Martini Silvia Classe V A. I Silicati

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1 Liceo Scientifico Belfiore Anno Scolastico Martini Silvia Classe V A I Silicati 1. Minerali e rocce Un minerale è un qualunque solido inorganico naturale che sia caratterizzato da una ben definita composizione chimica e da una specifica e ordinata disposizione degli atomi che lo costituiscono. Una roccia, invece, può essere definita semplicemente come un aggregato di uno o più minerali. Sebbene la maggior parte delle rocce sia composta da più di un minerale, esistono anche alcuni minerali che, comunemente, costituiscono da soli veri e propri ammassi. In tal caso vengono considerati al tempo stesso roccia e minerale (ad esempio il minerale calcite, che spesso è il costituente quasi esclusivo del calcare) Classificazione delle rocce La classificazione più significativa dal punto di vista geologico è quella che si rifà ai processi che hanno dato origine alle diverse rocce. Sotto tale aspetto tutte le rocce si possono suddividere in tre grandi categorie: rocce eruttive o ignee: sono quelle che si formano a seguito del raffreddamento e cristallizzazione di una massa di roccia fusa (magma), che risale dall interno della terra; rocce sedimentarie: sono il risultato dei processi di alterazione, erosione, trasporto e accumulo operati dai vari agenti capaci di aggredire la superficie terrestre, quali il vento, l acqua o il ghiaccio; rocce metamorfiche: derivano da un qualunque tipo di roccia preesistente, che, a causa di movimenti della crosta terrestre, venga sottoposta a forti aumenti di temperatura e pressione, a seguito dei quali risulta trasformata ( metamorfosata ) Proprietà dei minerali La maggior parte dei minerali sono una combinazione di due o più elementi chimici, legati chimicamente a formare un composto (fanno eccezione, ad esempio, il diamante, l oro e lo zolfo). Ogni minerale possiede una disposizione ordinata di atomi (struttura cristallina) e una composizione chimica definita che gli conferiscono un particolare insieme di proprietà fisiche: abito cristallino o cella elementare: è l abito esterno di un minerale, riflette la disposizione interna dei suoi atomi; Tutte le volte che un minerale si può formare senza restrizioni di spazio, esso si sviluppa in cristalli singoli; lucentezza: dipende dalla qualità della luce riflessa dalla superficie del minerale; i minerali che hanno un aspetto metallico hanno lucentezza metallica indipendentemente dal colore; la lucentezza non metallica viene descritta con vari aggettivi, come vitrea, perlacea, sericea, resinosa, terrosa; colore; striscio: è il colore di un minerale quando esso è sotto forma di polvere;

