En ”mineral” är ett oorganiskt ämne som består av ett eller flera kemiska grundämnen. Per definition måste ett mineral vara:

Den kemiska sammansättningen hos ett mineral kallas för dess elementära sammansättning. De flesta mineral förekommer som föreningar (en kombination av flera olika grundämnen). Vissa mineraler förekommer dock som kemiska grundämnen i sig själva. Dessa är kända som naturliga mineraler.

Vad är kristaller?

Kristaller är ett fast ämne som har en organiserad kristallin struktur som bildas av atomer. Det interna arrangemanget av atomer resulterar ofta i yttre plana ytor som de som ses på en kvartskristall, men detta är dock inte ett krav för att klassificeras som en kristall. Kristaller kan klassificeras annorlunda än mineraler på grund av att vissa material kan betraktas som organiska kristaller. Eftersom mineraler är rent oorganiska kan en organisk kristall inte vara ett mineral. Till exempel är proteiner och sockerarter fasta ämnen som kan bilda kristaller, men eftersom de är organiska ämnen kan de inte kategoriseras som mineraler.

Föroreningar i lösningar som bildar kristaller kan resultera i färgförändringar samt betydande förändringar av kristallstrukturen. För många föroreningar inom ett kristallgitter under kristallisationen kan ge kristaller med små till stora inneslutningar. Dessa inneslutningar kan också förändra kristallens form.

Mineraler, kristaller eller stenar?

De flesta mineraler förekommer naturligt som kristaller, men alla kristaller är inte mineraler eftersom organiska kristaller inte alls är mineraler. Ett mineral med samma kemiska formel kan bilda mer än en typ av kristall. Det finns till exempel tre polymorfer (samma kemiska formel, olika kristallstrukturer) av kalciumkarbonat som kallas kalcit, aragonit och vaterit. Kalcitkristaller förekommer i det trigonala systemet, aragonitkristaller tillhör det ortorhombiska systemet och vateritkristaller bildas i det hexagonala systemet. Dessa kristallina strukturer kan variera under bildningen som ett resultat av flera faktorer som inkluderar föroreningar som hämmar tillväxtmönster, miljöns temperatur under bildningen, mineralens mättnad i lösningen, geometrin hos de kovalenta bindningarna och förändringar i lösningens rörelse.

Mineraler har en naturligt bildad, organiserad atomstruktur med en specifik kemisk sammansättning. Kristaller delar för det mesta dessa egenskaper, men atomerna är arrangerade i ett upprepande mönster som resulterar i ett kristallgitter, som ofta presenterar sig med kristallytor.
Många gånger kommer du att höra folk kalla mineraler eller kristaller för stenar, men en ”sten” definieras som ett bundet aggregat av mineraler, mineraloider eller fragment av andra stenar. Ordet ”bunden” betyder att aggregatet av mineraler i någon mening måste vara sammanfogat. Sand betraktas till exempel inte som en sten även om sandkorn i de flesta fall är sammanfogade. Sandsten har till exempel blivit en sten eftersom sandkornen har cementerats ihop av finkornigare mineral och/eller organiskt material och bildat en relativt fast massa.
De tre huvudklassificeringarna av bergarter är magmatiska, metamorfa och sedimentära.
Gnejsartad bergart – Bergart som bildats genom avkylning och kristallisering av magma inom eller ovanför litosfären (jordskorpan). Kristaller bildas inom magman när den börjar stelna, varav kylningshastigheten kan diktera storleken på de kristaller som bildas.

Närbild av porfyrisk granit, en typ av magmatisk bergart. Porfyritisk granit uppstår när temperaturen i magma som kyls av förändras snabbt. I detta fall fick stora kristaller bildas med långsam avkylning, för att sedan avbrytas av en plötsligt sjunkande temperaturförändring som påskyndade kristalliseringsprocessen, vilket resulterade i mindre kristaller.

Sedimentära bergarter – Bergarter som bildats som ett resultat av att eroderade material från tidigare bildade bergarter har avsatts längs havsbottnar, flodbottnar, sjöbottnar etc., tillsammans med avlagring av mineraler från vattnet. Under årens lopp kompakteras dessa avlagringar av naturliga krafter, för att senare stelna till en fast massa (sten).

