Земля состоит из основных единиц – камней, а камни, в свою очередь, состоят из минералов. Сама Земля в основном состоит из различных минералов, из которых на данный момент известно более 4700 видов. К распространённым минералам в камнях относятся кварц, полевой шпат, кальцит, биотит, беловит, рождественник, пироксенит, оливин и т. д. В повседневной жизни вы сталкиваетесь с металлами (например, золото, серебро, медь, железо) и неметаллами (например, графит, из которого состоит грифель карандаша, и сверкающие камни в кольцах), которые изготавливаются из минерального сырья.
Металлы и неметаллы, а также различные соединения, такие как соль и сахар, состоят из элементов. Минералы – это кристаллические твёрдые вещества, образованные геологическими процессами, основной единицей которых являются элементы. Каждый минерал имеет определённый химический состав, например, химический состав кальцита – карбонат кальция (CaCO3), а кварца – диоксид кремния (SiO2). Атомы или ионы, составляющие минералы, располагаются в трёхмерном пространстве в определённом порядке, образуя кристаллическую структуру минерала. Различные ионы имеют разные радиусы и химические свойства, поэтому атомы или ионы располагаются по-разному, образуя различные структуры минералов. Кроме того, геологические условия, такие как температура и давление, также влияют на расположение атомов или ионов. Каждый минерал имеет свою специфическую структуру, и если состав одинаков, но расположение атомов различно, это проявляется в различных кристаллических структурах и формах. Например, графит и алмаз, хотя и состоят из атомов углерода, имеют различные структуры и отличаются друг от друга как по внешнему виду, так и по физико-химическим свойствам.
Обычно опытные люди могут распознавать минералы по их форме, цвету, блеску, твёрдости, плотности и т. д., например, пирит, халькоцит, турмалин, алмаз и т. д. На Земле существует тысячи минералов, но основных кристаллических форм всего 47, таких как куб, октаэдр и т. д. Почему минералы имеют правильную форму? Это связано с тем, что процесс роста минералов – это самопроизвольное накопление атомов и ионов. Рост кристаллических поверхностей минералов контролируется их кристаллической структурой. В условиях полной свободы роста минералы будут самопроизвольно образовывать правильные геометрические многогранники в соответствии с симметрией своей кристаллической структуры, и внешняя геометрическая симметрия кристаллов будет полностью соответствовать симметрии их кристаллической структуры. Когда у минеральных кристаллов нет свободного пространства для роста, рост поверхностей будет ограничен пространством и приведёт к неправильной форме. В большинстве случаев форма минералов, образованных геологическими процессами, отличается от идеальной, и они имеют неправильную форму. Поэтому, когда мы наблюдаем форму минералов, мы должны учитывать не только размер и форму отдельных минеральных частиц, но и форму совокупности минеральных кристаллов.