Mineraali on epäorgaaninen aine, joka koostuu yhdestä tai useammasta kemiallisesta alkuaineesta. Määritelmän mukaan mineraalin on oltava:

Mineraalin kemiallista koostumusta kutsutaan alkuainekoostumukseksi. Useimmat mineraalit esiintyvät yhdisteinä (useiden eri alkuaineiden yhdistelmänä). Jotkut mineraalit esiintyvät kuitenkin kemiallisina alkuaineina yksinään. Näitä kutsutaan natiivimineraaleiksi.

Mitä ovat kiteet?

Kiteet ovat kiinteitä aineita, joilla on järjestäytynyt kiderakenne, joka on muodostunut atomeista. Atomien sisäinen järjestäytyminen johtaa usein ulkoisiin tasopintoihin, kuten kvartsikiteessä nähdään, mutta tämä ei kuitenkaan ole edellytys kiteeksi luokittelemiselle. Kiteet voidaan luokitella eri tavalla kuin mineraalit, koska joitakin materiaaleja voidaan pitää orgaanisina kiteinä. Koska mineraalit ovat puhtaasti epäorgaanisia, orgaaninen kide ei voi olla mineraali. Esimerkiksi proteiinit ja sokerit ovat kiinteitä aineita, jotka voivat muodostaa kiteitä, mutta koska ne ovat orgaanisia aineita, niitä ei voida luokitella mineraaleiksi.

Kiteitä muodostavien liuosten sisältämät epäpuhtaudet voivat aiheuttaa värimuutoksia sekä merkittäviä kiderakenteen muutoksia. Liian suuri määrä epäpuhtauksia kideruudukon sisällä kiteytymisen aikana voi tuottaa kiteitä, joissa on pieniä tai suuria sulkeumia. Nämä sulkeumat voivat muuttaa myös kiteen muotoa.

Mineraalit, kiteet vai kivet?

Useimmat mineraalit esiintyvät luonnossa kiteinä, mutta kaikki kiteet eivät kuitenkaan ole mineraaleja, sillä orgaaniset kiteet eivät ole lainkaan mineraaleja. Mineraali, jolla on sama kemiallinen kaava, voi muodostaa useamman kuin yhden tyyppisen kiteen. Esimerkiksi kalsiumkarbonaatilla on kolme polymorfia (sama kemiallinen kaava, eri kiderakenteet), jotka tunnetaan nimillä kalsiitti, aragoniitti ja vateriitti. Kalsiittikiteet esiintyvät trigonaalisessa järjestelmässä, aragoniittikiteet kuuluvat orthorhombiseen järjestelmään ja vateriittikiteet muodostuvat kuusikulmaisessa järjestelmässä. Nämä kiderakenteet voivat vaihdella muodostumisen aikana useiden tekijöiden seurauksena, joita ovat muun muassa kasvumalleja estävät epäpuhtaudet, ympäristön lämpötila muodostumisen aikana, mineraalien kyllästyminen liuoksessa, kovalenttisten sidosten geometria ja muutokset liuoksen liikkeessä.

Mineraaleilla on luonnostaan muodostunut, järjestäytynyt atomirakenne, jolla on tietty kemiallinen koostumus. Kiteillä on suurimmaksi osaksi samat piirteet, mutta atomit on kuitenkin järjestetty toistuvaan kuvioon, jonka tuloksena syntyy kideristikko, joka usein näyttäytyy kidepintoina.
Monesti kuulee ihmisten kutsuvan mineraaleja tai kiteitä kiviksi, mutta ”kivi” määritellään mineraalien, mineraloidien tai muiden kivien fragmenttien sidotuksi kokonaisuudeksi. Sana ”sidottu” tarkoittaa, että mineraalien aggregaatin on oltava tavallaan sementoitu yhteen. Esimerkiksi hiekkaa ei pidetä kivenä, vaikka useimmissa tapauksissa hiekanjyviä on yhdistetty toisiinsa. Esimerkiksi hiekkakivestä on tullut kallio, koska hienorakeisemmat mineraalit ja/tai orgaaninen aines ovat sementoineet hiekkarakeet toisiinsa muodostaen suhteellisen kiinteän massan.
Kivien kolme pääluokitusta ovat magmakivet, metamorfiset ja sedimenttikivet.
Igneoottinen kivi – Kivi, joka on muodostunut magman jäähtyessä ja kiteytyessä litosfäärin (maankuoren) sisällä tai yläpuolella. Kiteet muodostuvat magman sisällä, kun se alkaa jähmettyä, josta jäähtymisnopeus voi sanella muodostuvien kiteiden koon.