Detta är en sedimentär bergsformation som är en del av Zabriskie Point, som ligger i Death Valley, Kalifornien. Den består av sediment från Furnace Creek Lake som torkade ut för ungefär 5 miljoner år sedan. Miljontals år av erosion har lämnat sedimentlagren exponerade.

Metamorfisk bergart – Bergart som uppstod när befintlig sedimentär eller magmatisk bergart utsattes för tryck och i vissa fall temperaturförändringar som förändrade deras ursprungliga mineralogi.

Metamorf bergart känd som ”granitgnejs”. Bildad av metamorfoserad granit.

Hur bildas oorganiska kristaller?

Kristaller kan bildas genom en rad olika processer, bland annat:

Evaporitavlagringar – Detta är mineralformationer som uppstår som ett resultat av processer vid jordytan. Kristaller bildas från lösningar som innehåller mineraler som koncentreras genom uttorkning/avdunstning av en vattenlösning. När vätskan långsamt avlägsnas genom avdunstning samlas de koncentrerade mineralerna och fälls ut från vattnet i ett strukturerat mönster som utvecklas till en kristall. Ett exempel på utfällningsavlagringar är de rosa halitkristallerna från Seamless Lake i Trona, Kalifornien.
Sekundära mineralavlagringar – Dessa bildas genom att vatten exponeras för primära malmer, genom avlagring från hydrotermiska lösningar eller bildas genom kristallisering av magma.

• Exponering för primära malmer – Vatten som förs in i exponerade malmer (vanligen inom ett hålrum) genom nedåtgående perkolation genom bergarter. Detta kan starta kemiska processer som bryter ner malmen och omfördelar mineralerna längs öppna hålrumsväggar. Azurit och malakit är goda exempel på detta, där vattenlösningar har rört sig genom områden med primär kopparmalm och omfördelat dem som azurit- och malakitkristaller vars bildningskrav inkluderar vatten, karbonater och koppar.
• Hydrotermisk vätskeavlagring – uppstår i de flesta fall när hydrotermiska vätskor tar sig uppåt genom berget, och i processen plockar upp mineraler i det omgivande berget. När ett öppet hålrum presenteras för dessa vätskor kan utfällning av mineralerna ske i form av kristaller och/eller en fast massa. Ibland kan mineralerna i den omgivande berggrunden ersättas, denna förekomst kallas ersättningsavlagring.
• Kristallisering av magma – inträffar när magma svalnar och mineralerna i magman börjar separeras i grupper av likadana och kompatibla mineraler. Beroende på kylningshastighet, sammansättning och atmosfär kan kristallernas storlek variera avsevärt. Ibland kan kylningen ske för snabbt, vilket resulterar i avsaknad av en elementär struktur, obsidian (vulkaniskt glas) är ett exempel på detta. Obsidian består huvudsakligen av SiO₂ (kvarts i de flesta fall) och har en kemisk formel med potential att vara en kristall/mineral, men bristen på kristallstruktur och variationen i sammansättningen gör att den istället klassificeras som en mineraloid.

Mineraloid, obsidian.

Mineralklasser

Mineralets kemiska sammansättning dikterar hur det kommer att förekomma i naturen. Några av de vanliga mineralklasserna efter deras kemiska sammansättning är:
Naturliga mineraler – Element som förekommer naturligt med en distinkt mineralstruktur och ingen kombination med ett annat element. Några exempel på grundämnen som är kända för att bildas som naturliga mineral är guld (Au), silver (Ag), svavel (S), koppar (Cu), grafit ((C) – löst packat kol) och diamanter ((C) – tätt packat kol – innehåller vanligtvis vissa föroreningar).

