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allgemein kristallines Element oder Verbindung Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Ein Mineral ist ein Element oder eine chemische Verbindung, die normalerweise kristallin ist und durch geologische Prozesse entstanden ist. Zu den geologischen Prozessen werden auch Prozesse auf anderen Planeten, Monden und sonstigen Himmelskörpern gerechnet.[1][2]
Die Mehrzahl der heute bekannten und von der International Mineralogical Association (IMA) als eigenständig anerkannten über 6.000 Mineralarten (Stand: September 2024)[3] ist anorganisch, doch auch einige organische Substanzen wie beispielsweise Mellit und Evenkit oder die Nierensteinbildner Whewellit und Weddellit sind als Minerale anerkannt, weil auch geologische Prozesse an ihrer Bildung beteiligt waren.[3] Einschließlich aller bekannten Mineral-Varietäten und synonymer Bezeichnungen (ca. 1200[4]) sowie noch nicht anerkannter Mineralarten (ca. 120[4]) existieren über 7.000 Mineralnamen.
Das Wort Mineral leitet sich von dem mittellateinischen aes minerale „Grubenerz“ ab und wurde im 16. Jahrhundert nach französischem Vorbild geprägt. Der Plural lautet Minerale (in der Wissenschaft in Deutschland und Österreich verwendet) oder Mineralien (von Sammlern, Händlern und in der Deutschschweiz als Synonym zu Minerale verwendet).
Die Lehre von den Mineralen ist die Mineralogie, die von ihrer Verwendung und Bearbeitung die Lithurgik.
Im Allgemeinen gelten nur Elemente und chemische Verbindungen als Mineral, die natürlich, chemisch einheitlich und von wenigen Ausnahmen abgesehen anorganisch, fest und kristallin sind:[1][2]
Die Begriffe „chemisches Element“ und „chemische Verbindung“ beinhalten eine feste Zusammensetzung und eine definierte chemische Struktur. Stoffgemische sind keine Minerale. Die Zusammensetzungen von Mineralen können jedoch eine gewisse Variation aufweisen (Mischkristalle), solange sie strukturell homogen sind.
Eine chemische Verbindung kann mit verschiedenen Strukturen auftreten. Chemisch einheitliche Gemische von verschiedenen Phasen unterschiedlicher Struktur sind ebenfalls keine Minerale. So kann z. B. Feuerstein (Hornstein) aus reinem SiO2 bestehen, ist aber kein Mineral, sondern ein Gemisch der strukturell unterschiedlichen Minerale Tiefquarz, Mogánit und Opal und somit ein Gestein.
Einige natürlich vorkommende Verbindungen sind nicht kristallin. Diese Substanzen können in zwei Kategorien unterteilt werden:
Die Bestimmung von Struktur und Zusammensetzung mit einer Vollständigkeit, die ausreicht, um amorphe Phasen eindeutig voneinander abzugrenzen, ist meist schwierig bis unmöglich. Daher werden nichtkristalline natürliche Verbindungen von vielen Wissenschaftlern unter der Bezeichnung Mineraloide zusammengefasst.[1] Der Begriff ist vorwiegend in amerikanischen Lehrbüchern gebräuchlich. Im deutschen Sprachraum ist er dagegen nicht eingeführt.[5]
Natürliche amorphe Substanzen können als Mineral anerkannt werden, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:
Beispiele hierfür sind Georgeit und Calciouranoit.[1]
Metamikte Substanzen können Minerale sein, wenn nachgewiesen werden kann, dass die Substanz ursprünglich kristallin war und die gleiche Zusammensetzung hatte (z. B. Fergusonit-Y).[1]
Flüssigkeiten werden im Allgemeinen nicht zu den Mineralen gezählt. Flüssiges Wasser ist beispielsweise kein Mineral, Eis hingegen schon. Eine Ausnahme ist Quecksilber: Es kommt als Element auf der Erde nur flüssig und gasförmig vor, wird aber als Flüssigkeit dennoch als Mineral anerkannt. Erdöl und alle übrigen, auch festen, nicht kristallinen Bitumen sind Stoffgemische und keine Minerale.[1]
Die Prozesse, die zur Bildung extraterrestrischer Substanzen, z. B. in Meteoriten und Mondgesteinen, beitragen, sind ähnlich denen, die auch auf der Erde stattfinden. Infolgedessen werden natürlich vorkommende Komponenten extraterrestrischer Steine und kosmischen Staubes als Minerale bezeichnet (z. B. Tranquillityit, Brownleeit).[1]
Von Menschen erzeugte Substanzen sind keine Minerale. Wenn solche anthropogenen Substanzen identisch mit Mineralen sind, werden sie als „synthetische Äquivalente“ bezeichnet.
