Slides 1 2014-15. UNIVERSO I minerali sono le sostanze “solide” naturali che costituiscono la porzione “solida” dell’Universo.

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1 Slides 1 2014-15

2 UNIVERSO I minerali sono le sostanze “solide” naturali che costituiscono la porzione “solida” dell’Universo

3 I minerali sono il prodotto di processi terrestri e planetari più o meno complessi che avvengono in un ampio intervallo di pressioni e temperature. La Terra è costituita da materiali “solidi” detti rocce costituiti di aggregati di più minerali (es.graniti ) o aggregati in cui domina un solo minerale (es quarziti). ll loro studio consente di comprendere l’origine e l’evoluzione della Terra.

4 La scienza che studia i minerali è la mineralogia ed ha un ruolo centrale nelle Scienze della Terra in quanto i minerali sono i costituenti principali del substrato Terrestre. Esempi I minerali e la materia organica sono i principali costituenti dei suoli Le pietre preziose sono minerali I minerali sono le materie prime di base sulle quali si fonda lo sviluppo tecnologico e la produttività economica della nostra società

5 Esempio Il Coltan è una miscela di due minerali che molto raramente si rinvengono puri columbite (Fe, Mn)Nb 2 O 6 e tantalite (Fe, Mn)Ta 2 O 6 Il Coltan è molto resistente al calore e alla corrosione, è utilizzato per la produzione dei condensatori di computer portatili, telefoni cellulari, dispositivi video, dispositivi audio digitali, console giochi e sistemi di localizzazione satellitare. È utilizzato anche nel settore aerospaziale e nella tecnologia militare. Serve a ottimizzare il consumo della corrente elettrica nei chip di nuovissima generazione. Purtroppo, essendo così prezioso è causa della guerra che sta devastando il Congo e di spregevole sfruttamento dei bambini.

6 Bambini sfruttati come mano d’opera nelle miniere

7 Obiettivi formativi del corso di mineralogia A) Comprendere il ruolo dei minerali come componenti fondamentali della litosfera. B) Acquisire i concetti di base della simmetria nello stato cristallino, con particolare riferimento alla simmetria morfologica. C) Imparare come si riconosce e si studia un minerale sulla base delle sue proprietà 1) morfologiche, 2) fisiche (principalmente interazioni con la luce e con i raggi X) e 3) cristallochimiche (relazioni tra struttura e legami chimici, isomorfismo, polimorfismo) per poi utilizzare questi concetti per classificare e descrivere i minerali più importanti.

8 F.C. HAWTHORNE Il miglior studioso delle Scienze della Terra, a prescindere dalla propria specializzazione individuale, è colui che ha maggiori conoscenze nel settore della Mineralogia

9 La mineralogia La mineralogia ha un ruolo centrale in tutte le Scienze della Terra: Petrografia, Geochimica, Geologia, Strutturale, Metallogenesi, Geofisica Rischi: ruolo di strumento al servizio dei fisici, chimici, petrografi, geochimici, geologi etc Difficoltà tecniche  insegnamento Assurge a scienza alla fine XVIII secolo Notevole sviluppo a partire dall’inizio del XX secolo con la scoperta dei Raggi X e la diffrazione dei raggi X da parte dei cristalli

10 Perché studiare la mineralogia 1) per conoscere le caratteristiche dei minerali sostenze naturali costituenti delle rocce; 2) per lo studio dei minerali consente di ricostruire gli ambienti geologici definendone le condizioni di T, P e ambiente chimico; 3) per avere informazioni su regioni del pianeta Terra non accessibili all’uomo e di cui si hanno solo notizie indirette 4) per lo studio dei minerali che hanno contribuito e contribuiscono al progresso umano per il loro uso e le applicazioni tecnologiche

11 IL P I A N E T A T E R R A

12 Geofisici, Geochimici, Mineralisti

13 1000° 140-170 kbar l’olivina (D 3.2- 4.4 gcm -3 ) si trasforma in olivina β e olivina  con struttura tipo spinello (D>10%) f Le discontinuità sono caratterizzate da trasformazioni strutturali dei minerali Km

14 Minerali e Rocce I minerali sono i costituenti delle rocce unitamente a sostanze amorfe (es vetro vulcanico) Le roccie sono,quindi, aggregati naturali di uno o più minerali Processi minerogenetici e petrogeneticici I minerali presenti nelle rocce si dividono in essenziali, accessori, accidentali

15 ESEMPIO Minerali essenziali: quarzo (SiO 2 ), feldspato potassico K [AlSi 3 O 8 ], plagioclasi (Na, Ca) [Al(Al,Si)Si 2 O 8 ], albite Na[AlSi 3 O 8 ] anortite Ca[Al 2 Si 2 O 8 ]), mica biotite [K(Mg,Fe) 3 (Si 3 Al)O 10 ] (OH) 2 Minerali accessori: magnetite (FeFe 2 O 4 ), apatite, pirite (FeS 2 ) zircone (ZrSiO 4 ), ortite (o allanite), titanite, epidoto, tormalina Minerali accidentali: mica muscovite [K 2 Al 4 (Si 6 Al 2 O 20 )(OH) 4 ], orneblenda, pirosseno, granato Graniti: rocce magmatiche intrusive o plutoniche a chimismo sialico

16 Peridotiti Peridotiti: rocce plutoniche ultrafemiche. La peridotite (lherzolite) rappresenta il 95% delle rocce del mantello superiore. La roccia è costituita da: olivina verde chiaro (60%); pirosseno verde erba ( monoclino ~15%, rombico ~20%); ~5% granato (piropo) rosso-violetto o plagioclasio calcico o spinello di Mg e Cr

17 Eclogiti Eclogiti: rocce metamorfiche si formano ad alte o altissime P e T da materiali magmatici basici. L’eclogite, in ordine di abbondanza (il 5%), è la seconda roccia del mantello superiore terrestre. La roccia è costituita da due soli minerali: il pirosseno verde (onfacite) e il granato rosso ferromagnesiaco

18 Le specie mineralogiche sono circa 4000, ma i minerali più diffusi sono un centinaio e, variamente associati anche con fasi amorfe, formano le rocce ovvero corpi disomogenei Aggregazione di minerali

19 Specie e VarietàCorindone Quarzo α Ametista zaffiro rubino smeraldo Tormalina dravite Tormalina sciorlo Berillo acquamarina

20 I minerali sono sostanze naturali inorganiche generalmente allo stato cristallino i cui atomi, ioni o molecole sono disposti tridimensionalmente e si ripetono in maniera ordinata e periodica. I minerali presentano una composizione chimica definita ed omogenea. I minerali presentano un comportamento anisotropo rispetto ad almeno una proprietà fisica Definizione di minerale Il tutto o una parte piccolissima presentano la stessa composizione

21 Microtuboli spiraliformi– ordine ma non periodicità

22 disposizione tridimensionale, ordinata, periodica filare a 11 reticolo cristallino a b c 11 22 33 maglia cella elementare filare piano reticolare   Reticolo cristallino Cella elementare  maglia   vettore di traslazione

23 Stati di aggregazione della materia Gli stati di aggregazione della materia sono tre: gassoso, liquido, cristallino Una stessa sostanza in funzione delle condizioni chimico-fisiche può assumere l’uno o l’altro stato di aggregazione Esaminiamo in modo quantitativo i tre stati della materia Consideriamo un cubetto di 1cm 3 di Ossigeno gassoso L’Ossigeno a 25°C e alla pressione 1 atmosfera è allo stato gassoso Assimilandolo ad un gas perfetto, dall’equazione di stato dei gas ideali pV=nRT si ricava che: 1cm 3 di Ossigeno pesa 1.31 x 10 -6 Kg; contiene 2.46 x 10 19 molecole; una distanza media è 34 Å; urti/ sec = 6.7 x 10 9 ; velocità media di 450 m/sec Questa situazione corrisponde ad uno stato di disordine totale (gas = caos)

24 Un cubetto di 1cm 3 di Ossigeno liquido pesa 1.14 x 10 -3 Kg; la distanza media tra le molecole è 3.6 Å; La velocità media di spostamento delle molecole è ~10 m/sec Un cubetto di 1cm 3 di Ossigeno cristallino pesa 1.36 x 10 -3 Kg; la distanza media tra le molecole è 3.39 Å che corrisponde a condizioni di contatto reciproco Le molecole non sono più libere di spostarsi ma solo di vibrare intorno al baricentro della molecola e lungo il legame tra i due atomi Negli stati fluidi della materia le molecole sono mobili; nello stato cristallino le molecole sono vincolate. Questi dati però non illustrano i rapporti spaziali tra le molecole. Stati di aggregazione della materia

25 Per i fisici dello stato solido sono veri solidi solo i corpi che hanno una struttura cristallina, caratteristica che impedisce ogni moto traslazionale alle particelle, gli altri solidi possono considerarsi liquidi a viscosità elevatissima. N.B. Il riconoscimento dello stato strutturale dei corpi è di estrema importanza poiché ad ogni stato strutturale corrispondono proprietà fisiche specifiche Il controllo della struttura è un fattore determinante per un gran numero di proprietà fisiche e quindi per le possibili applicazioni

26 Proiezione sul piano delle strutture : a) quarzo: struttura ordinata; b) vetro di silice struttura disordinata ● ioni silicio ○ ioni ossigeno

27 Distribuzione disordinata con indicazione dei primi vicini

28 Struttura ordinata e periodica = struttura cristallina Le strutture cristalline sono caratterizzate da un ordine a lungo raggio I minerali assumono spontaneamente forme poliedriche definite cristalli Struttura disordinata = solido Le sostanze solide sono caratterizzate solo da un ordine a corto raggio Un solido è privo di forma propria ovvero è amorfo, esempio il vetro vulcanico Cristalli e Sostanze amorfe Pomice Cristalli di quarzo

29 Esistono strutture intermedie in cui coesistono configurazioni ordinate accanto a situazioni disordinate Es. materie plastiche, materiali ceramici, leghe, cristalli liquidi I cristalli liquidi godono delle proprietà meccaniche dello stato liquido ma anche una spiccata anisotropia delle proprietà ottiche come nei cristalli (detto stato mesomorfico, Friedel 1922) Applicazioni: schermi, termometri, circuiti elettrici, memorie nei computer Sono stati identificati cristalli liquidi Sono stati identificati cristalli liquidi formati spontaneamente da molecole di DNA immerse in acqua. Ciò apre un nuovo possibile scenario sull'origine della vita sul nostro pianeta. Scoperta in parte italiana.

30 a) Curva di raffreddamento di una sostanza cristallina. b) curva di raffreddamento di una sostanza amorfa b) Non essendo una struttura ordinata e periodica non è necessario raggiungere una ben precisa T di fusione per distruggere la struttura, si ha una T di rammollimento

31 RICAPITOLANDO Una struttura cristallina consiste nella ripetizione tridimensionale ordinata e periodica delle unità costitutive (atomi, ioni, molecole) La struttura è quindi omogenea Tutte le direzioni parallele sono equivalenti

32 Struttura cristallina di NaCl Na + r = 0.97 Å Cl - r =1.81Å

33 NaCl: 1 cristallo reale ; 2 rappresentazione strutturale La disposizione spaziale dei suoi ioni è stata dimostrata con i raggi x Na + r = 0.97 Å Cl - r =1.81 Å 1 2

34 Proiezione sul piano di una faccia del cristallo cubico a periodo di identità lungo i filari // OA e periodo di identità lungo i filari // OE Distribuzione omogenea Periodo di identità (10 -9 m)(10 -10 m) A

35 La definizione di omogeneità comporta che il cristallo debba considerarsi infinito, diversamente le particelle superficiali non godrebbero delle stesse proprietà di quelle interne Perché considerare il cristallo  è legittimo Un cristallo di 1 mm 3, presenta 10 7 atomi lungo lo spigolo Il rapporto tra gli atomi superficiali e quelli contenuti nel volume è pari a 6 x10 -17 Quindi, gli atomi della superficie sono decisamente trascurabili rispetto al volume pertanto la struttura può considerarsi omogenea