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Mineral

Handstück mit ineinander verwachsenen Pyritkristallen, 11 Zentimeter lang

Als Mineral (Mehrzahl: Minerale, auch Mineralien) definieren Mineralogen natürlich vorkommende Feststoffe mit einer einheitlichen chemischen Zusammensetzung und einem auch auf mikroskopischer Ebene gleichförmigen Aufbau. Die meisten Minerale sind kristallin.

Die Mehrzahl der heute bekannten ca. 4.000 Minerale sind anorganisch, es sind aber auch wenige organische Minerale bekannt. Die Lehre von den Mineralen ist die Mineralogie.

Alle Gesteine der Erde und anderer Himmelskörper sind aus Mineralen aufgebaut. Am häufigsten kommen etwa dreißig Minerale vor, die so genannten Gesteinsbildner. Der spezifische Mineralinhalt eines Gesteins liefert 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).

Nach ihrer Entstehung lassen sich Primärminerale und Sekundärminerale unterscheiden: Erstere entstehen zur selben Zeit wie das Gestein, dessen Teil sie sind, letztere werden dagegen erst durch chemische Verwitterung oder Metamorphose aus den Primärmineralen gebildet.

Struktur und Form

Lapislazuli, 3 Zentimeter lang

Fast alle Minerale treten in der Natur als kristalline Feststoffe auf, sehr wenige dagegen als amorphe Stoffe, die dem Glas vergleichbar sind. Gediegenes, das heißt elementares, Quecksilber und Wasser, die flüssige Modifikation des Eises, stellen die einzigen Flüssigkeiten dar, die zu den Mineralen gezählt werden.

Frei kristallisierte Minerale zeigen äußerlich eine feste geometrische Form mit wohldefinierten natürlichen Flächen, die in festen Winkeln zueinander stehen. Dies wird auch als Gesetz der Winkelkonstanz bezeichnet. Die symmetrische Anordnung der Flächen ist Ausdruck der inneren Struktur eines kristallinen Minerals: Es zeigt eine wohlgeordnete Atomstruktur, die durch vielfach wiederholte Aneinanderreihung so genannter Elementarzellen entsteht, die die kleinste Struktureinheit des Minerals ausmachen. Man unterscheidet aufgrund der inneren Symmetrie sechs bis sieben Kristallsysteme, nämlich das kubische, das hexagonale, das trigonale, das tetragonale, das orthorhombische, das monokline und das trikline System. Hexagonales und trigonales System werden von manchen Mineralogen gelegentlich zusammengefasst.

Durch ungleichmäßiges Kristallwachstum können so genannte Zwillinge entstehen, das sind zwei aus einem Urkristall hervorgegangene miteinander verwachsene Kristalle, die sich, bestimmten Gesetzen gemäß, symmetrisch zueinander verhalten.

Mineral-Erkennung und Eigenschaften

Die Erkennung eines Minerals kann in vielen Fällen auf Grund einiger weniger Eigenschaften wie Kristallform, Härte, Farbe, Bruchverhalten usw. erfolgen. In manchen Fällen sind jedoch weitergehende chemische Analysen, optische Tests oder Röntgenstrukturuntersuchungen zur Identifikation eines Minerals notwendig. Eine wichtige Analysemethode der Mineralogie ist die Durchleuchtung eines Mineral-Dünnschnitts im Polarisationsmikroskop, wo sich die unterschiedlichen chemischen und strukturellen Eigenschaften des Minerals im optischen Verhalten zeigen.

Wichtige Eigenschaften eines Minerals sind:

die Farbe: Sie wird durch die chemische Zusammensetzung eines Minerals, insbesondere durch kleinere Verunreinigungen oder Fehlordnungen im Gitter, beeinflusst. So lässt sich beispielsweise Zinnober an seiner blutroten Färbung erkennen.
die Strichfarbe: Sie ist die Farbe des pulverförmigen Minerals, die sich oft von der Färbung seiner Oberfläche unterscheidet. Hämatit lässt sich immer an seiner eisenroten Strichfarbe erkennen. Der Strich wird üblicherweise an einem unglasierten Keramikplättchen geprüft.
der Glanz: Durch die Art, wie Licht an der Oberfläche eines Kristalls reflektiert oder absorbiert wird, ergibt sich sein Glanz. Beim metallisch glänzenden Bleiglanz ist er sogar namensgebend.
die Transparenz: Manche Minerale sind für Licht vollkommen durchlässig wie die Bergkristall genannte Quarz-Varietät. Viele metallische Erze wie z.B. der Kupferkies sind dagegen undurchsichtig, was auch als opak bezeichnet werden kann.
die Dichte: Sie hängt von der chemischen Zusammensetzung und Struktur ab. So lässt sich Zinnober von Realgar durch seine durch den Gehalt an schwerem Quecksilber wesentlich höhere Dichte unterscheiden. Wird die Dichte auf die Dichte von Wasser bezogen, so wird sie relative Dichte genannt und ist dann einheitenlos.
die Härte: Sie wird durch die Stabilität der chemischen Bindungen im Mineral bestimmt und durch ihre Ritzbeständigkeit ermittelt. Angegeben wird sie in der Mineralogie durch ihren Wert auf der Mohs-Skala, die von eins (sehr weich, Beispiel Talk) bis zehn (sehr hart, Beispiel Diamant) reicht.
die Spaltbarkeit: Sie beschreibt Kristallebenen, zwischen denen nur schwache Kräfte bestehen und an denen daher der Kristall gespalten werden kann. Beispielsweise hat Calcit drei Spaltebenen und ist so sehr vollkommen spaltbar. Quarz besitzt dagegen gar keine Spaltebene.
das Bruchverhalten: Bricht ein Mineral nicht entlang seiner Spaltebenen, treten oft charakteristische Bruchstrukturen auf. Beispiele sind der muschelige Bruch von Dolomit und der faserige Bruch von Kyanit.
die Lumineszenz: Sie ist ein Sammelbegriff für die verschiedenen Arten des Aufleuchtens einer Substanz unter Einwirkung irgendeiner Strahlung mit Ausnahme der reinen Wärmestrahlung (z. B. Fluoreszenz, Phosphoreszenz).
der Magnetismus: Das magnetische Verhalten von Mineralen ist verschieden: Es gibt selbst anziehende Minerale (z. B. Magnetit), von Magneten angezogene Minerale (z. B. Magnetkies) und magnetisch neutrale Minerale. Bestimmt wird diese Eigenschaft mittels einer Kompassnadel.
die Zähigkeit: Fachsprachlich auch Tenazität genannt versteht man darunter bei Mineralen die Sprödigkeit, Dehnbarkeit und Elastizität. Für einzelne Minerale kann die Zähigkeit ein Bestimungsmerkmal sein, ist jedoch meist dem Spezialisten vorbehalten.
die Flammenfärbung: Einige Elemente verfärben eine Flamme. Diese Eigenschaft wird in der Flammenprobe verwendet, um auf die chemische Zusammensetzung eines Minerals zu schließen. Gasbrenner sind in abgedunkelten Räumen dazu am Besten geeignet.
die Radioaktivität: Dies ist die Eigenschaft, hochenergetische Strahlung ohne Energiezufuhr auszusenden. Man unterscheidet traditionell drei Arten von Strahlen: Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Die Strahlenmessung erfolgt mit einem so genannten Geigerzähler. Radioaktivität ist auch in niedrigen Dosen potentiell gesundheitsschädlich.
der Pleochroismus: Bei einigen durchsichtigen Mineralen sind die Farben und Farbtiefen in verschiedenen Richtungen unterschiedlich. Erscheinen zwei Farben nennt man dies Dichroismus, bei drei Farben Trichroismus bzw. Pleochroismus. Die Bezeichnung wird auch als Sammelbezeichnung für beide Arten der Mehrfarbigkeit verwendet.
die Schmelzbarkeit: Sie beschreibt das Verhalten vor dem Lötrohr, d.h. die Schmelzreaktion.

Systematik der Minerale

In der modernen Systematik werden Minerale nach ihrer chemischen Zusammensetzung und Kristallstruktur klassifiziert und in neun Mineralklassen eingeteilt:

1. Elemente: gediegene Elemente sind Minerale, die in der Natur in freier, ungebundener Form vorliegen. Hierzu zählen 23 Elemente (18 Metalle und 5 Nichtmetalle), sowie ihre Modifikationen und Legierungen.

Beispiele: Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au), Eisen (Fe), Schwefel (S), Graphit (C), Diamant (C), Hapkeit, Moissanit (SiC), Schreibersit

Sulfide - hier im Reagenzglas hergestellt; von links: Niederschläge aus dem Kationentrenngang von Mangan(II)-, Cadmium(II)-, Kupfer(II)-, Zink(II)-, Antimon(III)-, Bismut(III)-, Blei(II)- und Zinn(IV)-Sulfid

2. Sulfide und Sulfosalze: Sulfide und Sulfosalze bestehen aus einer Verbindung von Schwefel, Selen, Tellur, Arsen, Antimon und Bismut. Hierzu zählen etwa 600 Mineralien.