Auch Materialien, die durch geologische Prozesse aus synthetischen Substanzen entstanden sind, werden im Allgemeinen nicht als Minerale bezeichnet. Eine Ausnahme bilden einige Substanzen, die früher bereits als Minerale anerkannt worden sind, z. B. einige Minerale, die sich bei der Reaktion von antiken metallurgischen Schlacken mit Seewasser gebildet haben.
Natürliche Substanzen, die durch menschliche Aktivitäten umgewandelt wurden, können als Minerale anerkannt werden, wenn die menschlichen Aktivitäten nicht direkt auf die Erzeugung neuer Substanzen ausgerichtet waren. Substanzen, die bei Gruben- oder Haldenbränden neu gebildet werden, können durch die IMA anerkannt werden, wenn der Brand nicht durch Menschen ausgelöst und dort kein Material anthropenen Ursprungs abgelagert wurde (IMA 16-F).[6]
Biogene Substanzen sind Verbindungen, die ausschließlich durch biologische Prozesse ohne geologischen Anteil gebildet worden sind, wie z. B. Muschelschalen oder Oxalatkristalle in Pflanzengeweben. Diese Verbindungen sind keine Minerale.
Sobald geologische Prozesse an der Bildung der Verbindungen beteiligt waren, können diese Substanzen als Minerale anerkannt werden. Beispiele hierfür sind Minerale, die sich aus organischen Bestandteilen in Schwarzschiefern oder aus Fledermausguano in Höhlen gebildet haben, sowie Bestandteile von Kalksteinen oder Phosphoriten organischen Ursprungs.[1]
Mit Ausnahme der natürlichen Gläser und der Kohlegesteine sind alle Gesteine der Erde und anderer Himmelskörper aus Mineralen aufgebaut. Am häufigsten kommen etwa dreißig Minerale vor, die sogenannten Gesteinsbildner. Daneben findet man Minerale auch als Kolloide im Wasser oder als Feinstaub in der Luft. Auch Wasser selbst ist ein Mineral, wenn es in Form von Eis (englisch ice) vorliegt.[3]
Primärminerale entstehen zeitgleich mit dem Gestein, dessen Teil sie sind, während sich Sekundärminerale durch eine spätere Veränderung des Gesteins (Metamorphose, hydrothermale Überprägung oder Verwitterung) bilden.
Minerale bilden sich
Voraussetzung hierfür sind Elemente, die überhaupt kristallisieren. Als sich nach dem Urknall das Universum soweit ausgedehnt und abgekühlt hatte, das sich die ersten Elemente bilden konnten, waren das die Gase Wasserstoff, Helium und etwas Lithium. Schwerere Elemente, die eher zur Kristallisation neigen, wurden erst viele Millionen Jahre später bei der Explosion großer Sterne freigesetzt. Zur Bildung der ersten Minerale konnte es erst kommen, als diese in Sternen erbrüteten Elemente in interstellaren Nebeln dicht genug zusammen kamen, um die Verbindung von mehr als nur ein paar Atomen zu ermöglichen.[7]
Für die Bildung der Vielzahl von Mineralen spielen drei Faktoren eine Schlüsselrolle:
Interstellare Gase und Nebel haben eine sehr geringe Dichte, so dass die Bildung von Kristallisationskeimen entweder gar nicht erst erfolgt (Keimbildung) oder ein Kristallwachstum nur in Ausnahmefällen und sehr langsam erfolgt. Zu den ersten Mineralen des Universums, die sich aus den präsolaren Nebeln abschieden, gehörten nach heutigem Wissen die Kohlenstoffmodifikationen Graphit und Diamant, einige Carbide (Moissanit, Khamrabaevit, ZrC, MoC) und Nitride (Osbornit, Nierit) sowie einige Oxide (Rutil, Korund, Spinell, Hibonit, Forsterit, Bridgmanit) und GEMS, Silikatschmelztröpchen mit eingebetteten Metallen und Sulfiden.[8] Die meisten dieser Verbindungen sind sehr hart und zeichnen sich durch starke, kovalente Bindungen zwischen den Atomen aus. Die gefundenen Kristalle sind sehr klein, oft nur wenige Nanometer (nm) groß.
