аналіз фізики мінералів базується на тензорному численні і теорії груп.

Відбивна здатність — здатність мінералів відбивати частину світла, що падає на них. Є оптичною константою мінералів, яка використовується в мінералогії як діагностична ознака. Числове значення цієї константи (у %) визначається формулою:

R = Ii/Iy

де Ii — інтенсивність падаючого на поверхню мінералу світла, Iy — інтенсивність відбитого світла, R — показник відбиття.

Найбільша відбивна здатність (95%) спостерігається у самородного срібла.

Хімічні властивості[ред.ред. код]

Основними хімічними властивостями мінералів є їх розчинність у воді та взаємодія з кислотами (найчастіше з хлоридною HCl).

Мінерал як твердий розчин[ред.ред. код]

Кожен мінерал характеризується своєю кристалохімічною неповторністю, тобто унікальним поєднанням хімічного складу і кристалічної структури, тому різні мінерали можуть мати однаковий хімічний склад, але різну структуру (поліморфізм кристалів).[8] Алмаз і графіт — це дві алотропні кристалічні модифікації вуглецю, а кальцит і арагоніт — дві різні модифікації карбонату кальцію CaCO3. Навпаки дві різних за складом, але однакових за кристалічною структурою (ізоструктурні) речовини — це різні мінерали (магнезит MgCO3 та сидерит FeCO3; корунд Al2O3 і есколаіт Cr2O3). Ізоструктурні речовини в природі часто утворюють тверді розчини, кристали мішаного складу. Усі мінерали в природі є твердими розчинами, що характеризуються змінним хімічним складом, не існує ідеально хімічно чистих мінералів.[2] Комісія з нових мінералів та їх назв трактує мінерал як суміш ідеально хімічно чистих подібних одна до одної сполук, однакової кристалічної структури і рекомендує називати мінерали за компонентом, що кількісно переважає у складі (рубін (Al1,9Cr0,1)O3 це лише корунд Al2O3).[2]

Ізоморфізм — це властивість речовин, аналогічних за хімічним складом, подібних за будовою і близьких за розмірами елементарних комірок, кристалізуватися в однакових формах. В мінералогії під цим часто розуміється явище заміни часток в кристалі, що вибудовується, однієї речовини на частки іншої ізоморфної речовини.[9] Таким шляхом утворюється, наприклад, магнезит мішаного складу (Mg, Fe)CO3. У конкретних випадках встановленого точного вмісту заліза формули зиписуються як (Mg0,8Fe0,2)CO3, (Mg0,65Fe0,35)CO3. В природі явище ізоморфізму часто супроводжується додатковим виникненням:

  • вакансій (незайнятих вузлів у кристалічній ґратці). Наприклад, природний моносульфід заліза мінерал піротин має теоретичну формулу FeS, але в реальності завжди відзначається дефіцит заліза. Це відбувається за рахунок того, що при зростанні кристалів піротина частина іонів Fe2+ зазмінюється іонами Fe3+ за схемою:
2Fe3+ + вакансія → 3Fe2+

У результаті формули різних проб можуть мати вигляд Fe0,89S, Fe0,91S.[2]

  • міжвузлових часток (атомів, електронів). Інколи в флюориті CaF2 присутня ізоморфна домішка Y3+. Атом ітрію займає позицію Ca2+, одночасно інтродукується іон F- за схемою:
Ca2+ → Y3+ + F-

Загальна формула флюориту записується як (Ca1—xYx)F2+x.[2]

Таким чином стехіометричний склад мінералів порушується.

Різні грані кристала володіють різною адсорбційної здатністю, що призводить до відмінностей хімічного складу та властивостей кристала в різних його частинах (блакитно-жовті в різних частинах топази). Також винно-жовтий цитрин і фіолетово-ліловий аметист — це лише два різновиди кварцу SiO2, що різняться характером хімічних мікродомішок, а від того й кольором. Коли кристали мінералу мішаного складу проростають у мінливих умовах, вони часто мають зональну будову (багатобарвні турмаліни з Мадагаскару).[2]

Окремі різновиди[ред.ред. код]

Докладніше: Список мінералів



Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Що таке мінерал?
  2. а б в г д е ж и к л м н п (рос.) Булах А. Г. Общая минералогия. 3-е издание. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2002. — 364 с.
  3. Nickel, Ernest H. (1995). «The definition of a mineral». The Canadian Mineralogist 33 (3): с.690
  4. H. A., Lowenstam (1981). «Minerals formed by organisms». Science 211 (4487): с.1126
  5. Skinner, H. C. W. (2005). «Biominerals». Mineralogical Magazine 69 (5): с.621
  6. Булах А. Г. Общий минеральный состав земной коры // Записки Всероссийского минералогического общества. 1996. выпуск 4. С. 23-28.
  7. (рос.) Кораго А. Введение в биоминералогию. — Л.: Недра, 1992. 280 с.
  8. (рос.) Поваренных А. С. Кристаллохимическая классификация минеральных видов. — К.: Наукова думка, 1966. 547 с.
  9. (рос.) Булах А. Г., Кривовичев В. Г., Золотарев А. А. Формулы минералов: Термодинамический анализ в минералогии и геохимии. С-Пб.: ˆИздательство СПбГУ, 1995. 257 с.

Література[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]