ખનિજો

ખનિજો : ખનિજોની પરમાણુરચના : ખનિજોનું વર્ગીકરણ : કુદરતી રીતે બનેલા ચોક્કસ રાસાયણિક બંધારણવાળા તેમજ ચોક્કસ પરમાણુરચનાવાળા અકાર્બનિક પદાર્થો. ખનિજો મર્યાદિત ર્દષ્ટિએ, રાસાયણિક સૂત્રો દ્વારા દર્શાવી શકાય એવા ચોક્કસ બંધારણ સાથેનાં સંયોજનો કે તત્વો છે. ખનિજની વ્યાખ્યાના બીજા ભાગ પરથી ફલિત થાય છે કે ખનિજ માટે ચોક્કસ પરમાણુરચના આવશ્યક બની રહે છે. ખનિજો વ્યવસ્થિત ત્રિપરિમાણી ગોઠવણીવાળા પરમાણુઓથી બનેલાં હોય છે. અમુક ખનિજોમાં કેટલાક પરમાણુઓનું સ્થાન સમલક્ષણવાળા બીજા પરમાણુઓએ લીધેલું હોય છે, છતાં પણ આવા કિસ્સામાં પરમાણુરચનાની ગોઠવણી મૂળભૂત રીતે વિરૂપ થતી નથી કે નાશ પામતી નથી. અસંખ્ય રાસાયણિક પૃથક્કરણો દ્વારા નિશ્ચિત બનેલા સામાન્ય ઑલિવીન ખનિજોનું સૂત્ર (MgFe)₂ SiO₄ છે. જુદાં જુદાં બધાં જ ઑલિવીન ખનિજો માટે પરમાણુઓની ગોઠવણી એકસરખી હોય છે; પરંતુ જુદાં જુદાં ઑલિવીન ખનિજોમાં Mg પરમાણુની જુદી જુદી સંખ્યાનું સ્થાન Fe પરમાણુએ લીધેલું હોય છે. જોકે બધાં જ ઑલિવીન ખનિજોમાં Mg અને Feના પરમાણુની કુલ સંખ્યા અને Si તેમજ Oના પરમાણુ વચ્ચેનો ગુણોત્તર એકસરખો રહે છે. આ પ્રમાણે કોઈ એક પ્રકારના પરમાણુનું સ્થાન લગભગ તેવાં જ લક્ષણવાળા બીજા પરમાણુ લે છે તે ઘટના સમરૂપતા (isomorphism) તરીકે ઓળખાય છે.

ખનિજોનાં રાસાયણિક બંધારણ એકસરખાં હોય; પરંતુ તેમની પરમાણુરચનાઓ જુદી જુદી હોય એવાં ખનિજોનાં ઘણાં ઉદાહરણો છે. તેને કારણે તેવાં ખનિજોના વિશિષ્ટ ભૌતિક ગુણધર્મોમાં તફાવત જોવા મળે છે. આ પ્રકારનાં ખનિજોનાં ઉદાહરણ હીરો અને ગ્રૅફાઇટ છે. આ બંને ખનિજો કાર્બનના પરમાણુઓનાં બનેલાં છે; પરંતુ તેમની અણુરચના જુદી જુદી છે. ઉપર વર્ણવ્યા પ્રમાણેની ઘટનામાં એકસરખાં રાસાયણિક બંધારણવાળાં ખનિજોના ભૌતિક ગુણધર્મોમાં તફાવત જોવા મળે છે. આ ગુણધર્મને બહુરૂપતા કે અનેકરૂપતા (polymorphism) કહે છે.