Für ungefähr 10.000.000 Jahre waren diese 10 bis 20 Minerale die einzigen im Universum.[7] Erst mit der Verdichtung dieser Nebel und der Bildung von terrestrischen Planeten begann die Bildung der großen Vielfalt der verschiedenen Minerale. Anhand der damit einhergehenden Prozesse wird die Evolution der Minerale aktuell in drei Ära mit insgesamt 10 Stadien unterteilt. Jedes dieser Stadien zeichnet sich durch das Einsetzen charakteristischer geologischer und später auch biologischer Prozesse aus, die oft über die einzelnen Stadien hinweg, zum Teil bis heute, anhalten.[8]
Diese recht kurze Ära setzt mit der Kondensation erster Minerale aus dem präsolaren Nebel vor rund 4,57 Milliarden Jahren ein und umfasst die Aggregation dieser ersten Kondensate und kosmischen Staubes zu Planetenvorläufern, die groß genug waren, um das Einsetzen geologischer Prozesse zu ermöglichen, die zur Entstehung unterschiedlich zusammengesetzter Gesteine führten. Sie endet mit der Bildung von siliciumreichen Krustengesteinen vor rund 4,5 Milliarden Jahren. Alle Informationen aus dieser Zeit stammen ausschließlich aus dem Studium von Meteoriten und theoretischen Modellrechnungen.[8]
Die Mineralbildung in unserem Sonnensystem setzte vor 4,567 Milliarden Jahren (Ga) mit der Resublimation von Calciumaluminaten aus dem präsolaren Nebel ein.[11] Erst bildete sich bei ~1730 K Korund und durch Reaktion mit dem heißen Gas Hibonit, Grossit, Krotit und Perovskit, gefolgt von Gehlenit, Spinell und den Pyroxenen Kushiroit und Grossmanit. Erster Anorthit bildete sich durch Festkörperreaktion aus Spinell und Klinopyroxen. Die ursprüngliche, schneeflockenförmige Kristallform der ersten Kondensate ist in einigen wenigen Fällen erhalten geblieben. Meist sind sie mehrfach wieder aufgeschmolzen, teilweise verdampft und erneut auskristallisiert und finden sich als weiße Calcium-Aluminium-reiche Einschlüsse (CAI) in Chondriten.[12]
Kurz darauf, nur knapp 3 Millionen Jahre später, das ist kaum mehr als der Fehler der Altersbestimmungen, setzte die Bildung von silikatischen Schmelztröpfchen ein, die zusammen mit den CAI und einer feinkristallinen Grundmasse das Ausgangsmaterial der Planeten unseres Sonnensystems bildeten und in Meteoriten (Kohliger Chondrit) erhalten geblieben sind.[11] Diese Chondrite enthalten Silikate wie Forsterit, Klinoenstatit, Enstatit, Pigeonit, Augit und Anorthit, Oxide wie Spinell, Chromit, Ilmenit, die Ni-Fe-Legierungen Kamacit und Taenit, die Sulfide Troilit und Pentlandit sowie seltener Oldhamit, Niningerit, Daubréelith und Caswellsilverit, die Phosphide Schreibersit und Perryit und die Carbide Cohenit und Haxonit.[8]
Insgesamt bildeten sich bei der Entstehung der Chondrite durch Resublimation, Reaktionen von Mineralen mit der Gasphase, Festkörperreaktionen und Kristallisation aus Schmelzen rund 60 verschiedene Minerale.[8]
Mit der ersten Bildung der Chondrite setzte vor 4,56 bis 4,55 Milliarden Jahren die weitere Aggregation zu Planetenvorläufern, Planetesimale, ein. Die in den größeren Himmelskörpern einsetzenden Prozesse führten zur Bildung von rund 200 weiteren Mineralen. Erste Schichtsilikate (Chlorite, Talk, Serpentine und andere), einige Hydroxide, Sulfate und Carbonate sowie Halit bildeten sich bei der Umwandlung der Olivine und Pyroxene durch wässrige, salzhaltige Lösungen bei Temperaturen meist unter 100 °C.[8]