Beispiele: Galenit (Bleiglanz), Pyrit, Sphalerit (Zinkblende ZnS), Cinnabarit (Zinnober)

3. Halogenide: Die etwa 140 Halogenide bestehen aus einer Verbindung mit den Halogenen Fluor, Chlor, Brom oder Iod mit Kationen wie Natrium oder Calcium.

Beispiele: Fluorit, Halit, Salmiak, Sylvin

4. Oxide und Hydroxide:

Korund (Rubin)

Aus der Verbindung von Metallen oder Nichtmetallen mit Sauerstoff oder Hydroxylgruppen (OH^- -Gruppen) entstehen die etwa 400 Oxide bzw. Hydroxide (auch Oxyde genannt).

Beispiele: Spinell, Hämatit, Magnetit, Korund, Pechblende, Goethit. Auch das Eis zählt in der Mineralogie dazu.

5. Karbonate, Nitrate, Borate: Hierzu zählen die Salze der Salpetersäure, Kohlensäure und Borsäure.

Beispiele: Aragonit, Azurit, Dolomit, Calcit, Malachit, Borax, Sassolin

6. Sulfate, Selenate, Tellurate, Chromate, Molybdate, Wolframate: Hierzu zählen die Salze der Schwefelsäure, Chromsäure, Molybdänsäure und Wolframsäure, außerdem die Selenate und Tellurate mit zweiwertigen tetraedrischen Komplexionen (Bsp. [SO₄]^2-). Die Gruppe umfasst etwa 700 Mineralien.

Beispiele: Anhydrit, Gips, Apatit, Türkis, Carnotit, Legrandit, Wulfenit, Wolframit

7. Phosphate, Arsenate, Vanadate:

Türkiskiesel, ca. 2,5 cm groß

Zu dieser Gruppe zählen alle Minerale mit dem Säurerest H₃XO₄, wobei X für Phosphor, Vanadium, Arsen stehen.

Beispiele: Adamin, Berlinit, Descloizit, Fluorapatit, Mottramit, Pyromorphit, Türkis

8. Silikate (und Germanate): Die Silikate mit ihren vielen gesteinsbildenden Mineralen stellen die größte Klasse dar, in denen der [SiO₄]^4--Tetraeder einen wesentlichen Baustein darstellt. Hinzugezählt werden außerdem noch die sehr seltenen Germanate.

Beispiele: Almandin, Zirkon, Andalusit, Topas, Beryll, Cordierit, Epidot, Zoisit

9. Organische Minerale: Hierzu zählen Salze organischer Säuren, aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe, stickstoffhaltige Verbindungen (Amide organischer Säuren oder Heterocyclen) und Harze.

Beispiele: Abelsonit, Mellit, Evenkit

Bernstein wird von der IMA nicht als Mineral anerkannt!

Eine systematische Übersicht alle Minerale findet sich in der Systematik der Minerale, eine alphabetische in der Liste der Minerale. Die verwandte Liste der Gesteine deckt Artikel zu individuellen Gesteinen ab.

Gesteinsbildende Minerale

Die meisten Gesteine setzen sich zum Großteil aus einer nur relativ kleinen Anzahl von Mineralen zusammen, den etwa dreißig Gesteinsbildnern, enthalten daneben aber noch kleinere Mengen an selteneren Bestandteilen. So werden mehr als neunzig Prozent der Erdoberfläche von Silikatmineralen wie Olivine, Pyroxene, Amphibole, Feldspate oder Quarz gebildet. Sie finden sich in magmatischen, metamorphen und auch in tonreichen Sedimentgesteinen. Weitere bedeutende Mineralgruppen sind die Carbonate, die ebenfalls in wichtigen Sedimentgesteinen wie beispielsweise Kalkstein enthalten sind und die Oxide, darunter z. B. Hämatit.

Erzlagerstätten

Mineralablagerungen, die zur Metallgewinnung wirtschaftlich abgebaut werden können, bezeichnet man als Erze. Der Begriff ist somit ökonomisch, nicht wissenschaftlich geprägt: Ob eine gegebene Lagerstätte kommerziell ausgebeutet werden kann, hängt von den Abbau- und Aufbereitungskosten und dem Marktwert des enthaltenen Metalls ab - während der Eisenanteil von Mineralablagerungen 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.

