แร่ (Minerals)

แร่ (Minerals) แร่คืออะไร อะตอม (Atom) หมายถึง หน่วยที่เล็กที่สุดของอนุภาคของธาตุๆ หนึ่ง ซึ่งยังคงแสดงคุณสมบัติของธาตุชนิดนั้นไว้ อะตอมประกอบด้วย นิวเคลียส ซึ่งมีอนุภาคโปรตอน (+) และอนุภาคนิวตรอน (เป็นกลาง) อยู่ที่ศูนย์กลาง โดยมีอนุภาค อีเล็กตรอน (-) โคจรรอบนิวเคลียสเป็นชั้น ธาตุแต่ละชนิดมีโปรตอน นิวตรอน และอีเล็กตรอนจำนวนไม่เท่ากัน แต่โดยปกติ โปรตอนจะมีจำนวนเท่ากับอีเล็กตรอน ธาตุไฮโดรเจนมีอะตอมที่เล็กที่สุดคือ ประกอบด้วยโปรตอนและอีเล็กตรอน อย่างละ 1 ตัว ไม่มีนิวตรอน ธาตุออกซิเจนมีอะตอมขนาดใหญ่กว่าคือ มีโปรตรอน 8 ตัว และนิวตรอน 8 ตัว และมีอีเล็กตรอน 8 ตัว โคจรรอบนิวเคลียส จำนวน 2 ชั้น ชั้นในมีอีเล็กตรอน 2 ตัว ชั้นนอกมีอีเล็กตรอน 6 ตัว ดังภาพที่ 1 ธาตุ (Element) หมายถึง ชนิดของสสารซึ่งไม่สามารถแตกย่อยไปกว่านี้ได้อีกแล้วโดยกระบวนทางเคมี ธาตุแต่ละชนิดมีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่แตกต่างออกกันไป เช่น ธาตุไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบาและมีจุดเดือดต่ำ ธาตุเหล็กมีน้ำหนักมากและมีจุดเดือดสูง ธาตุแต่ละธาตุจะมีโครงสร้างอะตอมเพียงรูปแบบเดียว เช่น ธาตุโซเดียม มีโครงสร้างตามที่นำเสนอในภาพที่ 1 ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ค้นพบธาตุจำนวน 112 ธาตุ ทั้งที่เกิดเองตามธรรมชาติ และจากการสังเคราะห์ขึ้นในห้องปฏิบัติการ ธาตุที่มีอยู่มากมายบนเปลือกโลกได้แก่ ออกซิเจน และซิลิกอน (รวมเป็นสารประกอบชื่อ ซิลิกอนไดออกไซด์) โมเลกุล (Molecule) หมายถึง ส่วนที่เล็กที่สุดของสารประกอบซึ่งยังคงคุณสมบัติของสารนั้นไว้ โมเลกุลประกอบขึ้นด้วยธาตุเดียวหรือหลายธาตุ มายึดติดกันตามโครงสร้างของอะตอม เช่น โซเดียมคลอไรด์ (เกลือ) ประกอบด้วย อะตอมของโซเดียม และคลอรีน อย่างละ 1 ตัว (ภาพที่ 2) ภาพที่ 2 โมเลกุลของโซเดียมคลอไรด์ แร่ (Mineral) หมายถึง ธาตุหรือสารประกอบอนินทรีย์ (ไม่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิต) ที่มีสถานะเป็นของแข็ง เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและมีโครงสร้างภายในที่เป็นผลึก มีสูตรเคมีและสมบัติอื่นๆ ที่แน่นอนหรือเปลี่ยนแปลงได้ในวงจำกัด ตัวอย่างเช่น แร่เฮไลต์ (เกลือ) เป็นสารประกอบ (Compound) ซึ่งประกอบด้วยอะตอมของโซเดียมและคลอรีนจำนวนเท่ากัน เกาะตัวกันอยู่โดยมีโครงสร้าง 3 มิติเป็นผลึกลูกบาศก์ ซึ่งอะตอมของโซเดียม 1 ตัวจะถูกห้อมล้อมด้วยอะตอมของคลอรีน 6 ตัว ในขณะเดียวกันอะตอมของคลอรีน 