Minerały

Minerał to substancja chemiczna powstała w przyrodzie, o określonym składzie i określonych właściwościach fizycznych i chemicznych. Z minerałów jest zbudowana skorupa ziemska, także Księżyc i meteoryty. Jako minerały syntetyczne określa się uzyskiwane w toku procesów technologicznych substancje krystaliczne, których skład i struktura odpowiadają minerałom właściwym (naturalnym): diamenty syntetyczne, korund syntetyczny i inne. Minerały odróżnia od substancji mineralnych (np. mineraloidów) struktura krystaliczna, a od mieszanin mineralnych (np. skał, złożonych zwykle z różnych minerałów) — jednorodność chemiczna i fizyczna.

Cechami charakterystycznymi minerałów są głównie: przynależność do określonej klasy krystalograficznej (kryształ), skład chemiczny, właściwości mechaniczne — twardość (określana w skali Mohsa), łupliwość, przełam (np. muszlowy, haczykowaty), właściwości optyczne: barwa, rysa (tj. barwa minerałów w stanie sproszkowanym), połysk (np. tłusty, metaliczny), współczynniki załamania światła (dwójłomność), pleochroizm a, także inne cechy fizyczne (np. właściwości magnetyczne, gęstość). Ze względu na właściwości barwne rozróżnia się minerały idiochromatyczne (barwne), odznaczające się charakterystyczną, własną barwą uwarunkowaną składem chemicznym i strukturą krystaliczną (np. czerwony cynober, niebieski azuryt), oraz minerały allochromatyczne (zabarwione), w stanie czystym bezbarwne, często zabarwione przez domieszki (np. odmiany kwarcu: ametyst, cytryn), lecz zachowujące białą rysę. Ze względu na częste wzajemne podstawienia jonów różnych pierwiastków chemicznych w strukturze krystalicznej minerałów (diadochia), część z nich (np. plagioklazy, oliwiny) tworzy szeregi izomorficzne, tj. roztwory stałe o zmiennej zawartości głównych składników, lecz o tej samej postaci krystalograficznej oraz o określonych właściwościach optycznych i fizycznych. Niektóre substancje chemiczne występują jako minerały o różnych postaciach krystalograficznych (polimorfizm), tworząc odmiany polimorficzne: np. węglan wapnia ma 2 odmiany polimorficzne — trygonalną (kalcyt) i rombową (aragonit). Forma kryształu minerału może być zachowana mimo jego zastąpienia przez inny minerał (pseudomorfoza) lub przez inną odmianę polimorficzną tej samej substancji (paramorfoza).

Minerały występują w postaci prawidłowo uformowanych dużych kryształów i ich skupień (np. szczotek krystalicznych), częściej tworzą nagromadzenia drobnych kryształów zwanych agregatami krystalicznymi, ziarna o kształtach nieregularnych (np. uzależnionych od kształtu pustki skalnej, w której krystalizowały), skupienia drobnokrystaliczne lub skrytokrystaliczne (ziemiste, zbite i inne) o różnych kształtach (np. nacieki, buły). Powstają w wyniku wielu procesów geologicznych: krystalizacji magmy, metamorfizmu, procesów hydrotermalnych, ekshalacji wulkanu, wietrzenia, diagenezy, wytrącania się substancji chemicznych z wód powierzchniowych, działalności organizmów, w określonych warunkach fizykochemicznych tworzą się zwykle charakterystyczne zespoły mineralne zwane paragenezami.

Zespołami minerałów występującymi w skorupie ziemskiej w dużych masach są skały. Wśród minerałów tworzących skałę rozróżnia się minerały główne (składniki gł.), tj. będące podstawowymi składnikami skały i decydujące o jej przynależności systematycznej, minerały poboczne (występujące pospolicie, lecz w niewielkich ilościach, i nie mające wpływu na przynależność systematyczną skały) i minerały akcesoryczne (które występują w zmiennej ilości w danym typie skały, a ich obfitość może być podstawą wydzielenia pewnych jej odmian). Minerały będące głównymi składnikami skał są nazywane minerałami skałotwórczymi: należą do nich głównie krzemiany i glinokrzemiany (skalenie, amfibole, pirokseny, łyszczyki, oliwiny, skaleniowce), kwarc, kalcyt, dolomit. Ważną grupą minerałów skałotwórczych są minerały ilaste, tj. minerały z grupy glinokrzemianów uwodnionych o strukturze warstwowej, tworzące skupienia złożone z drobnych, nierozpoznawalnych gołym okiem łusek; łatwo chłoną wodę, co powoduje ich pęcznienie i uplastycznienie, są głównymi składnikami skał ilastych i gleb (np. kaolinit, montmorillonity). Głównymi składnikami większości rud są minerały kruszcowe (kruszce), tj. minerały będące związkami (siarczkami, arsenkami, siarkosolami, tlenkami i in.) metali ciężkich (także antymonu, arsenu). Dla minerałów kruszcowych typowe są: duże współczynniki załamania światła, nieprzezroczystość, połysk metaliczny lub półmetaliczny (np. galena, chalkopiryt, hematyt). Wyróżnia się także minerały ciężkie (np. magnetyt, kasyteryt, ilmenit, turmalin), dające się dzięki znacznej gęstości (powyżej 3 g/cm3) łatwo oddzielać (szlichowa próba) od pospolitych minerałów skałotwórczych. Znaczna część minerałów jest wykorzystywana w gospodarce (kopaliny), głównie w przemyśle, także w rzemiośle artystycznym (kamienie szlachetne), ich nagromadzenia (złoże) są od starożytności eksploatowane metodami górniczymi.

Badaniami minerałów zajmuje się dziedzina geologii zwana mineralogią, blisko związana z petrografią i krystalografią. Jej początki sięgają starożytności, kiedy opisywano zewnętrzne cechy niektórych minerałów i miejsca ich występowania. Pierwszą klasyfikację minerałów stworzył w X w. Awicenna. Wiele danych z dziedziny mineralogii zawierają pochodzące z XVI w. prace G. Agricoli. Dla rozwoju współczesnych metod badań minerałów duże znaczenie miało dokonane w 1669 r. przez E. Bartholina odkrycie zjawiska dwójłomności w kryształach kalcytu, a także sformułowanie w tym samym roku przez N. Stensena prawa stałości kątów (krystalograficzne prawa). Do XIX w. dominowały w klasyfikacji i badaniach minerałów metody opisu ich właściwości zewnętrznych. Podstawą nowoczesnej mineralogii stały się prowadzone przez R.J. Hay’ego badania wewnętrzne struktury kryształów oraz prace J.J. Berzeliusa nad chemiczną systematyką minerałów. Ważny zwrot w dziejach mineralogii dokonał się dzięki zapoczątkowaniu przez W. Nicola i H. Sorby’ego ok. połowy XIX w. systematycznych badań minerałów w świetle spolaryzowanym przechodzącym (płytka cienka). Dalszy rozwój zawdzięcza mineralogia dokonanym w XIX i XX w. odkryciom w dziedzinie fizyki i chemii, co umożliwiło rozwój powszechnie stosowanych technik badań minerałów: metod krystalografii rentgenowskiej, mikroskopii elektronowej, spektroskopii, analizy termicznej, neutronowej analizy aktywacyjnej i innych. Początki naukowych badań minerałów przez uczonych polskich sięgają 1 poł. XIX w. (S. Dunin Borkowski, I. Domeyko). Do rozwoju współczesnej mineralogii w Polsce przyczynili się m.in. F. Kreutz, S.J. Thugutt, J. Morozewicz, Z. Weyberg, S. Kreutz, K. Smulikowski.