La mineralogia, nasce nel XVI secolo grazie a G. Bauer, il quale portò a compimento il primo tentativo di classificazione dei minerali in base alle loro caratteristiche fisiche. Tuttavia l'interesse dell'uomo per i minerali è molto più antico. Oggi i minerali vengono studiati per l'estrazione di elementi chimici essenziali per molte applicazioni tecnologiche e industriali, un esempio è il Silicio per i computer, l'Uranio per le centrali nucleari o ancora il Titanio utilizzato ad esempio come fotocatalizzatore di inquinanti organici. I minerali inoltre forniscono ai geologi preziose informazioni sui processi di trasformazione subiti dalla superficie terrestre nel corso del tempo geologico.
I minerali, sono sostanze naturali, solide e cristalline, originati da processi inorganici, che presentano una composizione chimica definita. Ogni minerale può essere riconosciuto grazie alle proprietà fisiche e chimiche caratteristiche e costanti, inoltre possono essere costituiti da elementi, composti o miscele isomorfe. Un esempio importante di miscela isomorfa è rappresentato dall'Olivina (o Peridoto), un nesosilicato caratterizzato dal tetraedro silicatico che piò essere completato indifferentemente da Ferro o Magnesio, chiamati ioni vicarianti. L'Olivina, non presenta una formula chimica ma una formula mineralogica. Talvolta la stessa sostanza può dare origine a cristalli con diverso reticolo cristallino; ciò dipende dalle condizione di cristallizzazione, due esempi sono: diamante - grafite costituiti da Carbonio allo stato puro o, calcite - aragonite costituiti da carbonato di calcio. Quando sussistono queste condizioni si parla di polimorfismo.
La quasi totalità dei minerali presenta una strutura cristallina, cioè una disposizione spaziale degli atomi o ioni ordinata secondo una geometria caratteristica. Pochi si presentano sotto forma di solidi amorfi cioè caratterizzati da uno stato di disordine, che si riflette sull'abito esterno. Un esempio sono i vetri vulcanici, caratterizzati da colore scuro, frattura concoide e non presentano un punto fisso di fusione.
La struttura dei cristalli
Durante il processo di cristallizzazione, qualsiasi modificazione delle condizioni ambientali influenza la struttura del cristallo. Le caratteristiche strutturali dipendono innanzitutto dal tipo di legame che si instaura fra gli atomi che lo costituiscono. Possono essere quindi distinti in: solidi ionici, covalenti, metallici o molecolari; dal tipo di legame dipendono anche le loro proprietà fisiche: ad esempio i metalli possiedono un'elevata conducibilità, mentre quelli caratterizzati da legami covalenti hanno un'elevata durezza (es. diamante).
Ogni cristallo possiede una forma esterna poliedrica , delimitata da facce che si intersecano lungo linee detti spigoli, formando angoli costanti per la stessa sostanza. La regolarità nella disposizione delle facce è in relazione alla sua struttura interna: la disposizione di atomi o ioni formano la cosiddetta cella elementare che si ripete miliardi di volte nello spazio per dare origine ad un cristallo visibile ad occhio nudo. A volte la crescita dei cristalli è ostacolata da spazi limitati o dalla formazione contemporanea di cristalli vicini, si nota quindi uno sviluppo maggore di alcune facce rispetto ad altre chiamate geminati.
Pirite, solfuro di ferro cristallo cubico (collezione personale)
Alcune proprietà fisiche dei minerali
Le proprietà fisiche dei minerali forniscono indicazioni utili per il loro riconoscimento; le più importanti sono:
durezza: è la misura della resistenza all'abrasione e alla scalfittura; dipende dall'intensità dei legami che agiscono tra le sue particelle. Per la misura della durezza viene utilizzata empiricamente la scala di Mohs che consta di 10 termini, ognuno dei quali scalfisce le superfici del minerale che lo precede nella scala e viene scalfito dal minerale che lo segue. In questa scala i minerali vengono classificati in teneri (talco e gesso),che si rigano con un unghia; semiduri (calcite, fluorite, apatite, ortoclasio) che si rigano con una punta di acciaio e duri (quarzo, topazio corindone e diamante) che non si rigano con una punta d'acciaio.
densità: è il rapporto tra la massa e il volume di un corpo, è direttamente proporzionale all'addensamento degli atomi nel reticolo cristallino ed è alta nei composti con un elevato numero di coordinazione come i metalli.