Kollisionen der frühen Himmelskörper führte zur Bildung erster Hochdruckminerale wie Majorit, Akimotoit, Bridgmanit, Wadsleyit, Ringwoodit, Coesit und Stishovit.[8]
Erreichten die Planetesimale eine kritische Größe von ca. 200 km Durchmesser, begannen sie sich im Inneren durch den Zerfall radioaktiver Isotope aufzuheizen. In der Folge bildeten sich metallische und silikatische Schmelzen und die Trennung eines eisenreichen Kerns und einer silikatischen Kruste geringerer Dichte setzte ein. Bei der fraktionierten Kristallisation der basaltischen Schmelzen kristallisierten Oxide wie Chromit, Pyroxene, sowie Plagioklase, Titanit, Zirkon, Kalifeldspat und Quarz. Die metallischen Kerne führten neben Fe-Ni-Legierungen und Sulfiden auch Phosphide (Schreibersit, Barringerit) sowie zahlreiche Phosphate wie Graftonit und Sarcopsid, Buchwaldit, Farringtonit, Johnsomervilleit, Panthit, Chladniit und Brianit.[8]
Die zweite, rund 2 Milliarden Jahre andauernde Ära ist geprägt von magmatischen Prozessen und einer sauerstoffarmen Atmosphäre. Sie beginnt vor ungefähr 4,5 Milliarden Jahren mit dem großräumigen Einsetzen von fraktionierter Kristallisation ursprünglich basaltischer Schmelzen und dadurch entstehenden Graniten und kontinentaler Kruste, beginnender Plattentektonik und großräumiger Metamorphose und endet nach der Entstehung ersten Lebens mit dem Auftreten von sauerstoffbildenden Algen. Knapp die Hälfte der bekannten Minerale wurde durch diese Prozesse gebildet.[8]
Diese bis heute andauernde Ära der Mineralevolution ist geprägt von biologischen Prozessen und einer sauerstoffreichen Atmosphäre. Sie setzte vor 2,5 Milliarden Jahren mit der Großen Sauerstoffkatastrophe ein. Die Bildung knapp der Hälfte aller heute bekannten Minerale, vorwiegend Oxyde und Hydroxyde, Erzminerale, wurde direkt oder indirekt durch die biologisch hervorgerufene Anreicherung von freiem Sauerstoff in der Atmosphäre ermöglicht.[8]
Lebewesen können auch direkt kristalline Verbindungen bilden. Diese Produkte der Biomineralisation sind keine Minerale im Sinne der Definition der IMA, auch wenn sie in Struktur und Zusammensetzung natürlich gebildeten Mineralen gleichen. Beispiele für solche biologischen Mineraläquivalente sind:
Auch die zahlreichen von Menschen hergestellten kristallinen Verbindungen sind keine Minerale im Sinne der IMA, auch wenn sie natürlichen Mineralen gleichen. In der Technischen Mineralogie werden für diese synthetischen Mineraläquivalente dennoch die Mineralnamen verwendet. So entstehen z. B. bei der Trinkwasseraufbereitung bei der Elimination von Eisen(II)- und Manganionen Goethit und δ-MnO2, Calcit kann bei Enthärtungsreaktionen (Entkarbonisierung) gebildet werden. Bei der Abwasserbehandlung können bei ausreichend hohen Phosphatkonzentrationen in den Abwasserbehandlungsanlagen wasserklare Kristalle von Struvit, einem Ammonium-Magnesiumphosphat, entstehen. Diese können den Querschnitt von Leitungen verengen. Bei der Korrosion von Stahl und Gusseisen im Kontakt mit Wasser können je nach Wasserbeschaffenheit Goethit, Magnetit und Lepidokrokit, bei höherer Karbonathärte auch Siderit, in phosphathaltigen Wässern Vivianit, in sulfathaltigen Wässern Troilit und in schwefelwasserstoffhaltigen Wässern Greigit gebildet werden. Aus Kupfer kann sich Cuprit, Malachit oder Azurit bilden, während aus Blei hauptsächlich Hydrocerussit entsteht.