2 durezza: è la resistenza all abrasione o alla scalfittura; si può attribuire alla durezza un valore numerico usando la scala delle durezze di Mohs, che è costituita da dieci minerali ordinati da 1 (il più tenero) a 10 (il più duro); sfaldatura: è la tendenza a rompersi per urto lungo una o più serie di piani preferenziali, che corrispondono a piani di debolezza nella struttura del cristallo; i minerali che possiedono sfaldatura si riconoscono per le superfici piane e levigate che si producono in essi quando vengono frantumati; frattura: quando i minerali che non presentano sfaldatura si rompono, si dice che si fratturano; quelli che si rompono con una superficie curva, liscia hanno frattura concoide; altri si rompono in schegge o fibre, ma la maggior parte si frattura irregolarmente; peso specifico: rappresenta il rapporto tra il peso del minerale e il peso di un egual volume di acqua. 2. I Silicati Attualmente si conoscono più di 2000 minerali, ma sono meno di 20 quelli che si possono considerare abbondanti. Variamente combinate, queste poche specie minerali costituiscono la maggior parte della crosta terrestre, e vengono indicate come i minerali costituenti le rocce. A costituire la maggior parte di questi minerali concorrono in pratica solo 8 elementi, che finiscono per rappresentare oltre il 98% (in peso) della crosta continentale. I due elementi più abbondanti sono il Silicio e l Ossigeno, che si combinano a formare il gruppo dei minerali noto col nome di silicati. I silicati entrano nella composizione di numerosissime rocce della litosfera, eruttive, metamorfiche e sedimentarie. La loro classificazione chimica è piuttosto complessa perché esistono difficoltà di analisi per l impossibilità di portare i silicati direttamente in soluzione. La vecchia suddivisione che, su base chimica, distingueva i silicati in orto-, meta- e trisilicati considerandoli come sali, rispettivamente dell acido orto-, meta- e trisilicico, è ormai generalmente abbandonata e sostituita con una classificazione su basi strutturali e cristallografiche. I silicati vengono cioè distinti in gruppi, in rapporto alla loro struttura, e quindi ulteriormente divisi in famiglie, in relazione ad affinità genetiche e rapporti di isomorfismo. Il motivo strutturale fondamentale dei silicati è dato dai gruppi ionici tetravalenti (SiO 4 ), nei quali l atomo di silicio è al centro di un tetraedro i cui vertici sono occupati da atomi di ossigeno. I tetraedri possono collegarsi direttamente tra di loro solo per i vertici, in modo cioè che un ossigeno sia comune a due tetraedri, ma possono anche rimanere isolati nell edificio cristallino, e i questo caso la saldatura tra i gruppi si realizza tramite altri atomi. In alcuni tetraedri il silicio, tetravalente, può essere sostituito dall alluminio, trivalente (allumosilicati o silicati alluminiferi); restano così a disposizione delle cariche negative, che vengono saturate da cationi (K, Na, Ba, Ca, Fe, Mg). In base alla disposizione e alle modalità di collegamento tra i tetraedri nella struttura cristallina i silicati si distinguono in nesosilicati (a isole), sorosilicati e ciclosilicati (a gruppi isolati), inosilicati (a prevalente sviluppo unidimensionale), fillosilicati (a strati a sviluppo bidimensionale), tectosilicati (a impalcature tridimensionali). I nesosilicati sono caratterizzati da tetraedri che rimangono isolati (struttura a isole) e sono collegati tra loro da cationi che saturano le valenze negative degli atomi di ossigeno. Famiglie caratteristiche di questo gruppo sono le olivine, i granati, gli epidoti; altri nesosilicati importanti sono lo zircone, il topazio, la titanite, la cianite, l andalusite, e la sillimanite (questi ultimi tre alluminiferi). Nei sorosilicati e ciclosilicati, i tetraedri si associano in gruppi che rimangono però isolati l uno dall altro. I gruppi sono formati da due tetraedri accoppiati (sorosilicati) o da anelli di 3, 4, 6 tetraedri uniti per

3 Minerali caratteristici sono, rispettivamente, l emimorfite o calamina e gli epidoti; la benitoite, la tormalina e il berillo. Negli inosilicati i gruppi tetraedrici sono collegati direttamente fra loro a formare catene sviluppate prevalentemente in una direzione. Le catene possono essere semplici (aperte) con rapporto Si : O = 1 : 3 oppure doppie (chiuse), ad anelli, con rapporto Si : O = 4 : 11; il legame tra le singole catene è dato da cationi. Minerali caratteristici di questo gruppo sono i pirosseni con gruppo anionico (Si 2 O 6 ) 4- e gli anfiboli con gruppo anionico (Si 4 O 11 ) 6-. i vertici: nel primo caso si ha la formazione del gruppo ionico (Si 2 O 7 ) 6- che si ripete periodicamente; nei ciclosilicati invece la ripetizione riguarda i gruppi [Si 3 O 9 ] 6-, [Si 6 O 15 ] 6- ; [Si 4 O 12 ] 8-, [Si 8 O 20 ] 8- ; [Si 6 O 18 ] 12-, [Si 12 O 30 ] 12-. I fillosilicati sono caratterizzati da reticolati piani, costituiti da gruppi tetraedrici uniti ad anello esagonale, disposti a strati. In ogni anello si ha il rapporto Si : O = 2 : 5 con possibilità di gruppi anionici (Si 2 O 5 ) 2- e (Si 4 O 10 ) 4- ; inoltre in questi silicati il silicio è spesso sostituito parzialmente dall alluminio. Il collegamento tra strato e strato è dato da cationi che si uniscono agli ossigeni a valenza libera; in alcuni inosilicati possono anche essere presenti tra gli strati gruppi ossidrilici e molecole d acqua. Sono minerali con abito tabulare o lamellare e facile sfaldatura basale; fillosilicati caratteristici sono le miche, il talco, le cloriti, l amianto e i minerali delle argille. I tectosilicati sono silicati in cui i gruppi tetraedrici sono direttamente collegati tra loro su tutti i vertici in modo da formare un reticolo compatto simile a quello del quarzo. In quasi tutti i tectosilicati, l alluminio sostituisce in parte il silicio; in questo modo i gruppi tetraedrici non sono più saturi e si hanno a disposizione cariche libere (a seconda del rapporto tra silicio e alluminio) che sono saturate da cationi. Minerali tipici di questo gruppo sono i feldspati e i feldspatoidi.