Lähikuva porfyriittisestä graniitista, joka on eräs magmakivilaji. Porfyriittistä graniittia syntyy, kun magman jäähtymislämpötila muuttuu nopeasti. Tässä tapauksessa suurten kiteiden annettiin muodostua hitaalla jäähtymisellä, minkä keskeytti äkillinen laskeva lämpötilan muutos, joka nopeutti kiteytymisprosessia ja johti pienempien kiteiden muodostumiseen.

Sedimenttikivi – Kallio, joka on muodostunut aiemmin muodostuneista kivilajeista erodoituneen aineksen kerrostuessa merenpohjiin, jokien pohjiin, järvien pohjiin yms. yhdessä vedestä peräisin olevien mineraalien laskeutumisen kanssa. Vuosien kuluessa nämä kerrostumat tiivistyvät luonnonvoimien vaikutuksesta ja myöhemmin jähmettyvät kiinteäksi massaksi (kiveksi).

Tämä on sedimenttikivimuodostelma, joka on osa Zabriskie Pointia, joka sijaitsee Death Valleyssa, Kaliforniassa. Se koostuu noin 5 miljoonaa vuotta sitten kuivuneen Furnace Creek -järven sedimenteistä. Miljoonien vuosien eroosio on jättänyt sedimenttikerrokset näkyviin.

Metamorfinen kallio – Kallio, joka on syntynyt, kun olemassa oleva sedimentti- tai magmakivi on altistunut paineille ja joissakin tapauksissa lämpötilan muutoksille, jotka ovat muuttaneet niiden alkuperäistä mineralogiaa.

Metamorfinen kivi tunnetaan nimellä ”graniittigneissi”. Muodostunut metamorfoituneesta graniitista.

Miten epäorgaaniset kiteet muodostuvat?

Kiteet voivat muodostua useista eri prosesseista, mukaan lukien:
Evaporiittikerrostumat – Nämä ovat mineraalimuodostumia, jotka syntyvät maan pinnalla tapahtuvien prosessien seurauksena. Kiteet muodostuvat mineraaleja sisältävistä liuoksista, jotka konsentroituvat vesiliuoksen dehydraation/haihdutuksen seurauksena. Kun neste hitaasti poistuu haihtumalla, konsentroituneet mineraalit kerääntyvät ja saostuvat vedestä rakenteelliseksi kuvioksi, joka kehittyy kiteeksi. Esimerkkinä saostumiskerrostumista ovat vaaleanpunaiset haliittikiteet Tronassa, Kaliforniassa sijaitsevasta Seamless Lake -järvestä.
Sekundäärimineraaliesiintymät – Nämä muodostuvat veden joutuessa alttiiksi primäärisille malmeille, laskeutumalla hydrotermisistä liuoksista tai muodostuvat magman kiteytyessä.