Bestimmung mit bloßem Auge:
Bestimmung mit der Polarisationsmikroskopie in Durchlicht:
Bestimmung mit der Polarisationsmikroskopie im Auflicht (Erzmikroskopie):
Bestimmung mit speziellen Mikroskopen:
Schwefelhaltige Minerale lassen sich oft am Geruch erkennen, der beim Anschlagen entsteht.
Die Unterscheidung von Halit und Sylvin erfolgt traditionell dadurch, dass letzterer bitter schmeckt.
Jedes Mineral ist nur unter bestimmten Druck-Temperatur-Bedingungen thermodynamisch stabil. Außerhalb seines Stabilitätsbereiches wandelt es sich mit der Zeit in die dort stabile Modifikation um. Einige Phasenumwandlungen erfolgen schlagartig beim Verlassen des Stabilitätsfeldes (zum Beispiel Hochquarz-Tiefquarz), andere sind kinetisch gehemmt und dauern Millionen Jahre. Teilweise ist die Aktivierungsenergie sogar so hoch, dass die thermodynamisch instabile Modifikation als metastabile Phase erhalten bleibt (zum Beispiel Diamant-Graphit). Diese Hemmung der Reaktion führt zu einem „Einfrieren“ des thermodynamischen Gleichgewichts, das zu einem früheren Zeitpunkt herrschte. Daher liefert der Mineralbestand eines Gesteins Informationen über die Bildung und Entwicklungsgeschichte eines Gesteins und trägt damit zur Kenntnis des Ursprungs und der Entwicklung des Planeten Erde bei (siehe auch Präsolares Mineral).
Mineralische Rohstoffe werden in Energierohstoffe, Eigenschaftsrohstoffe und Elementrohstoffe unterteilt. Energierohstoffe sind zum Beispiel die Minerale Uraninit und Thorit als Kernbrennstoffe. Eigenschaftsrohstoffe werden ohne chemische Zerlegung in der Technik verwendet, darunter fallen zum Beispiel Quarz für die Glas- und Tonminerale für die keramische Industrie. Elementrohstoffe werden mit dem Ziel abgebaut, ein bestimmtes chemisches Element zu gewinnen. Handelt es sich dabei um ein Metall, so spricht man von einem Erz. Eine Anreicherung von Rohstoffen bezeichnet man als Lagerstätte, wenn sie wirtschaftlich abbaubar ist. Der Begriff ist somit ökonomisch, nicht wissenschaftlich geprägt: Ob ein gegebenes Vorkommen kommerziell ausgebeutet werden kann, hängt von den Abbau- und Aufbereitungskosten und dem Marktwert des enthaltenen Metalls ab – während der Eisenanteil von Mineralen bei bis zu 50 % liegen muss, um einen finanziellen Gewinn zu erzielen, reichte im Jahr 2003 bei dem wesentlich wertvolleren Platin bereits ein Anteil von 0,00001 % dazu aus. Neben der Gliederung nach der Verwendung des Rohstoffs ist auch eine Klassifizierung nach der Entstehung üblich. Sedimentäre Lagerstätten, wie zum Beispiel die gebänderten Eisenerzformationen, bildeten sich durch Fällungsreaktionen bei Änderung von pH-Wert, Druck und Temperatur oder durch den Einfluss von Bakterien oder durch Verwitterungsprozesse und den Transport von Mineralen aus ihrem ursprünglichen Entstehungsgebiet und ihre Ablagerung als (Seifen), zum Beispiel von Seifengold, am Grund von Flüssen, Seen oder flachen Meeren. Hydrothermale Lagerstätten bilden sich, indem Oberflächen- oder Tiefenwässer bestimmte Elemente aus den umgebenden Gesteinen lösen und diese an anderer Stelle ablagern oder aus Restfluiden nach der Erstarrung eines Magmas. Magmatische Lagerstätten entstehen durch die Kristallisation eines Magmas. Ein Beispiel sind viele Platin- und Chromit-Lagerstätten. Metamorphe Lagerstätten entstehen erst durch die Umwandlung von Gesteinen, zum Beispiel Marmor-Lagerstätten.
