Ein Leitfaden für Einsteiger zu chemischen Eigenschaften und Klassifizierung von Mineralien
Teil drei unserer Mineralogie-Leitfadenserie. Dieser Leitfaden behandelt die chemischen Eigenschaften von Mineralien: woraus sie bestehen, wie sie klassifiziert werden und was die Zahlen und Formeln in Mineralientabellen tatsächlich bedeuten. Dies sind die abstrakteren Eigenschaften im Vergleich zu den physikalischen und optischen, die in den Leitfäden eins und zwei behandelt wurden, aber sie sind die Grundlage, wie Mineralogie als Wissenschaft funktioniert, und sie ermöglichen ein tieferes Verständnis, warum Mineralien so aussehen, sich verhalten und bilden, wie sie es tun.
Was ist ein Mineral?
Bevor wir uns mit der Klassifizierung von Mineralien befassen, ist es wichtig festzulegen, was ein Mineral eigentlich ist, da das Wort im Alltag oft lose verwendet wird und von seiner präzisen wissenschaftlichen Bedeutung abweicht.
In der Mineralogie wird ein Mineral als eine natürlich vorkommende, anorganische, feste Substanz mit einer definierten chemischen Zusammensetzung und einer geordneten inneren Kristallstruktur definiert. Jeder Teil dieser Definition ist wichtig.
„Natürlich vorkommend“ bedeutet, dass es durch geologische Prozesse ohne menschliches Eingreifen entstehen muss. Synthetische Rubine, die in einem Labor gezüchtet werden, sind im strengen Sinne keine Mineralien, auch wenn sie chemisch und strukturell identisch mit natürlichen sind.
„Anorganisch“ bedeutet, dass es nicht durch biologische Prozesse erzeugt wird. Kohle, Bernstein und Perlen werden im Alltag manchmal als Mineralien bezeichnet, sind aber technisch gesehen nach der strengen Definition keine Mineralien, da sie biologischen Ursprungs sind. Sie werden manchmal als Mineraloide oder organische Edelsteine bezeichnet.
„Definierte chemische Zusammensetzung“ bedeutet, dass die Chemie eines Minerals als chemische Formel ausgedrückt werden kann, obwohl die Formel Substitutionsbereiche umfassen kann, in denen ein Element ein anderes innerhalb der Struktur ersetzen kann.
„Geordnete innere Kristallstruktur“ bedeutet, dass die Atome in einem sich wiederholenden, dreidimensionalen Muster angeordnet sind. Materialien, denen diese innere Ordnung fehlt, wie Obsidian oder Bernstein, sind amorph und sind technisch gesehen Mineraloide und keine echten Mineralien.
Das Verständnis dieser Definition hilft, einige der Unterscheidungen zu erklären, die in den Mineral-Vault-Leitfäden getroffen werden, z. B. warum Obsidian als Mineraloid und nicht als Mineral beschrieben wird und warum Bernstein und Gagat als organische Edelsteine und nicht als Mineralien bezeichnet werden.
Chemische Formel
Die chemische Formel eines Minerals ist eine Kurzschreibweise seiner chemischen Zusammensetzung, die zeigt, welche Elemente vorhanden sind und in welchen Proportionen. Das Lesen einer Mineralformel ist unkompliziert, sobald die grundlegenden Konventionen verstanden wurden.
Jedes Element wird durch sein chemisches Symbol dargestellt: Si für Silizium, O für Sauerstoff, Ca für Calcium, Al für Aluminium, Fe für Eisen, K für Kalium, Na für Natrium und so weiter. Die Zahl nach jedem Symbol gibt an, wie viele Atome dieses Elements in einer Formeleinheit des Minerals vorhanden sind.
Quarz hat die Formel SiO₂, was bedeutet, dass ein Siliziumatom an zwei Sauerstoffatome gebunden ist. Calcit ist CaCO₃, was ein Calciumatom, ein Kohlenstoffatom und drei Sauerstoffatome bedeutet. Dies gehören zu den einfacheren Mineralformeln.
