Leerdoelen

• Beschrijf de kenmerken die alle mineralen delen.
• Identificeer de groepen waarin mineralen zijn ingedeeld en hun kenmerken.

Woordenschat

• chemische verbinding
• kristal
• anorganisch
• mineraal
• silicaten

Inleiding

Mineralen worden gecategoriseerd op basis van hun chemische samenstelling. Door overeenkomsten in samenstelling kunnen mineralen binnen dezelfde groep vergelijkbare kenmerken hebben.

Wat is een mineraal?

Mineralen zijn overal! In figuur 2.1 hieronder ziet u enkele veelvoorkomende huishoudelijke artikelen en de mineralen die daarvoor zijn gebruikt. Het zout dat je op voedsel strooit, is het mineraal haliet. Zilver in sieraden is ook een mineraal. Honkbalknuppels en fietsframes bevatten beide mineralen. Hoewel glas geen mineraal is, wordt het gemaakt van het mineraal kwarts. Wetenschappers hebben meer dan 4.000 mineralen in de aardkorst geïdentificeerd. Een paar zijn algemeen, maar vele zijn zeldzaam.

Geologen hebben een heel specifieke definitie voor mineralen. Een materiaal wordt als mineraal gekenmerkt als het aan alle volgende eigenschappen voldoet. Een mineraal is een anorganische, kristallijne vaste stof. Een mineraal wordt gevormd door natuurlijke processen en heeft een duidelijke chemische samenstelling. Mineralen kunnen worden geïdentificeerd aan de hand van hun karakteristieke fysische eigenschappen, zoals kristallijne structuur, hardheid, streepvorming en splitsing.

Kristallijne vaste stof

Mineralen zijn kristallijne vaste stoffen. Een kristal is een vaste stof waarin de atomen zijn gerangschikt in een regelmatig, zich herhalend patroon (figuur 2.2 hieronder). Het patroon van atomen in verschillende monsters van hetzelfde mineraal is hetzelfde. Is glas een mineraal? Zonder kristallijne structuur is zelfs natuurlijk glas geen mineraal.

Anorganische stoffen

Organische stoffen zijn de op koolstof gebaseerde verbindingen gemaakt door levende wezens en omvatten eiwitten, koolhydraten en oliën. Anorganische stoffen hebben een structuur die niet kenmerkend is voor levende lichamen. Steenkool wordt gemaakt van planten- en dierenresten. Is het een mineraal? Steenkool is geclassificeerd als een sedimentair gesteente, maar is geen mineraal.

Natuurlijke processen

Mineralen worden gemaakt door natuurlijke processen, die voorkomen in of op aarde. Een diamant die diep in de aardkorst is ontstaan, is een mineraal. Wordt een diamant gemaakt in een laboratorium door koolstof onder hoge druk te plaatsen een mineraal? Nee. Koop geen in het laboratorium gemaakte “diamant” voor sieraden zonder te beseffen dat het technisch gezien geen mineraal is.

Chemische samenstelling

Bijna alle (98,5%) van de aardkorst is gemaakt bestaat uit slechts acht elementen – zuurstof, silicium, aluminium, ijzer, calcium, natrium, kalium en magnesium – en dit zijn de elementen waaruit de meeste mineralen bestaan.

Alle mineralen hebben een specifieke chemische samenstelling. mineraal zilver bestaat alleen uit zilveratomen en diamant bestaat alleen uit koolstofatomen, maar de meeste mineralen bestaan uit chemische verbindingen. Elk mineraal heeft zijn eigen chemische formule. Haliet, afgebeeld in figuur 2.2 hierboven, is NaCl (natriumchloride Kwarts is altijd gemaakt van twee zuurstofatomen die gebonden zijn aan een siliciumatoom, SiO2. Als een mineraal andere elementen in zijn kristalstructuur bevat, is het geen kwarts.