• Primääristen malmien alttiiksi joutuminen – Vesi, joka pääsee alttiiksi joutuneisiin malmeihin (tyypillisesti ontelon sisällä oleviin) kulkeutumalla alaspäin kallion läpi. Tämä voi käynnistää kemialliset prosessit, jotka hajottavat malmia ja jakavat mineraaleja uudelleen pitkin avoimia ontelon seinämiä. Atsuriitti ja malakiitti ovat tästä hyviä esimerkkejä, joissa vesiliuokset ovat liikkuneet primaarisen kuparimalmin alueiden läpi ja jakaneet ne uudelleen atsuriitti- ja malakiittikiteiksi, joiden muodostumisvaatimuksiin kuuluvat vesi, karbonaatit ja kupari.
• Hydrotermaalinen fluidiesiintymä – Useimmissa tapauksissa syntyy, kun hydrotermiset fluidit kulkevat tiensä ylöspäin kallion halki poimien samalla mineraaleja ympäröivästä kalliosta. Kun näille nesteille esitetään avoin onkalo, mineraalien saostuminen voi tapahtua kiteiden ja/tai kiinteän massan muodossa. Toisinaan ympäröivässä kivessä olevat mineraalit voivat korvautua, ja tätä kutsutaan korvautumisesiintymäksi.
• Magman kiteytyminen – tapahtuu, kun magma jäähtyy ja magmassa olevat mineraalit alkavat erottua samankaltaisten ja yhteensopivien mineraalien ryhmiksi. Jäähtymisnopeudesta, koostumuksesta ja ilmakehästä riippuen kiteiden koko voi vaihdella huomattavasti. Joskus jäähtyminen voi tapahtua liian nopeasti, jolloin alkuainerakenne puuttuu; obsidiaani (vulkaaninen lasi) on esimerkki tästä. Pääasiassa SiO₂:sta (useimmiten kvartsista) koostuvan obsidiaanin kemiallinen kaava antaa mahdollisuuden olla kristalli/mineraali, mutta kiderakenteen puuttuminen ja koostumuksen vaihtelu johtavat kuitenkin siihen, että se luokitellaan sen sijaan mineraloidiksi.

Mineraloidi, obsidiaani.

Mineraaliluokat

Mineraalin kemiallisen koostumuksen perusteella määräytyy, miten se esiintyy luonnossa. Joitakin yleisiä mineraaliluokkia niiden kemiallisen koostumuksen mukaan ovat:

Natiivit mineraalit – Alkuaineet, jotka esiintyvät luonnossa siten, että niillä on selkeä mineraalirakenne ja että ne eivät yhdisty toisen alkuaineen kanssa. Esimerkkejä alkuaineista, joiden tiedetään muodostuvan natiivimineraaleina, ovat kulta (Au), hopea (Ag), rikki (S), kupari (Cu), grafiitti ((C) – löyhästi pakkautunutta hiiltä) ja timantit ((C) – tiheästi pakkautunutta hiiltä – sisältää tyypillisesti joitakin epäpuhtauksia).

Karkea luonnon timantti

Natiivihopea

Natiivikupari

Oksidit – Kemiallisen yhdisteen luokka, jossa happe-ioni (O2-) muodostuu pariksi alkuaineeseen, monissa tapauksissa positiivisesti varautuneen metallin kanssa. Esimerkkejä tästä ovat SiO₂ – kvartsi, Fe₂O₃ – hematiitti, Cu₂O – kupriitti jne.
Karbonaatit – Mineraalit, joille on ominaista karbonaatti-ionin (CO₃2-) esiintyminen. Sitoutuu tyypillisesti metallikationeihin, jotka useimmissa tapauksissa muodostavat liukenemattomia yhdisteitä (eivät voi liueta veteen). Esimerkkejä tästä ovat CaCO₃ – kalsiitti/Aragoniitti, FeCO₃ – Sideriitti, ZnCO₃ – Smithsonite jne.
Silikaatit – Anionien perheeseen kuuluvat mineraalit, jotka sisältävät sekä piitä (Si) että happea (O). Tämä suola muodostaa pääosan kivistä koko litosfäärin (maankuoren) alueella. Esimerkkejä silikaateista ovat SiO₂ – Kvartsi, AlKO₆Si₂ – Kaliumalumiinisilikaatti, (Fe,Mg)₂SiO₄ – Oliviini jne.
Sulfidi (Sulfidi) – Epäorgaaninen rikin anioni, jolla on kemiallinen kaava S^2- ja johon voi liittyä reaktioita, joita pidetään varsin monimutkaisina. Sulfidien saostuminen voi sisältää reaktioita raskasmetallien kanssa, joissa muodostuu liukenemattomia metallisaostumia. Esimerkkejä näistä sulfidi-ioneista muodostuvista raskasmetalleista ovat FeS₂ – pyriitti, CuFeS₂ – kalkopyriitti, PbS – galeniini jne.
Sulfaatit (sulfaatit) – Suolat, jotka muodostuvat, kun rikkihappo (H₂SO₄) reagoi toisen kemikaalin kanssa. Esimerkkejä sulfaateista ovat (Ba,Sr)SO₄ – Barite (Barytti), CaSO₄- 2H₂O – Kipsi, SrSO₄ – Celestiini (Celestite) jne.
Fosfaatit – Mineraalit, joille on ominaista kompleksisen anionin (PO₄)^3-. esiintyminen, ja joista suurinta osaa pidetään luonnossa melko harvinaisena. Esimerkkejä fosfaateista ovat Ca5(PO₄)(OH,F,CL) – Apatiitti, CuAl₆(PO₄)₄(OH)₈ – 4H₂O – Turkoosi, Fe(II)3(PO4)₂- 8H2O – Vivianiitti jne.

