I Minerali (ver.2)

I Minerali (ver.2)

la litosfera è l’involucro esterno solido della terra, ed ha uno spessore pari all’1,5% del raggio terrestre. Essa è soggetta a continui mutamenti nel corso del tempo ed è costituita da rocce con caratteristiche diverse, a loro volta composte da minerali.

cos’è un minerale? i minerali sono corpi naturali, inorganici (formatisi in seguito a processi spontanei) che presentano una composizione chimica definita e costante, caratterizzati da proprietà chimico-fisiche ben definite. I vari minerali si differenziano tra loro sia per la natura degli elementi che li costituiscono, sia per il modo in cui atomi, ioni o gruppi molecolari sono disposti nello spazio a formarne la struttura.

Alcuni minerali sono costituiti da semplici elementi (oro, zolfo…) altri di composti chimici che contengono due o più elementi in proporzioni sempre uguali. In questo caso ad ogni minerale viene associata una formula mineralogica che esprime i rapporti numerici esistenti tra gli atomi dei diversi elementi.

La formula mineralogica è spesso molto diversa da quella chimica, come nel caso dell’olivina (Mg,Fe)2 SiO4 in cui i termini separati dalla virgola indicano due ioni che possono sostituirsi l’uno all’altro e occupare i medesimi spazi perché hanno dimensioni e cariche molto simili. Nei casi in cui uno ione può sostituire un altro nella medesima struttura senza modificarla si parla di vicarianza.

Quasi tutti i minerali hanno struttura cristallina, che essendo tipica per ciascuno di essi, può essere utilizzata per la loro identificazione. Raramente, i minerali si possono presentare allo stato amorfo, ad a volte lo stesso composto può dare origine a minerali cristallini o amorfi a seconda delle condizione in cui si è solidificato: ad esempio l’opale che è un minerale amorfo ha la stessa composizione chimica del quarzo. Quando una sostanza presenta strutture con proprietà differenti si parla di polimorfismo.

le proprietà dei minerali possono essere fisiche, chimiche, organolettiche e forniscono indicazioni utili per il riconoscimento dei minerali stessi.

Le Proprietà fisiche dei minerali sono:

  1. il peso specifico, è il rapporto fra il peso di una certa quantità di quel corpo e quello di un uguale volume di acqua distillata alla temperatura di 4°C
  2. la durezza è la resistenza che un materiale oppone alla scalfittura da parte di un altro corpo appuntito o all’abrasione e dipende dalla sua coesione. Per valutare la durezza dei minerali si ricorre solitamente alla scala di Mohs
  3. la sfaldabilità o clivaggio proprietà che alcuni minerali hanno di rompersi più facilmente lungo certi piani di minore resistenza, ed e causata dal fatto che la forza di legame può avere nei cristalli, valori diversi secondo le diverse direzioni
  4. la frattura è la rottura non piana e irregolare di un minerale in più parti
  5. la tenacità è la resistenza che un corpo oppone alla rottura quando è sottoposto a torsione
  6. l’elasticità è la proprietà che hanno certi minerali di flettersi, deformandosi sotto l’azione di una certa forza, ma di riprendere poi la forma primitiva quando tale forza cessa di essere applicata
  7. la plasticità è la proprietà che certi corpi hanno di modificare permanentemente la loro forma senza rompersi, quando agiscono forze
  8. la malleabilità è l’attitudine di un minerale di lasciarsi ridurre in lamine sottilissime
  9. la duttilità è l’attitudine di certi minerali di lasciarsi tirare in fili, quando vengono passati in filiera
  10. le proprietà termiche dei minerali si riferiscono alla capacità di condurre calore, di dilatarsi o passare allo stato liquido se riscaldati
  11. la suscettività magnetica è l’attitudine di alcuni minerali di essere facilmente attratti da una calamita (es. magnetite)
  12. la conducibilità elettrica è la possibilità dei minerali di essere buoni o cattivi conduttori di elettricità
  13. le proprietà ottiche dei minerali sono il colore, la lucentezza, la trasparenza, la fluorescenza e l’angolo di rifrazione, e dipendono da come esso interagisce con la radiazione luminosa. Alcuni minerali, che sono in grado di sdoppiare un fascio di luce che li attraversa, sono detti birifrangenti

Altre proprietà utili per il riconoscimento dei minerali sono quelle organolettiche, che si deducono semplicemente con i propri organi di senso (untuosità, sapore salato o amaro…)

gli elementi più abbondanti nei minerali Otto elementi da soli costituiscono il 98% della massa della crosta terrestre. tra questi il più diffuso è l’ossigeno, che costituisce il 93% del volume totale e il 47% della massa della crosta. Gli altri elementi significativi sono il silicio, l’allumino, il ferro, il calcio, il sodio, il potassio e il magnesio, tutti elementi che interagiscono con l’ossigeno formando legami covalenti polari(silicio) o ionici, in cui l’ossigeno tende sempre a polarizzare su di sé le cariche negative e gli altri elementi a diventare ioni positivi.

Il volume dei minerali è dato prevalentemente dalle grandi “sfere” dell’ossigeno.

