Минералогија

Минералогија — гранка на геологијата кое ги изучува хемијата, кристалната структура и физичко-оптичките својства на минералите. Одделни дисциплини ги разгледуваат потеклото на минералите и нивното образување, класфикацијата, географска распространетост и примена.

Историја
мини|десно|Страница од „Расправа за минералогијата“ од Фридрих Мос (1825)
Најстарите пишани дела за минералогијата, особено за драгите камења се создадени во Вавилон, стариот грчко-римски свет, старовековна и средновековна Кина, во санскритските текстови од древна Индија и во стариот исламски свет. Попознати книги на оваа тема се „Природознание“ (Naturalis Historia) на Плиниј Постариот, кој не само што опишува многу видови минерали, туку ги објаснува и нивните својства, и „Книга за драгите камења“ (Китаб ел-Џевахир) од персискиот научник ел-Бируни. Германскиот ренесансен стручњак Георгиј Агрикола произвел дела како „За металите“ (De re metallica, 1556) и „За природата на камењата“ (De Natura Fossilium, 1546) со кои започнал научниот приод кон оваа проблематика. Систематски изучувања на минералите и карпите се развиле во постренесансна Европа. Современата минералогија се заснова на начелата на кристалографијата (самата геметриска кристалографија води потекло од XVIII и XIX век) и на  проучување на пресеци со воведувањето на микроскопот во XVII век.

Данскиот научник Николас Стено прв во 1669 г. го открил законот за постојаноста на аглите кај плоските (наречен и прв закон на крисалографијата) при проучување на кварцни кристали. Оваа појава подоцна ќе биде воопштена и опитно утврдена од францускиот минералог Жан Батист Ром Делил во 1783 г. Неговиот сонародник Рене Жист Ауи, наречен „татко на современата кристалографија“, покажал дека кристалите се периодични и утврил дека насоченоста на плоските може да се изрази со рационални броеви, подоцна формализирана во Милеровите показатели. Во 1814 г. шведскиот хемичар Јакоб Берцелиус вовел класификација на минералите според нивната хемија наместо според кристалната структура. Во 1827–1828 г. изучувајќи фосилизирано дрво, шкотскиот геолог Вилијам Никол ја осмилил неговата Николова призма која ја полазирира светлината. Англискиот металург Хенри Клифтон Сорби покажал дека тенките пресеци (резниња) на минералите можат да се разпознаат според нивните оптички својства користејќи поларизирачки микроскоп. Американскиот минералог Џејмс Двајт Дана во 1837 г. го објавил неговиот „Минералошки систем“ (A System of Mineralogy), и во подоцнежно издание ја вовел хемиската класификација која е стандардна до денес. Појавата на скршнување (дифракција) под дејство на рендгенски зраци прв ја покажал германскиот физичар Макс фон Лауе во 1912 г. Од овој пронајдок произлегла алатката за анализа на кристалната структура на минералите, осмислена од англиските физичари Вилијам Хенри Брег и Вилијам Лоренс Брег, кои биле татко и син.

Во поново време, со напредокот во опитната техника (како неутронско расејување) и моќта на сметачите (која овозможува крајно прецизни симулации во атомски размери), минералогијата се занимава и со поопшти проблеми од областа на неорганската хемија и физиката на тврдите тела. Сепак, таа и понатаму се задржува на кристалните структури на карпообразувачките минерали (како перовскитите, глинестите минерали и рамковните силикати). Особено голем напредок е постигнат во сознанијата за односот помеѓу атомската структура на минералите и нивната функција; поистакнати примери би биле точното мерење и предвидување на еластичните својства на минералите, кој дава нов увид во сеизмолошкото поведение на карпите и длабински поврзаните дисконтинуитети во сеизмограмите на Земјиниот плашт. Во контекст на врската помеѓу атомските појави и макроскопските својства, минералните науки имаат поголем преклоп со науката за материјалите отколку со други дисциплини.

Физички својства
мини|Калцит — карбонатен минерал (CaCO3) со ромбоедарска кристална структура.
мини|Арагонит — орторомпски полиморф на калцитот.

Прв чекор во препознавањето на еден минерал е разгледување на неговите физички својства. Тие се густина (често изразена во специфична тежина); механичка целовитост (тврдост, издржливост, цепливост, прелом, двоење); макроскопски визуелни својства (сјај, боја, огреб/ трага, луминисценција, светлопропусност); магнетни и електрични својства; радиоактивност и растворливост во хлороводород ().

Тврдоста се одредува со споредба со други минерали. Мосовата скала има реперни минерали кои носат броеви според нивната тврдост — од 1 (талк) до 10 (дијамант). Потврдиот минерал гребе помек, така што на оваа скала можеме да ставиме и непознат минерал, гледајќи кои минерали ги гребе, а кои го гребат него. Неколку минерали како калцитот и кијанитот имаат тврдост која е значително зависна од насоката. Тврдоста може да се изрази и на апсолутна скала користејќи склерометар; во споредба со апсолутната, Мосовата скала е нелинеарна.

