Minarel Bilimi

Mineral Bilimi

Mineral Bilimi, mineraloji olarak da bilinir; mineraloji kelimesi ‘mineralis’ kelimesinden gelir. Latince yer kabuğundan çıkarılan anlamındadır. Mineraloji doğal olarak meydana gelen ve mineral olarak adlandırılan inorganik katı maddeleri incelemektedir. Bunlar dünyadan ya da dünya dışından olabilir.
Mineral bilimi 5 alt disiplin tarafından kuşatılmıştır. Burada betimsel mineraloji ile başlayıp saat yönünde giderek Şekil2 deki diğer kategorilere değineceğiz.

1.2 Betimsel Mineraloji: Bir minerali tanımlayabilmek ve fiziksel özelliklerini incelemek amacıyla gerekli işlemleri içerir. Bir mineralin kristal şekli, sertliği, rengi, özgül ağırlığı vb. gibi özelliklerinin incelenmesini amaçlamaktadır[1].

1.2.1 Minerallerin Fiziksel Özellikleri:
Minerallerin fiziksel özellikleri yöne bağlı ve yöne bağlı olmayan olmak üzere ikiye
ayrılır.
1.2.1.1 Skaler Özellikler: Her yönde aynı olan yani özgül ağırlık gibi yönlere bağlı olmayan özelliklerdir. Fiziksel özellikler yöne göre değişmiyorsa bu minerallere ”izotrop mineraller” denir.
1.2.1.2 Vektörel Özellikler: Dilinim,sertlik gibi minerallerin yönlere bağlı olarak değişen özellikleridir. Özellikleri yönlere göre değişmeyen minerallere ”anizotrop mineraller” denir[14].

1.2.1.2.a) Dilinim-Yarılma-Kırılma: Bir maddeye etki eden kuvvetler dilinim, yarılma ve kırılma meydana getirebilirler. Bu durum kristalin atom yapısına, atom dizilişlerine ve yapısal kusurların varlığına bağlıdır. Mineralin uygulanan kuvvete karşı gösterdiği tepki bağ türleri açısından oldukça önemlidir. Eğer mineralin yapısında kusurlar bulunuyorsa daha kolay deformasyona uğrar ve daha kolay bir şekilde kırılmaya uğrar. Bunun nedeni kristalin belirli yönlerinde, diğer yönlerine oranla daha zayıf ya da az sayıda bağların olmasıdır.

Minerallerin atomik düzlemlerine paralel olarak gösterdikleri düz yüzeyli levhalara ayrılma eğilimine dilinim denir. Kristalin iç yapısına bağlı olarak sadece atomik düzlemlere paralel olarak meydana gelir.
Şekil 1.3 Dilinim Çeşitleri.

(a)kübik (b)oktaedral (c)dodekaedral (d)romboedral (e)prizmatik (pinekoidal) (f)bazal

Minerallerde zayıf yapısal düzlemler boyunca görülen ayrılmaya yarılma denir. Bu zayıflıklar; basınç, ikizlenme sonucu görülebilir. Kristalografik düzlemlere paralel oldukları için dilinime benzerler fakat yarılma, dilinimden farklı olarak her numunede gözlenmez. Sadece ikizlenmiş ya da basınçtan etkilenmiş minerallerde gözlemlenir.

Şekil 1.4 Yarılma Şekilleri. a) Bazal yarılma (piroksen) b) Romboedral yarılma (korund)

Bir mineralin dilinim ve yarılma yüzeylerinin dışında kalan yüzeylerce ayrılmasına kırılma denir. Kırılma mineraller için oldukça önemli bir tanıtıcı özelliktir.

1.2.1.2.b) Sertlik: Mineralin düzgün yüzeyinin çizilmeye karşı gösterdiği dirence sertlik denir. Sertlik de mineralin kristal yapısıyla ilgilidir. 1824 yılında Avusturyalı mineralog F.Mohs, yeryüzünde en çok bulunan on tane minerali seçerek bunların sertliğini incelemiştir.
t

10 9 B 76 54 3 2 ]
Mohs ölçeği
Şekil 1.5. Mohs göreceli sertlik değerleri ile mutlak sertlik derecelerinin karşılaştırılması.