Rå naturdiamant

Naturligt silver

Naturligt koppar

Oxider – Klass av kemiska föreningar där en syrejon (O2-) parar sig med ett grundämne, I många fall en positivt laddad metall. Några exempel på detta är SiO₂ – kvarts, Fe₂O₃ – hematit, Cu₂O – cuprit etc.
Karbonater – Mineraler som kännetecknas av förekomsten av en karbonatjon (CO₃2-). Binder vanligtvis till metallkatjoner som i de flesta fall bildar olösliga föreningar (kan inte lösas upp i vatten). Några exempel på detta är CaCO₃ – kalcit/ragonit, FeCO₃ – siderit, ZnCO₃ – smithsonit etc.
Silikater – Mineraler från en familj av anjoner som innehåller både kisel (Si) och syre (O). Detta salt utgör en stor del av stenarna i hela litosfären (jordskorpan). Några exempel på silikater är SiO₂ – Kvarts, AlKO₆Si₂ – Kaliumaluminiumsilikat, (Fe,Mg)₂SiO₄ – Olivin, etc.
Sulfid (Sulfid) – Oorganisk anjon av svavel som har den kemiska formeln S^2- och kan medföra reaktioner som anses vara ganska komplexa. Utfällning av sulfider kan innefatta reaktioner med tungmetaller där olösliga metallutfällningar bildas. Några exempel på dessa tungmetaller som bildas av sulfidjoner är FeS₂ – pyrit, CuFeS₂ – kalcopyrit, PbS – galenan etc.
Sulfater (sulfater) – Salter som bildas när svavelsyra (H₂SO₄) reagerar med en annan kemikalie. Några exempel på sulfater är (Ba,Sr)SO₄ – Baryt (Baryt), CaSO₄- 2H₂O – Gips, SrSO₄ – Celestin (Celestit) etc.
Phosfater – Mineraler som kännetecknas av förekomsten av den komplexa anjonen (PO₄)^3-., av vilka de flesta anses vara ganska ovanliga i naturen. Några exempel på fosfater är Ca5(PO₄)(OH,F,CL) – apatit, CuAl₆(PO₄)₄(OH)₈ – 4H₂O – turkos, Fe(II)3(PO4)₂- 8H2O – vivianit osv.

Kristallers och mineralers ekonomi

För att ett mineral ska anses vara ekonomiskt värt att bryta måste det i modern tid existera som en koncentration av användbara mineraler som kan bearbetas (brytas) samtidigt som man får en vinst. Koncentrationen måste också vara tillräckligt hög för att utvinningen ska vara en lönsam process. Ibland kan mineralen som kommer till ett slut i gruvan leda till omedelbar stängning av gruvan. På grund av detta kan gruvdrift vara en extra riskfylld verksamhet när det gäller ekonomi.
Metaller är för närvarande de viktigaste ekonomiska mineralerna, för de används för en mängd olika moderna tillämpningar. Dessa metaller utvinns ur metallhaltiga fyndigheter som består av malm (eftertraktade mineraler) och i de flesta fall av oönskade, mindre ekonomiska omgivande mineraler som kallas ”gangmassa”.

Terminologi och illustrationer

Kemiskt grundämne – Ett kemiskt grundämne är ett ämne av materia vars atomer alla innehåller samma antal protoner, det så kallade atomnumret. Det periodiska systemet är på sätt och vis en nyckel som sammanställdes av Dimitri Mendelejev, en rysk kemist, för att klassificera dessa atomer i elementära kategorier baserat på deras antal protoner. Till exempel innehåller en väteatom (H) en proton, en heliumatom (He) två protoner, en litiumatom (Li) tre protoner och så vidare.

Periodiskt schema

Kemisk förening – består av molekyler. För att betraktas som en kemisk förening måste molekylen bestå av upp till två mer mer olika kemiska grundämnen som är bundna till varandra.
Atom – Den minsta enheten av ett kemiskt grundämne. En atom består av proton(er), elektron(er) och neutron(er) som tillsammans bestämmer atomens laddning. Atomer kan förlora eller få elektroner, vilket resulterar i positiva och negativa laddningar som kallas joner.

Detta är en illustration av en kolatom.
Blå – Elektroner.
Röd &Grå – Neutroner &Protoner.

Ion – En atom eller molekyl med en elektrisk laddning som är resultatet av en förlust eller vinst av en eller flera elektroner.
Kation – En positivt laddad jon som attraheras av negativt laddade joner. Exempel – vätejonen H+.
Anion – En negativt laddad jon som dras till positivt laddade joner. Exempel – Karbonatjonen är CO₃2-.

Karbonatjonens kemiska formel.

Denna bild illustrerar molekylstrukturen hos en karbonatjon (CO₃2-) på atomnivå.

.