I materiali della Terra solida Alfonso Bosellini I materiali della Terra solida

Capitolo 2 Atomi, elementi, minerali e rocce Lezione 4 Cristalli, minerali e loro proprietà

2.1 Elementi e composti naturali Un elemento è una sostanza che non può essere separata in tipi più semplici di materia con normali processi chimici. Otto tra gli elementi presenti in natura costituiscono da soli il 90% della crosta terrestre.

2.1 Elementi e composti naturali Raramente gli elementi si trovano come elementi nativi, cioè non combinati con altri elementi. Bismuto nativo Gli elementi nativi sono costituiti da atomi tutti uguali. 4 4

2.1 Elementi e composti naturali In genere gli elementi sono combinati chimicamente in numero di due o più a formare composti. La PIRITE è costituita da 2 soli elementi Fe, S L’ORNEBLENDA è costituita da ben 8 elementi: Na, Ca, Mg, Fe, Al, Si, O, H I composti sono formati da ioni o molecole. 5 5

2.1 Elementi e composti naturali Ogni composto ha una composizione chimica definita espressa da una specifica formula chimica. Il salgemma è un minerale composto di SODIO e CLORO e ha formula NaCl Il quarzo è un minerale composto di SILICIO e OSSIGENO e ha formula SiO2 Il salgemma, per esempio, è sempre e solo costituito da ioni sodio (Na+) e cloruro (Cl –) nel rapporto 1:1. Il quarzo, uno dei composti più comuni della crosta terrestre, consiste di atomi di silicio (Si) e di ossigeno (O) nel rapporto 1:2 e ha formula SiO2. 6 6

2.2 I minerali La mineralogia è la disciplina che studia l’origine e la natura dei minerali. Un minerale è un corpo solido allo stato naturale che può essere un elemento nativo o un composto. 7 7

Una sostanza può essere definita un minerale quando: 2.2 I minerali Una sostanza può essere definita un minerale quando: • allo stato naturale si è formata attraverso un processo generalmente inorganico; • la sua composizione si può esprimere mediante una formula chimica; • la sostanza è un solido cristallino; In un solido cristallino le specie chimiche che lo costituiscono (atomi, ioni o molecole) sono disposte in modo geometricamente ordinato e ben definito. • è caratterizzata da specifiche proprietà fisiche (durezza, densità) che devono avere un valore costante e definito. 8 8

2.3 La struttura cristallina dei minerali Ogni minerale si presenta come un solido dotato di una particolare forma geometrica detta abito cristallino. Quarzo Feldspato Mica Olivina 9 9

2.3 La struttura cristallina dei minerali Ogni minerale si presenta come un solido dotato di una particolare forma geometrica detta abito cristallino. Granato Diamante Calcite Gesso 10 10

2.3 La struttura cristallina dei minerali L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale è il risultato della particolare disposizione degli atomi e delle molecole all’interno dei cristalli. Questa disposizione interna ordinata è detta struttura del reticolo cristallino. RETICOLO CRISTALLINO 11 11

2.3 La struttura cristallina dei minerali L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale è il risultato della particolare disposizione degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli. Questa disposizione interna ordinata è detta struttura del reticolo cristallino. Atomi, ioni e molecole sono allineati a una distanza fissa formando filari FILARE 12 12

2.3 La struttura cristallina dei minerali L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale è il risultato della particolare disposizione degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli. Questa disposizione interna ordinata è detta struttura del reticolo cristallino. Due filari non paralleli individuano un piano reticolare PIANO 13 13

2.3 La struttura cristallina dei minerali L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale è il risultato della particolare disposizione degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli. Questa disposizione interna ordinata è detta struttura del reticolo cristallino. Un piano reticolare è dato dalla ripetizione per traslazione di una maglia piana elementare MAGLIA 14 14

2.3 La struttura cristallina dei minerali L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale è il risultato della particolare disposizione degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli. Questa disposizione interna ordinata è detta struttura del reticolo cristallino. Tre filari non giacenti sullo stesso piano, incontrandosi in punti detti nodi danno origine al reticolo cristallino NODO 15 15

2.3 La struttura cristallina dei minerali L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale è il risultato della particolare disposizione degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli. Questa disposizione interna ordinata è detta struttura del reticolo cristallino. L’unità strutturale minima del reticolo cristallino è detta cella elementare CELLA ELEMENTARE 16 16

2.3 La struttura cristallina dei minerali La forma esterna di un minerale può essere assai variabile, ma la struttura del reticolo cristallino deve essere la stessa per tutti gli esemplari di una data specie minerale. 17 17

2.3 La struttura cristallina dei minerali La struttura cristallina del salgemma (NaCl) è data da una disposizione geometrica e ordinata in una cella elementare cubica di ioni Na+ e Cl–. Ogni cubetto del reticolo cristallino (costituito da quattro ioni Na+ e quattro ioni Cl–) racchiude in sé tutte le caratteristiche del solido cristallino. 18 18