Atomları birbirine bağlayan güçler yönlere bağlı olarak değişebilirler. Bu yüzden de sertlik vektörel bir özellik gösterir. Kristaller değişik yönlerden farklı sertlikler gösterebilir. Yukarıdaki Mohs cetveline bakılarak kuvarsın diğer minerallere oranla sertliğinin orta dereceli olduğu görülmektedir.

1.2.1.2.c) Renk: Yeryüzündeki birçok mineralin rengi farklıdır ve bu minerali tanımlamada en basit ve kolay bir yolu olup, aslında renk mineraller için karakteristik bir özellik olmaktadır. Aslında renk, minerallerin makroskopik görünüşlerinden birisi olup, ilk bakışta hemen göze çarpan bir durumdur. Fakat minerallerin tayininde faydalanabilecek kesin bir kriter değildir; ancak renk özelliği bazı mineraller de ise çok tipiktir[14].

Mineraller renk özelliği dikkate alındığında 3 grupta ele alınır:

• Renksiz Mineraller: Gelen ışığın dalga boyu ile emilen ışığın dalga
boyu aynı ise; diğer bir deyişle, mineral üzerine gelen ışığın tamamı mineral tarafından emiliyorsa bu mineral renksiz görünür. Renksiz mineraller şeffaf olur. Bu tip minerallere örnek olarak; kaya tuzu, kalsit, barit, elmas verilebilir.

• Renkli Mineraller: Mineral üzerine gelen ışıkla, emilen ışık eşit
miktarda olmazsa yani ışığın bir kısmı mineral yüzeyinden yansıyarak göze gelirse, mineral kendine özgü rengini verir. Mineral renkleri, mineralin kendi maddesine veya kimyasal yapısına bağlı olduğundan önemli bir özelliktir. Mesela; kükürt sarı, zinober kırmızı, malakit yeşil, magnetit ise siyahtır. Renkli mineraller ışığı farklı yönlerde, farklı olarak emiyorlarsa “pleokroizma” denilen çok renklilik ortaya çıkar. Bu optik özellikleri bakımından anizotrop olan renkli veya renklenen mineraller için geçerlidir. Mesela kordiyorit bir yönde mavimsi iken diğer yönde sarı, üçüncü yönde ise mor renk gösterir. Mikroskop çalışmalarında; pleokroizma önemli bir rol oynar.
Şekil 1.6 Emilen ışığın bir kısmı floresans olarak tekrar yayınlanabilir.

Renklenen Mineraller: Mineral bünyesine, renk veren yabancı maddelerin (pigment) veya izomorf bir cismin karışması nedeniyle, karakteristik renginden farklı renk gösteren minerallere “renklenen mineraller” denir. Mesela saf sfalerit (ZnS) beyaz renklidir. Ancak izomorf FeS etkisi ile koyu renk alır. Renksiz olan kuvars beyaz görülünce “süt kuvars”, mor renkli göründüğünde ise “ametist” adını alır.

Beyaz ışık bir mineralin yüzeyine çarptığı zaman mineralden geçer, saçılır, yansır, kırılır veya absorbsiyona uğrar. Işığın kısmen saçılması ve yansıması, mineralde cila özelliği olarak algılanır. Eğer geçen ışık absorbsiyona uğrarsa, bu mineral renksiz görülür. Mineralden geçen ışığın sadece belirli dalga boyları emilebilir.Geriye kalan ve mineralden geçip, gözlemlenen dalga boylarındaki ışınların kombinasyonu ancak bir renk olarak algılanabilir.

Renk; mineral yapısındaki kusurlar sonucu da olabilir. Yapısal kusurlarda hapsedilen ve herhangi bir atoma bağlı olmayan bir elektron, renk meydana getirebilir. Herhangi bir elektronun eksik olması, herhangi bir boşluğun bulunması da renk oluşumunu destekleyen kristal hatalarıdır.

Bir atomda farklı kabuklarda ve yörüngelerde bulunan elektronların birbirinden farklı ve belirli enerji seviyeleri vardır. Elektromanyetik bir ışın bir malzeme ile etkileşince, dalgaboyları elektron seviyeleri arasındaki enerji farkına eşit olan ışınlar emilir ve bu elektronlar bir enerji seviyesinden başka bir seviyeye sıçrarlar. Renkli minerallerde belirli elektron seviyeleri arasındaki enerji farkı, görünen ışığın dalgaboyları aralığındadır. Bu nedenle beyaz ışık bir minerale çarptığı zaman belirli dalga boyları emilir yani spektrumdan çıkar ve bu da elektronların bu seviyeler arasında sıçramasına neden olur. Elektronlarla ilgili olan ve minerallerin renkli görünmesine neden olan olaylar; kristal alan geçişleri, yörünge geçişleri ve renk merkezleri olarak sınıflandırılırlar[11].