Erzlagerstätten können auf sehr verschiedene Weise entstehen:

Riesige Ablagerungen von Eisenerz, die so genannten gebänderten Eisenerzformationen, wurden vor 3650 bis 1800 Millionen Jahren in der Zeit des Archaikums und frühen Proterozoikums vermutlich durch den Einfluss von Bakterien als Sedimente abgelagert.
Durch Verwitterungsprozesse können Minerale aus ihrem ursprünglichen Entstehungsgebiet verbracht werden und sich konzentriert als Sedimente, besonders als (Seifen) am Grund von Flüssen, Seen oder flacher Meere absetzen. Ein Beispiel sind Ablagerungen von so genanntem Seifengold, das traditionell durch Waschen aus Flusssand gewonnen wird.
Wenn heißes Grundwasser, das sich in der Tiefe beim Kontakt mit magmatischer Schmelze mit Mineralen angereichert hat, durch Risse und Spalten zur Oberfläche vordringt, lagern sich mit sinkender Temperatur und sich veränderndem pH-Wert im umgebenden Gestein nacheinander verschiedene Mineralformationen ab, die auf diese Weise die so genannten Hydrothermaladern bilden.
Auf ähnliche Weise, nur oberirdisch, entstehen Erze, wenn das mineralreiche Wasser an Thermalquellen zu Tage tritt.

Biomineralisation

Mineralbildungen spielen auch in Lebewesen eine wichtige Rolle. Weil die entstehenden Produkte manchmal sehr gut, oft aber nur schlecht oder gar nicht kristallisiert sind, werden einige anorganische Komponenten mit ihrer chemischen Bezeichnung aufgeführt; der Mineralname ist gegebenenfalls in Klammern hinzugefügt.

Calciumcarbonat ist in Form von Calcit oder Aragonit in der belebten Natur ein Vielzweck-Werkstoff und dient als mineralische Komponente von Eier- oder Muschelschalen. Auch einige Mikroorganismen wie die Kammerlinge (Foraminifera) und die Coccolithophoriden bilden kalkhaltige Schalen.
Calciumphosphate haben eine besonders große Bedeutung in der belebten Natur: Hydroxylapatit ist die wichtigste anorganische Komponente von Knochen, Fluorapatit und Hydroxylapatit sind die Hauptkomponenten des Zahnschmelzes von Säugetieren.
Magnetit dient Lebewesen als Kompass zur Orientierung im Erdmagnetfeld. Dies hat man zunächst bei magnetotaktischen Bakterien festgestellt. Auch bei Insekten, Weichtieren, Fischen, Vögeln und Säugetieren hat man inzwischen Magnetit nachgewiesen.
Siliziumdioxid wird in amorpher Form als Gerüstsubstanz in Pflanzen eingebaut; Kieselalgen und Strahlentierchen benutzen diese Substanz zum Aufbau ihres Kieselskeletts.

Verwendung

Schmuck

Diamanten im Brillantschliff

Seltene Minerale, die aufgrund ihrer Härte, Färbung oder ihres Glanzes als schön empfunden werden und deshalb als Schmuck dienen, sind als Schmucksteine, umgangssprachlich auch als Halbedelsteine bekannt. Mit ihnen befasst sich wissenschaftlich die Gemmologie. Die wertvollsten Schmucksteine wie zum Beispiel Diamant, Rubin, Smaragd oder Saphir heißen auch Edelsteine. (Unter diesen Begriff fallen allerdings auch Nicht-Minerale wie Bernstein.) Aufgrund ihres hohen Preises werden Edelsteine heute teilweise synthetisch hergestellt.

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 so genannten Facetten, die Lichtreflexion maximieren. Undurchsichtige Minerale erhalten hingegen glatte, einflächige Schliffe. Der Asterismuseffekt eines Sternsaphirs beispielsweise lässt sich nur durch den so genannten Cabochonschliff erzielen. Das Feuer eines im Brillantschliff geschliffenen Diamanten hängt in der Hauptsache von der Einhaltung bestimmter Winkelverhältnisse der einzelnen Facetten sowie von seinen Proportionen ab.

Reinigungsmittel

Das gemahlene Tonmineral Lavaerde aus dem marokkanischen Atlasgebirge wird bereits seit der Antike als Körper- und Haarreinigungsmittel verwendet.