Viele Mineralien haben komplexere Formeln, die die Substitution eines Elements durch ein anderes innerhalb der Kristallstruktur widerspiegeln. Klammern in einer Formel kennzeichnen eine strukturelle Stelle, die von mehr als einem Element besetzt werden kann. Die Formel für Turmalin enthält zum Beispiel mehrere eingeklammerte Gruppen, die den Bereich der Elemente widerspiegeln, die verschiedene Stellen innerhalb der Struktur besetzen können, weshalb Turmalin in so vielen verschiedenen Farben und Zusammensetzungen vorkommt.
Ein Punkt, gefolgt von H₂O in einer Formel, wie bei Gips CaSO₄·2H₂O, kennzeichnet Wassermoleküle, die in die Kristallstruktur eingebaut sind und nicht chemisch in das Hauptgerüst eingebunden sind. Dies werden hydratisierte Mineralien genannt, und das Wasser kann oft durch Erhitzen entfernt werden.
Die Formel ist wichtig, weil sie Aufschluss darüber gibt, welche Elemente vorhanden sind und in welchen Proportionen, was wiederum viele der physikalischen und optischen Eigenschaften des Minerals erklärt. Das Kupfer in der Formel von Malachit erklärt seine grüne Farbe. Das Lithium in der Formel von Lepidolith erklärt seine Verbindung zur Batterietechnologie. Das Silizium und der Sauerstoff in der Formel von Quarz erklären seine Härte und chemische Stabilität.
Mineralgruppe
Die Mineralgruppe ist die breiteste Ebene der chemischen Klassifizierung in der Mineralogie, die Mineralien nach ihrem dominanten Anion oder Anionenkomplex gruppiert: das negativ geladene Ion oder die Gruppe von Ionen, die die grundlegende Chemie der Gruppe definiert. Man kann es sich als die höchste Organisationsebene in der Mineralogie vorstellen, den Punkt, an dem Tausende einzelner Mineralarten in Familien eingeordnet werden, basierend darauf, woraus sie grundlegend bestehen.
Bevor wir uns mit den einzelnen Gruppen befassen, ist es wichtig zu wissen, dass die Gruppe, zu der ein Mineral gehört, oft sofort etwas Nützliches verrät: wo es wahrscheinlich geologisch vorkommt, wie es sich physikalisch verhält und manchmal sogar, welche Farbbereiche zu erwarten sind. Carbonate zum Beispiel entstehen fast immer in sedimentären oder sekundären Umgebungen. Sulfide sind in der Regel dicht, metallisch aussehend und mit Erzlagerstätten verbunden. Silikate dominieren die Erdkruste so gründlich, dass ihr Verständnis im Wesentlichen das Verständnis des Planeten selbst bedeutet.
Vor diesem Hintergrund hier ein Überblick über die wichtigsten Mineralgruppen und ihre Definitionen.
Silikate sind die größte und vielfältigste Gruppe und machen etwa 90 Prozent des Volumens der Erdkruste aus. Sie sind durch das Vorhandensein von Silizium-Sauerstoff-Tetraedern definiert, in denen ein Siliziumatom an vier Sauerstoffatome in einer tetraedrischen Anordnung gebunden ist. Die Art und Weise, wie diese Tetraeder miteinander verbunden sind, definiert die Silikat-Untergruppen. Quarz, Feldspat, Glimmer, Granat, Turmalin und die überwiegende Mehrheit der gesteinsbildenden Mineralien sind Silikate.
Oxide enthalten Sauerstoff, der an ein oder mehrere Metallkationen gebunden ist, ohne dass andere Anionengruppen vorhanden sind. Hämatit, Magnetit, Korund, Rutil und Spinell sind Oxidmineralien.
Sulfide enthalten Schwefel, der an ein oder mehrere Metallkationen gebunden ist. Pyrit, Galenit, Chalkopyrit, Sphalerit und Zinnober sind Sulfide. Viele der wichtigsten metallischen Erzmineralien sind Sulfide und sie sind für einige der lebhaftesten und ungewöhnlichsten Farben in der Mineralwelt verantwortlich.
Carbonate enthalten das Carbonat-Ion CO₃²⁻, das an Metallkationen gebunden ist. Calcit, Aragonit, Dolomit, Malachit, Azurite und Rhodochrosit sind Carbonate. Sie sind in Sedimentgesteinen reichlich vorhanden und entstehen sowohl durch anorganische als auch durch biologische Prozesse.
