Mineraali

Mineraali eli kivennäinen on luonnossa kiinteässä muodossa esiintyvä alkuaine tai epäorgaaninen yhdiste, jolla on tietty koostumus ja tavallisesti säännöllinen kiderakenne. Mineralogia on mineraaleja tutkiva tiede.
Mineraalin rakenne vaihtelee puhtaista alkuaineista yksinkertaisiin suoloihin ja hyvin monimutkaisiin silikaatteihin. Maapallon kuori ja sen kivilajit koostuvat lähinnä mineraaleista. Useimmat jalo- ja korukivet ovat puhtaita mineraaleja. Yhdessä kivilajissa on useimmiten 3–5 mineraalia.
Erilaisia mineraaleja tunnetaan nykyisin noin 4 000, joista vain 20–30 muodostavat pääasiassa kaikki kivilajit. Toisen arvion mukaan mineraaleja on vain 3000–4000. Mineraaleiksi ei luokitella homogeenisiä amorfisia massoja, kuten vulkaaninen lasi, eikä myöskään synteettisesti valmistettuja jalokiviä, vaikka ne koostumuksensa puolesta matkivatkin mineraaleja. Mineraaleiksi on kuitenkin hyväksytty joitakin kauan tunnettuja ja pitkään mineraaleiksi nimitettyjä amorfisia aineita, vaikka ne eivät täysin täytäkään nykyistä mineraalien määritelmää. Uusien mineraalien nimeämisestä pitää kirjaa kansainvälinen mineraloginen yhdistys IMA eli International Mineralogical Association Commission on New Minerals and Mineral Names.
Mineraalit syntyvät geologisissa prosesseissa. Kyseisiä prosesseja ovat esimerkiksi magmatismi, sedimentaatio ja metamorfoosi.
Kivennäisaineet ovat puolestaan eliöiden aineenvaihdunnan ja hyvinvoinnin kannalta oleellisia alkuaineita. Kivennäisaineet eivät siis ole mineraaleja, sillä ne eivät yleensä ole geologisten prosessien synnyttämiä, kiinteitä ja kiteisiä alkuaineita tai yhdisteitä, vaan tyypillisesti biologisista organismeista peräisin olevia, liuoksissa olevia ioneja. Kuitenkin englannin kielessä sekä mineraaleista että kivennäisaineista käytetään sanaa "minerals", minkä takia suomeksikin kivennäisaineista puhutaan toisinaan virheellisesti mineraaleina. Osa ravinnosta saatavista kivennäisaineista voi tosin olla peräisin liuenneista tai liuotetuista mineraaleista, esimerkiksi natriumia ja klooria voidaan saada haliitista.
Mineraalien tunnistamiseen ja paljoussuhteiden tutkimiseen käytetään laboratoriossa ohuita mineraaliviipaleita, ohuthieitä, joita voidaan tutkia polarisaatiomikroskoopin avulla. Mineraalien tunnistamiseen ja kemiallisen koostumuksen määrittämiseen voidaan käyttää lisäksi röntgendiffraktiota, röntgenfluoresenssia ja röntgenmikroanalyysiä sekä atomiabsorptiospektrometriaa. Massaspektrometrien avulla voidaan selvittää näytteen atomien paljoussuhteita, kiven ikää ja myös kiven ainesosien syntyhistoriaa.
Mineraaleja voidaan luokitella esimerkiksi käyttötarkoitusten, fyysisten, optisten ja kidekemiallisten ominaisuuksien mukaan. Arvokkaat mineraalit jaetaan malmimineraaleihin ja epämetallisiin kaivannaisiin.
Määritelmä ja muodostuminen.
Mineraalit ovat alkuaineista koostuvia kemiallisia yhdisteitä, jotka esiintyvät tavallisesti kiteisessä olomuodossa. Kivilajit puolestaan muodostuvat mineraaleista. Tavallisesti yhdessä kivilajissa on 3–5 erilaista mineraalia: esimerkiksi graniitissa on kvartsia, maasälpää ja kiillettä.
Mineraalit muodostuvat geologisissa prosesseissa. Magmatismissa maan pinnalla tai maan kuoren sisällä magma kiteytyy. Magman jäähtyessä ensimmäisenä kiteytyvät korkeimmissa lämpötiloissa kiteytyvät mineraalit, sitten alhaisemmissa lämpötiloissa kiteytyvät ja lopuksi ne mineraalit, joiden sulamis- ja kiteytymislämpötilat ovat alhaisimmat. Ensimmäisenä kiteytyvillä mineraaleilla on paljon tilaa kiteytyä niille tyypillisiin kidemuotoihin, mutta viimeiseksi kiteytyvillä ei ole enää paljoakaan tilaa jäljellä, joten niillä ei yleensä ole omia kidemuotoja.