Nahrungsmittel

Minerale, in den Biowissenschaften oft auch Mineralstoffe genannt, haben zahlreiche Aufgaben im Körper von Lebewesen, sie können von ihm nicht selbst hergestellt werden und müssen daher von außen zugeführt werden. Auf- und Abbau von Zellen, zahlreiche Stoffwechselreaktionen sowie Ausscheidung von Sekreten oder Wasser sind aus osmotischen Gründen mit der Abgabe von Mineralien verbunden. Sie beeinflussen unter anderem den osmotischen Druck, Löslichkeitsbedingungen, Puffersysteme, Reizübertragungen sowie enzymatische Reaktionen. → weiter siehe Hauptartikel Mineralstoff)

Reaktionspartner und Reaktionsprodukte

Die Mineralogie hat entscheidend zum besseren Verständnis von Reaktionsabläufen beigetragen. Dies gilt vor allem für die abiotischen und mikrobiellen chemischen Reaktionen im Wasserkreislauf, bei der Trinkwasseraufbereitung und bei der Korrosion.

Im Wasserkreislauf kommt das Wasser mit zahlreichen Mineralen in Kontakt. Als Reaktionspartner spielen vor allem Calcit, Pyrit und Tonminerale eine größere Rolle: Das erste ist Reaktionspartner bei der Neutralisation von Säuren einschließlich Kohlensäure unter Bildung von Wasserhärte, das zweite wirkt als Reduktionsmittel bei der bakteriellen Elimination von Nitrat durch Denitrifikation, während Tonminerale Neutralisationsreaktionen bei niedrigen pH-Werten und Ionenaustauschreaktionen bewirken können.

Bei der Trinkwasseraufbereitung entstehen als Reaktionsprodukte bei der Elimination von Eisen(II)- und Manganionen Goethit und δ-MnO₂, Kalzit 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.

Minerale in der Esoterik

Vielen Mineralen wird in der Esoterik eine Bedeutung als Symbol- oder Heilstein zugesprochen. So werden unter anderem verschiedenen Gestirnen, Tierkreiszeichen und Monaten bestimmte Minerale oder Gesteine zugeordnet:

Planetensteine

Sonne - Diamant, Chrysoberyll
Mond - Mondstein, Perle, Smaragd
Merkur - gelber Saphir, Topas
Venus - orange-gelber Saphir (Hyazinth)
Mars - roter Granat, Rubin
Jupiter - Amethyst, Lapislazuli, blauer Saphir
Saturn - Aquamarin, blauer Spinell, Quarz, Tigerauge
Uranus - Amazonit, Aquamarin, Malachit, Chrysoberyll
Neptun - Ametyst, Diamant, Fluorit, Opal, Quarz
Pluto - Almandin, Blutstein, Obsidian, Pyrop, Zirkon

Tierkreiszeichensteine

Wassermann - Falkenauge, Türkis
Fische - Amethyst
Widder - roter Jaspis oder Karneol
Stier - oranger Karneol, Rosenquarz
Zwillinge - Citrin, Tigerauge
Krebs - grüner Aventurin-Quarz, Chrysopras
Löwe - Bergkristall, goldgelber Quarz
Jungfrau - gelber Achat, gelber Citrin
Waage - oranger Citrin, Rauchquarz
Skorpion - roter Karneol (Sarder)
Schütze - Blauquarz, Chalcedon
Steinbock - Onyx, Katzenaugen-Quarz

Monatssteine

Januar - Granat, Rosenquarz
Februar - Amethyst, Onyx
März - Aquamarin, Heliotrop (Blutjaspis)
April - Bergkristall, Diamant
Mai - Chrysopras, Smaragd
Juni - Mondstein, Perle
Juli - Karneol, Rubin
August - Aventurin, Peridot
September - Lapislazuli, Saphir
Oktober - Opal
November - Tigerauge, Topas
Dezember - Türkis, Zirkon

Literatur

Deer, W.A., Howie, R.A., und Zussman, J.: Orthosilicates, Band 1 aus: Rock-forming minerals. Longman, London, 2. Ausgabe, 1982.
Rösler, H. J.: Lehrbuch der Mineralogie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1991 ISBN 3342002883
Kleber, W.: Einführung in die Kristallographie, Oldenbourg, 18. bearb. Aufl. 1998, ISBN 3486273191
Edition Dörfler: Mineralien Enzyklopädie, Nebel Verlag, ISBN 3-89555-076-0
Stefan Weiß: Das große Lapis Mineralienverzeichnis. 4. Auflage. Christian Weise Verlag, München 2002, ISBN 3-921656-17-6
Landmann, Dr. Andreas: Edelsteine und Mineralien, Verlag EDITION XXL, Aufl. 2004. ISBN 3-89736-705-X
Schumann, Prof. Dr. Walter: Edelsteine und Schmucksteine, BLV Verlags GmbH (11. Aufl. 1999), ISBN 3-405-15808-7