Cele lekcji

• Opisz cechy wspólne dla wszystkich minerałów.
• Zidentyfikuj grupy, do których sklasyfikowane są minerały i ich właściwości.

Słownictwo

• związek chemiczny
• kryształ
• nieorganiczny
• minerały
• krzemiany

Wprowadzenie

Minerały są klasyfikowane na podstawie ich składu chemicznego. Ze względu na podobieństwa w składzie minerały z tej samej grupy mogą mieć podobne cechy.

Co to jest minerał?

Minerały są wszędzie! Rysunek 2.1 poniżej przedstawia niektóre typowe artykuły gospodarstwa domowego i minerały użyte do ich wytworzenia. Sól, którą posypujesz jedzenie, to mineralny halit. Srebro w biżuterii jest również minerałem. Kije baseballowe i ramy rowerowe zawierają minerały. Chociaż szkło nie jest minerałem, jest wytwarzane z mineralnego kwarcu. Naukowcy zidentyfikowali ponad 4000 minerałów w skorupie ziemskiej. Kilka jest powszechnych, ale wiele jest rzadkich.

Geolodzy mają bardzo szczegółową definicję minerałów. Materiał jest określany jako minerał, jeśli spełnia wszystkie poniższe cechy. Minerał to nieorganiczne, krystaliczne ciało stałe. Minerał powstaje w wyniku naturalnych procesów i ma określony skład chemiczny. Minerały można zidentyfikować na podstawie ich charakterystycznych właściwości fizycznych, takich jak struktura krystaliczna, twardość, smugi i rozszczepienie.

Ciało stałe krystaliczne

Minerały to krystaliczne ciała stałe. Kryształ to ciało stałe, w którym atomy są ułożone w regularny, powtarzalny wzór (rysunek 2.2 poniżej). Układ atomów w różnych próbkach tego samego minerału jest taki sam. Czy szkło jest minerałem? Bez struktury krystalicznej nawet naturalne szkło nie jest minerałem.

Substancje nieorganiczne

Substancje organiczne to związki węglowe wytwarzane przez żywe istoty i obejmują białka, węglowodany i oleje. Substancje nieorganiczne mają strukturę, która nie jest charakterystyczna dla organizmów żywych. Węgiel jest wytwarzany ze szczątków roślin i zwierząt. Czy to minerał? Węgiel jest sklasyfikowany jako skała osadowa, ale nie jest minerałem.

Naturalne procesy

Minerały powstają w wyniku naturalnych procesów, które zachodzą na Ziemi lub na niej. Diament stworzony głęboko w skorupie ziemskiej jest minerałem. Czy diament powstały w laboratorium poprzez umieszczenie węgla pod wysokim ciśnieniem jest minerałem? Nie. Nie kupuj laboratoryjnego „diamentu” do biżuterii bez zdawania sobie sprawy, że technicznie rzecz biorąc, nie jest to minerał.

Skład chemiczny

Prawie cała (98,5%) skorupa ziemska jest wykonana składa się tylko z ośmiu pierwiastków – tlenu, krzemu, glinu, żelaza, wapnia, sodu, potasu i magnezu – i to właśnie te pierwiastki tworzą większość minerałów.

Wszystkie minerały mają określony skład chemiczny. mineralne srebro składa się tylko z atomów srebra, a diament składa się tylko z atomów węgla, ale większość minerałów składa się ze związków chemicznych. Każdy minerał ma swój własny wzór chemiczny. Halit, pokazany na rysunku 2.2 powyżej, to NaCl (chlorek sodu Kwarc zawsze składa się z dwóch atomów tlenu związanych z atomem krzemu, SiO2. Jeśli minerał zawiera jakiekolwiek inne pierwiastki w swojej strukturze krystalicznej, to nie jest to kwarc.

Twardym minerałem zawierającym kowalencyjnie związany węgiel jest diament , ale bardziej miękkim minerałem, który zawiera również wapń i tlen wraz z węglem, jest kalcyt (rysunek poniżej).

Niektóre minerały mają różny skład chemiczny. Oliwin zawsze zawiera krzem i tlen, a także żelazo lub magnez lub jedno i drugie (Mg, Fe) 2SiO4.

Właściwości fizyczne

Fizyczne właściwości minerałów obejmują:

• Kolor: kolor minerału.
• Smuga: kolor proszku minerału.
• Połysk: sposób, w jaki światło odbija się od powierzchni minerału.
• Ciężar właściwy: jak ciężki jest minerał w stosunku do tej samej objętości wody.
• Łupanie: tendencja minerału do pękania wzdłuż płaskich powierzchni.
• Pęknięcie: wzór w który minerał pęka.
• Twardość: jakie minerały mogą go porysować, a jakie minerały mogą go zarysować.

Sposób wykorzystania właściwości fizycznych do identyfikacji minerałów opisano w lekcji na temat tworzenia minerałów.

Grupy minerałów

Minerały są podzielone na grupy na podstawie składu chemicznego. Większość minerałów należy do jednej z ośmiu grup minerałów.

Minerały krzemianowe

Około 1000 minerałów krzemianowych stanowi ponad 90% skorupy ziemskiej. Krzemiany to zdecydowanie największa grupa minerałów. Skaleń i kwarc to dwa najpowszechniejsze minerały krzemianowe. Oba są niezwykle powszechnymi minerałami skałotwórczymi.

Podstawowym elementem budulcowym wszystkich minerałów krzemianowych jest czworościan krzemionki, który zilustrowano na poniższym rysunku. Aby stworzyć szeroką gamę minerałów krzemianowych, ta struktura w kształcie piramidy jest często związana z innymi pierwiastkami, takimi jak wapń, żelazo i magnez.