ખનિજોની પરમાણુરચના : કુદરતમાં ખનિજો સ્ફટિક, પ્રવાહી અને ચૂર્ણ સ્વરૂપે મળી આવે છે. સ્ફટિક-સ્વરૂપે મળી આવતાં ખનિજોમાં પરમાણુની વ્યવસ્થિત ગોઠવણી હોય છે. ખનિજોની પરમાણુરચનાને અનુલક્ષીને તેમનાં વિવિધ સ્ફટિકાત્મક લક્ષણો ઉદભવે છે. 1665માં રૉબર્ટ હૂકે જણાવ્યું કે ફટકડીના સ્ફટિકોના વિવિધ આકારો ‘શૉટ્સ’ની વ્યવસ્થિત ગોઠવણી દ્વારા બનાવી શકાય. આ પ્રમાણે દ્રવ્યનો પરમાણુસિદ્ધાંત અને સ્ફટિકોના રચનાત્મક બંધારણની વિચારધારાનો પ્રારંભ થયો. ત્યાર પછીના એક સૈકા બાદ 1784માં પૅરિસ યુનિવર્સિટીના હૉયે સૂચવ્યું કે સ્ફટિકો ઘન ઈંટો જેવા એકમ અથવા આવશ્યક અણુઓથી બનેલા હોય છે. આ ઈંટોની જુદી જુદી ગોઠવણીને કારણે સ્ફટિકોમાં જોવા મળતાં વિવિધ સ્ફટિકફલકો કે સ્વરૂપો જોવા મળે છે. ખનિજ-સ્ફટિકોની આવી આંતરિક પરમાણુરચનાને કારણે બધાં ખનિજો વિશિષ્ટ આકાર સાથે સંભેદ સપાટી પર તૂટે છે.

હૉયે ધારણા કરેલી કે આવશ્યક પરમાણુઓ એ અતિસૂક્ષ્મ સંભેદ ટુકડાનો સમૂહ હતો, પરંતુ પરમાણુસિદ્ધાંતના વિકાસ સાથે હૉયની વિચારધારાનું મહત્વ ઘટતું ગયું અને સ્પેસ લૅટિસની સંકલ્પના પ્રચલિત બનતી ગઈ. સ્પેસ લૅટિસ એ પરમાણુનાં સ્થાન દર્શાવતાં બિંદુઓની ગોઠવણી છે. સ્પેસ લૅટિસનો નાનામાં નાનો પૂર્ણ એકમ યુનિટ સેલ તરીકે ઓળખાય છે.

ઓગણીસમી સદી દરમિયાન સ્પેસ લૅટિસનાં ભૌમિતિક લક્ષણોનો વિસ્તૃત અભ્યાસ થયો અને ભૌમિતિક ગોઠવણી સાથેની સુસંગત પરમાણુરચના વિશે અનુમાન કરવામાં આવ્યાં. 1912ના વર્ષથી વૉન લોવેએ એક્સ-કિરણોની મદદથી સ્ફટિકોની પરમાણુરચનાના વાસ્તવિક સ્વરૂપનું નિર્દેશન કર્યું. ખનિજોની પરમાણુરચનાના અભ્યાસમાં ડબ્લ્યૂ. એલ. બ્રેગનો મહત્વનો ફાળો છે.

સિલિકેટ ખનિજોની પરમાણુરચના : સિલિકેટ ખનિજોની પરમાણુરચનામાં રહેલો મૂળભૂત એકમ SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રન છે. તેમાં સિલિકોન (Si) પરમાણુ ટેટ્રાહેડ્રનના કેન્દ્રમાં રહેલો છે, જ્યારે ટેટ્રાહેડ્રનના ચારે ખૂણે ઑક્સિજન પરમાણુ આવેલા હોય છે.

પાસપાસે આવેલા બે ઑક્સિજનના પરમાણુનાં કેન્દ્રો વચ્ચેનું અંતર 2.7Å છે (એટલે કે ઑક્સિજન પરમાણુની ત્રિજ્યાથી લગભગ બમણા જેટલું). SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રાના જોડાણના પ્રકાર મુજબ સિલિકેટ ખનિજોના નીચે પ્રમાણેના પાંચ પ્રકાર છે; પરંતુ કેટલીક વખતે આ ટેટ્રાહેડ્રનના બંધારણમાં રહેલા Siના અમુક ભાગનું સ્થાન Al એટલે કે ઍલ્યુમિનિયમે લીધેલું હોય છે.