sfaldatura: è la proprietà di alcuni minerali a rompersi secondo piani di solito paralleli alle facce; i piani di sfaldatura sono sempre perpendicolari a direzioni lungo le quali la forza dei legami è minima. Se le forze hanno la stessa intensità nelle tre direzioni, si ottengono fratture irregolari e in questo caso parliamo di frattura.
lucentezza: misura il grado in cui la luce è riflessa dal cristallo e può essere metallica (per i minerali opachi) o non metallica o vitrea ( per quelli trasparenti).
proprietà ottiche: sono importanti per lo studio e il riconoscimento dei minerali in sezione sottile al microscopio. Possono essere monorifrangenti (quando la luce rifratta si propaga alla stessa velocità in tutte le direzioni), o birifrangenti (la luce rifratta, si divide in due raggi, uno ordinario e uno straordinario che vibrano in piani tra loroperpendicolari e si propagano con diverse velocità) come nel caso della calcite nella varietà Spato d'Islanda: l'osservatore vede al di sotto del cristallo l'immagine sdoppiata.
CLASSIFICAZIONE DEI MINERALI
Se prendiamo in considerazione la litosfera, osserviamo che il 98 % della massa è costituita da soli otto elementi: l'Ossigeno è il più diffuso e da solo occupa il 93 % del volume totale della crosta, a differenza del Carbonio che occupa meno dell'1 %. Altri elementi significativi sono il Silicio, Alluminio, Ferro, Calcio, sodio, Potassio e Magnesio che si legano facilmente all'Ossigeno, dando origine ai diversi minerali.
Data la grande varietà dei minerali, è stato necessario individuare criteri precisi per la loro classificazione; uno dei più diffusi è quello di tipo chimico, e considera l'anione che caaratterizza i minerale; se questo è l'Ossigeno, si legherà con cationi metallici per formare gli ossidi. L'Ossigeno si lega anche con altri elementi per formare ad esempio lo ione silicato, carbonato e solfato. In minor percentuale esistono altri minerali quali i solfuri o gli elementi nativi che sono molto rari.
Ogni specie mineralogica è caratterizzata da una formula mineralogica e da una particolare struttura cirstallina.
I Silicati
Sono i minerali più abbondanti della crsota terrestre e tutti a parte la Silice sono caratterizzati dal tetraedro silicatico SiO4 (4-) che rappresenta l'unità fondamentale del reticolo cristallino. Il Silicio forma quattro legami covalenti con altrettanti atomi di Ossigeno, ciascuno dei quali può ancora formare un legame. Il tetraedro silicatico può raggiungere la stabilitàin tre modi:
- formando legami con ioni metallici come Fe, Mg, K e Na, che fanno da ponte tra un tetraedro e l'altro;
- legandosi in parte con ioni metallici e in parte condividendo gli atomi di Ossigeno con tetraedri adiacenti;
- mettendo in comune tutti gli atomi di Ossigeno con i tetraedri adiacenti.
I silicati possono essere divisi in due grandi classi in base al rapporto tra Si e O in: Silicati femici (hanno una bassa % di tetraedri silicatici e un elevata % di ioni metallici tra cui Fe e Mg) e Silicati sialici (hanno un'elevata % di tetraedri silicatici e bassa di ioni metallici, contengono Alluminio, sono chiari e meno densi dei precedenti).
La classificazione all'interno dei silicati non è di tipo chimico, ma di tipo strutturale, in quanto dipende dal modo in cui i tetraedri si uniscono fra loro.
I Silicati sono classificati in base alla modalità con cui i tetraedri sono disposti nello spazio, i principali sono:
- nesosilicati: sono caratterizzati d a tetraedri isolati tenuti assieme da ioni positivi che si legano all'atomo di Ossigeno mediante un legame ionico. Presentano generalmente durezza e peso specifico elevati. Un esempio sono le olivine , miscele isomorfe di Fe e Mg legati al tetraedro silicatico, e caratterizzate da una colorazione verde più o meno intensa. Altri nesosilicati sono i granati e lo zircone.
- inosilicati: sono costituiti da tetraedri uniti tra loro a formare catene lineari semplici o doppie. Nel primo caso ogni tetraedro condivide un atomo di Ossigeno; nel secondo caso, i tetraedri condividono due atomi di Ossigeno per formare una catena doppia. Appartengono agli inosilicati i pirosseni e gli anfiboli; i pirosseni sono costituiti da una catena singola, sono scuri, densi e ricchi di Fe e Mg; gli anfiboli sono costituiti da una doppia catena, contengono Ca e Mg e hanno una colorazione che va dal verde marrone al blu.