Sedimentaatiolla viitataan kivien rapautumiseen ja rapautuneen aineksen kulkeutumiseen, lajittumiseen, kerrostumiseen ja saostumiseen. Sedimentaatiossa mineraaleja muodostuu vesiliuoksista saostumalla. Sedimenttiin syntyneet mineraalit toimivat kerrostuneessa maa-aineksessa myös iskoksena, joka pitää sitä koossa.
Metamorfoosissa mineraalit voivat uudelleenkiteytyä. Prosessi liittyy maankuoren sisäisiin liikuntoihin ja magmapurkauksiin. Uudelleenkiteytyminen tapahtuu paineen tai lämpötilan kohoamisen seurauksena sekä maankuoren liikuntojen vaikutuksesta. Metamorfoosissa mineraalit voivat muuttua toisiksi mineraaleiksi.
Ominaisuudet.
Yleiset ominaisuudet.
Mineraalien yleisiin ominaisuuksiin kuuluvat tiheys, kiilto, magneettisuus ja radioaktiivisuus. Metalleja sisältävät malmimineraalit ovat yleensä tiheämpiä kuin tavalliset mineraalit.
Mineraalin kiilto tarkoittaa sen tapaa heijastaa valoa. Kiilto jaetaan metalliseen tai epämetalliseen. Malmimineraalit ovat tyypillisesti metallinkiiltoisia ja useimmat silikaattimineraalit ovat epämetallisia. Kiilto määritellään arkielämästä tuttujen vaikutelmien mukaan, joten epämetalliset kiillot jaetaan edelleen lasi-, timantti-, silkki-, helmiäis-, vaha- ja nahkakiiltoihin. Lasikiilto esimerkiksi kiiltää kuin rikottu lasi.
Magneettisuuden perusteella voidaan havaita mineraaleista voimakkaasti magneettinen magnetiitti ja heikosti magneettinen magneettikiisu. Radioaktiivisuudesta pystyy tunnistamaan uraania, toriumia tai muutamia harvinaisia maametalleja sisältävät mineraalit.
Optiset ominaisuudet.
Mineraalien optisiin ominaisuuksiin kuuluvat väri, läpinäkyvyys, taitekerroin, kahtaistaitto sekä fluori- ja fosforiloiste. Värin avulla pystyy vain harvoin tunnistamaan mineraalin, sillä väri on usein kemiallisten epäpuhtauksien tai rakenteellisten virheiden aiheuttama. Kvartsi voi esimerkiksi olla väriltään lähes mitä tahansa valkoisesta mustaan, mutta malakiitti ja atsuriitti voidaan kuitenkin tunnistaa värinsä perusteella.
Värin sijaan mineraalin viirun väri on hyvä tuntomerkki. Viiru saadaan aikaan esimerkiksi raaputtamalla mineraalilla lasittamatonta posliinia, jonka pintaan syntyy mineraalijauheesta niin sanottu viiru. Se on paljon käytetty mineraalin tuntomerkki. Viirun väri ei välttämättä vastaa ehyen mineraalin murtopinnan väriä: tummanharmaan hematiitin viiru on verenpunainen ja harmaan lyijyhohteen kiiltävän musta.
Läpinäkyvyyden perusteella mineraalit voidaan jakaa läpinäkyviin, läpikuultaviin ja läpinäkymättömiin. Läpikuultavissa mineraaleissa reunat kuultavat vaaleampaa valoa vasten katsottaessa.
Taitekerroin kertoo sen, paljonko valonsäde taittuu sen jatkaessa matkaansa mineraalin pinnalta kiven sisään. Mineraaleilla on usein kaksi taitekerrointa valonsäteen suunnan perusteella. Taitekerroin on erityisen hyödyllinen jalokiviä tunnistaessa.
Jotkut mineraalit näyttävät erivärisiltä kuin normaalisti, kun niitä valaistaan ultraviolettivalolla. Fluoresenssiksi kutsutaan tilannetta, jolloin loiste nähdään, kun mineraalia valaistaan ultraviolettivalolla ja fosforesenssiksi, kun loiste voidaan nähdä vielä uv-lampun sammuttamisen jälkeen. Loisteen avulla tunnistettavia mineraaleja ovat uv-valossa sinisenä hohtava scheeliitti ja punertavana hohtava kalsiitti.
