Corso di Laurea in SCIENZE NATURALI Facoltà di Scienze MM.FF.NN. Mineralogia sistematica

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1 Corso di Laurea in SCIENZE NATURALI Facoltà di Scienze MM.FF.NN Mineralogia sistematica

2 Mineralogia sistematica Ossidi, Idrossidi, Alogenuri, Carbonati, Solfati e Fosfati

3 Ossidi e Idrossidi Gli ossidi sono una classe di minerali relativamente duri, alcuni molto duri, come il corindone, Al 2 O 3, che e il penultimo termine della scala di Mohs. Densi e refrattari, generalmente sono minerali accessori di rocce ignee e metamorfici e si rinvengono come minerali detritici, in particolare quelli resistenti all alterazione superficiale dei sedimenti. Gli idrossidi sono meno duri e meno densi e sono minerali di alterazione secondaria o superficiale Col termine ossidi si intendono solidi con legami fortemente ionici di ioni O 2- e cationi metallici. Descrivibili anche attraverso l impacchettamento compatto di ioni O 2- con i cationi che vanno a occupare cavita ottaedriche e tetraedriche E piu semplice usare una classificazione basata sul rapporto metallo/ossigeno

4 Ossidi Tre gruppi principali basati sul rapporto M/O: Tipo X 2 O e XO Cuprite Cu 2 O Periclasio MgO Gruppo dell ematite (X 2 O 3 ) Corindone X=Al +3 per lo piu esagonali Ematite X=Fe +3 Ilmenite X=1Fe +2 +1Ti +4 Gruppo del rutilo (XO 2 ) X=generalmente catione +4 per lo piu tetragonali Rutilo X=Ti Pirolusite X=Mn Cassiterite X=Sn Uraninite X=U Gruppo dello spinello (XY 2 O 4 ) Spinello X=Mg, Y=Al generalmente catione X= +2; Y= +3 Magnetite X=Fe +2, Y=Fe +3 per lo piu isometrici Cromite X=Fe +2, Y=Cr o ortorombici Crisoberillo X=Be, Y=Al Ulvospinello X=Ti +4, Y=Fe +2

5 Nel 1916 ho pubblicato la struttura dell ossido cuprite, Cu 2 O (struttura tipo X 2 O) nel quale gli atomi di ossigeno sono disposti ai vertici e al centro di gruppi tetraedrici, mentre gli atomi di Cu sono disposti a distanza intermedia dall ossigeno entro gruppi tetredrici. O Cu Cuprite, Cu 2 O Sir. Lawrence Bragg ( )

6 Principio della valenza elettrostatica In una struttura cristallina stabile la forza totale dei legami di valenza che raggiungono un anione da tutti i cationi circostanti è uguale alla carica dell anione. Forza legame elettrostatico = valenza elettrostatica (v.e.) v.e. = carica ione/c.n v.e. esprime la forza di ciascun legame

7 Periclasio (MgO) Struttura tipo XO, simile a quella dell NaCl (S.G. Fm3m). Mg in C.N. 6 «Strato di ottaedri completo, senza lacune a differenza degli ossidi del gruppo dell ematite. v.e. legame Mg-O = 2/6 = 1/3. Questo permette a ogni ossigeno di condividere 6 legami con atomi di Mg (1/3 x 6 = 2). Mg + O 2- Sezione della struttura del periclasio, MgO, osservata parallelemente a (111)

8 Gruppo dell ematite (X 2 O 3 ) Le strutture di Fe 2 O 3 e Al 2 O 3 sono isostrutturali (gruppo spaziale R3m) e si basano su di un impaccamento esagonale di ossigine con i cationi posizionati in cavità ottaedriche. v.e. legame Fe-O = 3/6 = 1/2. Questo permette a ogni ossigeno di condividere solo 4 legami con atomi di Fe (1/2 x 4 = 2)

9 Ilmenite FeTiO 3 Gli atomi di Fe e Ti sono disposti in strati alternati di Fe-O e Ti-O. Un ottaedro su tre è vuoto. Rispetto all ematite e al corindone ha una simmetria inferiore (gruppo spaziale R3) a causa della sostituzione ordinata (Fe+Ti) ai danni del Fe 3+ (nel caso dell ematite) o dell Al 3+ (nel caso del corindone).

10 Strutture tipo (XO 2 ) Composti con stechiometria AX 2 struttura del Rutilo (TiO 2 ) Raggio ionico(ti)/raggio ionico (O 2- ) = 0.61/1.36 = 0.45 (CN = 6) Isostrutturali: Alogenuri (MgF 2, BaCl 2...); Ossidi (MnO 2, SnO 2, SiO 2 -stishovite..) Impacchettamento esagonale compatto di ossigeni, con gli ioni Ti 4+ che occupano meta dei siti ottaedrici disponibili Le catene di ottaedri parallele all asse c sono formati da ottaedri che condividono gli spigoli e sono collegate trasveralmente per condivisione dei veritci. v.e. Ti-O = 4/6 = 2/3. Ogni O 2- ha bisogno di essere legato a tre Ti 4+ (3 * 2/3 = 2) per rispettare il principio della valenza elettrostatica.

11 Polimorfi del TiO2 Rutilo Brookite P4 2 /mnm Nel rutilo e nella brookite gli ottaedri condividono 2 spigoli. Nell anatasio gli ottaedri condivdono 3 spigoli. Pbca Anatasio Il rutilo è il polimorfo più comune, mentre l anatasio è il più raro. Ad alte temperature, circa 915 C, l anatasio si converte spontaneamente in rutilo. A 750 C, la brookite si converte in rutilo. I4 1 /amd

12 Ossidi Corindone, Al 2 O 3, trigonale Struttura molto stabile (punto di fusione 2045 C). Lucentezza da adamantina a vitrea. Caratteristica principale la durezza (9). Le varieta colorate sono gemme pregiate come il rubino (rosso) e lo zaffiro (blu). Ematite, Fe 2 O 3, trigonale Isostrutturale col corindone. Lucentezza da metallica, quando e in cristalli, a terrosa, colore da marrone a rossastro a nero con polvere rosso ruggine. Varieta : oligisto grossi cristalli neri lucenti con iridescenza; micacea cristalli appiattiti neri lucenti (rosa di ferro); ocra: masse microcristalline rosso sangue Ilmenite, FeTiO 3, trigonale Lucentezza metallica, colore nero con polvere nera, ma con tonalita rossastre.

13 Ossidi di Fe-Ti Soluzioni solide e loro estensione fra gli ossidi del sistema TiO 2, FeO e Fe 2 O 3. Fe +2 Fe +3

14 Ossidi Rutilo, TiO 2, tetragonale Comune in cristalli prismatici, con facce striate. Spesso in geminati detti a ginocchio. Lucentezza da adamantina a submetallica, colore rosso-brunastro o nero, colore della polvere marrone chiaro Pirolusite, MnO 2, tetragonale Granulare, dendritico, lucentezza metallica, colore e polvere neri. Distinto dagli altri minerali di Mn per la polvere nera e la durezza bassissima (1-2). E il piu importante minerale di Mn Uraninite, UO 2, cubica Struttura tipo fluorite. Cristalli rari con habitus ottaedrico. Comunemente di trova nella varieta pechblenda, che e massiva o botroidale con struttura a bande.colore nero e polvere nerobluastra. Caratteristiche distintive sono l alto peso specifico ( ) e la radioattivita. Giacitura pegmatitica, idrotermale, sedimentaria, e legata al grado di ossidazione dell uranio

15 Altri ossidi comuni Rutilo (TiO 2 ) Corindone (Al 2 O 3 ) Durezza=9 Pirolusite (MnO 2 ) Aghetti di rutilo nel quarzo Rosso= Rubino Blu = Zaffiro Crisoberillo (BeAl 2 O 4 ) Pirolusite dendritica Massa di pirolusite botroidale Geminazione ciclica nel crisoberillo

16 Strutture tipo Spinello Composti con stechiometria AB 2 O 4 Es. strutture tipo spinello: MgAl 2 O 4 La struttura dello spinello consiste di una disposizione di ossigeni secondo un reticolo cubico compatto approsimativamente secondo la direzione (111) nella quale un ottavo degli interstizi tetraedrici (A) e metà di quelli ottaedrici (B) sono occupati da cationi. Due cationi differenti (o lo stesso catione con stato di ossidazione diverso) in siti tetraedrici, A (e.g. Mg 2+, Fe 2+, Mn 2+, Zn 2+ ) o ottaedrici,b (e.g. Al 3+, Cr 3+, Fe 3+ ) A B C Strato di ossigeno ad impacchettamento compatto nella struttura dello spinello proiettato sul piano {111}. Le sfere grandi sono gli ossigeni; sono inoltre rappresentati gli strati di cationi da entrambi i lati dello strato di ossigeno. A

17 spinelli normali tet [A] ott [B 2 ] O 4 A in siti tetraedrici e B in siti ottaedrici. Esempi di spinelli normali of sono MgAl 2 O 4 e MgTi 2 O 4. spinelli inversi (sino a 8 dei 16 cationi B in siti tetraedrici) tet [B] ott [A, B] O 4 Di solito i cationi A e B sono disordinati nei siti ottaedrici. Esempi di spinelli inversi sono MgFe 2 O 4 e Mg 2 TiO 4. Parametro di inversione, γ, che da la frazione di ioni di tipo A nei siti ottaedrici: Normale: [A] tet [B 2 ] ott O 4, γ = 0 Inverso: [B] tet [A, B] ott O 4, γ = 1

18 Spinelli Spinello, MgAl 2 O 4, cubico Cristallizza di solito in ottaedri, anche geminati. Lucentezza vitrea, colore variabile, polvere bianca. Si distingue per durezza(8), lucentezza e forma. E un comune minerali di calcari e rocce argillose Magnetite, Fe 3 O 4, cubica Di solito granulare o massiva, ma anche in ottaedri. Lucentezza metallica, colore e polvere neri. E opaca e ferromagnetica Cromite, FeCr 2 O4, cubico Raro in cristalli, lucentezza submetallica, colore nero con polvere nero-bruna Crisoberillo, BeAl 2 O 4, rombico In cristalli, spesso geminat, con forma esagonale, ha lucentezza vitrea e colore vario. Viene coltivato per farne gemme poco costose, con l eccezione di alessandrite (verde smeraldo) e cimofane (occhio di gatto)

19 Gruppo dello spinello (XY 2 O 4 ) Composizioni dei termini puri del gruppo dello spinello Gem-quality

20 Idrossidi Caratterizzati dalla prersenza di gruppi (OH) -. Struttura a strati Due tipi strutturali: Tipo- Brucite fogli triottaedrici (tutti gli ottaedri sono pieni) Tipo-Gibbsite (solo 2/3 degli ottaedri sono occupati da cationi)

21 Strutture tipo brucitiche Composti con stechiometria AX 2 struttura della Brucite, Mg(OH) 2 Isostrutturali:(portlandite, Ca(OH) 2, pirocroite Mn(OH) 2 Nella brucite si alternano strati ottaedrici completamente popolati a strati ottaedrici completamente vuoti. La struttura a strati e una conseguenza dei dipoli permanenti OH- che collegano tra loro strati di ottaedri completamente popolati, detti strati brucitici Strato pieno A Strato vuoto B Strato pieno A Strato vuoto B Strato pieno A Strato vuoto B Strato pieno A 2.78 Å a= Å c= Å v.e. Mg-O = 2/6 = 1/3. Ogni gruppo OH - deve essere legato a 3 Mg 2+ (3 x 1/3 = 1)

22 v.e. Al-O = 3/6 = ½. Ogni gruppo OH - deve essere legato a 2 ioni Al 3+ (2 x ½ = 1) Strutture tipo Composti con stechiometria AX 3 struttura della Gibbsite(Al(OH 3 ) Impacchettamento compatto HCP di anioni OH- con 2/3 dei siti ottaedrici popolati da Al 3+ - strati gibbsitici

23 Diasporo αalo(oh) Pbnm Gli ossigeni e i gruppi (OH) - sono disposti secondo un impaccamento eagonale compatto con gli ioni Al 3+ in coordinazione ottaedrica. Si formano catene di ottaedri Al(O,OH) 6 parallele all asse c. All interno di ciascuna catena gli ottaedri condovodono gli spigoli. Le catene sono collegate fra di loro tramite gli ossigeni apicali adiacenti.

24 Idrossidi La brucite si trova in cristalli tabulari, facilmente sfaldabili, in lamine e massiva. Ha lucentezza perlacea sulla rottura fresca, colore chiaro, e trasparente o traslucida ed e flessibile, ma on elastica. Si distingue dal talco perche piu dura (5-6) e dalle miche perche non e elastica La gibbsite e simile alla brucite come aspetto esterno Miscugli di idrossidi costituiscono importanti giacimenti Bauxite (idrossidi di Al) Limonite (idrossidi di Fe) Wad (idrossidi di Mn) Lateriti (idrossidi di Al e Fe con silice) Gummiti (idrossidi con ioni (UO 2 ) 2+ )

25 *miscuglio di diasporo, gibbsite, boehmite (γalo(oh)) Tipi comuni di idrossidi Brucite Mg(OH) 2 Gibbsite Al(OH) 3 Manganite MnO(OH) Diasporo αalo(oh) Goethite αfeo(oh) Bauxite Al-idrossido*

26 Alogenuri Semplici combinazioni di grandi anioni (Cl, Br, F, I) con grandi cationi metallici Tipicamente cubici Legame prevalentemente ionico Proprieta bassa durezza, bassa densita, bassa conducibilita elettrica e termica, sono fragili e facilmente sfaldabili

27 Strutture tipo Composti con stechiometria AX struttura del salgemma (NaCl) Anioni impacchettamento CCP Cationi siti ottaedrici Rc/Ra= Composti isostrutturali: Alogenuri: cationi +1 (Li, Na, K, Rb) / anioni -1 (F, Cl, Br, I) Ossidi: cationi +2 (Mg, Ca, Sr, Ba, Ni) / O -2 Solfuri: cationi +2 / S -2

28 Strutture tipo Composti con stechiometria AX 2 struttura dlla flourite (CaF 2 ) RCa/RF=1.12/1.31=0.75 (NC = 8) Isostrutturali: Alogenuri (CaF 2, BaCl 2...); Ossidi (ZrO 2...)

29 Alogenuri comuni Salgemma (NaCl) Silvite (KCl) Flourite (CaF 2 )

30 Carbonati Solfati Minerali formati da gruppi anionici complessi Fosfati L ammontare di carica residua indica la forza relativa dei legami con i cationi. Questa si riflette nella durezza del minerale Silicati

31 Carbonati Prevalenti nelle rocce sedimentarie, delle quali possono anche costituire il cemento. Il gruppo (CO 3 ) 2- costituisce il building block dei carbonati ed e responsabile delle proprieta di questi minerali, che hanno durezza <5, aspetto litoide ed alta birifrangenza. Il carbonio nel (CO3)2- ha un legame molto forte con l O, ma non forte come in CO 2 e quindi in presenza di un acido si rompe 2HCl + CaCO 3 CaCl 2 + CO 2 (effervescenza) + H 2 O Il rapporto dei raggi ionici Ca/O = 0.71 valore limite fra coordinazione ottaedrica e cubica. Esistono due serie di carbonati, Calcite (Ca in coordinazione 6) e Aragonite (Ca in coordinazione 9). La calcite (CaCO 3 ) e trigonale, i cristalli presentano diverse forme (scalenoedri, romboedri, prismi), ma puo anche trovarsi in masse concrezionate. Mostra effervescenza in HCl. L aragonite (CaCO 3 ) e la modificazione rombica, di alta pressione Dolomite (CaMg(CO 3 ) 2 ). Sale doppio, in quanto Ca e Mg possono sostituirsi solo in quantita limitate, data la differenza di raggi ionici. I cristalli sono rombici, talvolta curvi raggruppati in aggregati selliformi. Effervescenza in HCl a caldo

32 Gruppo della calcite e dell aragonite Gruppo della calcite Esagonale (R3c) Gruppo dell aragonite Ortorombico (Pmcn) Calcite CaCO 3 Aragonite CaCO 3 Magnesite MgCO 3 Witherite BaCO 3 Siderite FeCO 3 Stronzianite SrCO 3 Rodocrosite MnCO 3 Cerussite PbCO 3 Smithsonite ZnCO 3 Prima ancora della cuprite studiai la calcite, nel La sua struttura si può immaginare come derivata da quella dell NaCl in cui i gruppi triangolari (CO 3 ) sostituiscono lo ione sferico Cl e il Ca prende il posto del Na. Sir. Lawrence Bragg ( )

33 Calcite Aragonite Piani di ioni carbonati alternati a ioni Ca 2+ Il Ca 2+ è incordinazione ottaedrica (CN = 6) Campi di stabilita di calcite e agagonite Quando il gruppo CO3 si lega a ioni bivalenti a grande raggio (> 1Å) il rapporto tra i raggi ionici non consente una coordinazione 6 stabile e si ha una struttura ortorombica. Il Ca 2+ ha coordinazione 9

34 Gruppo della dolomite Comprende: dolomite CaMg(CO 3 ) 2 ankerite CaFe(CO 3 ) 2 kutnahorite, CaMn(CO 3 ) 2 Sono isostrutturali (S.G. R3). Struttura simile alla calcite, ma con strati di ioni Ca e Mg alternati lungo l asse c. La grande differenza nelle dimensioni tra Ca 2+ e Mg 2+ ( 33%) induce l ordinamento dei cationi. Come conseguenza la simmteria si abbassa da R3m (nella calcite) a R3.

35 Estensione soluzioni solide dei Carbonati Per lo piu esagonali Aragonite (Alta-P) Ortorombica Calcite (Bassa-P - Esagonale

36 Il sistema CaCO 3 -MgCO 3 a pressione di CO 2 sufficiente a prevenire la decomposizione del carbonato 1400 Soluzione solida MgCO 3 Magnesite CaMg(CO 3 ) 2 Dolomite CaCO 3 Calcite A temperature superiori ai C esiste una soluzione solida tra calcite e dolomite, ma non tra dolomite e magnesite. A temperature elevare la calcite coesistente con la dolomite diviene più magnesifera, mentre la magnesite coesistente con dolomite diviene più calcica.

37 Altri Carbonati I carbonati contenenti l ossidrile, azzurrite e malachite sono gli unici altri carbonati importanti Azzurrite - Cu 3 (CO 3 ) 2 (OH) 2 (Blu) Malachite Cu 2 CO 3 (OH) 2 (Verde) Rhodochrosite MnCO 3

38 Solfati Il gruppo anionico (SO 4 ) 2- e l unita di base dei solfati, la cui genesi puo essere: sedimentaria evaporitica, idrotermale, di alterazione superficiale, fumarolica. I solfati si dividono in anidri ed idrati. I minerali anidri sono quelli del gruppo della barite e l anidrite. Il piu importante solfato idrato e il gesso Gruppo della barite. Celestina (SrSO 4 ), Barite (BaSO 4 ), anglesite (PbSO 4 ). Hanno cristalli incolori o con debole colorazione, normalmente tabulari. Non si scalfiscono con l unghia. Si distinguono per la densita, crescente dalla celestina all anglesite Anidrite (CaSO 4, rombica) Non isostrutturale con i minerali del gruppo della barite. Il Ca ha coordinazione 8, mentre il Ba 12. Si distingue dalla calcite per la densita piu alta e dal gesso perche non si scalfisce con l unghia

39 Solfati Gesso CaSO 4 2H 2 O, monoclino. E il piu importante solfato idrato ed ha. Si trova in bei cristalli tabulari o prismatici, che possono raggiungere dimensioni grandi. Frequenti sono i geminati, in particolare a coda di rondine. Ha lucentezza vitrea ed e incolore o colorato per impurita Normalmente ha notevole trasparenza. Caratterizzato dalla durezza (e scalfito con l unghia) e dalla sfaldatura. Tra le varieta ci sono l alabastro (microcristallino compatto), utilizzato per sculture ed oggetti d arredamento, la rosa del deserto (gesso ricoperto da sabbia), la selenite (grandi masse limpide e trasparenti), la sericolite (gesso fibroso con lucentezza sericea). Viene usato per la sua capacità di disidratarsi per riscaldamento fino a CaSO 4 ½ H 2 O; questa sostanza, se bagnata, assorbe acqua, si dilata e, indurendo, diventa un legante (gesso da presa)

40 Deidratazione del gesso (CaSO 4 2H 2 O) Il gesso a 65 C perde parte dell acqua e passa a semi-idrato CaSO 4 0.5H 2 O. A 95 C perde tutta l acqua, trasformandosi in un polimorfo metastabile dell anidrite, γcaso 4, ma è capace di reidratarsi. C2/c (010) Ha una struttura a strati paralleli di ioni (SO 4 ) 2- fortemente legati a Ca 2+ (CN = 8) intervallati da molecole di H 2 O. Per questo il gesso ha una eccellente sfaldatura secondo (010) (010)

41 Solfati IDRATI ANIDRI H: 2 SG: 2.32 H: SG: 2.9 Gesso CaSO 4 2H 2 O Anidrite CaSO 4 H: 4 SG: ~2.7 H: SG: 4.5 Alunite KAl 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6 Barite BaSO 4

42 Prodotto di deidratazione del gesso Struttur ortorombica in cui ogni ione Ca 2+ è coordinato da 8 primi vicini di ossigeno appartenenti a gruppi SO E caratterizzata da tre sfaldature ad angolo retto. Si trasforma in gesso per idratazione ed è spesso associata con questo minerale. Anidrite (CaSO 4 )

43 Fosfati Sono caratterizzati dal gruppo tetraedrico (PO 4 ) 3-,lo ione P 5+ è solo di poco più grande dello ione S 6+. Il piu abbondante e comune fosfato e l apatite (Ca 5 (PO 4 ) 3 (F,Cl,OH), esagonale, che puo avere estese soluzioni solide sia per gli anioni che per i cationi, dando luogo ad una serie di minerali (serie dell apatite): Carbonato-apatite Ca 5 (PO 4,CO 3 OH)F; Cloro-apatite Ca 5 (PO 4 ) 3 Cl Fluoro-apatite Ca 5 (PO 4 ) 3 F Idrossi-apatite Ca 5 (PO 4 ) 3 OH Sono tutte fasi rare, escluso la fluoro-apatite. Si trova comunemente in cristalli prismatici, allungati o schiacciati, terminati da bipiramidi. L apatite criptocristallina, massiva che costituisce la massa delle rocce fosfatiche e le ossa fossili si chiama collofane. L apatite e minerale accessorio sia di rocce ignee che sedimentarie e metamorfiche ha lucentezza vitrea ed una grande varieta di colori

44 Ha una struttura esagonale costituita da tetraedri di PO 4 3- distribuiti in modo che esistano due tipi di canali. Il primo canale, con un diametro di 3 Å coincide con gli assi ternari ed è occupato dagli ioni calcio. Il secondo canale con un diametro di 6 Å ha un asse di simmetria elicoidale senario. Le pareti di questo canale consistono in atomi di ossigeno e altri ioni calcio, gli ioni chiamati Ca(II). Il secondo tipo di canale gioca un ruolo importante nel comportamento fisico e chimico dell apatite. Vari ioni sono posizionati in questi canali, fra cui F -, Cl -, OH -, O 2-, CO 3, e loro diverse combinazioni. Struttura dell idrossiapatite 3 Å 4 unit-cell 6 Å

45 Fosfati Apatite Ca 5 (PO 4 ) 3 (F,Cl,OH) Crystalli esagonali prismatici Comune in rocce ignee e depositi idrotermali - Colori variabili

46 Altri fosfati comuni Monazite (Ce,La,Y,Th)PO 4 giacimenti minerari di REE Utile per la datazione U-Pb eth Wavellite Al 3 (PO 4 ) 2 (OH) 3 5H 2 O aggregati globulari Turchese CuAl 6 (PO 4 ) 4 (OH) 8 5H 2 O

47 Testi/Bibliografia Per la parte generale e sistematica è consigliato il seguente testo: C. KLEIN - Mineralogia, Zanichelli 2004.