- fillosilicati: sono costituiti da strati di tetraedri, nei quali ognuno di essi mette in comune tre ossigeni con tre diversi tetraedri, formando maglie esagonali che si estendono su un piano. la caratteristica dei fillosilicati è la sfaldatura lamellare. Appartengono a questa classe le miche e i minerali argillosi. Tra le miche possiamo ricordare la biotite (scura) e la muscovite (mica bianca) contenente Al, in cui è accentuto il fenomeno della sfaldatura in sottili lamine parallele.
- tectosilicati: i quattro atomi di Ossigeno del tetraedro sono in comune con quelli vicini formando una struttura tridimensionale. L'Alluminio può sostituire atomi di Silicio formando composti chiamati alluminosilicati. Inoltre la presenza dell'Al permette l'inserimento di altri ioni come Ca, Na e K.
Un esempio di alluminosilicati sono i feldspati e tra questi possiamo ricordare il K-feldspato (Ortoclasio) contenente K e Al; può avere diversi colori, dal bianco al rosa e rosso e cristallizza in forme diverse a seconda della temperatura. Un altro esempio sono i plagioclasi contenenti anche Na e Ca. Sono chiari, incolori, alcuni sono bianco latteo.
GENESI DEI MINERALI
I minerali possono formarsi dalla solidificazione di una massa fusa sia in superficie, sia in profondità. Esso si forma quando viene raggiunta la temperatura di solidificazione che lo caaratterizza.
Altri possono formarsi per precipitazione di sostanze sciolte in una soluzione sovrassatura: in natura possono esistere bacini di acqua contenenti sali, se la temperatura si abbassa, diminuisce la solubilità e i sali precipitano sul fondo. La precipitazione può essere provocata anche dall'evaporazione del solvente, come accade nei mari chiusi, salati e con elevata temperatura. Si Formano in questo modo le serie evaporitiche.
L'ultima modalità è la sublimazione di un vapore che porta direttamente allo stato solido. Un esempio è rappresentato dalle solfatare, dove dai gas emessi, lo zolfo sublima e si deposita.
sfaldatura: è la proprietà di alcuni minerali a rompersi secondo piani di solito paralleli alle facce; i piani di sfaldatura sono sempre perpendicolari a direzioni lungo le quali la forza dei legami è minima. Se le forze hanno la stessa intensità nelle tre direzioni, si ottengono fratture irregolari e in questo caso parliamo di frattura.
lucentezza: misura il grado in cui la luce è riflessa dal cristallo e può essere metallica (per i minerali opachi) o non metallica o vitrea ( per quelli trasparenti).
proprietà ottiche: sono importanti per lo studio e il riconoscimento dei minerali in sezione sottile al microscopio. Possono essere monorifrangenti (quando la luce rifratta si propaga alla stessa velocità in tutte le direzioni), o birifrangenti (la luce rifratta, si divide in due raggi, uno ordinario e uno straordinario che vibrano in piani tra loroperpendicolari e si propagano con diverse velocità) come nel caso della calcite nella varietà Spato d'Islanda: l'osservatore vede al di sotto del cristallo l'immagine sdoppiata.
Calcie varietà Spato d'Islanda (collezione personale)
colore:è sicuramente la proprietà più appariscente anche se la meno adatta a riconoscere il minerale. Alcuni minerali presentano sempre lo stesso colore, altri possono presentare diverse colorazioni come il quarzo.
Se prendiamo in considerazione la litosfera, osserviamo che il 98 % della massa è costituita da soli otto elementi: l'Ossigeno è il più diffuso e da solo occupa il 93 % del volume totale della crosta, a differenza del Carbonio che occupa meno dell'1 %. Altri elementi significativi sono il Silicio, Alluminio, Ferro, Calcio, sodio, Potassio e Magnesio che si legano facilmente all'Ossigeno, dando origine ai diversi minerali.
Data la grande varietà dei minerali, è stato necessario individuare criteri precisi per la loro classificazione; uno dei più diffusi è quello di tipo chimico, e considera l'anione che caaratterizza i minerale; se questo è l'Ossigeno, si legherà con cationi metallici per formare gli ossidi. L'Ossigeno si lega anche con altri elementi per formare ad esempio lo ione silicato, carbonato e solfato. In minor percentuale esistono altri minerali quali i solfuri o gli elementi nativi che sono molto rari.
Ogni specie mineralogica è caratterizzata da una formula mineralogica e da una particolare struttura cirstallina.