Non sempre i cristalli hanno forma geometrica regolare. 2.3 La struttura cristallina dei minerali Non sempre i cristalli hanno forma geometrica regolare. Se un minerale si accresce in poco spazio, i cristalli si sviluppano in modo irregolare adattandosi allo spazio disponibile. Se un minerale ha molto spazio a disposizione, i cristalli possono svilupparsi in forme regolari e, talvolta, gigantesche. Oltre allo spazio, un importante fattore che condiziona la crescita dei cristalli è il tempo. 19 19

2.3 La struttura cristallina dei minerali In base al tipo di particelle di cui sono composti e all’intensità delle forze di attrazione esistenti fra queste, i cristalli si possono classificare in: • ionici, costituiti da cationi e anioni che si alternano nel reticolo; • covalenti, costituiti da atomi legati covalentemente fra loro a formare una rete che si estende in tutte le direzioni del cristallo; • metallici, costituiti da cationi, che occupano le varie posizioni del reticolo, circondati da elettroni di valenza in movimento e diffusi in tutto il solido; Il salgemma è un esempio di cristallo ionico. Il diamante è un esempio di cristallo covalente omopolare; il quarzo e la blenda sono esempi di cristalli aventi legami covalenti eteropolari. Legami metallici si trovano ad esempio nei metalli nativi, come oro e rame. Lo zolfo e il ghiaccio hanno reticolo molecolare. • molecolari, costituiti da atomi o da molecole neutre tenute insieme da forze deboli. 20 20

2.4 Fattori che influenzano la struttura dei cristalli In un solido cristallino devono essere rispettati due requisiti fondamentali: 1. Le dimensioni delle specie chimiche che si combinano devono essere tali da potere costituire un’impalcatura cristallina stabile. Intorno a uno ione di piccole dimensioni (positivo) possono trovare posto solo tre ioni di grandi dimensioni (negativi). All’aumentare delle dimensioni dello ione positivo centrale, aumenta il numero degli ioni negativi che possono disporsi intorno a esso. 21 21

2.4 Fattori che influenzano la struttura dei cristalli In un solido cristallino devono essere rispettati due requisiti fondamentali: 2. Le cariche negative e positive devono bilanciarsi esattamente, affinché la cella elementare sia elettricamente neutra. 22 22

2.4 Fattori che influenzano la struttura dei cristalli Spesso la forma dei cristalli è la combinazione di più forme semplici, che hanno in comune la stessa cella elementare. I cristalli di fluorite possono assumere forme geometriche semplici (a sinistra e al centro), oppure forme composte che derivano dalla combinazione di forme semplici (a destra). 23 23

I minerali si possono formare per: 2.5 Formazione dei minerali I minerali si possono formare per: • cristallizzazione da soluzioni magmatiche solidificatesi per raffreddamento; • cristallizzazione da soluzioni acquose per evaporazione del solvente, o per raffreddamento della soluzione; • cristallizzazione per raffreddamento di vapori o reazioni tra gas; • cristallizzazione da fasi solide (cristalline) o amorfe, con trasformazione allo stato solido di minerali presenti; • attività degli organismi viventi con produzione di biominerali. 24 24

I minerali si identificano attraverso le loro proprietà fisiche: 2.6 Proprietà fisiche dei minerali I minerali si identificano attraverso le loro proprietà fisiche: • colore; • peso specifico; • sfaldatura; • durezza; • lucentezza; • temperatura di fusione; • magnetismo; • birifrangenza; • fluorescenza; • radioattività. 25 25

2.6 Proprietà fisiche dei minerali Il colore di un minerale dipende dalla presenza nella sua struttura di certi atomi: rame = verde, azzurro; manganese = rosa, arancio; ferro = giallastro, rosso, marrone, nero. Talvolta, lo stesso minerale può presentare colori diversi a causa di impurità presenti nella sua struttura. Quarzo ialino Quarzo citrino Quarzo rosa Quarzo ametista Quarzo affumicato Il colore ha un valore puramente indicativo per il riconoscimento di un minerale. 26 26

2.6 Proprietà fisiche dei minerali Il colore della polvere di un minerale può essere diverso da quello del campione macroscopico. Mentre il colore dei cristalli di un minerale può essere variabile, quello della polvere è abbastanza costante. L’ematite può essere rossa, nera o marrone, ma la sua polvere è sempre rossa. La polvere si ottiene strisciando il campione di minerale su di una mattonella di ceramica ruvida. 27 27