Şekil 1.7 Florit (CaF2)yapısının şematik görünümü Yapıdan bir F iyonun çıkıp yerini bir elektronun almasıyla renk merkezi meydana gelir.

1.2.1.2.d) Floresans: Bazı mineraller ışık altında kendi renginden farklı bir renk gösterirler. Bu olaya “floresans” denir. Şeelit mavimsi beyaz ışıma gösterirken, zirkon sarımsı ışıma gösterir. Işık etkisi kaldırıldığında ışıma hala devam ediyorsa bu olay “fosforesans” tır.
Buna en iyi örnek de fosfor’dur. Fluoresan mineraller X-ışını,UV veya elektron demeti ile ışınlanınca görünür ışık yayar. Fluoresans özelliği gösteren bazı mineraller elmas,fluorit,apatit ve kalsittir[14].

1.2.1.2.e) Parlaklık: Mineral cilası, kristal yüzeyinde görülen parıltıdır. Bir mineralin parlaklığı genellikle rengine bağlı değildir. Parlaklık daha çok mineralin yüzeyinden yansıyan ısınların kalite ve miktarına göre değişir.Parlaklığın şiddeti mineralin saydamlık ve yansıtma derecesine ve kristal yapısına bağlıdır. Diğer bir deyişle kristal yüzeylerinin veya dilinim düzlemlerinin düzgünlüğü ve pürüzsüz olması parlaklığı etkilemektedir.

Parlaklık, tabiatta bulunan cisimlerin parıltılarına benzetilerek isimlendirilir. Minerallerde en çok görülen parlaklık tipleri şunlardır:
1. Metalik parlaklık: Galen, pirit, kalkopirit,
2. Elmas parlaklığı: Elmas, korund,
3. Camsal parlaklık: Kuvars, topaz, barit, fluorit,
4. Reçine parlaklığı: Sfalerit,
5. Sedef parlaklığı: Talk, barit,
6. İpek parlaklığı: asbest, lifli jips,
7. Yağ parlaklığı: Kükürt, kasiterit, zirkon, nefelin, kordierit.

1.2.1.2.f) Çizgi Rengi: Sertliği 7 den düşük olan renkli mineraller ile üzeri sırlanmamış bir porselen üzerine bir çizgi çizilirse; bu mineral porselen levha üzerinde bir çizgi meydana getirir.Bu şekildeki renkli çizgiler minerallerin tanınmasında önemli bir rol oynarlar. Ancak minerallerin çizgi renkleri, kendi renklerine her zaman uymaz.Mesela; sarı renkli pirit siyah renkli bir çizgi verirken, sarı renkli kalkopirit yeşilimsi siyah renkli bir çizgi verir. Ayrıca açık renkli mineraller ile koyu silikatlerin çizgi renkleri beyaz ve beyaza yakın olduğundan, minerallerin çizgi renginin tayininde opak minerallerin çizgi rengi daha kesin olarak belirlenir.
■ Siyah ile gri çizgi rengi veren mineraller: Magnetit, pirit, galen, ilmenit, antimonit,
■ Kahverengi çizgi rengi veren mineraller: Kromit, wolframit, rutil, kasiterit, sfalerit,
■ Kırmızı çizgi rengi veren mineraller: Kuprit, zinober, hematit,
■ Diğer renkler: Kalkopirit: yesilimsi siyah, Orpiment: sarı, Realgar: turuncu.

1.2.1.2.g) Elektrik: Mineraller yalıtkan, iletken ve yarı iletken olabilirler. Altın ,gümüş ve bakır gibi element olarak bulunan mineraller elektriği iyi geçirirken, sülfitler iyi iletmezler. Silikat mineralleri yalıtkandırlar. Bazı mineraller sürtünme sonucunda elektriklenirler. Mesela kehribar veya kükürt sürtünmeyle negatif yükle elektriklenirken kuvars pozitif yükle yüklenir. Bazı mineraller de ısıtma ile elektriklenirler, bunlara örnek olarak turmalin verilebilir. Turmalin ısıtıldığında prizmatik kristalin bir ucu negatif, diğer ucu pozitif yükle yüklenir. Bu özelliğe sahip minerallere ‘piroelektrik’ adı verilir. Bazı mineraller ise düşük voltajda kendilerine özgü salınım yaparlar. Bu özelliğe sahip olan minerallere de ‘piezoelektrik’ adı verilir. Buna en iyi örnek de kuvars minerali verilebilir. Piezoelektrik özellikli kuvars lamelleri, telsiz,hassas saat yapımında kullanılır. Mıknatıs kutupları tarafından çekilen minerallere ‘paramanyetik’ mineraller, itilen minerallere de ‘diyamanyetik’ mineraller denir. Bileşiminde az veya çok demir bulunan mineraller paramanyetik özellikler gösterirler[14].

1.3 Kristalografi: Bu bilim dalı çok geniş bir çalışma alanına sahiptir. 1912’den bu yana
başlıca amacı organik ya da inorganik orijinli kristalin maddelerin içyapılarını araştırmak olmuştur[1].
İlk olarak 1985’te Wilhelm Conrad Roentgen tarafından X-ışını bulundu ve sonradan Max von Laue
tarafından X-ışının kırılması denendi. Kristalografiyi ilgilendiren, kristalin başlıca geometrik şekli, dış
simetrisi ve optik özellikleridir[12]. X-ışını çok yaygın bir şekilde X-ışını kırınım deneylerinde enerji
kaynağı olarak kullanılmaktadır. Ancak, elektron ışınları da elektron kırınım şekilleri elde etmek için
kullanılmaktadır. Modern kristalografik tekniklerin en önemli amacı krsital yapıyı belirlemek, bütün
atomların yerleri, bağlanma şekilleri ve bağlanma pozisyonları, iç simetrisi ve hücrenin kimyasal içeriği
hakkında bilgi sağlamaktadır[1].
1.4 Sınıflandırma: Yaklaşık 3800 mineral türü var olup, her birinin ayrı bir ismi bulunmaktadır. Bu minerallerin temsil ettiği farklı kimyaların veya yapıların mantıklı bir sınıflandırmasını gerçekleştirebilmek için genellikle bir rasyonel kristal kimya planı temel alınır. Bu da minerallerin ilk önce anyonik gruba göre sınıflandırıldığı anlamına gelir. Bu sınıflandırma elementleri, sülfatları, oksitleri, karbonatları, silikatları vb. içermektedir. İkinci olarak da; birçok tür barındıran ve karmaşık yapılı gruplarda, silikat grubunda olduğu gibi, daha fazla alt sınıflara ayırmalar yapılmaktadır. Bu da silikat tetrahedranın yapısal (atom) terkibi temeline dayanarak gerçekleştirilmektedir[1].
1.5 Jeolojik Oluşum: bir mineralin veya bir mineral topluluğunun iyi şekilde tanımlanmış jeolojik konumudur. Kimyasal olarak çok karmaşık bir silikat olan lal taşı (garnet) özellikle metamorfik kayaların bir karakteristiğidir. Bunun konumu da ‘bölgesel başkalaşım sonucu meydana gelen Al zengin kaya tiplerindedir’ şeklinde ifade edilecektir[1].

Mineral bilimi çok geniş bir çalışma alanını kapsamaktadır. Bunun içerisinde X-ışını, mineraller ile elektron ve nötron kırılması,mineral sentezi,kristal fiziği,minerallerin termodinamik stabilitesinin değerlendirilmesi, kayabilim (mineral ve kayaların incelenmesi), deneysel kayabilim, metalurji ve seramik kısmı bulunmaktadır.

1.6 Kristal Kimyası: Kristal kimyası denince öncellikle kristal yapısı,kimyasal kompozisyonu
ve fiziksel özellikleri akla gelir. Bir mineralin tanımlanmasında krsital yapısı, kimyasal kompozisyonu
ve fiziksel özelliklerinin bilinmesi sayesinde olur. Bir kristalin atom bağlanma düzeni, fizik
özelliklerindeki ve kimyası ile ilgili değişiklikler yapı tipi kristal kimyanın ana alanıdır[1]. 1.7