Издржливоста се однесува на поведението на минералот кога ќе се скрши, здроби, свитка или раскине. Минералот може да биде кршлив, ковлив, пресеклив (сектилнен), растеглив, свитлив или еластичен. Важно влијание на издржливоста а видот на присутната хемиска врска (на пр. јонска или метална).

Меѓу другите мерки за механичка целовитост, цепливоста е склоноста кон кршење долж извесни кристалографски рамнини. Се опишува по одликата (на пр. совршена или добра) и по насоченоста на рамнината според кристалографска номенклатура.

Двоењето е склоноста за кршење по рамнини на слабост под дејство на притисок, близнење или езгорастворање. Кога кршењето не се одвива по рамнини, тогаш тоа има понеуреден облик на прелом кој може да биде школкест, влакнест, игличест, жилетен или нерамномерен.

Ако минералот е добро кристализиран, тој ќе има и карактеристичен хабитус (на пр. шестаголен, стоплчест, гроздест) кој ја одразува неговата кристалната структура или внатрешното устројство на атомите. Тој е засегнат и од негостатоците на кристалот како и од близнењето. Многу кристали се полиморфни, т.е. имаат повеќе од една можна кристална структура зависно од чинители како притисокот и температурата.

Кристална структура
мини|Кристална структура на перовскитот. Црвените топчиња се кислород, сините се силициум, а зелените се магнезиум или железо.

Кристалната структура е распоредот на атомите во кристалот. Таа се претставува со решетка на точки која повторува основна шема наречена единична ќелија во три димензии. Решетката се одликува со нејзините симетрии и димензиите на едиичната ќелија. Овие димензии се претставени со три Милерови показатели. Решетката останува непроменета со извесни симетриски операции околу некоја точка на решетката: одразување, вртење, превртување и вртежно превртување, комбинација од вртење и превртување. Заедно тие го сочинуваат математичкиот објект наречен кристалографска точковна група или кристална класа. Постојат 32 можни кристални класи. Покрај тоа, постојат операции кои ги поместуваат сите точки: транслација, завојна оска и лизговна рамнина. Во комбинација со точковните симетрии, тие сочинуваат 230 можни просторни групи.

Установите имаат опрема за рендгенска анализа на прашоци со кои ја одредуваат кристалната стуктура на минералите. Рендгенските зраци имаат бранови должини од ист величински ред како растојанијата меѓу атомите. Скршнувањето (дифракцијата) констуктивната и деструктивна интерференција помеѓу брановите расеани по разни атоми, дава карактеристични шеми на голема и мала густина кои зависат од геометријата на кристалот. Кај еден примерок здробен во прашок, рендгенските зраци примерочат произволна распределба на сите кристални насоки. Свивањето на прашокот ги разликува минералите кои делуваат исто на око, како на пример кварцот и неговите полимофри тридимитот и кристобалитот.

Изоморфните минерали со различен состав имаат слични шеми на прашочно скршнување, при што главната разлика е во просторот меѓу линиите и нивната јачина. на пример, кристалната структура на халитот () е од просторната група Fm3m; оваа структура ја дели со силвитот (), перикласот (), бунзенитот (), галенитот (), алабандитот (), хлораргиритот (), и озборнитот ().

Хемиски елементи

мини|исправено|Пренослива рендгенофлуоресцентна микросондажна машина
Иако некои минерали се сами по себе хемиски елементи (сулфурот, бакарот, среброто и златото), речиси сите се соединенија. Класичниот метод за утврдување на составот е мокра хемиска анализа, која подразбира растворање на минералот во киселина, како на пример хлороводородната (HCl). Потоа елементите во растворот се утврдуваат по пат на колориметрија, зафатнинска или гравиметриска анализа.

Од 1960 г. наваму највеќето хемиски анализи се вршат со инструменти. Еден од нив, наречен атомовпивна спектрометрија, е сличен на мократа хемија по тоа што примерокот мора да се раствори, но постапката е многу побрза и поевтина. Растворот се испарува и спектарот на нафатената супстанција се мери во видливиот и ултравиолетовиот спектар. Други техники се рендгенофлуоресцентна анализа, електронска микросондажна анализа, атомска сондажна топографија и оптичка оддавна спектрографија.

Оптика
мини|Фотомикрографија на оливински збир од архаички коматит од Егну, Западна Авсралија.

Покрај макроскопските својства како боја или сјај, минералите имаат својства за чие набљудување е потребен поларизирачки миксорскоп.

Пренос на светлина
Кога светлината преминува од воздух или вакуум во проѕирен кристал, дел од неа се одбива од површината, а друг се прекршува. Второспоменатото е закривување на нејзината патека кое се појавува бидејќи брзината на светлината се менува кога минува низ кристал; Снеловиот закон вели дека аголот на закривување е зависен од показателот на прекршување — соодносот помеѓу брзината во вакуум и брзината во кристал. Кристалите чија група на точковна симетрија спаѓа во коцкест систем се изотропни: показателот не зависи од насоката. Сите други кристали се анизотропни: светлината која минува низ нив се двои на два рамнински поларизирани зрака кои патуваат со различни брзини и се прекршуваат под различни агли.