1 ตัวก็จะถูกห้อมล้อมด้วยอะตอมของโซเดียมจำนวน 6 ตัว (ดังภาพที่ 3) ทั้งนี้ผลึกเกลือขนาดเท่าหัวเข็มหมุด ประกอบด้วยโซเดียมคลอไรด์หลายล้านโมเลกุล ภาพที่ 3 โครงสร้างผลึกของโซเดียมคลอไรด์ คุณสมบัติทางกายภาพของแร่ แร่มีอยู่มากมายหลายชนิด ในการจำแนกแร่โดยพิจารณาองค์ประกอบทางเคมีมิใช่ของง่าย ตัวอย่างเช่น แร่เฮไลต์ (NaCl) ประกอบด้วยการจับคู่หนึ่งต่อหนึ่งของอะตอมโซเดียมและคลอรีน โดยมีโครงสร้างผลึกทรงลูกบาศก์ การที่จะทราบเช่นนี้ เราจะต้องเก็บตัวอย่างแร่ไปทำการทดลองในห้องปฏิบัติการ ซึ่งต้องใช้เวลาและเงินจำนวนมาก ในทางปฏิบัตินักธรณีวิทยาจึงมีวิธีพิจารณาคุณสมบัติทางกายภาพของแร่ดังนี้ ผลึก (Crystal) หมายถึง ของแข็งที่มีเนื้อเดียวกัน มีรูปทรงสามมิติ ผิวหน้าแต่ด้านเป็นระนาบ ซึ่งเป็นผลมาจากการจัดตัวของอะตอมหรือโมเลกุลของธาตุที่ประกอบอยู่ในของแข็งนั้นอย่างมีแบบแผน ผลึกชุดหนึ่งจะประกอบด้วยระนาบผลึกซึ่งมีสมมาตรแบบเดียวกัน ซึ่งอาจประกอบด้วยรูปผลึก (Crystal shape) เพียงรูปแบบเดียว หรือหลายรูปผลึกติดกันก็ได้แต่ต้องสมมาตรกัน แร่บางชนิดมีองค์ประกอบจากธาตุเดียวกัน แต่มีรูปผลึกต่างกัน ก็มีคุณสมบัติต่างกัน เช่น เพชร และกราไฟต์ ประกอบด้วยอะตอมของธาตุคาร์บอน ซึ่งมีโครงสร้างผลึกต่างกัน เพชรมีผลึกรูปปิระมิดประกบจึงมีความแข็งแรงมาก ส่วนกราฟไฟต์มีผลึกเป็นแผ่นบางจึงอ่อนและแตกหักได้ง่าย แนวแตกเรียบ (Clevage) หมายถึง รอยที่แตกเป็นระนาบเรียบตามโครงสร้างอะตอมในผลึกแร่ โดยทั่วไปรอยแตกนี้จะขนานไปกับหน้าผลึกแร่ แนวแตกนี้อาจเป็นระนาบเดียวหรือหลายระนาบก็ได้ ตัวอย่างในภาพที่ 5 แสดงให้เห็นว่า (ก) แร่ไมก้า มีรอยแตกเรียบระนาบเดียว (ข) แร่เฟลด์สปาร์มีรอยแตกเรียบ 2 ระนาบตั้งฉากกัน (ค) แร่เฮไลต์มีรอยแตกเรียบ 3 ระนาบตั้งฉากกัน (ง) แร่แคลไซต์มีรอยแตกเรียบ 3 ระนาบเฉียงกัน ภาพที่ 5 ตัวอย่างรอยแตกเรียบชนิดต่างๆ แนวแตกประชิด (Fracture) หมายถึง แนวแตกบางๆ ซึ่งปรากฏเป็นแนวขนานบางๆ หลายแนวบนเนื้อแร่ และมิได้อยู่ในระนาบเดียวกับแนวแตกเรียบ ความถ่วงจำเพาะ (Specific Gravity) เป็นอัตราส่วนระหว่างน้ำหนักของสสารต่อน้ำหนักของน้ำ ณ อุณหภูมิหนึ่งๆ (โดยปกติเป็นอุณหภูมิ 20ฐC) ถ้าหากแร่ชนิดหนึ่งมีน้ำหนัก 2.5 เท่า ของน้ำที่มีปริมาตรเท่ากัน แสดงว่า แร่ชนิดนั้นมีความถ่วงจำเพาะ 2.5 ความถ่วงจำเพาะมักเรียกโดยย่อว่า “ถ.พ.” แร่ทั่วไปมี ถ.พ.ประมาณ 2.7 ส่วนแร่โลหะจะมี ถ.พ.มากกว่านั้นมาก เช่น แร่ทองมี ถ.พ. 19, แร่เงินมี ถ.พ. 10.5, แร่ทองแดงมี ถ.พ. 8.9 เป็นต้น