4 2.1. I Nesosilicati Andalusite Al 2 SiO 5 Batolite CaBSiO 4 (OH) Euclasio BeAlSiO 4 OH Almandino Fe 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 Andradite Ca 3 Fe 2 (SiO 4 ) 3 Granati I granati cristallizzano formando cristalli con abito rombododecaedrico o, meno comunemente, icositetraedrico o cubico. Frequenti anche gli aggregati costituiti da granuli tondeggianti. Raramente incolori, sono minerali allocromatici dotati di lucentezza da vitrea a subadamantina. Grossularia Ca 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 Piropo Mg 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 Spessartite Mn 3 Al 2 (SiO 4 ) 3 Uvarovite Ca 3 Cr 2 (SiO 4 ) 3 Howlite Ca 2 B 5 SiO 9 (OH) 5

5 Humite ((Mg, Fe) 2 SiO 4 ) 3 - Mg(F, OH) 2 Cianite Al 2 SiO 5 Olivine (Mg, Fe) 2 SiO 4 Con olivine si indica una serie di minerali compresa tra due termini fayalite (Fe 2 SiO 4 ) e fosterite (Mg 2 SiO 4 ). Fenachite Be 2 SiO 4 Sillimanite Al 2 SiO 5 Titanite o Sfeno CaTiSiO 5 Staurolite Fe 2 Al 9 Si 4 O 22 (OH) 2 Torite (Th, U)SiO 4 Topazio Al 2 SiO 4 (F, OH) 3

6 Uranofane Ca(UO 2 ) 2 Si 2 O 7-6H 2 O?? Willemite Zn 2 SiO 4 Zircone ZrSiO I Sorosilicati Bertrandite KAlSi 2 O 6 Danburite CaB 2 Si 2 O 8 Epidoti Gli epidoti sono minerali dalla struttura complessa, aventi tetraedri sia semplici (SiO 4 ) che doppi (Si 2 O 7 ). Al cuore della loro struttura stanno due catene parallele di ottaedri (AlO 6 e AlO 4 (OH) 2 ). Gruppi di silicato e ioni aggiuntivi connettono le catene tra di loro. Allanite (Ca, Ce, La, Y) 2 (Al, Fe) 3 (SiO 4 ) 3 (OH) Zoisite Ca 2 Al 3 (SiO 4 ) 3 (OH) Emimorfite Zn 4 Si 2 O 7 (OH) 2 -H 2 O Ilvaite CaFe 3 OSi 2 O 7 (OH)

7 Vesuviana Ca 10 (Mg, Fe) 2 Al 4 (SiO 4 ) 5 (Si 2 O 7 ) 2 (OH) I Ciclosilicati Axinite Ca 2 (Mn, Fe, Mg)Al 2 (BO 3 OH)(SiO 3 ) 4 Baratovite KLi 3 Ca 7 (Ti, Zr) 2 (SiO 3 ) 12 F 2 Benitoite BaTiSi 3 O 9