Muita optisia ilmiöitä esiintyy tietyillä mineraaleilla, ja ne tulevat usein esiin vasta hiotulla ja kiillotetulla pinnalla. Silmiinpistävyytensä ja epätavallisuutensa vuoksi niiden perusteella mineraali on usein helppo tunnistaa. Optisia ilmiöitä mineraaleilla ovat kissansilmäilmiö, tähti-ilmiö, adularisointi, aventurisointi, sateenkaari-ilmiö, labradorisointi, opalisointi, silkki-ilmiö ja luminesenssi.
Mekaaniset ominaisuudet.
Lohkeavuus on mineraalien ominaisuus, jolla tarkoitetaan sitä, miten mineraali lohkeaa pintoja pitkin. Lohkopinta voi olla kidepinnan suuntainen, mutta lohkosuuntia voi olla rakenteen mukaan 1–3. Mineraalit, jotka lohkeavat helposti tasaisiin lohkopintoihin, ovat eteviä lohkeavuudeltaan. Muita lohkeavuuden tasoja ovat hyvä, selvä ja epäselvä. Kaikilla mineraaleilla ei ole lohkosuuntia, jolloin murrospinnasta muodostuu kupurainen, eikä siinä ole säännönmukaisia piirteitä. Murrospinnat voidaan jakaa tasomaisiin, epätasaisiin ja simpukkamaisiin.
Asulla tarkoitetaan mineraalin rakeiden eri ulottuvuuksien keskinäisiä suhteita. Ominaisuus riippuu mineraalin kiderakenteesta. Rakeisilla mineraaleilla ulottuvuudet ovat jokseenkin samat kaikkiin rakennesuuntiin. Jos mineraalilla ei juurikaan ole korkeutta, mutta sillä on pituutta sekä leveyttä, sen sanotaan olevan suomuinen. Sälöisillä mineraaleilla muodostuu pitkiä puikkoja, ja jos mineraalissa on todella ohuita kiteitä sitä kutsutaan kuituiseksi. Jos raekoko on niin pieni, ettei rakeita pysty erottamaan toisistaan, mineraalia kutsutaan massamaiseksi.
Kovuus on yksi tärkeimmistä mineraalien tunnistusmenetelmistä. Kovuus saadaan selville vertaamalla mineraalia johonkin kovuudeltaan tunnettuun mineraaliin tai esineeseen. Vertailu voidaan tehdä esimerkiksi teräspiikillä tai raaputtamalla mineraalilla lasia. Mineraalit on jaettu Mohsin asteikon mukaan kymmeneen luokkaan, jossa kussakin on oma indeksimineraalinsa. Mohsin asteikolla voidaan kuitenkin todeta vain, mitä toista mineraalia pehmeämpi tai kovempi mineraali tutkittava mineraali on. Vaikka Mohsin asteikko on helposti sovellettavissa, se ei kerro mineraalien todellista kovuutta suhteessa toisiinsa. Sitä varten on Rosiwalin asteikko.
Muut ominaisuudet.
Kimmoisuuden perusteella voidaan tunnistaa kiillemineraalit, kuten muskoviitti ja biotiitti. Ne ovat ohuita levyjä, joita voi taivuttaa u-kirjaimen muotoon ja jotka palaavat sen jälkeen takaisin alkuperäiseen muotoonsa.
Karbonaattimineraalit liukenevat laimeaan suolahappoon, minkä pystyy havainnoimaan kiven pinnan kuplinnasta, kun siihen on tiputettu pisara happoa. Nikkelipitoiset mineraalit voidaan tunnistaa dimetylglyoksiimillä. Arseenikiisun pystyy tunnistamaan sipulinhajusta, kun sitä lyö vasaralla. Vesiliukoiset mineraalit, kuten vuorisuola, tunnistaa mausta.
Kidekemiallinen jaottelu.
Mineraalit jaetaan "Danan luokittelun" mukaisesti kidekemiallisten ominaisuuksiensa perusteella seuraaviin ryhmiin:
I. Alkuaineryhmä.
Alkuaineet ovat aineita, joita ei kemiallisesti voida jakaa yksinkertaisempiin ainesosiin. Maapallolla esiintyy puhtaassa muodossa noin 20 eri alkuainetta, mutta määrät ovat useimmiten hyvin pieniä. Alkuaineiden lisäksi ryhmään kuuluvat lejeeringit eli metalliseokset sekä karbidit, nitridit ja fosfidit.
