MINERALI E LORO PROPRIETÁ UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CATANIA - SISSIS VIII - CICLO CLASSE 59/A Didattica di Mineralogia e Litologia Laboratorio di Mineralogia e Litologia prof. Ioppolo MINERALI E LORO PROPRIETÁ Nativo Giorgio Sortino Elisabetta Testa Giorgio Valido Stefania

Unità Didattica Prerequisiti Contenuti Obiettivi Tempi Differenza tra composti ed elementi chimici Principali grandezze fisiche Struttura interna della terra Contenuti Minerali, loro struttura e proprietà Laboratorio: Esempi di minerali Obiettivi Conoscere le proprietà dei minerali Saper riconoscere un minerale Tempi 2 ore di lezione frontale 1 ora di laboratorio 1 ora di verifica (Test scritto)

Sulla “LITOSFERA” Dove vivono tutti gli organismi viventi? Essa costituisce la parte più esterna della terra, formata da sostanze inorganiche e naturali che si presentano allo stato solido.

Come si presenta? Cosi come un mosaico è fatto da tasselli tutti differenti fra di loro, la nostra Litosfera è formata da rocce, i cui tasselli sono i minerali.

Minerali Rocce Quali sono i “componenti” della litosfera? Riolite Quarzo Andesite Rame Gesso Pomice Rocce

MINERALI E ROCCE SONO DUE SOSTANZE Cosa sono i minerali? Sono sostanze inorganiche omogenee (cioè formate nello stesso modo in tutte le sue parti) che si trovano nella superficie terrestre. La loro composizione chimica può essere espressa da una formula. Cosa sono le rocce? Sono minerali o miscugli di minerali, che si trovano in natura in tale quantità da costituire parte integrante della litosfera. Esse si formano tramite uno o più processi geologici. MINERALI E ROCCE SONO DUE SOSTANZE BEN DISTINTE TRA LORO! Se un minerale esiste in natura in grande quantità, tanto da costituire parte integrante della crosta terrestre, viene chiamato roccia semplice.

Solamente otto elementi costituiscono il 98% della crosta terrestre. Quali elementi della Tavola Periodica costituiscono i minerali? Solamente otto elementi costituiscono il 98% della crosta terrestre. Alluminio   Calcio Sodio Potassio Ossigeno Silicio Ferro Magnesio

Solo l’Ossigeno costituisce il 47% della crosta terrestre !!! L’Ossigeno molecolare in natura si trova allo stato gassoso, ma legato ad altri elementi chimici può formare composti solidi, nel nostro caso minerali e rocce. L’Ossigeno si lega principalmente con il Silicio formando i SILICATI

Come si presentano i minerali? Stato cristallino Stato amorfo Se prendiamo un mucchio di mattoni e lo buttiamo in un angolo, in modo disordinato e alla rinfusa, rimarrà un mucchio di mattoni, se invece li sistemiamo in modo ordinato creeranno un edificio. Allo stesso modo se le particelle di un minerale si comportano come il mucchio di mattoni saranno allo stato amorfo, invece se saranno come l’edificio si troveranno allo stato cristallino.

Elementi geometrici di un cristallo Un cristallo è un solido geometrico con facce, spigoli e vertici dovuti a un regolare accrescimento, atomo dopo atomo, a partire da una struttura tridimensionale elementare. Spigoli = rette risultanti dall’incontro di due facce. Vertici = punto d’incontro di tre o più spigoli concorrenti. Facce = superfici generalmente piane che limitano il cristallo. V + F = S + 2 (Legge di Eulero)

Elementi di simmetria di un cristallo Piano di simmetria = piano immaginario che divide il cristallo in 2 parti specularmente uguali, tali cioè che una metà del cristallo, riflessa in uno specchio, riproduca l’altra (simmetria assiale). Grado di simmetria = l’insieme degli elementi di simmetria di un dato cristallo, cioè il complesso dei suoi piani, dei suoi assi e del suo centro di simmetria. Centro di simmetria = punto immaginario centrale al cristallo, equidistante da due facce parallele e fisicamente equivalenti (simmetria centrale). Asse di simmetria = retta immaginaria intorno alla quale può essere ruotato il cristallo di un angolo inferiore a 360°, in modo che esso assuma nello spazio una posizione identica a quella di partenza.