Sulfate enthalten das Sulfat-Ion SO₄²⁻. Gips, Baryt, Coelestin und Anglesit sind Sulfate. Sie bilden sich überwiegend in evaporitischen und oxidierten Umgebungen.
Halogenide enthalten ein Halogenion, Fluor, Chlor, Brom oder Jod, als Hauptanion. Halit, Fluorit und Sylvin sind Halogenide. Halit ist gewöhnliches Salz, Natriumchlorid, und Fluorit ist Calciumfluorid.
Phosphate enthalten das Phosphat-Ion PO₄³⁻. Apatit, Türkis, Lazulit und Variszit sind Phosphate. Viele leuchtend blaue und grüne sekundäre Mineralien sind Phosphate.
Gediegene Elemente sind Mineralien, die aus einem einzigen Element in seiner reinen oder nahezu reinen Form bestehen. Gold, Silber, Kupfer, Diamant, Graphit und Schwefel sind gediegene Elemente.
Die Kenntnis der Mineralgruppe verrät Ihnen sofort etwas Grundlegendes über die Chemie eines Minerals und oft auch über seine geologische Umgebung, seine physikalischen Eigenschaften und sein Verhalten.
Mineralkategorie
Innerhalb jeder Mineralgruppe werden Mineralien nach spezifischeren strukturellen oder chemischen Merkmalen in Kategorien unterteilt. Die Silikatgruppe zum Beispiel wird in Untergruppen unterteilt, basierend auf der Art und Weise, wie die Silizium-Sauerstoff-Tetraeder miteinander verbunden sind.
Nesosilikate, auch Orthosilikate genannt, haben isolierte Silizium-Sauerstoff-Tetraeder, ohne dass Sauerstoffatome zwischen ihnen geteilt werden. Granate, Olivin, Zirkon und Kyanit sind Nesosilikate. Sie sind in der Regel dicht, hart und witterungsbeständig.
Sorosilikate haben Paare von Tetraedern, die ein Sauerstoffatom teilen. Epidot, Zoisit und Tansanit sind Sorosilikate.
Cyclosilikate haben Tetraeder, die in Ringen angeordnet sind. Turmalin, Beryll und die Milarit-Osumilit-Gruppe einschließlich Sugilith sind Cyclosilikate.
Inosilikate haben Tetraeder, die in Ketten verbunden sind. Einzelkettige Inosilikate umfassen die Pyroxengruppe. Doppelkettige Inosilikate umfassen die Amphibolgruppe.
Phyllosilikate haben Tetraeder, die in Schichten verbunden sind. Alle Glimmer, einschließlich Muskovit, Lepidolith und Fuchsit, sind Phyllosilikate, ebenso wie Talk, Chlorit und die Tonminerale. Die Schichtstruktur ist direkt verantwortlich für die perfekte basale Spaltbarkeit und die elastische Zähigkeit, die für Glimmer charakteristisch sind.
Tektosilikate haben Tetraeder, die in einem vollständig verbundenen dreidimensionalen Gerüst verbunden sind, wobei jedes Sauerstoffatom zwischen zwei Tetraedern geteilt wird. Quarz, Feldspat, Zeolith und Sodalith sind Tektosilikate. Dieses vollständig verbundene Gerüst erzeugt die größte strukturelle Stabilität und chemische Beständigkeit aller Silikat-Untergruppen.
Das Verständnis der Silikat-Untergruppe eines Minerals gibt sofort Aufschluss über seine Kristallstruktur, seine Spaltbarkeitseigenschaften und oft auch über seine physikalischen Eigenschaften.
Spezifisches Gewicht
Das spezifische Gewicht ist ein Maß für die Dichte eines Minerals im Verhältnis zur Dichte von Wasser. Wasser hat ein spezifisches Gewicht von 1. Ein Mineral mit einem spezifischen Gewicht von 2,65, wie Quarz, ist 2,65-mal dichter als Wasser. Ein Mineral mit einem spezifischen Gewicht von 7,6, wie Galenit, ist 7,6-mal dichter.