I Silicati
Sono i minerali più abbondanti della crsota terrestre e tutti a parte la Silice sono caratterizzati dal tetraedro silicatico SiO4 (4-) che rappresenta l'unità fondamentale del reticolo cristallino. Il Silicio forma quattro legami covalenti con altrettanti atomi di Ossigeno, ciascuno dei quali può ancora formare un legame. Il tetraedro silicatico può raggiungere la stabilitàin tre modi:
- formando legami con ioni metallici come Fe, Mg, K e Na, che fanno da ponte tra un tetraedro e l'altro;
- legandosi in parte con ioni metallici e in parte condividendo gli atomi di Ossigeno con tetraedri adiacenti;
- mettendo in comune tutti gli atomi di Ossigeno con i tetraedri adiacenti.
I silicati possono essere divisi in due grandi classi in base al rapporto tra Si e O in: Silicati femici (hanno una bassa % di tetraedri silicatici e un elevata % di ioni metallici tra cui Fe e Mg) e Silicati sialici (hanno un'elevata % di tetraedri silicatici e bassa di ioni metallici, contengono Alluminio, sono chiari e meno densi dei precedenti).
La classificazione all'interno dei silicati non è di tipo chimico, ma di tipo strutturale, in quanto dipende dal modo in cui i tetraedri si uniscono fra loro.
I Silicati sono classificati in base alla modalità con cui i tetraedri sono disposti nello spazio, i principali sono:
- nesosilicati: sono caratterizzati d a tetraedri isolati tenuti assieme da ioni positivi che si legano all'atomo di Ossigeno mediante un legame ionico. Presentano generalmente durezza e peso specifico elevati. Un esempio sono le olivine , miscele isomorfe di Fe e Mg legati al tetraedro silicatico, e caratterizzate da una colorazione verde più o meno intensa. Altri nesosilicati sono i granati e lo zircone.
- inosilicati: sono costituiti da tetraedri uniti tra loro a formare catene lineari semplici o doppie. Nel primo caso ogni tetraedro condivide un atomo di Ossigeno; nel secondo caso, i tetraedri condividono due atomi di Ossigeno per formare una catena doppia. Appartengono agli inosilicati i pirosseni e gli anfiboli; i pirosseni sono costituiti da una catena singola, sono scuri, densi e ricchi di Fe e Mg; gli anfiboli sono costituiti da una doppia catena, contengono Ca e Mg e hanno una colorazione che va dal verde marrone al blu.
- fillosilicati: sono costituiti da strati di tetraedri, nei quali ognuno di essi mette in comune tre ossigeni con tre diversi tetraedri, formando maglie esagonali che si estendono su un piano. la caratteristica dei fillosilicati è la sfaldatura lamellare. Appartengono a questa classe le miche e i minerali argillosi. Tra le miche possiamo ricordare la biotite (scura) e la muscovite (mica bianca) contenente Al, in cui è accentuto il fenomeno della sfaldatura in sottili lamine parallele.
- tectosilicati: i quattro atomi di Ossigeno del tetraedro sono in comune con quelli vicini formando una struttura tridimensionale. L'Alluminio può sostituire atomi di Silicio formando composti chiamati alluminosilicati. Inoltre la presenza dell'Al permette l'inserimento di altri ioni come Ca, Na e K.
Un esempio di alluminosilicati sono i feldspati e tra questi possiamo ricordare il K-feldspato (Ortoclasio) contenente K e Al; può avere diversi colori, dal bianco al rosa e rosso e cristallizza in forme diverse a seconda della temperatura. Un altro esempio sono i plagioclasi contenenti anche Na e Ca. Sono chiari, incolori, alcuni sono bianco latteo.
GENESI DEI MINERALI
I minerali possono formarsi dalla solidificazione di una massa fusa sia in superficie, sia in profondità. Esso si forma quando viene raggiunta la temperatura di solidificazione che lo caaratterizza.
Altri possono formarsi per precipitazione di sostanze sciolte in una soluzione sovrassatura: in natura possono esistere bacini di acqua contenenti sali, se la temperatura si abbassa, diminuisce la solubilità e i sali precipitano sul fondo. La precipitazione può essere provocata anche dall'evaporazione del solvente, come accade nei mari chiusi, salati e con elevata temperatura. Si Formano in questo modo le serie evaporitiche.
L'ultima modalità è la sublimazione di un vapore che porta direttamente allo stato solido. Un esempio è rappresentato dalle solfatare, dove dai gas emessi, lo zolfo sublima e si deposita.
Perchè la geminazione del gesso in foto è "a ferro di lancia" e non "a coda di rondine"?
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