แร่
ความหมายของแร่
นักวิทยาศาสตร์หลายท่านได้ให้ความหมายของคำว่า “แร่” ตัวอย่างเช่น
Brush and Penfield, 1898 กล่าวว่า แร่ คือ สารประกอบทางเคมีที่จะชักนำให้เกิดสารประกอบอนินทรีย์ในธรรมชาติ และมีสูตรโครงสร้างที่แน่นอน หรือ คือ กระบวนการตกผลึกและมีคุณสมบัติทางฟิสิกส์ที่แน่นอน
Dana and Ford, 1932 กล่าวว่า แร่ คือ ผลผลิตจากกระบวนการทางอนินทรีย์ มีรูปร่างที่แน่นอน ถ้ามีสภาวะที่เหมาะสมกับลักษณะของโครงสร้างอะตอมก็จะแสดงออกในรูปผลึก
Mason, et al, 1968 กล่าวว่า แร่ เกิดจากการรวมตัวกันของของแข็งชนิดเดียวกัน ในรูปสารประกอบอนินทรีย์ ซึ่งมีโครงสร้างทางเคมี ที่มีการจัดเรียงตัวของอะตอมที่แน่นอน
O’ Donoghue, 1990 กล่าวว่า แร่ เกิดจากสารประกอบอนินทรีย์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติโดยกระบวนการทางเคมีและฟิสิกส์
Nickel, E.H., 1995 กล่าวว่า แร่ คือ ธาตุ หรือ สารประกอบเคมีที่เป็นรูปผลึก และเกิดจากกระบวนการทางธรณีวิทยา
แร่ในความหมายทางวิชาการจึงต้องมีสมบัติดังนี้คือ เกิดขึ้นเองในธรรมชาติ เป็นสารอนินทรีย์ เป็นของแข็ง มีโครงสร้างภายในที่เป็นระเบียบ กล่าวคือ อะตอมถูกจัดเป็นระเบียบที่แน่นอน และมีส่วนประกอบทางเคมีที่แน่นอน โดยอาจแปรผันได้ในวงจำกัด จึงสามารถเขียนเป็นสูตรโครงสร้างทางเคมีได้
ส่วนประกอบและโครงสร้างภายในของแร่
ธาตุ อะตอม และ ไอออน
ธาตุหมายถึง สารเนื้อเดียวล้วน ประกอบด้วยอะตอมซึ่งเป็นหน่วยเล็กที่สุดของธาตุที่ไม่สามารถทำให้แตกสลายเป็นหน่วยย่อยด้วยวิธีทางเคมีธรรมดา ธาตุที่นักวิทยาศาตร์รู้จักมีมากถึง112 ธาตุ ซึ่งเป็นธาตุที่เกิดขึ้นเองในธรรมชาติบนโลก 92 ชนิด ในจำนวนนี้ธาตุที่พบมากที่สุด 8 ธาตุ ได้แก่ O, Si, Al, Fe, La, Mg, K และ Na ซึ่งมีปริมาณรวมกันมากกว่า 98% ของธาตุทั้งหมดบนเปลือกโลก
อะตอมซึ่งเป็นหน่วยพึ้นฐานของธาตุประกอบด้วย นิวเคลียสขนาดเล็กเนื้อแน่นประจุบวกอยู่ตรงกลาง โดยมีอีเล็คตรอนที่มีประจุลบอยู่รอบนอก ในนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวกและนิวตรอนที่เป็นกลางตามทฤษฎี อะตอมที่เป็นกลางมีจำนวนโปรตรอนในนิวเคลียสเท่ากับจำนวนอีเล็คตรอนที่อยู่โดยรอบ อย่างไรก็ตามในธรรมชาติอะตอมของธาตุต่างๆ มักมีการสูญเสียอีเล็คตรอนหรือการเพิ่มประจุ อะตอมที่มีประจุบวกหรือบบเรียกรวมๆ ว่าไอออน อะตอมที่มักคายอีเล็คตรอน ทำให้อะตอมกลายเป็นประจุบวกเรียก cations เช่น Na คาย 1 อีเล็คตรอนเพื่อเป็น cation ที่มีประจุ +1 ส่วนอะตอมที่มักรับอีเล็คตรอนทำให้อะตอมกลายเป็นประจุลบเรียก anions เช่น อะตอมของ O รับอิเล็คตรอนเพิ่ม 2 ทำให้มีประจุ -2