Kiteiden ja mineraalien taloustiede

Nykyaikana, jotta mineraalia voidaan pitää taloudellisesti kaivostoiminnan arvoisena, sen on oltava olemassa hyödyllisten mineraalien konsentraationa, jota voidaan työstää (louhia) niin, että siitä saadaan vielä voittoa. Konsentraation on myös oltava riittävän suuri, jotta louhinta olisi kannattava prosessi. Joskus mineraalin loppuminen kaivoksessa voi johtaa kaivoksen välittömään sulkemiseen. Tämän vuoksi kaivostoiminta voi olla taloudellisesti erityisen riskialtista.
Metallit ovat tällä hetkellä tärkeimpiä talousmineraaleja, sillä niitä käytetään moniin nykyaikaisiin sovelluksiin. Nämä metallit louhitaan metallipitoisista esiintymistä, jotka koostuvat malmista (halutut mineraalit) ja useimmissa tapauksissa ei-toivotuista, vähemmän taloudellisista ympäröivistä mineraaleista, jotka tunnetaan nimellä ”gangue”.

Terminologia ja kuvitukset

Kemiallinen alkuaine – Kemiallinen alkuaine on aineen aine, jonka kaikilla atomeilla on sama määrä protoneja, jota kutsutaan atomiluvuksi. Jaksollinen järjestelmä on tavallaan avain, jonka venäläinen kemisti Dimitri Mendelejev kokosi luokitellakseen nämä atomit alkuaineiden luokkiin niiden protonimäärän perusteella. Esimerkiksi vetyatomi (H) sisältää yhden protonin, heliumatomi (He) sisältää kaksi protonia, litiumatomi (Li) sisältää kolme protonia ja niin edelleen.

Perioditaulukko

Kemiallinen yhdiste – Koostuu molekyyleistä. Jotta molekyyliä voidaan pitää kemiallisena yhdisteenä, sen on koostuttava enintään kahdesta tai useammasta eri kemiallisesta alkuaineesta, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa.
Atomi – Kemiallisen alkuaineen pienin yksikkö. Atomi koostuu protonista (protoneista), elektronista (elektroneista) ja neutronista (neutroneista), jotka yhdessä määräävät atomin varauksen. Atomit voivat menettää tai saada elektroneja, jolloin syntyy positiivisia ja negatiivisia varauksia, joita kutsutaan ioneiksi.

Tämä on kuva hiiliatomista.
Sininen – Elektronit.
Punainen & Harmaa – Neutronit & Protonit.

Ioni – Atomi tai molekyyli, jolla on sähkövaraus, joka on syntynyt yhden tai useamman elektronin menettämisestä tai saamisesta.
Kationi – Positiivisesti varautunut ioni, joka vetää puoleensa negatiivisesti varautuneita ioneja. Esimerkki – Vetyioni H+.
Anioni – Negatiivisesti varautunut ioni, joka vetää puoleensa positiivisesti varautuneita ioneja. Esimerkki – Karbonaatti-ioni on CO₃2-.

Karbonaatti-ionin kemiallinen kaava.

Tämä kuva havainnollistaa karbonaatti-ionin (CO₃2-) molekyylirakennetta atomitasolla.