(1) નેસોસિલિકેટ્સ : સિલિકેટ ખનિજોના આ વર્ગમાં ઑક્સિજન આયનના જોડાણ વિના SiO₄ ટેટ્રાહેડા્ર ધાતુ કૅટાયનથી જોડાયેલી હોય છે. SiO₄ એકમમાં Siને 4નો ઘનભાર હોય છે અને ચાર ઑક્સિજન આયનનો 8નો ઋણભાર હોય છે તેથી SiO₄ના એક એકમમાં 4નો ઋણભાર વધુ હોય છે, જેની સમતુલા યોગ્ય સંખ્યાવાળા કૅટાયનના જોડાણથી બને છે. આ હકીકત સમજવા માટે ઑલિવીન ખનિજો ફોર્સ્ટીરાઇટ (Mg₂SiO₄) અને ફાયાલાઇટ (Fe₂SiO₄) બે ઘટકો વચ્ચે સમરૂપ શ્રેણી રચે છે. આ બંને ઘટકોમાં દરેક SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રનનું દ્વિસંયોજક Mg અથવા Fe સાથે જોડાણ થયેલું હોય છે.

(2) સોરોસિલિકેટ્સ : સિલિકેટ ખનિજના આ વર્ગમાં SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રનના એક કે વધુ ઑક્સિજન આયનના જોડાણથી પરમાણુરચના બનેલી હોય છે. આ પ્રકારની પરમાણુરચનાવાળા સરળ ઉદાહરણમાં બે ટેટ્રાહેડ્રન એક જ ઑક્સિજનની ભાગીદારીથી જોડાયેલા હોય છે અને તેમનું સામાન્ય સૂત્ર Si₂O₇ હોય છે.

આ પ્રકારનાં સિલિકેટ ખનિજોમાં 6નો ઋણભાર વધારાનો હોય છે, જેથી સમતુલા પ્રાપ્ત કરવા માટે પણ દ્વિસંયોજક કૅટાયન જરૂરી બને છે અને તેથી SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રા જોડાણયુક્ત બને છે. Ca₂Mg (Si₂O₇) બંધારણવાળું મીલિલાઇટ ખનિજ તેનું ઉદાહરણ છે; પરંતુ કેટલાંક સોરોસિલિકેટ ખનિજોમાંનો સમૂહ બેથી વધુ ઑક્સિજન આયનના જોડાણથી બનેલો હોય છે. આવાં સિલિકેટ ખનિજોમાં વલયરચનાઓ (ring structures) ઉદભવે છે. આ પ્રકારની વલય- રચનાવાળાં સોરોસિલિકેટ ખનિજો સાઇક્લો-સિલિકેટ્સ તરીકે ઓળખાય છે. તેમનું સામાન્ય સૂત્ર SinO₃n હોય છે. વૉલેસ્ટોનાઇટ (Si₃O₉) અને બેરિલ (Si₆O₁₈) તેનાં ઉદાહરણ છે. વૉલેસ્ટોનાઇટ Ca₃ (Si₃O₉)માં ત્રણ SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રા જોડાયેલા હોય છે.

જ્યારે બેરિલ [Be₃Al₂ (Si₆O₁₈)]માં છ SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રાનું જોડાણ થયેલું હોય છે. Mg₂Al₃ (AlSi₅O₁₈) બંધારણવાળું કૉર્ડિરાઇટ ખનિજ પણ સોરોસિલિકેટનું ઉદાહરણ છે. બેરિલ અને કૉર્ડિરાઇટ જેવા સિલિકેટની પરમાણુરચનામાં ઍલ્યુમિનિયમના આયન પણ Si આયન સાથે રહેલા હોય છે.