8 Berillo Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 E incolore nella sua forma pura, le variazioni cromatiche con cui si presenta sono determinate dalle impurità che contiene. La varietà verde è lo smeraldo, quella blu l acquamarina. Cordierite Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 Dioptasio CuSiO 3 -H 2 O Milarite K Ca Al Be Si O 60 - H 2 O Osumilite K, Na)(Fe, Mg) 2 (Al, Fe) 3 (Si, Al) 12 O 30 - H 2 O Tormaline Le tormaline sono piezoelettriche (quando un cristallo e riscaldato o compresso, Dravite NaMg 3 (Al,Fe) 6 Si 6 O 18 (BO 3 ) 3 (OH) 4

9 si forma una differenza di potenziale elettrico alle estremità; viceversa, applicando una differenza di potenziale al cristallo, questo vibra a frequenza costante) e pleocroiche (il colore varia a seconda della direzione da cui le si guarda). I minerali che fanno parte delle tormaline vengono distinti in base al colore e alla trasparenza. Elbaite Na(Li,Al) 3 Al 6 Si 6 O 18 (BO 3 ) 3 (OH) 4 Schorlite NaFe 3 (Al,Fe) 6 Si 6 O 18 (BO 3 ) 3 (OH) 4 Uvite Ca(Mg, Fe) 3 Al 5 MgSi 6 O 18 (BO 3 ) 3 (OH) 3 Sugilite KNa 2 Li 3 (Fe, Mn, Al) 2 Si 12 O I Fillosilicati Apofillite (K,Na)Ca 4 Si 8 O 20 (F,OH) - 8H 2 O I cristalli, se scaldati, tendono a sfogliarsi a causa della perdita di molecole d acqua.

10 Cavansite Ca(VO)Si 4 O 10 (H 2 O) 4 Minerale molto raro e molto ricercato Crisocolla CuSiO 3 - nh 2 O Solitamente amorfo, alle alte temperature assume una struttura cristallina. Argille Le argille formano un importante gruppo tra i fillosilicati, contengono una notevole quantità d acqua intrappolata tra i fogli di silicato. Possono assorbire o rilasciare acqua in seguito a variazioni dell umidità; se inumiditi con un po d acqua, diventano una pasta che può essere modellata a piacimento. Cloriti (Fe, Mg, Al) 6 (Si, Al) 4 O 10 (OH) 8 Pirofillite AlSi 2 O 5 OH Talco Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 Girolite Ca 2 Si 3 O 7 (OH) 2 -H 2 O Biotite K(Fe,Mg) 3 AlSi 3 O 10 (F,OH) 2 Miche Le miche sono un gruppo di minerali molto importanti (più di 30), in quanto vanno a formare tutti i tipi di rocce: eruttive, sedimentarie e metamorfiche. Sono molto resistenti sia contro le alte temperature e pressioni tipiche dei sistemi metamorfici che contro l azione degli agenti atmosferici. Gli strati di silicato sono costituiti da anelli esagonali. Lepidolite KLi 2 Al(Al,Si) 3 O 10 (F,OH) 2 Muscovite KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(F,OH) 2 Flogopite KMg 3 AlSi 3 O 10 (OH) 2 Zinnwaldite KLiFeAl(AlSi 3 )O 10 (OH,F) 2

11 Prehnite Ca 2 Al 2 Si 3 O 10 (OH) 2 Serpentino (Mg,Fe) 3 Si 2 O 5 (OH) I Tectosilicati Feldspati I minerali appartenenti a questo gruppo costituiscono la maggior parte delle rocce della crosta terrestre; tendono a cristallizzare in rocce eruttive, ma si possono trovare anche in ambienti metamorfici. La formula generale (per I feldspati comuni) è XAl (1-2) Si (3-2) O 8. Il simbolo X può rappresentare Na, K, Ca. Quando X ha carica +1 si ha Al 1, altrimenti Al 2. I K-feldspati (feldspati di potassio) sono polimorfici, cioè hanno la stessa formula ma struttura diversa. I plagioclasi fanno parte di una serie che ha per termini il minerale con solo Na (albite) ed il Albite NaAlSi 3 O 8 Anortite CaAl 2 Si 2 O 8 Bythownite Ca(70-90%)Na(30-10%)(Al,Si)AlSi 2 O 8 Labradorite Ca( 50-70%)Na(50-30%)(Al,Si)AlSi 2 O 8 Microclino KAlSi 3 O 8