A parità di volume, alcuni minerali sono più pesanti di altri. 2.6 Proprietà fisiche dei minerali Il peso specifico di un minerale è il rapporto tra il suo peso e il peso di un uguale volume di acqua distillata a 4 °C. Dipende dal tipo di atomi che costituiscono il minerale e dal loro addensamento nella struttura cristallina. CARNALLITE densità = 1,6 g/cm3 QUARZO densità = 2,65 g/cm3 GALENA densità = 7,6 g/cm3 ORO densità = 19,3 g/cm3 La densità si esprime in g/cm3. A parità di volume, alcuni minerali sono più pesanti di altri. 28 28

2.6 Proprietà fisiche dei minerali La sfaldatura è la caratteristica di alcuni minerali di rompersi lungo piani di minor resistenza detti piani di sfaldatura. La mica si sfalda in lastre sottilissime La calcite si sfalda in romboedri La sfaldatura è indipendente dalla durezza, anche il diamante si può sfaldare. I piani di sfaldatura corrispondono a superfici in cui i legami chimici sono più deboli. 29 29

2.6 Proprietà fisiche dei minerali La durezza di un minerale è una misura della sua resistenza a essere scalfito o abraso. La durezza si determina per confronto con una scala standard: la scala di Mohs. TALCO durezza = 1 GESSO durezza = 2 CALCITE durezza = 3 FLUORITE durezza = 4 APATITE durezza = 5 Nella scala di Mohs, ogni termine scalfisce quello precedente. Tra un termine e l’altro della scala non c’è la stessa variazione di durezza: mano a mano che si sale nella scala, l’aumento di durezza da un grado al successivo è sempre maggiore. Si possono utilizzare anche l’unghia (durezza 3), una moneta di rame (durezza 4), una lama di acciaio (durezza 5), una scheggia di vetro (durezza 6). ORTOCLASIO durezza = 6 QUARZO durezza = 7 TOPAZIO durezza = 8 CORINDONE durezza = 9 DIAMANTE durezza = 10 30 30

1. Minerali e rocce La scala della durezza di Mohs Lupia Palmieri, Parotto, Osservare e capire la Terra © Zanichelli editore 2010 31

La lucentezza è la capacità di un minerale di riflettere la luce. 2.6 Proprietà fisiche dei minerali La lucentezza è la capacità di un minerale di riflettere la luce. TORMALINA lucentezza vitrea PIRITE lucentezza metallica CERUSSITE lucentezza adamantina OPALE lucentezza grassa 32 32

2.6 Proprietà fisiche dei minerali Il magnetismo è la capacità di alcuni minerali di attrarre materiali ferrosi. La magnetite è un minerale dotato di magnetismo. Grandi masse di rocce che contengono minerali magnetici possono deviare l’ago della bussola. 33 33

2.7 Polimorfismo Il polimorfismo è la caratteristica di due o più minerali che pur avendo la stessa composizione chimica, presentano diversa struttura del reticolo cristallino. Il diamante e la grafite sono costituiti entrambi da carbonio ma hanno diversa struttura del reticolo cristallino DIAMANTE GRAFITE Un altro esempio di polimorfismo è dato dai due minerali calcite e aragonite, entrambi costituiti da carbonato di calcio. 34 34

2.8 Isomorfismo L’isomorfismo si verifica quando ioni di elementi chimici diversi (con raggio ionico e cariche simili) possono sostituirsi a vicenda, all’interno dello stesso reticolo cristallino. Questi elementi si definiscono vicarianti e il fenomeno dell’intercambiabilità è detto vicarianza. I minerali che presentano isomorfismo danno vere e proprie soluzioni allo stato solido di due minerali distinti, dette miscele isomorfe. Un caso significativo di isomorfismo è la capacità dell’alluminio di sostituire il silicio nel reticolo dei silicati. Un esempio di miscela isomorfa rinvenibile in tutte le proporzioni è l’olivina. L’olivina è un silicato costituito da tetraedri di silicato legati a ioni ferro e magnesio; questi due ioni sono presenti in percentuali variabili a seconda dei cristalli. La formula del minerale è (Mg,Fe)2SiO4. 35 35

Non tutti i minerali sono cristallini, alcuni sono amorfi o vetrosi. 2.9 Solidi amorfi Non tutti i minerali sono cristallini, alcuni sono amorfi o vetrosi. I solidi amorfi hanno struttura disordinata, simile alla disposizione che le particelle di una massa gassosa o liquida assumono in ogni istante. L’opale, che ha la stessa composizione del quarzo, non è cristallino, ma un idrogel di silice amorfa simile a una gelatina indurita. 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. 36 36

2.9 Solidi amorfi Le sostanze cristalline sono in genere anisotrope: cioè in esse grandezze fisiche, come la dilatazione termica o certe proprietà ottiche, assumono valori diversi a seconda della direzione considerata. Le sostanze amorfe sono invece isotrope, cioè presentano le stesse caratteristiche fisiche in tutte le direzioni. 37 37