Das spezifische Gewicht wird durch die chemische Zusammensetzung des Minerals und die Effizienz der Atompackung innerhalb der Kristallstruktur bestimmt. Mineralien, die schwere Elemente wie Blei, Barium oder Eisen enthalten, neigen zu hohen spezifischen Gewichten. Mineralien, die hauptsächlich aus leichten Elementen wie Silizium, Sauerstoff, Aluminium und Natrium bestehen, neigen zu niedrigeren spezifischen Gewichten.
Die praktische Bedeutung des spezifischen Gewichts für Sammler ist das Gewicht eines Exemplars: Ein Mineral mit hohem spezifischem Gewicht fühlt sich spürbar schwerer an als ein Mineral mit niedrigem spezifischem Gewicht gleicher Größe. Ein Stück Galenit oder Baryt zum ersten Mal aufzuheben, ist oft überraschend, weil das Gewicht so viel größer ist, als der optische Eindruck der Größe vermuten lässt. Dieser "Heft-Test" ist ein nützliches vorläufiges Identifikationswerkzeug und eines der ersten Dinge, die erfahrene Sammler beim Umgang mit einem unbekannten Exemplar bemerken.
Das spezifische Gewicht kann präzise mit der hydrostatischen Wägemethode gemessen werden, indem das Exemplar zuerst an der Luft und dann in Wasser suspendiert gewogen und das Archimedische Prinzip angewendet wird, um das Verhältnis zu berechnen. In der Praxis ist für feste Exemplare ohne signifikante Porosität oder Matrix eine vergleichende Gewichtsabschätzung oft ausreichend für eine grobe Schätzung.
Die in Mineraltabellen angegebenen spezifischen Gewichte sind in der Regel als Bereich angegeben, der die natürlichen Variationen in Chemie und Reinheit zwischen Exemplaren derselben Art widerspiegelt.
Der Unterschied zwischen Mineralart, Varietät und Handelsnamen
Das Verständnis der Unterscheidung zwischen einer Mineralart, einer Varietät und einem Handelsnamen hilft, die Namenskonventionen in den Mineral-Vault-Leitfäden und in der Mineralogie im Allgemeinen zu verstehen.
Eine Mineralart ist ein formell definiertes Mineral mit einer spezifischen chemischen Zusammensetzung und Kristallstruktur, das von der International Mineralogical Association genehmigt und katalogisiert wurde. Derzeit gibt es über 5.800 genehmigte Mineralarten. Quarz, Calcit und Korund sind Mineralarten.
Eine Mineralvarietät ist eine natürlich vorkommende Form einer Mineralart, die sich durch Farbe, Habitus oder ein anderes Merkmal unterscheidet, das keine eigenständige Art darstellt. Amethyst, Citrin und Rauchquarz sind alle Varietäten von Quarz, die sich nur in den Spurenelementen oder strukturellen Defekten unterscheiden, die für ihre Farbe verantwortlich sind. Rubin und Saphir sind beides Varietäten von Korund, demselben Aluminiumoxid-Mineral, das durch verschiedene Spurenelemente unterschiedlich gefärbt ist. Tansanit ist eine Varietät von Zoisit. Varietäten werden von der International Mineralogical Association nicht in der gleichen Weise formell genehmigt wie Arten, und die Grenzen zwischen ihnen können lose definiert sein, ohne eine harte chemische oder strukturelle Linie, die eine Varietät von einer anderen trennt, wie es bei der Unterscheidung separater Mineralarten der Fall ist.
Handelsnamen sind noch weiter von der formalen Mineralogie entfernt. Es sind kommerzielle Bezeichnungen, die Mineralien oder Varietäten zu Marketingzwecken gegeben werden, und sie können einer mineralogisch bedeutsamen Unterscheidung entsprechen oder auch nicht. Karibischer Calcit ist ein Handelsname für eine spezifische Kombination aus blauem Calcit und braunem Aragonit aus Pakistan. Larimar ist ein Handelsname für blauen Pektolith aus der Dominikanischen Republik. Ametrin ist ein Handelsname für natürlich zweifarbigen Amethyst und Citrin innerhalb desselben Kristalls. Handelsnamen sind auf dem Sammler- und Edelsteinmarkt weit verbreitet und nicht von Natur aus irreführend, aber das Verständnis, dass es sich um kommerzielle und nicht um wissenschaftliche Bezeichnungen handelt, hilft, Verwirrung zu vermeiden, wenn dasselbe Material unter verschiedenen Namen in verschiedenen Kontexten erscheint oder wenn ein Name eine Einzigartigkeit impliziert, die die zugrunde liegende Mineralogie nicht ganz unterstützt.
Wie Mineralien benannt werden
Mineralnamen folgen mehreren Konventionen, die, einmal verstanden, viele Namen sofort informativ statt willkürlich machen.
Die häufigste Quelle ist eine Person, typischerweise der Wissenschaftler, der das Mineral zuerst beschrieben oder entdeckt hat, oder eine bemerkenswerte Persönlichkeit auf dem betreffenden Gebiet. Fuchsit ehrt den deutschen Mineralogen Johann Nepomuk von Fuchs. Sugilith ehrt den japanischen Petrologen Ken-ichi Sugi. Dies ist die häufigste Namenskonvention in der Mineralogie und macht einen großen Teil der ungewohnteren Namen in Sammlungen aus.
Die Geographie ist eine weitere häufige Quelle. Tansanit hat seinen Namen von Tansania, seinem einzigen Herkunftsland, nach der etablierten Konvention, Mineralien nach ihrem Typusvorkommen zu benennen. Viele Mineralien tragen die Namen der spezifischen Minen, Berge oder Regionen, in denen sie zuerst gefunden wurden.
Einige Namen beschreiben eine chemische oder physikalische Eigenschaft direkt. Hämatit leitet sich vom griechischen Wort für Blut ab, ein Hinweis auf seinen charakteristischen roten Strich und nicht auf seine oft graue oder metallische Körperfarbe. Magnetit ist nach seinen magnetischen Eigenschaften benannt, einem der auffälligsten physikalischen Merkmale in der Mineralwelt. Malachit kommt vom griechischen Wort für Malve, die Pflanze, deren zartes Blattgrün das Mineral ähnelt.
Andere Namen beziehen sich auf optische oder strukturelle Merkmale. Glimmer kommt vom lateinischen „micare“, was „glitzern“ bedeutet, eine passende Beschreibung des Funkelns seiner Spaltflächen. Selenit leitet sich vom griechischen Wort für Mond ab und bezieht sich auf die weiche, diffuse Leuchtkraft seiner feinsten Exemplare. Zeolith kombiniert die griechischen Wörter für „kochen“ und „Stein“ und fängt die Tendenz des Minerals ein, beim Erhitzen zu schäumen, wenn sein Strukturwasser schnell ausgestoßen wird.
Fast alle Mineralnamen enden mit dem Suffix „-it“, einer Konvention, die aus den griechischen und lateinischen Namensgebungen der frühen Naturgeschichte übernommen wurde. Das Suffix hat keine spezifische Bedeutung, außer dass es anzeigt, dass es sich um einen Mineralnamen handelt, weshalb es so konsequent erscheint, unabhängig davon, worauf sich der Rest des Namens bezieht.
Zusammenfassung
Die chemischen Eigenschaften und die Klassifizierung von Mineralien; die Formel, die Mineralgruppe, die Mineralkategorie, das spezifische Gewicht und die Unterscheidung zwischen Arten, Varietäten und Handelsnamen sind die Grundlage der Mineralogie als Wissenschaft. Sie erklären, warum Mineralien dort entstehen, wo sie entstehen, warum sie sich physikalisch und optisch so verhalten, wie sie es tun, und wie die Tausenden bekannten Mineralarten innerhalb eines kohärenten wissenschaftlichen Rahmens miteinander in Beziehung stehen. Zusammen mit den physikalischen Eigenschaften, die in Leitfaden 1 behandelt werden, und den optischen Eigenschaften, die in Leitfaden 2 behandelt werden, vervollständigen diese chemischen Eigenschaften das Bild dessen, was ein Mineral ist und warum sein Verständnis wichtig ist.
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Liebe, Laura
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