12 minerale con solo Ca (anortite). Spesso i feldspati si suddividono solo in plagioclasi e ortoclasi (un K-feldspato), perché un identificazione più precisa non è possibile con i metodi comuni. Oligoclasio Na(90-70%)Ca(10-30%)(Al,Si)AlSi 2 O 8 Ortoclasio KAlSi 3 O 8 Sanidino KAlSi 3 O 8 Cancrinite Na 7 CaAl 6 Si 6 O 24 (CO 3 ) 2 Feldspatoidi I feldspatoidi sono minerali a basso contenuto di silicio formatisi in rocce eruttive, che avrebbero potuto cristallizzare in feldspati se il contenuto di silicio nel magma fosse stato sufficiente. Il rapporto Si Al è di 1:1 nella maggior parte dei feldspatoidi, mentre nei feldspati è in genere 3:1. Lazurite (Na,Ca) 8 Al 6 Si 6 O 24 (S,SO 4 ) Leucite KAlSi 2 O 6 Nefelina (Na,K)AlSiO 4 Sodalite Na4Al 3 (SiO 4 ) 3 Cl Quarzi Il gruppo dei quarzi comprende tutti quei minerali formati da silice (SiO 2 ); essi si Cristobalite SiO 2

13 differenziano dunque per la struttura cristallografica. Ci sono almeno 9 forme strutturali che la silice può assumere, qui sono presentate quelle più comuni. Quarzo SiO 2 Tridimite SiO 2 Scapolite Na 4 (Al,Si) 12 O 24 Cl to Ca 4 (Si,Al) 12 O 24 (CO 3,SO 4 ) Zeoliti Formatisi tipicamente nelle cavità di rocce vulcaniche, le zeoliti sono il risultato di processi metamorfici con pressione e calore anche non elevati. Le zeoliti sono formate da tetraedri di SiO 4 e AlO 4 interconnessi; il rapporto (Si+Al)/O deve essere ½. A differenza degli altri tectosilicati, le zeoliti Analcime NaAlSi 2 O 6 -H 2 O Cabasite CaAl 2 Si 4 O 12-6H 2 O Armotomo BaAl 2 Si 6 O 16-6H 2 O

14 presentano nella struttura grandi lacune, in cui possono trovare posto sia grossi cationi come Na, K, Ba, Ca, che molecole e gruppi cationici come acqua, ammoni, carbonati e nitrati. Nelle zeoliti più largamente utilizzate, le lacune formano lunghi canali che permettono il movimento degli ioni e delle molecole ivi residenti. Le zeoliti infatti possono rilasciare o assorbire acqua senza pericolo di danneggiamento della struttura cristallina; possono svolgere operazioni quali scambi di ioni, filtraggi, rimozione di odori, assorbimento di gas. Heulandite (Ca,Na) 2-3Al 3 (Al,Si) 2 Si 13 O 36-12H 2 O Laumontite CaAl 2 Si 4 O 12-4H 2 O Mesofite Na 2 Ca 2 Al 6 Si 9 O 30-8H 2 O Natrolite Na 2 Al 2 Si 3 O 10-2H 2 O Phillipsite KCaAl 3 Si 5 O 16-6H 2 O Scolecite CaAl 2 Si 3 O 10-3H 2 O Stellerite CaAl 2 Si 7 O 18-7H 2 O Stilibite NaCa 2 Al 5 Si 13 O 36-14H 2 O Thomsonite NaCa 2 Al 5 Si 5 O 20-6H 2 O