Минералы окружают нас: графит в вашем карандаше, соль на вашем столе, штукатурка на ваших стенах и следы золота в вашем компьютере. Минералы можно найти в самых разных потребительских товарах, включая бумагу, лекарства, продукты питания, косметику и многое другое. И, конечно же, все, что сделано из металла, также получено из минералов.
Минерал представляет собой естественную комбинацию конкретных элементов, расположенных в определенной повторяющейся трехмерной структуре.
«Природный» подразумевает, что минералы не производятся искусственно, хотя многие природные минералы (например, алмаз) производятся в лабораториях. Это не лишает их права быть минералами.
«Определенные элементы» означает, что большинство минералов имеют определенную химическую формулу или состав. Например, минералом пирита является FeS 2 (два атома серы на каждый атом железа), и любое существенное отклонение от этого сделало бы его другим минералом. Но многие минералы имеют переменный состав в пределах определенного диапазона. Например, минеральный оливин может варьироваться от Fe 2 SiO 4 до Mg 2 SiO 4 . Промежуточные композиции записываются как (Fe, Mg) 2 SiO 4, означая, что Fe и Mg могут присутствовать в любой пропорции. Этот тип замещения известен как твердый раствор .
Наиболее важно, что минерал имеет специфическую «повторяющуюся трехмерную структуру» или «решетку», то есть способ расположения атомов.
Все вещество, включая минеральные кристаллы, состоит из атомов, а все атомы состоят из трех основных частиц: протонов , нейтронов и электронов.
Протоны заряжены положительно, нейтроны не заряжены, а электроны заряжены отрицательно. Отрицательный заряд одного электрона уравновешивает положительный заряд одного протона. И протоны, и нейтроны имеют массу 1, а электроны практически не имеют массы.
Элемент водорода имеет самые простые атомы, каждый из которых имеет только один протон и один электрон. Протон образует ядро, а электрон вращается вокруг него. У всех других элементов есть нейтроны, а также протоны в их ядре, такие как гелий.
Положительно заряженные протоны имеют тенденцию отталкивать друг друга, а нейтроны помогают удерживать ядро вместе. Число протонов - это атомный номер , а число протонов плюс нейтроны - это атомная масса . Для водорода атомное число равно 1, потому что есть один протон и нет нейтронов. Для гелия это 4: два протона и два нейтрона.
Для большинства из 16 самых легких элементов (вплоть до кислорода) число нейтронов равно числу протонов. Для большинства оставшихся элементов нейтронов больше, чем протонов, потому что дополнительные нейтроны необходимы, чтобы удерживать ядро вместе, преодолевая взаимное отталкивание растущего числа протонов, сконцентрированных в очень маленьком пространстве.
Например, кремний имеет 14 протонов и 14 нейтронов. Его атомный номер равен 14, а его атомная масса равна 28. Наиболее распространенный изотоп урана имеет 92 протона и 146 нейтронов. Его атомный номер - 92, а его атомная масса - 238 (92 + 146).
Электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, расположены в оболочках - также называемых «энергетическими уровнями».
Первая оболочка может содержать только два электрона, а следующая оболочка содержит до восьми электронов. Последующие оболочки могут содержать больше электронов, но внешняя оболочка любого атома содержит не более восьми электронов.
Электроны в самой внешней оболочке играют важную роль в связи между атомами. Элементы, имеющие полную внешнюю оболочку, инертны в том, что они не реагируют с другими элементами с образованием соединений. Все они появляются в крайнем правом столбце периодической таблицы: гелий, неон, аргон и т.д.
Для элементов, которые не имеют полной внешней оболочки, внешние электроны могут взаимодействовать с крайними электронами соседних атомов, создавая химические связи.
Большинство минералов характеризуются ионными связями, ковалентными связями или их сочетанием, но существуют другие виды связей, которые важны для минералов, включая металлические связи и более слабые электростатические силы (водородные или ван-дер-ваальсовые связи).
Металлические элементы имеют внешние электроны, которые относительно свободно удерживаются.
Когда образуются связи между такими атомами, эти электроны могут свободно перемещаться от одного атома к другому. Таким образом, металл можно рассматривать как массив положительно заряженных атомных ядер, погруженных в море подвижных электронов.
Эта особенность объясняет два очень важных свойства металлов: их электропроводность и пластичность (они могут быть деформированы и сформированы).
Все минералы характеризуются определенной трехмерной структурой, известной как решетчатая или кристаллическая структура. Эти структуры варьируются от простой кубической структуры галита (NaCl) до очень сложной структуры некоторых силикатных минералов.
Два минерала могут иметь одинаковый состав, но очень разные кристаллические структуры и свойства. Например, графит и алмаз состоят только из углерода, но хотя алмаз является самым твердым из известных веществ, графит мягче, чем бумага.
Минеральные решетки имеют важное значение для минеральных свойств, о чем свидетельствуют относительные твердости алмаза и графита.
Решетки также определяют форму, в которой растут минеральные кристаллы и как они ломаются.
Например, прямые углы в решетке минерала галита влияют как на форму его кристаллов (обычно кубических), так и на то, как эти кристаллы разбиваются.