II. Sulfidiryhmä.
Sulfidiryhmän mineraalit koostuvat esimerkiksi rikin (sulfidi) tai arseenin (arsenidi) ja jonkin metallin yhdisteistä. Mineraalit ovat varsin raskaita ja monet niistä ovat tärkeitä malmimineraaleja. Ulkoisten ominaisuuksien perusteella ryhmästä voidaan erottaa kiisut, hohteet ja välkkeet. Ryhmään kuuluvat lisäksi selenidit, telluridit, antimonidit ja vismutidit.
III. Oksidiryhmä.
Oksidimineraalit koostuvat jonkin metallin ja hapen yhdisteistä. Ryhmään kuuluvat myös hydroksidit, joissa on metallin lisäksi hydroksyyliryhmä (OH−). Ryhmän mineraalit muodostuvat usein hapettumalla muista mineraaleista. Tavallisia oksideja ovat muun muassa hematiitti (rautaoksidi), magnetiitti (rautaoksidi), kromiitti (kromioksidi), spinelli (magnesiumalumiinioksidi) sekä korundi.
IV. Halogenidiryhmä.
Halogenidimineraalit ovat halogeenin (fluori, kloori, bromi, jodi tai astatiini) ja jonkin metallin yhdisteitä. Ryhmän tavallisimpia mineraaleja ovat luonnonsuolat, kuten haliitti eli vuorisuola sekä fluoriitti.
V. Karbonaattiryhmä.
Karbonaattimineraalit muodostuvat metallista ja karbonaatti-ionista (CO32−). Karbonaatteja esiintyy runsaasti meren synnyttämissä muodostumissa, joissa kuolleen planktonin kalkkipitoiset kuoret ovat tiivistyneet meren pohjaan. Tavallisimpia karbonaatteja ovat kalsiitti (kalsiumkarbonaatti), aragoniitti (kalsiumkarbonaatti), dolomiitti (magnesium- tai kalsiumkarbonaatti), magnesiitti (magnesiumkarbonaatti) ja sideriitti (rautakarbonaatti). Karbonaattiryhmään kuuluvat myös nitraatit ja boraatit.
VI. Sulfaattiryhmä.
Sulfaattiryhmän mineraaleissa on sulfaatti-ioni (SO42−). Ne syntyvät usein suolaisen meriveden haihtumisprosessin yhteydessä. Niitä esiintyy myös hydrotermisissä suonissa ja sulfidien hapettumisen tuloksena. Tavallisimpia sulfaatteja ovat anhydriitti (kalsiumsulfaatti), selestiitti (strontiumsulfaatti), baryytti (bariumsulfaatti) ja kipsi (vesipitoinen kalsiumsulfaatti). Ryhmään kuuluvat lisäksi volframaatit (volframihapon suolat), telluraatit, kromaatit ja molybdaatit.
VII. Fosfaattiryhmä.
Fosfaattiryhmän mineraaleissa on yksikkö XO43−, jossa X voi olla fosfori (yksikkönä fosfaatti), arseeni (arsenaatti), antimoni (antimonaatti) tai vanadiini (vanadaatti). Selvästi tavallisin fosfaattimineraali on apatiitti, jota esiintyy myös hampaissa ja luissa.
VIII. Silikaattiryhmä.
Silikaatit ovat maankuoren merkittävin mineraaliryhmä, sillä ne muodostavat yli 90 prosenttia maankuoren aineksesta ja kolmanneksen kaikista mineraaleista. Silikaateissa on enimmäkseen piitä ja happea, mutta ne sisältävät usein muitakin tavallisia maankuoren alkuaineita, kuten kalsiumia, rautaa ja alumiinia. Silikaatin perusrakenneosa on yhden piiatomin ja neljän happiatomin muodostama vahvasidoksinen tetraedri, minkä vuoksi silikaatit ovat usein varsin kovia. Tavallisimpia silikaatteja ovat muun muassa kvartsi, maasälpä, oliviini ja granaatti. Tetraedrien muodostamien rakenteiden perusteella silikaattiryhmä jakautuu edelleen jalo-, soro-, rengas-, ketju-, verkko- ja hohkasilikaatteihin.
IX. Biogeeniset mineraalit.
Biomineraalit ovat elävän olennon synnyttämiä mineraaleja. Tällaisia ovat esimerkiksi helmien aragoniitti, simpukan kalsiitti ja hampaan kiille, joka on 95 % apatiittia. Fossiilit ovat eloperäisiä jäänteitä menneiltä ajoilta, jotka ovat säilyneet juuri biomineraalien ansiosta. Biomineraaleilla on samat tunnetut fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet kuin mineraaleillakin, mutta ne eivät ole syntyneet geologisissa prosesseissa. Kaikki tunnetut biomineraalit kuitenkin tunnetaan myös litosfääristä.