Minerali e rocce pt.1

25 maggio 2023

INTRODUZIONE SUI MINERALI E LE ROCCE

1. COS'È UN MINERALE?

Un minerale è una sostanza solida naturale e avente una composizione chimica ben definita espressa da una formula chimica.

La crosta terrestre è costituita quasi per il 90% da quattro elementi chimici: ossigeno, silicio, alluminio e ferro

I minerali possono formarsi in modi diversi:

• molti si formano per raffreddamento dal magma, una massa di materiali rocciosi allo stato fuso che contiene in soluzione anche sostanze gassose

• altri si depositano per precipitazione da acque ricche di sali, talvolta per azione di organismi viventi

• alcuni possono derivare dalla trasformazione di altri minerali sottoposti ad alte temperature o pressioni (metamorfismo).

2. LA STRUTTURA CRISTALLINA DEI MINERALI

Ogni minerale si presenta come un solido dotato di una particolare forma geometrica definita abito cristallino

L'abito cristallino di un minerale è la forma in cui si accrescono i singoli cristalli o gli aggregati dei cristalli, rappresenta il modo in cui sono disposte nel reticolo cristallino e le condizioni in cui si è originato un minerale determinando la forma con cui si accrescono i suoi cristalli

Ogni minerale può presentare uno o più abiti cristallini caratteristici.

Alla forma esterna corrisponde, all'interno, una ben definita disposizione spaziale delle specie atomiche e molecolari costituenti. Questa disposizione spaziale può variare da minerale a minerale.

Le posizioni di atomi, ioni, molecole in un cristallo invece si rappresentano con una serie di punti che definiscono una figura geometrica tridimensionale detta reticolo cristallino.

I minerali, pur avendo una struttura interna cristallina, non hanno sempre la stessa forma esterna né questa è sempre la forma di un solido geometrico regolare. La forma esterna dipende in larga parte dalle condizioni in cui i minerali si formano e dalla possibilità di svilupparsi liberamente nello spazio circostante.

Le posizioni degli ioni nella struttura cristallina sono definite e non sono intercambiabili. Uno qualsiasi dei tanti cubetti uguali che costituiscono un cristallo di salgemma è la cella elementare del cristallo di salgemma.

La cella elementare è la più piccola unità tridimensionale che conserva sia la composizione chimica sia la struttura cristallina di quel particolare minerale. I vertici delle celle elementari sono detti nodi del reticolo cristallino. In base al tipo di particelle che occupano i nodi del reticolo cristallino e all'intensità delle forze di attrazione esistenti fra queste, i cristalli si possono classificare in ionici, covalenti, metallici e molecolari.

I cristalli ionici, sono costituiti da cationi e anioni, che si alternano nel reticolo, come nel salgemma

I cristalli covalenti sono costituiti da atomi legati covalentemente fra loro a formare una rete che si estende in tutte le direzioni del cristallo.

I cristalli metallici sono costituti da cationi circondati da elettroni di valenza in movimento e diffusi in tutto il solido. Possiamo trovarli nei metalli nativi come l'oro (Au) e il rame (Cu).

I cristalli molecolari sono costituiti da atomi e da molecole neutre tenute insieme da forze deboli.

3. COSA INFLUENZA LA STRUTTURA DEI MINERALI

L'effettiva possibilità che un minerale ha di formarsi in natura è determinata da parametri fisici e chimici:

• Parametri fisici: le dimensioni delle specie chimiche che si combinano devono essere tali da poter costituire una struttura cristallina stabile. Le dimensioni relative degli ioni determinano la loro posizione nel reticolo cristallino; gli ioni tendono a disporsi in modo che la loro distanza sia minima a causa della reciproca attrazione. Se ioni positivi e negative hanno dimensioni diverse, intorno a quello piccolo (+) possono posizionarsi solo tre ioni (-) di dimensione maggiore; questa disposizione è detta coordinazione a tre.Se mano a mano la differenza di dimensione degli ioni positivi e negativi diminuisce, la coordinazione diventa a quattro, a sei, a otto e infine a dodici (dimensioni ioni quasi uguali).
• Parametri chimici: le cariche positive e negative devono bilanciarsi perfettamente, affinché la cella elementare sia elettricamente neutra. Se gli ioni di segno opposto non hanno lo stesso numero di cariche, gli altri ioni, con numero di cariche minore, sono presenti in quantità maggiore così da bilanciare esattamente le cariche di segno opposto.

4. COME SI FORMA UN MINERALE

Quasi tutti i minerali (a eccezione di quelli amorfi) si formano attraverso un processo di cristallizzazione, cioè il passaggio da un insieme disordinato di atomi a quello ordinato tipico del reticolo cristallino, che determina poi la struttura caratteristica di ciascun minerale.

• Cristallizzazione per raffreddamento di un materiale fuso (per esempio la lava eruttata da un vulcano). Gli atomi o i gruppi di atomi si aggregano per formare i reticoli cristallini tipici dei composti chimici che possono formarsi a seconda della natura del fuso.
• Precipitazione da soluzioni acquose calde in via di raffreddamento. Al diminuire della temperatura, si formano via via cristalli di specie mineralogiche diverse, a seconda della composizione chimica della soluzione.
• Sublimazione di vapori caldi. Le esalazioni vulcaniche, per esempio, possono determinare la formazione di cristalli su superfici relativamente fredde vicine alla zona di fuoriuscita dei vapori.
• Evaporazione di soluzioni acquose, soprattutto acque marine.
• Attività biologica, che porta alla costruzione di gusci o apparati scheletrici.