Struttura di un minerale Un filare è la ripetizione di una particella per una distanza fissa. Due fasci di filari formano un piano reticolare. La cella elementare è la più piccola unità di una struttura che ripetuta all’infinito genera l’intera struttura Il reticolo cristallino è caratterizzato da una disposizione degli atomi nello spazio a intervalli regolari nelle tre dimensioni.

Perché sono importanti la proprietà Le proprietà fisiche = ogni risposta misurabile del materiale a qualche causa esterna Composizione chimica Tipo di legame chimico Struttura cristallina Dipendono da: Perché sono importanti la proprietà fisiche dei minerali? Sono diagnostiche La loro conoscenza permette l’utilizzo tecnologico dei minerali La conoscenza delle relazioni tra struttura e proprietà fisiche permette la sintesi di materiali nuovi.

Le proprietà fisiche possono essere: SCALARI Sono descritte soltanto da un numero e non dipendono dalla direzione nella quale vengono misurate (es. Peso specifico, Densità, Punto di fusione) Variano al variare della direzione nella quale vengono misurate e per essere descritte hanno bisogno di un numero, una direzione e un verso; es., Forma cristallina, Abito cristallino, Dilatazione termica, Durezza, Sfaldatura e frattura,Tenacità, Proprietà ottiche (Colore, lucentezza,…) VETTORIALI Una caratteristica fondamentale dello stato solido cristallino, conseguenza dell’ ordine strutturale è l’anisotropia: Anisotrope sono tutte quelle sostanze che presentano almeno una proprietà che varia al variare della direzione. Isotrope sono quelle sostanze per le quali le proprietà non mostrano variazioni, si mantengono cioè costanti, al variare della direzione.

= l’insieme delle facce di un cristallo fisicamente equivalenti. Forma cristallina = l’insieme delle facce di un cristallo fisicamente equivalenti. Le forme possono essere Aperte: sono associate ad altre forme Chiuse: includono interamente una porzione di spazio Nella maggior parte dei casi la forma macroscopica dei cristalli non è sempre uguale, ma si può presentare in varie combinazioni, più o meno sviluppate. La forma esterna dei cristalli è l’espressione della loro disposizione atomica interna ordinata.

Abito cristallino = è la descrizione delle forme e degli aggregati che un determinato minerale può assumere in natura. L'abito è dovuto al prevalere delle forme che si accrescono più lentamente (in quanto le forme che si sviluppano prima presentano facce più piccole o addirittura completamente oscurate dalle facce formatesi in più tempo). Salgemma Un minerale assume un determinato abito in funzione di: simmetria del reticolo cristallino degli elementi che lo compongono; modalità di accrescimento temperatura, pressione, tempo e spazio a disposizione, ecc. Berillo

ABITI CRISTALLINI Diamante Pirite Fluorite Pirite

Peso Specifico Densità = è il rapporto fra il peso di un minerale ed il peso di un egual volume di acqua distillata; è quindi una grandezza adimensionale. è importante perché alcuni minerali apparentemente molto simili per l’aspetto esterno differiscono per il loro peso specifico. Quarzo p.s. = 2,6 Oro p.s. = 15,5 - 19,3 Argento p.s. = 9,6-12 Pirite p.s. = 5,1 Densità = è il rapporto fra la massa di un minerale ed il suo volume; si misura perciò in grammimassa per centimetro cubo (g/cm3). è importante perché, grazie a questa proprietà, si riescono a separare facilmente i minerali utili da una miscela. 18

solido  pastoso  liquido Punto di fusione = è la temperatura alla quale un minerale perde la propria struttura cristallina e passa allo stato liquido. Quarzo Diamante Minerali amorfi Fusione graduale solido  pastoso  liquido Antimonite Minerali cristallini Fusione brusca solido  liquido Il fenomeno della fusione di solidi cristallini è caratterizzato da 2 regole: un corpo puro fonde sempre alla stessa temperatura, detta punto di fusione, che dipende solo dalla natura del corpo e dalla pressione alla quale è sottoposto; la temperatura del corpo rimane inalterata durante tutto il processo di fusione.