Een hard mineraal dat covalent gebonden koolstof bevat, is diamant , maar een zachter mineraal dat naast koolstof ook calcium en zuurstof bevat, is calciet (figuur hieronder).

Sommige mineralen hebben verschillende chemische samenstelling. Olivijn bevat altijd silicium en zuurstof, evenals ijzer of magnesium of beide, (Mg, Fe) 2SiO4.

Fysische eigenschappen

De fysische eigenschappen van mineralen omvatten:

• Kleur: de kleur van het mineraal.
• Streak: de kleur van het mineraalpoeder.
• Glans: de manier waarop licht reflecteert op het mineraaloppervlak.
• Soortelijk gewicht: hoe zwaar het mineraal is in verhouding tot hetzelfde watervolume.
• Splitsing: de neiging van het mineraal om langs vlakke oppervlakken te breken.
• Breuk: het patroon in welke een mineraal breekt.
• Hardheid: welke mineralen het kan krassen en welke mineralen het kan krassen.

Hoe fysieke eigenschappen worden gebruikt om mineralen te identificeren, wordt beschreven in de les over minerale vorming.

Minerale groepen

Mineralen zijn onderverdeeld in groepen op basis van chemische samenstelling. De meeste mineralen passen in een van de acht mineraalgroepen.

Silicaatmineralen

De ongeveer 1.000 silicaatmineralen vormen meer dan 90% van de aardkorst. Silicaten vormen verreweg de grootste mineraalgroep. Veldspaat en kwarts zijn de twee meest voorkomende silicaatmineralen. Beide zijn buitengewoon veel voorkomende gesteentevormende mineralen.

De basisbouwsteen voor alle silicaatmineralen is de silica-tetraëder, die wordt geïllustreerd in onderstaande figuur. Om de grote verscheidenheid aan silicaatmineralen te creëren, is deze piramidevormige structuur vaak gebonden aan andere elementen, zoals calcium, ijzer en magnesium.

Silica-tetraëders worden op zes verschillende manieren gecombineerd om verschillende soorten silicaten te creëren (figuur hieronder). Tetraëders kunnen op zichzelf staan, verbonden cirkels vormen die ringen worden genoemd, in enkele en dubbele kettingen worden verbonden, grote platte piramides vormen of in drie dimensies samenkomen.

Native Elements

Native Elements bevatten atomen van slechts één type element. In deze categorie wordt slechts een klein aantal mineralen aangetroffen. Enkele van de mineralen in deze groep zijn zeldzaam en waardevol. Goud, zilver, zwavel en diamant zijn voorbeelden van natuurlijke elementen.

Carbonaten

De basisstructuur van het carbonaat is één koolstofatoom gebonden aan drie zuurstofatomen. Carbonaten bevatten andere elementen, zoals calcium, ijzer en koper. Calciet (CaCO3) is het meest voorkomende carbonaatmineraal (figuur hieronder).

Azuriet en malachiet, weergegeven in de onderstaande afbeelding, zijn carbonaten die koper bevatten in plaats van calcium.

Halogeniden

Halidemineralen zijn zouten die ontstaan wanneer zout water verdampt. Haliet is een halogenidemineraal, maar keukenzout is niet het enige halogenide. De chemische elementen die bekend staan als de halogenen (fluor, chloor, broom of jodium) binden zich met verschillende metaalatomen om halogenidemineralen te maken (zie figuur hieronder).

Oxides

Oxides bevatten een of twee metaalelementen gecombineerd met zuurstof. Veel belangrijke metalen worden gevonden als oxiden. Hematiet (Fe2O3), met twee ijzeratomen tot drie zuurstofatomen, en magnetiet (Fe3O4) (figuur hieronder), met drie ijzeratomen tot vier zuurstofatomen, zijn beide ijzeroxiden.

Fosfaten

Fosfaatmineralen zijn qua atomaire structuur vergelijkbaar met de silicaatmineralen. In de fosfaten binden fosfor, arseen of vanadium zich aan zuurstof om een tetraëder te vormen. Er zijn veel verschillende mineralen in de fosfaatgroep, maar de meeste zijn zeldzaam (figuur hieronder).