(3) આઇનોસિલિકેટ્સ : આ પ્રકારના સિલિકેટ વર્ગમાં SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રા સીધી હાર રૂપે જોડાયેલા હોય છે. વધુમાં SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રાની આ હાર ધાતુ કૅટાયનથી બંધાયેલી હોય છે. આઇનોસિલિકેટ્સના બે પ્રકાર છે : (1) એકાકી હારવાળા; દા.ત., પાયરૉક્સિન ખનિજવર્ગ અને (2) બે હારવાળા; દા.ત., ઍમ્ફિબોલ ખનિજવર્ગ. આ પૈકી એકાકી હારવાળા આઇનોસિલિકેટ્સમાં દરેક SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રનના બે ઑક્સિજન આયન વિભાજિત થયેલા હોય છે અને SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રાનાં શીર્ષ (apexes) નીચેની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે ગોઠવેલાં હોય છે :

આ પ્રકારની પરમાણુરચનાને કારણે સામાન્ય બંધારણ n (Si₂O₆) થાય છે, જેમાં 4નો ઋણભાર વધારાનો હોય છે. સરળ બંધારણવાળા ડાયોપ્સાઇડ ખનિજમાં Ca Mg (Si₂O₆)માં આ વધારાના ઋણભારનું સંતુલન Ca⁺² અને Mg⁺² કૅટાયનના જોડાણથી થાય છે. એક હારવાળા આઇનોસિલિકેટ્સમાં SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રાની હાર ખનિજની C-અક્ષને સમાંતર ગોઠવાયેલી હોય છે. પાયરૉક્સિન સમૂહનાં બીજાં ખનિજોમાં Siના અમુક ભાગનું સ્થાન Al લે છે. વધુમાં વિવિધતાવાળા આ પાયરૉક્સિન વર્ગમાં અનેક જાતની સમરૂપ પુરવણી થયેલી હોય છે. આઇનોસિલિકેટનો બીજો પ્રકાર SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રાની બે એકાકી હારવાળો હોય છે. તેમાં SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રાની એકાકી હાર પાસપાસે આવેલી હોય છે અને તે વારાફરતી ટેટ્રાહેડ્રાના ઑક્સિજન આયનની ભાગીદારીથી જોડાયેલી હોય છે. પરિણામે તેમના સામાન્ય બંધારણમાં બે એકાકી હાર કરતાં એક ઑક્સિજન ઓછો હોય છે અને તેથી બંધારણ n Si₄O₁₁થી દર્શાવવામાં આવે છે.

અગાઉ જણાવ્યા પ્રમાણે આ પ્રકારની બે હારવાળી પરમાણુરચના ઍમ્ફિબોલ વર્ગમાં હોય છે અને તે સમજવા માટે ટ્રેમોલાઇટ ખનિજ Ca₂Mg₅(Si₄O₁₁)₂(OH)₂ ઉદાહરણ તરીકે લઈ શકાય. SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રાની બે હાર આ ખનિજમાં તેની લંબાઈને સમાંતર જાય છે. SiO₄ ટેટ્રાહેડ્રાની બે હાર Ca⁺² અને Mg⁺² કૅટાયનની મદદથી બાજુઓ પર પકડાયેલી રહે છે. બધાં જ ઍમ્ફિબોલ ખનિજોમાં OH^–1 એક આવશ્યક ઘટક છે અને કેટલાકમાં F^–1 થોડા પ્રમાણમાં OH^–1નું સ્થાન લે છે. નોંધપાત્ર હકીકત એ છે કે O, OH અને Fની આયનિક ત્રિજ્યા લગભગ સરખી છે. પાયરૉક્સિન ખનિજોની જેમ ઍમ્ફિબોલ ખનિજોમાં પણ Al કેટલાક પ્રમાણમાં Siનું સ્થાન લે છે. ઍમ્ફિબોલ ખનિજોમાં સંતુલન પ્રાપ્ત કરવા માટે વધુ કૅટાયન જરૂરી બને છે. વધુમાં ઍમ્ફિબોલ ખનિજોમાં સરખા કદવાળા અને વીજભારવાળા કૅટાયનની વિસ્થાપન(substitution)ની ક્રિયા પણ બને છે. આ પ્રકારનું Mg⁺² માટે થતું Fe⁺² કે Mn⁺²નું વિસ્થાપન Ca⁺² માટે થતા Fe⁺², Mg⁺² કે 2Na⁺¹ વિસ્થાપનના કારણે વિવિધ પ્રકારનાં ઍમ્ફિબોલ ખનિજોમાં જોવા મળે છે.