Dilatazione termica Cristalli di: Si deformano Non si deformano = è la facoltà dei minerali di dilatarsi lungo le tre direzioni dello spazio, se sottoposti a riscaldamento. Quarzo Cristalli di: Salgemma Zolfo Ossidiana Si deformano Non si deformano Il coefficiente di dilatazione termica è la variazione di volume per unità di temperatura.

La scala di durezza di Mohs = resistenza che un minerale oppone ad essere scalfito. La scala di durezza di Mohs scalfibili dall’unghia = teneri 1. Talco 2. Gesso scalfibili da una punta d’acciaio = semiduri 3. Calcite 4. Fluorite 5. Apatite 6. Ortoclasio non scalfibili da una punta d’acciaio = duri 7. Quarzo 8. Topazio 9. Corindone 10. Diamante

Sfaldatura = è la tendenza di un minerale a rompersi per urto secondo superfici piane, parallele ad una o più facce dell’abito cristallino. salgemma Il salgemma si sfalda lungo le superfici che formano angoli diedri di 90° fra loro, formando frammenti di forma cubica. Frattura = è la tendenza di un minerale a rompersi per urto, generando frammenti aventi superfici irregolari o di aspetto scheggioso, o ancora, ad andamento curvo. Frattura concoide Quarzo ossidiana Frattura irregolare

Tenacità fragili, se facilmente fratturabili (quarzo); = è la maggiore o minore resistenza alle sollecitazioni meccaniche di un minerale. fragili, se facilmente fratturabili (quarzo); settili, se facilmente tagliabili con una lama (gesso); malleabili, se facilmente riducibili in lamine (oro); duttili, se facilmente riducibili in fili (rame); flessibili, se capaci di deformazioni plastiche (talco); elastici, se capaci di deformazioni elastiche (miche).

________ Non metallica Lucentezza = proprietà che indica la capacità di un minerale di riflettere la luce. In generale, i tipi di lucentezza osservabili sono due: ________ Non metallica Sebbene la distinzione tra i due tipi non sia facile da descrivere è abbastanza semplice riconoscerli a occhio nudo. La lucentezza metallica è quella tipica di minerali metallici (cromo, acciaio, rame, oro); solfuri (pirite e galena); ossidi (ematite) che riflettono la maggior parte della luce incidente. Questi minerali sono infatti opachi alla luce e non si lasciano attraversare anche se hanno spessori molto sottili. I minerali non metallici, invece, sono quelli che si lasciano attraversare (seppur in modo variabile) dalla luce.

Lucentezza metallica Hanno gli elementi nativi di tipo metallico ed Rame Hanno Lucentezza metallica gli elementi nativi di tipo metallico ed alcuni solfuri … Galena Antimonite Oro Argento Ematite

adamantina - molto viva, caratteristica … mentre per i minerali non-metallici vengono utilizzati altri termini per descrivere ulteriormente la loro lucentezza. adamantina - molto viva, caratteristica del diamante; vitrea - la più comune nei minerali (quarzo, corindone); grassa – la superficie appare unta (talco); madreperlacea – caratteristica dei minerali costituiti da strati sottili iridescenti, (es. miche); terrosa – non si ha riflessione perché si tratta di un aggregato di microcristalli (es. argille e bauxite); resinosa – caratteristica di un minerale con aspetto simile alla resina (zolfo); sericea - tipica di minerali fibrosi; 26

Trasparenza, Traslucidità, Opacità Spesso i minerali vengono descritti sulla base delle qualità di luce che possono trasmettere. Tali proprietà sono raggruppate sotto il termine diafanità, che esprime proprio “ la qualità della trasmissione della luce di un minerale”. Sulla base di questo termine un minerale può essere: Berillo Trasparente Quando la luce attraversa il minerale ed è possibile osservare nitidamente quello che c’è dietro. Fluorite Traslucido Quando la luce attraversa il minerale, ma il suo grado di trasparenza permette solo di percepire la forma di un oggetto posto dietro, ma non di distinguerne i contorni. Galena Opaco I minerali che riflettono quasi tutta la luce che li colpisce, ossia la luce non passa attraverso il minerale.

Minerali allocromatici Colore = è dovuto ad un assorbimento preferenziale di varie lunghezze d’onda fra le innumerevoli che compongono lo spettro della luce bianca. È strettamente dipendente dal chimismo e dalla struttura. Minerali idiocromatici colori diversi = impurità Minerali allocromatici QUARZO sempre lo stesso colore PIRITE MALACHITE CINABRO AZZURRITE Il “Colore” di un minerale, è quello che si osserva in luce naturale

Colore della polvere (striscio) In molti minerali (soprattutto quelli metallici) è molto utile esaminare il colore della polvere del minerale stesso. Per la determinazione del colore della polvere (o striscio) si usa una piccola piastrella di porcellana bianca ruvida chiamata tavoletta di striscio (durezza pari a 7), nella quale viene “strisciato” il minerale. Minerali opachi = polvere scura. Minerali trasparenti = polvere bianca o colore più tenue del minerale.

AMETISTA - SiO2 - CLASSE MINERALOGICA: silicato GRUPPO: dimetrico SISTEMA: trigonale ABITO: prismatico esagonale terminato con una piramide a sei facce romboedriche, ma l'ametista si trova spesso in druse, geodi e come incrostazione. DUREZZA: 7 PESO SPECIFICO: 2,60 - 2,65 COLORE: viola (in varie tonalità) LUCENTEZZA: vitrea TRASPARENZA: da trasparente a traslucida SFALDATURA: assente STRISCIO: polvere bianca FRATTURA: concoide GENESI: si forma in ambiente igneo (spettacolari esempi di cristallizzazione) ed all'interno di fratture di rocce metamorfiche. GIACIMENTI: i principali giacimenti di questa varietà di quarzo sono in Brasile (Minas Gerais, Rio Grande do Sul, Bahaia), Uruguay, Canada (Thunder Bay), USA (Arkansas, Montana, Maine, North Carolina), Messico (Guerrero, Vera Cruz), varie località africane (bei campioni in Madagascar), India, Germania, Russia (Urali) ed Italia.

CENNI STORICI: il nome deriva dal greco amethystos che significa " colui che non si ubriaca ", in quanto attribuivano a questa pietra la capacità di rendere immune dagli effetti dell'alcool chiunque ne portasse un pezzo con sè; anche al giorno d'oggi vengono attribuite numerose proprietà all'ametista che resta tutt'ora la più famosa varietà di quarzo. ALTRE CARATTERISTICHE ED UTILIZZO: é una varietà di quarzo; é molto diffusa ed a seconda della tonalità di viola e del tipo di cristallizzazione é spesso possibile risalire al giacimento d'origine; ha le stesse proprietà fisico-chimiche del quarzo. Il suo utilizzo é in campo gemmologico (é la gemma che presenta la più bella tonalità di viola, non costa uno sproposito solo a causa della facilità che si ha nel reperirla), in campo ornamentale (famose le geodi d'ametista e gli oggetti prodotti con ametista lavorata), in campo collezionistico ed attualmente gode di molto credito nel campo della cristalloterapia. COMMENTO: l'ametista ha un colore viola molto bello e cristallizza a volte in forme spettacolari.

GESSO - CaSO4.2H2O - CLASSE MINERALOGICA: solfato GRUPPO: trimetrico SISTEMA: monoclino ABITO: tabulare, prismatico, a volte il gesso si presenta in concrezioni ad alte percentuali di granelli di sabbia dette "rose del deserto"; sono frequenti i geminati e le masse microcristalline. DUREZZA: 2 PESO SPECIFICO: 2,3 COLORE: incolore, bianco, giallo, giallo-rossastro fino a bruno, grigio e nero LUCENTEZZA: da vitrea a madreperlacea TRASPARENZA: i cristalli sono da trasparenti a traslucidi SFALDATURA: buona in una direzione, distinta nelle altre due STRISCIO: polvere bianca FRATTURA: irregolare (raramente distinguibile) GENESI: genesi sedimentaria, il gesso in particolare si trova in giacimenti di tipo evaporitico GIACIMENTI: Spagna, Egitto, Stati Uniti (Utah e Colorado), Russia, Francia, Inghilterra, Polonia; in Italia è possibile trovare gesso in Toscana e Sicilia

CENNI STORICI: é uno dei minerali più antichi che si conoscono, sin dai tempi della Magna Grecia che dell'impero romano il gesso veniva impiegato nella fabbricazione di calchi di volti umani e più in generale nel mondo dell'arte; nel 1695 il gesso ebbe l'onore di essere studiato (prima volta in assoluto per un minerale) al microscopio. ALTRE CARATTERISTICHE ED UTILIZZO: quando si presenta incolore, trasparente e con lucentezza perlacea abbiamo la varietà di gesso detta selenite (dal nome greco di luna); è spesso associato ad anidrite (minerale che può trasformarsi in gesso per assorbimento d'acqua); i cristalli sono flessibili ma non elastici, hanno una conduttività termica molto bassa, a volte possono essere fluorescenti; il gesso può avere molte inclusioni tra cui (oltre ai già citati granelli di sabbia) anche bolle d'acqua e aria. Il gesso si utilizza in edilizia, in medicina, per i calchi, per la fabbricazione dello solfo e dell'acido solforico, nell'industria della carta, della gomma, dei coloranti; la varietà alabastro gessoso si utilizza per scolpire piccoli oggetti ornamentali, la varietà selenite come pietra pregiata. COMMENTO: si riconosce grazie ad abito, flessibilità dei cristalli, lucentezza e soprattutto dal fatto che è facilmente rigabile (basta un'unghia).

QUARZO - SiO2 - CLASSE MINERALOGICA: silicato GRUPPO: dimetrico SISTEMA: trigonale ABITO: il più comune é quello prismatico esagonale terminato con una piramide a sei facce romboedriche, ma quarzo si trova in druse, geodi, botroidale, globulare, stalattitico. DUREZZA: 7 PESO SPECIFICO: 2,60 - 2,65 COLORE: incolore (var. ialino o cristallo di rocca), viola (var. ametista), giallo e arancio (var. citrino), marrone, nero e grigio (var. affumicato), rosa (var. rosa), bianco (var. latteo); sono possibili anche colorazioni intermedie e casi di policromatismo (cristalli in parte gialli e in parte viola, var. ametrino). LUCENTEZZA: vitrea TRASPARENZA: da trasparente a traslucida ad opaca SFALDATURA: assente STRISCIO: polvere bianca FRATTURA: concoide GENESI: si trova veramente ovunque, in ambiente igneo, metamorfico e sedimentario (nella maggioranza dei casi é però di origine primaria); e' in assoluto il minerale più diffuso sulla crosta terrestre. GIACIMENTI: premesso che forse l'unico stato senza quarzo é lo stato del vaticano, i principali giacimenti sono in Brasile, Uruguay, Canada, USA (Arkansas, Montana), Messico, varie località africane (bei campioni in Madagascar), India, Germania e Russia.