Einige Minerale finden als Schmuck Verwendung. Wenn sie transparent sind und ihre Härte größer als 7 ist, bezeichnet man sie als Edelsteine, andernfalls als Schmucksteine. 95 Prozent des weltweiten Umsatzes auf diesem Markt wird mit Diamanten erzielt, der Rest fast überwiegend mit Saphiren, Smaragden, Rubinen und Turmalinen. Um die durch Farbe und Glanz beeinflusste Schönheit eines Schmucksteins zur Geltung zu bringen, muss er geschliffen und poliert werden. Dazu existieren zahlreiche verschiedene Schliffformen: Durchsichtige oder durchscheinende Varietäten werden in der Regel mit Facettenschliffen versehen, bei denen meist in festen Winkelbeziehungen zueinanderstehende Flächen, die sogenannten Facetten, die Lichtreflexion maximieren. Undurchsichtige Minerale erhalten hingegen glatte, einflächige Schliffe. Der Asterismuseffekt eines Sternsaphirs beispielsweise lässt sich nur durch den Cabochonschliff erzielen. Das Feuer eines im Brillantschliff geschliffenen Diamanten hängt in der Hauptsache von der Einhaltung bestimmter Winkelverhältnisse der einzelnen Facetten ab und entsteht durch die Aufspaltung des weißen Lichtes in die einzelnen sichtbaren Farben (Dispersion).
Einige Minerale finden auch als Mittel zur Körperpflege Verwendung. Lavaerde beispielsweise, ein gemahlener Ton, der reich an Tonmineralen der Saponitgruppe ist, wird bereits seit der Antike als Körper- und Haarreinigungsmittel verwendet. Andere Minerale, wie zum Beispiel Talk, dienen ebenso als Rohstoff in der bildenden Kunst wie auch medizinischen Zwecken (Pleurodese, Gleitmittel bei der Tablettenherstellung).
In vielen alten Kulturen, aber auch in der modernen Esoterik schrieb und schreibt man bestimmten Mineralen gewisse Schutz- und Heilwirkungen zu. Beispielsweise galt bereits im Alten Ägypten der Karneol aufgrund seiner an Blut erinnernden Farbe als „Lebensstein“ und spielte bei Bestattungsritualen wie auch als Schutz- und Schmuckstein der Pharaonen eine entsprechende Rolle. Legendär sind auch die angeblichen Heil- und Schutzkräfte des Bernsteins, die schon von Thales von Milet und Hildegard von Bingen beschrieben wurden.
Minerale können auch als Sammelobjekt von Bedeutung sein, entweder in wissenschaftlichen Mineralsammlungen zur Darstellung des Mineralbestands eines Fundortes (Typmaterial) oder für private Hobbysammler, die sich auf Fundortsammlungen oder verschiedene systematische Sammlungen spezialisiert haben. Aufgrund der Seltenheit vieler Minerale, die zudem oft nur in sehr kleinen Proben zu bekommen sind, sammeln Privatsammler mit Spezialisierung auf systematische Sammlungen aus Platz- und Kostengründen gerne auch Micromounts.
David Barthelmy: Mineralogy Database. In: webmineral.com. (englisch).
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