(4) ફાયલોસિલિકેટ્સ : કુદરતમાં એવાં પણ સિલિકેટ ખનિજો મળી આવે છે જેમાં દરેક ટેટ્રાહેડ્રનના ત્રણ ઑક્સિજન આયન તેના નજીકના ટેટ્રાહેડ્રનની સાથે વિભાજિત (shared) થયેલા હોય છે. આ પ્રકારની પરમાણુરચનાને કારણે દ્વિપરિમાણ-ગૂંથણી અથવા તો પત્રવત્ દેખાવ ઉદભવે છે. આ લક્ષણવાળાં સિલિકેટ ખનિજો ફાયલોસિલિકેટ્સ તરીકે ઓળખાય છે. અબરખની વિવિધ જાતો, શંખજીરું અને મૃદુ ખનિજો તેનાં ઉદાહરણ છે. ફાયલોસિલિકેટ ખનિજોનાં પડ કૅટાયન મારફતે સંયોજિત બનેલાં હોય છે અને તેમાં Si : Oનો ગુણોત્તર 4 : 10 હોય છે, તેથી ફાયલોસિલિકેટ્સનાં સામાન્ય બંધારણ Si₄O₁₀ દ્વારા દર્શાવાય છે.

આ હકીકત સમજવા માટે મસ્કોવાઇટ નામના રંગવિહીન અબરખનું પરમાણુબંધારણ લઈ શકાય. મસ્કોવાઇટનું સૂત્ર KAl₂ [(AlSi₃)O₁₀] (OH)₂ છે, જેમાં Siનો ચોથો ભાગ Al મારફતે પુરવણી પામેલો છે અને બંધારણના સંતુલન માટે K⁺¹ ઉમેરો થયેલો છે. મસ્કોવાઇટની પરમાણુરચના Si₄O₁₀ની જોડવાળા પડથી બનેલી છે અને તેમાં બંને પડના ટેટ્રાહેડ્રાનાં શીર્ષ અંદરની બાજુ જતાં હોય છે. આ પ્રકારના પડની જોડ Al આયનને કારણે જોડાયેલી રહે છે અને તેની સાથે (OH)નું પણ જોડાણ થયેલું હોય છે. વધુમાં પડની જોડો K આયનને કારણે અલગ પડી ગયેલી હોય છે. આ K પડનું જોડાણ નબળું હોવાથી મસ્કોવાઇટની સુવિકસિત સંભેદ-પડ-રચનાને સમાંતર અસ્તિત્વમાં આવે છે. બાયૉટાઇટ જેવી અબરખની અન્ય જાતોમાં Alનું સ્થાન Mg અથવા Fe લે છે.

(5) ટેક્ટોસિલિકેટ્સ : સિલિકેટ સમૂહોના આ છેલ્લા વર્ગમાં ટેટ્રાહેડ્રાના બધા ખૂણા અન્ય ટેટ્રાહેડ્રા સાથે જોડાયેલા હોય છે અને ત્રિપરિમાણી પરમાણુ માળખું અસ્તિત્વમાં આવે છે. દરેક ટેટ્રાહેડ્રનમાં એક એક ઑક્સિજન બે ટેટ્રાહેડ્રા વચ્ચે સંયોજાયેલો હોય છે અને તેનું સામાન્ય બંધારણ SiO₄થી ઘટીને SiO₂ થાય છે. પરિણામે આ પ્રકારના માળખા પરના વીજભાર સંતુલિત થયેલા હોય છે. આ વર્ગનાં સિલિકેટ ખનિજોમાં Si⁺⁴નો કેટલોક ભાગ Al⁺³થી વિસ્થાપન પામેલો હોય છે અને તેથી વીજભારનું સંતુલન પુન:સ્થાપિત કરવા માટે વધારાનો ધનભાર જરૂરી બને છે. આ હકીકત ફેલ્સ્પાર્સ ખનિજ(ઑર્થોક્લેઝ)ના ઉદાહરણથી સમજાવી શકાય. ઑર્થોક્લેઝ (K⁺¹ Al⁺³Si₃⁺⁴O₈^–2)માં વીજભારનું સંતુલન કરવા માટે Siનો ચોથો ભાગ Al અને એક K આયન દ્વારા વિસ્થાપન પામેલો છે. પરિણામે ઑર્થોક્લેઝના બંધારણમાં રહેલાં કૅટાયનનો (1 + 3) + (3 x 4) = 16નો ધનભાર ઑક્સિજન આયનનો 8 x 2 = 16નો ઋણભાર સંતુલિત કરે છે. ફૅલ્સ્પેથૉઇડ્ઝ અને ઝિયોલાઇટ ખનિજો ટેક્ટોસિલિકેટ્સનાં ઉદાહરણો છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે ક્વાર્ટ્ઝ ખનિજ(SiO₂)નો પણ આ સાથે સમાવેશ કરી શકાય. તેના પરમાણુ બંધારણમાળખામાં Siનું અન્ય તત્વ દ્વારા વિસ્થાપન થતું નથી.