CENNI STORICI: il nome deriva dal termine tedesco quarz; la storia di questo minerale segue di pari passo quella dell'uomo, basti pensare che é stato il primo minerale impiegato dai primitivi per la costruzione di armi da caccia ed é il minerale da cui attualmente si estrae il silicio, probabilmente l'elemento più importante oggigiorno per tutta l'industria elettronica. ALTRE CARATTERISTICHE ED UTILIZZO: il quarzo ha una struttura unica (solo un fosfato, la berlinite, è isostrutturale con esso); il quarzo può inoltre presentare degli effetti ottici come gatteggiamento (che dona quattro varietà di quarzo: var. occhio di gatto, di colore giallastro; var. occhio di tigre, di colore giallo-bruno; var. occhio di bue, di colore rosso, rosso-brunastro; var. occhio di falco, di colore bluastro), iridescenza (var. iris), lattescenza (var. latteo) e raramente asterismo (essenzialmente nel quarzo rosa incluso da rutilo); a volte il quarzo può avere delle inclusioni che lo caratterizzano al punto da fornire ulteriori varietà (le principali sono quarzo fantasma, rutilato, tormalinato e dendritico); il quarzo può formare cristalli giganteschi, in Brasile é stato trovato un quarzo ialino di 44 tonnellate. Gli usi sono molto numerosi, il quarzo viene impiegato nella produzione di vetri, di componenti elettriche, di lenti ottiche, di abrasivi, di materiali edili, di utensili in generale; è molto frequente il suo impiego anche in campo gemmologico ornamentale e collezionistico ed ultimamente anche nel settore della cristalloterapia. COMMENTO: il quarzo è un minerale talmente famoso che è quasi impossibile non riconoscerlo, comunque oltre alle già citate caratteristiche giova ricordare le tipiche striature presenti sulle facce lungo la direzione perpendicolare al senso di allungamento del cristallo e la facile frattura concoide.

PIRITE - FeS2 - CLASSE MINERALOGICA: solfuro GRUPPO: monometrico SISTEMA: cubico ABITO: cubico a facce striate, ottaedrico, pentagonododecaedrico, icositetraedrico ed in cristalli con combinazioni di queste forme; pirite si trova comunemente in noduli, ma anche massiva ed in sostituzione di altri minerali e fossili a formare pseudomorfi. DUREZZA: 6-6,5 PESO SPECIFICO: 5,1 COLORE: dal giallo ottone con riflessi grigi al giallo oro LUCENTEZZA: metallica TRASPARENZA: opaca SFALDATURA: completamente indistinta STRISCIO: polvere nera verdastra, diversa da quella gialla dell'oro FRATTURA: concoide FLUORESCENZA: nulla GENESI: la pirite si forma in quasi ogni tipo di ambiente, comunque le maggiori quantità si originano nelle rocce sedimentarie metamorfiche, dove si forma per deposito fuori del contatto dell'aria; la genesi idrotermale è quella che fornisce le più belle cristallizzazioni, la genesi sedimentaria dà invece masse microcristalline. GIACIMENTI: i maggiori produttori di pirite sono Spagna e Giappone; vi sono poi giacimenti in Grecia, Svezia e Stati Uniti; in Italia bei cristalli provengono dall'isola d'Elba ma pirite si trova anche a Gavorrano, Niccioleta, Sardegna, Alpi.

CENNI STORICI: il suo nome viene dal greco pyr (fuoco) perché produce scintille quando la si percuote. I greci la portavano come amuleto, gli Incas ne facevano degli specchi, nel Medioevo veniva confusa con l'oro ed era quindi chiamata "oro degli sciocchi“. ALTRE CARATTERISTICHE ED UTILIZZO: è un polimorfo della marcasite; è un semiconduttore, si decompone con l'acido nitrico, è facilmente fusibile, non è malleabile (a differenza dell'oro). La pirite è utilizzata per la produzione di acido solforico per usi svariati nell'industria chimica, inoltre si estrae zolfo utile per concimi, fabbricazione di cellulosa, vulcanizzazione del caucciù, antiparassitari, cosmetici, prodotti farmaceutici. COMMENTO: la pirite si riconosce facilmente grazie ad abito, durezza, striscio e lucentezza; a causa del fatto che la pirite si ossida molto facilmente occorre fare molta attenzione ai campioni di pirite nelle collezioni poiché decomponendosi libera acido solforico che può attaccare tutto ciò che li circonda. La pirite si trova in associazione con quasi tutte le specie mineralogiche.