Nel caso più semplice l’ossigeno si combina direttamente con diversi atomi positivi per dare ossidi. In altri casi questi atomi positivi non si legano soltanto con l’ossigeno ma costituiscono con questo gruppi atomici particolari, con carica complessiva negativa e che si comportano come anioni. Tre di questi gruppi atomici sono molto importanti perchè determinano altrettante famiglie di minerali ovvero:

  1. il gruppo silicato (SiO4)4-
  2. il gruppo solfato (SO4)2-
  3. il gruppo carbonato (CO3)2-
  4. il gruppo solfuro*

* lo zolfo è uno dei pochi elementi che possono avere numero di ossidazione sia positivo che negativo: quando si combina con l’ossigeno nel gruppo solfato è positivo, mentre è negativo nel gruppo solfuro. I minerali in cui il cloro o altri alogeni forniscono la sola carica negativa sono detti alogenuri. I minerali costituiti da un solo elemento sono piuttosto rari e appartengono al gruppo degli elementi nativi.

i silicati, i minerali più abbondanti formano più del 90% della crosta terrestre. I silicati sono composti da silicio e ossigeno e tutti tranne il quarzo contengono due o più elementi in forma ionica. In tutti i silicati è presente la stessa struttura di base formata da i gruppi (SiO4)4- nei quali 1 atomo di silicio è legato con 4 atomi di ossigeno, ciascuno dei quali con una carica negativa, disposti ai vertici di un tetraedro. I tetraedri isolati non sono stabili e possono legarsi tra loro in diversi modi condividendo tra loro alcuni o tutti gli atomi di ossigeno. In base alla modalità con cui i tetraedri si dispongono nello spazio possiamo distinguere 5 diversi gruppi di silicati:

  1. i silicati a tetraedri isolati (neosilicati)
  2. i silicati a coppie di tetraedri
  3. i silicati a catene o ad anelli di tetraedri (innosilicati e sorosilicati)
  4. i silicati a strati di tetraedri (fillosilicati)
  5. i silicati a struttura spaziale (tectosilicati)

la struttura dei cristalli L’aspetto e le proprietà dei minerali dipendono dal tipo di atomi e dalla modalità con cui si legano dando origine alla loro struttura. E raro che un minerale riesca a raggiungere completamente il suo abito cristallino, cioè la sua forma , in modo evidente e riconoscibile ad occhio nudo: infatti nella maggior parte dei casi i cristalli sono di dimensioni molto ridotte perché si formano in un ambiente che ostacola il raggiungimento della loro forma esteriore tipica.

Un cristallo è un corpo solido, naturale o artificiale, che si presenta con una forma esterna poliedrica, geometricamente definibile, delimitata da superfici piane disposte regolarmente, dette facce. Le facce di un cristallo si intersecano lungo linee detti spigoli, formando angoli sempre costanti per la stessa sostanza. La regolarità nella disposizione delle facce di un cristallo deriva dalla disposizione ordinata nello spazio delle particelle che formano il cristallo, vincolate in una posizione fissa.

La cellula elementare di un cristallo rappresenta geometricamente il più piccolo insieme di atomi, ioni o gruppi molecolari che si ripete costantemente nel cristallo. Se immaginiamo di sostituire ogni particella del cristallo con un punto, il ripetersi della cellula elementare genera un reticolo spaziale chiamato reticolo cristallino. L’analisi della struttura interna dei cristalli si esegue con i raggi X, che possono penetrare nel cristallo e uscirne portando con sé l’immagine della sua configurazione interna.

la genesi dei cristalli Perché i cristalli di una data sostanza si formino, bisogna che le particelle che la costituiscono siano in grado di muoversi e di disporsi a formare un reticolo cristallino e che non avvengano turbamenti esterni. Le particelle di una sostanza sono dotate di movimento quando si trovano allo stato di vapore, allo stato fuso o in soluzione, mentre quando si trovano in un solido (un minerale ad esempio) sono vincolate in una posizione fissa, rispetto alla quale possono soltanto vibrare. La cristallizzazione si verifica quando, al cambiare delle condizioni di temperatura e pressione, la sostanza passa dallo stato di vapore, fuso o in soluzione, allo stato solido. I minerali possono formarsi:

  1. sulla superficie terrestre o in profondità all’interno della crosta terrestre per solidificazione diretta di una massa fusa
  2. per precipitazione di sostanze disciolte in una soluzione sovrassatura
  3. per condensazione di un vapore, che si trasforma direttamente in solido senza passare allo stato fuso.

Tali processi si verificano in conseguenza di una variazione di temperatura e di pressione nell’ambiente circostante: se tali variazioni avvengono lentamente e senza sbalzi improvvisi il minerale avrà una struttura cristallina, in caso contrario avrà struttura amorfa. Una sostanza fusa si trasforma in un solido quando la temperatura scende sotto al di sotto del suo punto di fusione.

La struttura che si ottiene varia a seconda della velocità del processo: se il passaggio avviene con sufficiente lentezza gli atomi hanno il tempo di disporsi ordinatamente originando un reticolo cristallino. Se invece il liquido solidifica bruscamente, per esempio se la temperatura si abbassa improvvisamente di molto, le particelle si dispongono in modo casuale e caotico, determinando una struttura vetrosa tipica dei solidi amorfi.

Se la sostanza è in soluzione la cristallizzazione avviene per precipitazione, che si verifica facilmente nelle soluzioni sovrassature (con una concentrazione di soluto superiore alla sua solubilità). Le soluzioni sovrassature si ottengono scaldando e poi raffreddando molto lentamente. La precipitazione avviene quando cala la temperatura, e consiste nella separazione del soluto. La precipitazione può avvenire anche nel caso si verifichi l’evaporazione del solvente (es. le saline). Bisogna ricordare che la temperatura di solidificazione varia al variare della pressione.