Поларизирачкиот микрископ е сличен на обичниот микроскоп со таа разлика што има два рамнински полазирирани филтри, (поларизатор) од примерокот и анализатор над него, поларизирани под меѓусебно прав агол. Светлината последователно минува низ поларизаторот, примерокот и анализаторот. Ако нема примерок, анализаторот ја попречува сета светлина од поларизаторот. Меѓутоа, анизотропниот примерок ја менува поларизацијата, пропуштајќи дел од светлината. Како примероци се користат тенки пресеци и прашоци.

Кога се набљудува изотропен кристал, тој изгледа темен бидејќи не ја менува поларизацијата на светлината. Меѓутоа, кога истиот ќе се потопи во избаждарена течност со понизок показател на прекршување, а микроскопот не е изострен, околу рабовите на кристалот се јавува сјајна линија наречена Бекеова линија. Присуството или отсуството на вакви линии во течностите со различни показатели ни дава да го процениме показателот на кристалот, обично до точност од .

Систематика
мини|Ханксит, Na22K(SO4)9(CO3)2Cl, еден од малкуте минерали кој истовремено се смета за карбонат и за сулфат.

Под систематска минералогија се подразбира препознавањето и класификацијата на миералите според нивните својства. Во минатото минералогијата  посветувала многу внимание на таксономијата на карпообразувачките минерали. Во 1959 г. Меѓународното минералошко здружение почнало со рационализација на номенклатурата и уредување на воведувањето на нови имиња. Денес има преку 6.000 именувани и неименувани минерали, а секоја година  се откриваат нови 100. Прирачникот за минералогија ги дели минералите на следниве класи: самородни елементи, сулфиди, сулфосоли, оксиди и хидроксиди, халиди, карбонати, нитрати и борати, сулфати, хромати, молибдати и волфрамати, фосфати, арсенати и ванадати и силикати.

Средини на образување
Минералите се образуваат и развиваат во многу различни средини. Примерите се движат од местата на кристализација при високи температура и притисок во магматска топеница длабоко во Земјината кора, па сè до нискотемпературното таложење од пресолените води на Земјината површина.

Можни начини на образба:

 сублимација од вулкански гасови
 напластување на водени раствори и хидротермална располница
 кристализација од магма или лава
 прекристализација поради метаморфни процеси и метасоматоза
 кристализација при дијагенеза на талозите
 образување со оксидација и трошење на карпите изложени на атмосферата или во почвата.

Биоминералогија
Биоминералогијата е поле кое ги вкрстува минералогијата, палеонтологијата и биологијата. It is the study of how растенијата и животните ги стабилизираат минералите под биолшка контрола, како и низообразбата на минералната замена на тие минерали по таложењето. Се служи со приоди од хемиската минералогија (особено со проучување на изотопите) за да ги одреди растежните облици на живите растенија и животни како и изворните минерални состојки на фосилите.

Новиот приод наречен минерална еволуција ја истражува коеволуцијата на геосферата и биосферата, вклучувајќи ја улогата на минералите во настанокот на живиот свет и процеси како минерално катализирана органска синтеза и селективното нафаќање на органски молекули на минерални површини.

Примена

Минералите играат суштинска улога за разни потреби на човечкото општество. Такви се рудите од кои се прават важни делови на метални производи во разни стоки и машинерија, но и неопходни составници на градежни материјали како варовникот, мермерот, гранитот, грагорот, стаклото, гипсот, цементот итн. МИнералите се користат и како ѓубрива за збогатување на приносите на земјоделството.

Збирки
250px|мини|десно|Минералошка збирка во Природонаучниот музеј во Берлин
Најзначајна минералошка поставка во Македонија е Минералошката збирка во Одделението за геологија и палеонтологија на Природонаучниот музеј во Скопје. Во неа се опфатени многу минерали кои автохтони за државата, но има разни други минерали од општо значење. Музејот поседува околку 2.190 видови минерали и карпи, од кои 108 се постојано изложени.

Најпосетувани големи збирки во светот се сместени во Салата на геологијата, драгите камења и минерали на Смитсоновата установа во Вашингтон, Природонаучниот музеј во Лос Анџелес, Карнегиевиот природонаучен музеј во Питсбург, Природонаучниот музеј во Лондон и приватниот музеј „Мим“ во Бејрут, Либан,

 Поврзано 
 Список на минерали
 Петрологија
 Металургија
 Список на минералози

 Наводи 

 Надворешни врски 

 Минералогија — учебник на Петре Макрески, Институт за хемија при ПМФ - Скопје, 2015

 Симетрија на кристали, проф. Блаже Димески, Е-Хемија 
 Меѓународно минералошко здружение