Czworościany krzemionki łączą się ze sobą na sześć różnych sposobów, tworząc różne typy krzemianów (Rysunek poniżej). Czworościany mogą stać samodzielnie, tworzyć połączone okręgi zwane pierścieniami, łączyć się w pojedyncze i podwójne łańcuchy, tworzyć duże płaskie arkusze piramid lub łączyć się w trzech wymiarach.

Elementy natywne

Elementy natywne zawierają atomy tylko jednego typu pierwiastka. W tej kategorii znajduje się tylko niewielka liczba minerałów. Niektóre minerały z tej grupy są rzadkie i cenne. Złoto, srebro, siarka i diament to przykłady pierwiastków rodzimych.

Węglany

Podstawowa struktura węglanowa to jeden atom węgla związany z trzema atomami tlenu. Węglany zawierają inne pierwiastki, takie jak wapń, żelazo i miedź. Kalcyt (CaCO3) jest najpowszechniejszym minerałem węglanowym (rysunek poniżej).

Azuryt i malachit, pokazane na poniższym rysunku, to węglany zawierające miedź zamiast wapnia.

Halogenki

Minerały halogenkowe to sole, które powstają podczas parowania słonej wody. Halit jest minerałem halogenkowym, ale sól kuchenna nie jest jedynym halogenkiem. Pierwiastki chemiczne znane jako halogeny (fluor, chlor, brom lub jod) wiążą się z różnymi atomami metali, tworząc minerały halogenkowe (patrz rysunek poniżej).

Tlenki

Tlenki zawierają jeden lub dwa pierwiastki metalowe połączone z tlenem. Wiele ważnych metali występuje w postaci tlenków. Hematyt (Fe2O3), zawierający dwa atomy żelaza do trzech atomów tlenu i magnetyt (Fe3O4) (rysunek poniżej), zawierający trzy atomy żelaza i cztery atomy tlenu, to tlenki żelaza.

Fosforany

Minerały fosforanowe mają podobną budowę atomową do minerałów krzemianowych. W fosforanach, fosforze, arsenie lub wanadzie wiązania z tlenem tworzą czworościany. W grupie fosforanów jest wiele różnych minerałów, ale większość z nich występuje rzadko (rysunek poniżej).

Siarczany

Minerały siarczanowe zawierają atomy siarki związane z atomami tlenu. Podobnie jak halogenki, powstają tam, gdzie wyparowuje słona woda. Grupa siarczanów zawiera wiele różnych minerałów, ale tylko kilka jest powszechnych.

Gips to pospolity siarczan o różnym wyglądzie (rysunek poniżej). Znaleziono kilka gigantycznych 11-metrowych kryształów gipsu. To prawie tak długo, jak autobus szkolny!

Siarczki

Siarczki powstają, gdy pierwiastki metaliczne łączą się z siarką. W przeciwieństwie do siarczanów siarczki nie zawierają tlenu. Piryt, czyli siarczek żelaza, jest pospolitym minerałem siarczkowym znanym jako złoto głupców. Ludzie mogą pomylić piryt ze złotem, ponieważ te dwa minerały są błyszczące, metaliczne i żółte.

Podsumowanie lekcji

• Aby substancja była minerałem, musi być naturalnie występujące, nieorganiczne, krystaliczne ciało stałe o charakterystycznym składzie chemicznym i strukturze krystalicznej.
• Atomy w minerałach są ułożone w regularne, powtarzające się wzory, które można wykorzystać do identyfikacji tego minerału.
• Minerały są podzielone na grupy na podstawie ich składu chemicznego.
• Cechą chemiczną każdej grupy jest: pierwiastki rodzime – tylko jeden pierwiastek; krzemiany – czworościan krzemionki; fosforany – czworościan fosforanowy; węglany – jeden atom węgla z trzema atomami tlenu; halogenki – halogen związany z atomem metalu; tlenki – metal połączony z tlenem; siarczany – siarka i tlen; siarczki – metal z siarką, bez tlenu.

Pytania przeglądowe

1. Co to jest kryształ?
2. Jakie pierwiastki zawierają wszystkie minerały krzemianowe?
3. Obsydian to szkło, które tworzy się, gdy lawa stygnie tak szybko, że atomy nie mają szans na ułożenie się w kryształach. Czy obsydian jest kryształem? Wyjaśnij swoje rozumowanie.
4. Jakie jest osiem głównych grup minerałów?
5. Co jest takie samo ze wszystkimi minerałami w grupie krzemianów? Czym się w nich różni?
6. Jedna próbka ma skład chemiczny o stosunku dwóch atomów żelaza do trzech atomów tlenu. Inna próbka ma skład chemiczny o stosunku trzech atomów żelaza do czterech atomów tlenu. Zawierają te same pierwiastki: czy to ten sam minerał?
7. Czym różni się grupa minerałów rodzimych pierwiastków od wszystkich innych grup minerałów?
8. Na wycieczce do muzeum historii naturalnej znajdziesz dwa minerały o podobnym kolorze. Z ich wzorów chemicznych widać, że jeden minerał zawiera cynk, węgiel i tlen. Drugi minerał zawiera cynk, krzem, tlen i wodór. Twój przyjaciel powie ci, że minerały znajdują się w tej samej grupie minerałów. Czy sie zgadzasz? Wyjaśnij swoje rozumowanie.

Dalsza lektura / Linki uzupełniające

Co należy wziąć pod uwagę

• Dlaczego obsydian, naturalne szkło, chłodząca lawa, a nie minerał?
• Dlaczego diamenty są wytwarzane w laboratorium, a nie minerały?
• Czy węgiel, powstający głównie z rozkładających się roślin, jest minerałem? Czy to kamień?
• Artyści mielili azuryt mineralny, aby tworzyć kolorowe pigmenty do farb. Czy sproszkowany azuryt nadal jest krystaliczny?