ખનિજોનું વર્ગીકરણ : ખનિજશાસ્ત્રી દાનાના મંતવ્ય પ્રમાણે ખનિજોના વૈજ્ઞાનિક વર્ગીકરણ માટે એકસરખાં રાસાયણિક સંયોજનોનો એક સામાન્ય વર્ગમાં સમાવેશ કરવો યોગ્ય છે. આ સિદ્ધાંતને આધારે ખનિજોના આઠ વર્ગો છે. આ ખનિજવર્ગોની શરૂઆત પ્રાકૃત તત્વો(native elements)થી થાય છે. વર્ગીકરણની આ પદ્ધતિ નીચે દર્શાવેલી છે :

1. પ્રાકૃત તત્વો : કાર્બન, ગંધક, સેલેનિયમ, ટૅલ્યુરિયમ, ઍન્ટિમની, આર્સેનિક, બિસ્મથ, સોનું, ચાંદી, તાંબું, પારો, સીસું, પ્લૅટિનમ, ઇરિડિયમ, પૅલેડિયમ, લોહ.

2. સલ્ફાઇડ્ઝ : સેલેનાઇડ્ઝ, ટૅલ્યુરાઇડ્ઝ, આર્સેનાઇડ્ઝ, ઍન્ટિમોનાઇડ્સ.

3. સલ્ફોસૉલ્ટ્સ : સલ્ફાઆર્સેનાઇડ્ઝ, સલ્ફાઍન્ટિમોનાઇટ્સ, સલ્ફો-બિસ્મેથાઇટ્સ.

4. હૅલાઇડ્ઝ : ક્લોરાઇડ્ઝ, બ્રોમાઇડ્ઝ, આયોડાઇડ્ઝ, ફ્લૉરાઇડ્ઝ.

5. ઑક્સાઇડ્ઝ.

6. ઑક્સિજન સૉલ્ટ્સ : (ક) કાર્બોનેટ્સ, (ખ) સિલિકેટ્સ, ટાઇટેનેટ્સ, (ગ) નિયોબેટ્સ, ટેન્ટેલેટ્સ; (ઘ) ફૉસ્ફેટ્સ, આર્સેનેટ્સ, વેનેડેટ્સ, ઍન્ટિમોનેટ્સ, નાઇટ્રેટ્સ; (ચ) બોરેટ્સ, યુરેનેટ્સ; (છ) સલ્ફેટ્સ, ક્રોમેટ્સ, ટૅલ્યુરેટ્સ; (જ) ટંગ્સ્ટેટ્સ, મોલિબ્ડેટ્સ.

7. ઑર્ગેનિક ઍસિડના ક્ષારો ઑક્સેલેટ્સ, મેટેલેટ્સ વગેરે.

8. હાઇડ્રોકાર્બન સંયોજનો.

વ્રિજવિહારી દીનાનાથ દવે