3.1. Elemente chimice și minerale#
Intuiție
Opt elemente chimice fac aproape toată scoarța, iar oxigenul și siliciul singure fac trei sferturi. De aceea, din mii de minerale cunoscute, doar câteva zeci alcătuiesc practic toate rocile, iar majoritatea sunt silicați. Lista pe care trebuie să o știe un inginer este scurtă.
Scoarța terestră este formată, în proporție de peste 98 % din masă, din numai opt elemente chimice: oxigen (O, cca. 46 %), siliciu (Si, cca. 28 %), aluminiu (Al, cca. 8 %), fier (Fe, cca. 5 %), calciu (Ca), sodiu (Na), potasiu (K) și magneziu (Mg) (Price, 2009). [DE VERIFICAT: valorile procentuale (Clarke); adăugați sursa.] Această compoziție explică de ce silicații – combinații ale siliciului și oxigenului cu metale – reprezintă circa 90 % din volumul scoarței.
Un mineral este o substanță solidă, naturală, de regulă anorganică, cu o compoziție chimică definită (sau variabilă între limite precise) și cu o structură cristalină ordonată. În prezent sunt cunoscute peste 6 000 de specii minerale, iar numărul lor crește în fiecare an [DE VERIFICAT: numărul IMA la zi].
Condițiile pentru ca o substanță să fie considerată mineral
origine naturală – nu este un produs artificial (diamantul sintetic nu este mineral);
caracter anorganic – substanțele de origine organică (cărbunele, chihlimbarul) nu sunt minerale;
stare solidă în condițiile obișnuite de la suprafața Pământului (apa nu este mineral, gheața este);
compoziție chimică determinată – de exemplu halit (sare gemă) \(\ce{NaCl}\), cuarț \(\ce{SiO2}\), calcit \(\ce{CaCO3}\);
structură cristalină – aranjare ordonată, periodică, a atomilor în rețele cristaline (substanțele amorfe naturale, precum opalul sau sticla vulcanică, sunt numite mineraloizi).
Din punct de vedere chimic, mineralele se grupează în clase: elemente native, sulfuri, halogenuri, oxizi și hidroxizi, carbonați, sulfați, fosfați și silicați. Din asocierea mineralelor se formează rocile; un număr relativ mic de minerale (circa 30, numite minerale petrogene sau formatoare de roci) alcătuiește marea majoritate a rocilor întâlnite în lucrările inginerești.
Importanța studiului mineralelor în geologia inginerească și în geotehnică
Tipul, compoziția chimică și aranjamentul spațial al atomilor din mineralele componente controlează comportarea fizică și mecanică de bază a rocilor și a pământurilor. Cunoașterea mineralelor permite inginerului să anticipeze proprietăți esențiale precum duritatea și abrazivitatea (costul forării și al excavării), rezistența și compresibilitatea, potențialul de umflare–contracție (mineralele argiloase), solubilitatea (sare, gips, calcar) sau reactivitatea chimică (pirită, sulfați).
Aceste proprietăți influențează direct stabilitatea versanților și a excavațiilor, capacitatea portantă și tasarea fundațiilor, durabilitatea betonului și a metalelor în contact cu terenul, precum și comportarea barajelor, a tunelurilor și a lucrărilor subterane.
În această secțiune: