Didattica e Laboratorio di Mineralogia e Litologia I minerali e la classificazione dei silicati Prof. Ioppolo Borzì Anna Maria - VIII CICLO SISSIS 2007/2008 CLASSE A059

UNITA’ DIDATTICA Anno terzo: 10h di didattica + 4 ore di laboratorio PREREQUISITI Conoscenza della struttura atomica , atomi e molecole Conoscenza dei legami chimici e delle principali caratteristiche della tavola periodica degli elementi Conoscenza dei solidi geometrici OBIETTIVI: Acquisire i concetti di: Minerali Proprietà chimiche e fisiche dei minerali Struttura cristallina e amorfa CONTENUTI: I minerali: struttura cristallina e proprieta’ chimico - fisiche La cella unitaria dei silicati e la classificazione dei silicati in funzione della struttura Descrizione dei minerali più significativi

LA STRUTTURA DEI SOLIDI I minerali sono sostanze naturali allo stato solido, omogenee (uguali in ogni loro parte) e di origine inorganica (si sono formate senza l’intervento di esseri viventi). Hanno spesso struttura cristallina; hanno composizione chimica ben definita e particolari proprietà fisiche. .La struttra dei cristalli dipende dalla disposizione geometrica regolare nello spazio dei loro atomi, organizzati in un reticolo cristallino, formato da tante unità tutte uguali, le celle. Un cristallo è composto da unità base semplici dette celle elementari che ripetute nello spazio formano l’intero reticolo Struttura regolare interna di un cristallo di sale da cucina e la sua forma esterna.

LA STRUTTURA DEI MINERALI I cristalli hanno la forma di solidi geometrici regolari, come cubo, ottaedro, prisma, o anche di una combinazione di più solidi. La crescita di un cristallo è molto lenta, perciò la maggior parte dei cristalli è piccola, visibile a volte solo con la lente o il microscopio. I cristalli molto grossi sono abbastanza rari e molto pregiati. Alcuni minerali possono formarsi in condizioni che non ne permettono una cristallizzazione e hanno quindi una disposizione disordinata delle molecole: sono amorfi. E’ il caso del biossido di silicio (SiO2), che si può trovare sotto forma di cristalli regolari, quarzo, oppure in forma amorfa, opale. Molti minerali sono utilizzati nell’industria per estrarne i componenti; così l’alluminio si ricava dal suo ossido, la bauxite. Per la loro bellezza, i minerali sono anche oggetto di collezione; i più belli e rari costituiscono le gemme o pietre preziose, utilizzate in gioielleria.

LA DIFFRAZIONE AI RAGGI X E LA STRUTTURA RETICOLARE Tutti i cristalli che si trovano in natura possiedono una struttura reticolare attualmente studiata da mineralogisti e cristallografi grazie all’uso dei raggi X. Ogni minerale ha uno spettro caratteristico dovuto alla sua struttura e alla forma della cella elementare. Nel 1912 il fisico tedesco Max von Laue sottopose un cristallo di solfato di rame ai raggi X e ottenne su una lastra fotografica posta dietro al cristallo uno spettro di diffrazione che mostrava il reticolo del cristallo.

LA SIMMETRIA NEI CRISTALLI. GRUPPI, SISTEMI, CLASSI La disposizione regolare delle particelle nelle tre dimensioni dello spazio determina una forma geometrica caratteristica, il reticolo o habitus, tipico di ogni specie mineralogica. Per classificare i cristalli in base alla loro forma geometrica si fa riferimento agli elementi di simmetria (piano, asse, centro) che definiscono il grado di simmetria. I cristalli di una stessa specie hanno sempre lo stesso grado di simmetria. In base al grado di simmetria i cristalli vengono poi ordinati in 7 sistemi cristallini, basati sul valore degli angoli fra gli assi. I sistemi a loro volta si dividono in 32 classi. Se come elementi di riferimento si prendono i parametri delle facce si ottengono tre gruppi cristallini: MONOMETRICO, DIMETRICO, TRIMETRICO come indicato nella figura.   MONOMETRICO a = b= c DIMETRICO a= b ≠ c TRIMETRICO a ≠ b≠ c

PROPRIETA’ CHIMICHE E FISICHE NEI CRISTALLI Per il riconoscimento dei minerali quando l’habitus cristallino non è facilmente identificabile si utilizzano le proprietà fisiche e chimiche. Ogni minerale ha una sua densità o peso specifico, che dipende dagli elementi che lo compongono e che in un certo senso la sua carta d’identità. La maggior parte dei minerali ha un certo tipo di lucentezza. Pirite: metallica Diamante: adamantina Quarzo: vitrea Mica: perlacea La struttura del reticolo cristallino determina la conducibilità, cioè la capacità di condurre la corrente elettrica. La grafite e i metalli nativi sono conduttori, il quarzo e le miche sono isolanti. La magnetite, ossido di ferro (Fe2O3) che contiene più del 70% di ferro, ha proprietà magnetiche.

PROPRIETA’ CHIMICHE E FISICHE NEI CRISTALLI Un’altra proprietà che caratterizza i minerali è la durezza , ovvero la resistenza che oppongono alla scalfitura. Il geologo austriaco friedrich Mohs (1773 – 1839) propose di classificare i minerali in una scala di 10 gradi secondo la loro durezza, prendendo come riferimento alcuni minerali, dal meno duro (il talco) al più duro (il diamante). I minerali di un certo grado di durezza rigano quelli con durezza inferiore e vengono rigati da quelli con durezza superiore. Talco Scala di Mohs Diamante

PROPRIETA’ CHIMICHE E FISICHE NEI CRISTALLI In genere i materiali duri sono anche fragili, cioè si rompono facilmente in pezzi più piccoli, i materiali molli invece, sottoposti all’azione di una forza si deformano, quindi si rompono meno facilmente; si dicono tenaci. Alcuni minerali, come le miche, si sfaldano in modo regolare, secondo piani netti, paralleli alle facce dei cristalli; altri, come il quarzo, si rompono con frattura concoide, arrotondata come il guscio di una conchiglia, altri ancora senza alcuna regolarità. Scala di Mohs Talco Teneri: si scaliscono con l’unghia Gesso Calcite Semiduri: si scalfiscono con una punta di acciaio Fluorite Apatite Ortoclasio Duri: non scalfiti da una punta di acciaio Quarzo Topazio Corindine Diamante

PROPRIETA’ CHIMICHE E FISICHE NEI CRISTALLI Il colore di un minerale dipende dagli elementi di cui è formato. Alcuni possono essere incolori, come il quarzo, ma avere anche varietà colorate, per la presenza di “impurità”, cioè di piccole quantità di qualche elemento diverso nel reticolo cristallino. Le impurità non tolgono bellezza o pregio ai minerali: il corindone puro, ossido di alluminio, è incolore ma, se presenta impurità di ferro o titanio e assume una colorazione blu, è il preziosissimo zaffiro, se invece contiene impurità di ossido di cromo e assume un bel colore rosso, è l’ancora più prezioso rubino. Corindone: Al2O3 Zaffiro: Al2O3 ( Fe o Ti) Rubino: Al2O3 ( Cr)

LA STRUTTURA BASE DEI SILICATI E LA LORO CLASSIFICAZIONE Più del 90% dei minerali che compongono la crosta terrestre contiene silicio. Il silicio appartiene allo stesso gruppo del carbonio, con quattro elettroni nello strato più esterno. Può unirsi con altri atomi di silicio a formare lunghe catene, dando origine a una grandissima varietà di composti. Se il carbonio è “l’ elemento della vita”, perché tutti i composti organici, derivati dagli esseri viventi, contengono carbonio, possiamo dire che il silicio, per la sua abbondanza nella crosta terrestre, è “l’elemento delle Terra”. I minerali che contengono Silicio si chiamano SILICATI, sono composti di Silicio e Ossigeno e tutti, tranne il Quarzo (SiO2) contengono uno o più elementi in forma ionica (Al - Fe - Mg - K - Na - Ca.). Nonostante abbiano caratteristiche diverse, in tutti è presente la stessa struttura di base (SiO4)4-, nei quali 1’atomo di Silicio è legato a 4 atomi di Ossigeno, ciascuno dei quali ha una carica negativa ai vertici del tetraedro; le valenze residue sono saturate dai Cationi. I tetraedri isolati non sono stabili e possono legarsi tra loro in diverso modo, condividendo alcuni o tutti gli atomi di Ossigeno.

BIOSSIDO DI SILICIO: SiO2 I minerali del silicio sono il biossido di Silicio, questo di presenta in diverse forme; della forma cristallina fanno parte le varietà di quarzo a grandi cristalli e di calcedonio, ammassi globulari di microcristalli, di cui le più note sono l’agata e l’onice. Alla forma amorfa appartengono le diverse varietà di opale. Diversa struttura Onice Opale Agata

VARIETA’ DI QUARZO A CRISTALLIZZAZIONE EVIDENTE STESSA STRUTTURA CRISTALLINA- PRESENZA DI IMPUREZZE Ametista: colore viola più o meno intenso Cristallo di rocca o quarzo ialino o incolore

VARIETA’ DI QUARZO A CRISTALLIZZAZIONE EVIDENTE Quarzo affumicato colore bruno fumo Quarzo rosa: di colore rosa, si ritrova in piccoli ammassi piuttosto che in cristalli distinti. STESSA STRUTTURA CRISTALLINA- PRESENZA DI IMPUREZZE Quarzo citrino: Colore più o meno giallo per inclusioni di idrossido di ferro.

PROPRIETA’ CHIMICHE E FISICHE PROPRIETA’ FISICHE DEL QUARZO E LORO SFRUTTAMENTO PROPRIETA’ CHIMICHE E FISICHE DENSITA’ 2.65 g/cm2 DUREZZA 7 (scala di MOHS) SFALDATURA assente FRATTURA concoide COLORE Incolore (allocromatico) LUCENTEZZA Da trasparente a vitrea Alcune proprietà fisiche dei cristalli di quarzo sono la piezoelettricità e la piroelettricità (ovvero la capacità di polarizzare elettricamente le facce opposte del cristallo, in seguito ad una deformazione meccanica come la compressione o dopo riscaldamento). Tali proprietà sono sfruttate dagli oscillatori, utilizzati in moltissime apparecchiature elettroniche fra le quali gli orologi al quarzo, le radio e praticamente tutti gli apparecchi digitali. Per le sue proprietà fisico-meccaniche il quarzo è ampiamente utilizzato nell'industria dei rivestimenti, pavimentazioni, piani da lavoro sotto forma di agglomerato in lastre di spessore variabile. Per le sue caratteristiche ottiche di elevata trasmissibilità nel visibile e soprattutto nell'ultravioletto, il quarzo viene usato per realizzare parti ottiche per usi scientifici.

CLASSIFICAZIONE DEI SILICATI: FILLOSILICATI Talco Sono silicati a strati di tetraedri . Si presentano in grossi cristalli esagonali, la cui caratteristica è la facile sfaldatura in piani paralleli, lungo i piani di tetraedri. Ai fillosilicati appartengono numerosi minerali di grande importanza. Tra questi ricordiamo il TALCO e il SERPENTINO (forma fibrosa che può essere tessuta) detto anche AMIANTO. Sono fillosilicati anche i minerali argillosi, che si formano sotto forma di masse porose (Caolinite).Hanno in genere struttura microcristallina o amorfa, costituita da particelle piccole, osservabili solo al microscopio elettronico Amianto

CLASSIFICAZIONE DEI SILICATI: NESOSILICATI Sono Silicati a tetraedri isolati e vi appartengono lo Zircone e il Topazio. Gli ioni di ossigeno non vengono condivisi tra i diversi tetraedri e la formula risulta SiO4. Olivina Zircone Topazio Zircone

CLASSIFICAZIONE DEI SILICATI: CICLOSILICATI Sono silicati ad anelli di tetraedri, sono costituiti da anelli di 3,4,6 tetraedri, in cui gli atomi di ossigeno condivisi sono 2. Appartengono a questa classe di silicati il BERILLO e le sue varietà SMERALDO e ACQUAMARINA Smeraldo Acquamarina Berillo

STRUTTURE CRISTALLINE DEI SILICATI Quarzo Talco Amianto Berillo Orneblenda Olivina LA STRUTTURA CRISTALLINA DETERMINA LE PROPRIETA’ FISICHE DEI MINERALI

VERIFICA 1) Controlla la tua conoscenza degli argomenti (VERO / FALSO) Tutti i minerali si presentano sotto forma di grossi cristalli. Tutti i minerali sono composti da almeno due elementi Alcuni minerali conducono l’elettricità La scala di Mohs misura la lucentezza dei minerali Il carbonio è l’elemento più importante nella crosta terrestre. 2) Descrivi le proprietà fisiche dei minerali 3) OSSERVA il minerale della figura qui a fianco Secondo te : Si è formato per raffreddamento veloce di sostanza allo stato fuso Ha struttura fibrosa Si è formato lentamente e in modo regolare È amorfo Ha struttura cristallina Segna la risposta o le risposte che ritieni corrette

BIBBLIOGRAFIA M.L. Bozzi, A. Pietra, L. Altomani – Corso di scienze – LATTES M. Filippi, L. Bignami – La riscoperta della terra e dell’universo- Minerva Italica