Sulfaten

Sulfaatmineralen bevatten zwavelatomen gebonden aan zuurstofatomen. Net als halogeniden vormen ze waar zout water verdampt. De sulfaatgroep bevat veel verschillende mineralen, maar er zijn er maar een paar die vaak voorkomen.

Gips is een veel voorkomend sulfaat met verschillende verschijningsvormen (figuur hieronder). Er zijn gigantische gipskristallen van 11 meter gevonden. Dat is ongeveer zo lang als een schoolbus!

Sulfiden

Sulfiden worden gevormd wanneer metalen elementen worden gecombineerd met zwavel. In tegenstelling tot sulfaten bevatten sulfiden geen zuurstof. Pyriet, of ijzersulfide, is een veelgebruikt sulfidemineraal dat bekend staat als dwazengoud. Mensen kunnen pyriet aanzien voor goud omdat de twee mineralen glanzend, metaalachtig en geel van kleur zijn.

Samenvatting van de les

• Om een substantie een mineraal te laten zijn, moet het een natuurlijk voorkomende, anorganische, kristallijne vaste stof met een karakteristieke chemische samenstelling en kristalstructuur.
• De atomen in mineralen zijn gerangschikt in regelmatige, zich herhalende patronen die kunnen worden gebruikt om dat mineraal te identificeren.
• Mineralen zijn onderverdeeld in groepen op basis van hun chemische samenstelling.
• Het chemische kenmerk van elke groep is: inheemse elementen – slechts één element; silicaten – silica tetraëder; fosfaten – fosfaattetraëder; carbonaten – één koolstofatoom met drie zuurstofatomen; halogeniden – een halogeen gebonden aan een metaalatoom; oxiden – een metaal gecombineerd met zuurstof; sulfaten – zwavel en zuurstof; sulfiden – metaal met zwavel, geen zuurstof.

Herzieningsvragen

1. Wat is een kristal?
2. Welke elementen bevatten alle silicaatmineralen?
3. Obsidiaan is een glas dat ontstaat wanneer lava zo snel afkoelt dat de atomen geen kans krijgen om zich in kristallen te ordenen. Is obsidiaan een kristal? Leg uw redenering uit.
4. Wat zijn de acht belangrijkste mineraalgroepen?
5. Wat is hetzelfde aan alle mineralen in de silicaatgroep? Wat is er anders aan hen?
6. Een monster heeft een chemische samenstelling met een verhouding van twee ijzeratomen tot drie zuurstofatomen. Een ander monster heeft een chemische samenstelling met een verhouding van drie ijzeratomen tot vier zuurstofatomen. Ze bevatten dezelfde elementen: zijn ze hetzelfde mineraal?
7. Waarin verschilt de minerale groep van de inheemse elementen van alle andere mineraalgroepen?
8. Op reis naar het natuurhistorisch museum je vindt twee mineralen die qua kleur vergelijkbaar zijn. Je kunt aan hun chemische formules zien dat één mineraal de elementen zink, koolstof en zuurstof bevat. Het andere mineraal bevat de elementen zink, silicium, zuurstof en waterstof. Je vriend vertelt je dat de mineralen in dezelfde mineraalgroep zitten. Ga je akkoord? Leg uw redenering uit.

Verder lezen / aanvullende links

Punten om te overwegen

• Waarom is obsidiaan, een natuurlijk glas dat ontstaat uit verkoelende lava, geen mineraal?
• Waarom zijn diamanten die in een laboratorium worden gemaakt geen mineralen?
• Is steenkool, voornamelijk gevormd uit vervallen planten, een mineraal? Is het een steen?
• Vroeger maalden kunstenaars het mineraal azuriet om kleurrijke pigmenten voor verf te maken. Is het poedervormige azuriet nog steeds kristallijn?