5. PROPRIETÀ FISICHE DEI MINERALI

I minerali hanno delle proprietà fisiche che aiutano al loro riconoscimento. Queste proprietà sono:

• Colore;
• Colore della polvere;
• Densità;
• Sfaldatura;
• Durezza;
• Lucentezza;
• Temperatura di fusione.

Il colore

Il colore è la prima proprietà di un minerale che viene presa in considerazione, perché in risalto.

Il colore di un minerale è funzione della sua composizione chimica. Il colore dei minerali è dato fondamentalmente da ferro, cromo, manganese, cobalto, nichel, rame.

Inoltre in alcuni minerali della stessa specie il colore può cambiare in base alle impurezze presenti, anche se presenti in piccolissime quantità. Un esempio classico è il quarzo che può essere bianco, rosa, azzurro, violetto e addirittura fumeè.

Il colore della polvere

Se lo stesso minerale può essere di vari colori, la sua polvere ha sempre lo stesso colore. Un esempio è l'apatite, che può essere verde o marrone, che ha sempre la polvere di colore bianco.

Una tecnica molto utile per vedere il colore della polvere di un minerale è il metodo dello striscio.

Se strofiniamo un minerale su una superficie abrasiva otteniamo una striscia di polvere fine, della quale se osserviamo il colore otteniamo un utile strumento nel riconoscimento del minerale.

Densità

Ogni minerale ha una densità diversa. Infatti se prendi in mano due campioni, delle stesse dimensioni, di due minerali diversi noterai che hanno un peso diverso.

Sfaldatura

La sfaldatura è la proprietà che hanno alcuni minerali di rompersi preferibilmente lungo certe direzioni.

All'interno di una struttura cristallina, la sfaldatura si verificherà secondo le direzioni lungo le quali i legami chimici interatomici sono più deboli. Minerali con sfaldatura particolarmente facile sono ad esempio le miche, gli anfiboli e i pirosseni, la fluorite e la calcite.

Un minerale può mostrare una o più direzioni di sfaldatura, per le quali si usano gli aggettivi che descrivono la maggiore o minore facilità di ottenerle. Si parlerà di sfaldatura perfetta, buona, imperfetta, difficile o assente. Se tale direzione preferenziale di rottura non è evidente, quindi il minerale si rompe secondo superfici irregolari, si parla allora di frattura.

Durezza

La durezza di un minerale è una misura della sua resistenza a essere scalfito e abraso. La durezza dei minerali è determinata mediante comparazione con la scala di Mohs. Questa scala è costituita da 10 minerali disposti in ordine crescente di durezza.

La durezza viene determinata con strumenti di laboratorio, come ad esempio lo sclerometro, che misurano la resistenza dei minerali e che fanno riferimento a scale di valori assolute derivate dalla scala di Mohs.

Lucentezza

La lucentezza di un minerale dipende dal modo con cui la luce è riflessa o rifratta, così come dalla qualità della superficie di un cristallo.

Si distinguono i minerale con lucentezza metallica e lucentezza non metallica.

I minerali metallici opachi (pirite, galena etc) hanno un forte potere riflettente perciò hanno una lucentezza metallica. Invece minerali come la blenda e il rutilo hanno una lucentezza difficile da definire.

Temperatura di fusione

È il valore di temperatura in cui il minerale passa dalla fase cristallina alla fase liquida e assume un valore specifico in ogni minerale.

6.POLIMORFISMO E ISOMORFISMO

• Polimorfismo:è un fenomeno dei materiali cristallini e descrive la capacità di una sostanza di esistere come due o più fasi cristalline diverse. È stato trovato che una medesima sostanza semplice o composta, può cristallizzare in due o più diverse forme cristalline classificate in sistemi cristallografici diversi, ciascuna delle quali è stabile entro determinati limiti di pressione e di temperatura.
• Isomorfismo: è il fenomeno per il quale due o più sostanze diverse cristallizzano separatamente per dare cristalli con caratteri geometrici molto simili, è detto isomorfismo. Due o più sostanze isomorfe possono cristallizzare insieme formando soluzioni solide, ovvero se un sistema di dette sostanze è portato allo stato fuso o in soluzione e poi o si raffredda il fuso o si fa evaporare il solvente, si ottengono dei cristalli che sono detti cristalli misti.

7. SOLIDI AMORFI

La quasi totalità dei minerali è allo stato cristallino. Esistono però dei casi in cui i minerali hanno una struttura disordinata, in questo caso, i minerali vengono detti amorfi o vetrosi.

In un solido amorfo, gli atomi o le molecole non sono disposti in modo regolare, ma sono distribuiti casualmente in tutto il materiale, rendendo difficile identificare un pattern o una struttura ben definita. Questo fa sì che i solidi amorfi siano spesso descritti come "vetroso", perché il loro aspetto ricorda quello del vetro.

I passaggi di stato solido-liquido consentono di distinguere una sostanza amorfa da una cristallina: la fase cristallizzata ha un punto di fusione netto, mentre la fase amorfa non ha un punto di fusione ben definito, per cui all'aumentare della temperatura diventa prima pastosa e molle, poi più fluida e infine liquida. Se la fase liquida di certe sostanze non è raffreddata con molta lentezza, il movimento delle particelle diminuisce bruscamente e queste rimangono «imprigionate» in uno stato solido disordinato.

Esempi di solidi amorfi includono il vetro, la gomma, alcuni tipi di plastica, la cera e molti materiali biologici come il collagene e la cheratina. La loro mancanza di struttura cristallina conferisce loro proprietà fisiche e chimiche uniche, che li rendono utili in diverse applicazioni industriali e tecnologiche.

-Carola Barbato, Laura Platania

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