โดยปกติอะตอมและไอออนจะไม่แยกตัวอยู่โดดๆ แต่จะจับตัวกับอะตอมหรือไอออนอื่น ทำให้เกิดสารประกอบหรือเกิดแร่ที่มีความเสถียร การเกาะยึดกันของอะตอม และไอออนด้วยแรงไฟฟ้าข้างต้นเรียก "chemical bonds" ซึ่งมีลักษณะการยึดติดกันเป็น 4 แบบ คือ ionic bonds, covalent bonds, metallic bonds และ Vander Waals forces สมบัติทางกายภาพของแร่หลายประการ เช่น สี ความแข็ง ความหนาแน่น การเป็นตัวนำไฟฟ้า ต่างขึ้นอยู่กับประเภทของ bonds
"ionic bonds" เป็นการยึดติดกันของ ions ที่มีประจุต่างกัน เช่น แร่เกลือแกง Na+ Cl-
"covalent bonds" เป็นการยึดติดกันของธาตุที่อยู่ใกล้กันใช้อิเล็คตรอนร่วมกัน เช่น แร่เพชร โดย C แต่ละตัวใช้อีเล็คตรอนร่วมกัน 4 อีเล็คตรอน ยึดติดกันในทุกทิศทาง ทำให้เพชรมีความแข็งมาก
"metallic bonds" อีเล็คตรอนของธาตุโลหะจะอยู่กันหลวมๆ และไม่เกาะติดกับอะตอมใดโดยเฉพาะทำให้อะตอมของโลหะจึงถูกจับกันแน่นมากทำให้โลหะมีความหนาแน่นมาก เนื่องจากอีเล็คตรอนของธาตุโลหะมีอิสระในการเคลื่อนย้ายสูงทำให้โลหะมีเป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อนที่ดีมาก
"van der waals forces" อะตอมที่ยึดติดกันด้วยแรงไฟฟ้าอ่อนๆ ที่เกิดจากการกระจายตัวของอิเล็คตรอนที่ไม่สม่ำเสมอในอะตอมหนึ่งๆทำให้บางส่วนของอะตอมมีประจุลบมาก หรือน้อยกว่าปกติ
ส่วนประกอบของแร่ และโครงสร้างของผลึกแร่สามารถวิเคราะห์ได้ในห้องปฎิบัติการด้วยเครื่องมือเฉพาะ หากแร่มีผลึกใหญ่และรูปผลึกสมบูรณ์ อาจสะท้อนให้เห็นโครงสร้างการจัดตัวของอะตอมภายในของแร่นั้นได้ เพราะรูปทรงผลึกจะถูกกำหนดและเกี่ยวข้องโดยตรงกับการจัดวางตัวของโครงสร้างภายใน อย่างไรก็ตามแร่ในธรรมชาติส่วนใหญ่มักไม่มีรูปผลึกใหญ่ที่สามารถตรวจสอบได้ด้วยตาเปล่า ยิ่งกว่านั้นแร่ที่มีรูปทรงคล้ายกันอาจมีหลายชนิด การตรวจสอบแร่เพื่อรู้ถึงส่วนประกอบทางเคมีจึงต้องอาศัยสมบัติทางกายภาพอื่นๆ สนับสนุน ในกรณีที่ต้องการทราบเบื้องต้นและไม่มีเครื่องมือวิทยาศาสตร์ให้ใช้อย่างสะดวก
