Mineralogia (L-Z) A.A. 2016/2017

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1 The english version follows the italian version in the second half of the document CORSO DI LAUREA IN SCIENZE GEOLOGICHE Mineralogia (L-Z) A.A. 2016/2017 Docente: Prof. Paolo BALLIRANO, Dipartimento di Scienze della Terra, piano rialzato, stanza n. 111, tel Studenti target: II anno I semestre Livello dell Unità: introduttivo Pre-requisiti: Nessuno, ma è fortemente consigliato aver sostenuto (o almeno preparato) l esame di Chimica generale inorganica con elementi di organica. Crediti: 12 Modalità di erogazione: tradizionale Frequenza: Facoltativa ma fortemente consigliata, obbligatoria la frequenza del Laboratorio di ottica Descrizione del programma Ruolo della mineralogia nell ambito delle Scienze della Terra e della professione di geologo. Natura dei minerali. Definizione di minerale: concetto di ordine a lungo e corto raggio. Proprietà fisico-chimiche. La simmetria dal microscopico al macroscopico e mineralogia morfologica: elementi di simmetria, periodicità, reticoli, indici di Miller, concetto di gruppo puntuale e spaziale, proiezione stereografica. Riconoscimento macroscopico dei principali minerali. Riconoscimento al microscopio stereoscopico di minerali. Elementi di cristallochimica. Legame chimico, poliedri di coordinazione, regole di Pauling. Soluzioni solide, polimorfismo, diagrammi P-T. Concetti di mineralogia sistematica e principali classificazioni. Minerali ignei. Minerali metamorfici. Minerali sedimentari e dei suoli. Mineralogia extraterrestre. Minerali e salute. Interazione radiazione e materia consolidata: lo studio microscopico della materia cristallina; ottica cristallografica e mineralogica cristallografia a raggi X, teoria e applicazioni pratiche. Riconoscimento di minerali tramite microscopia in luce trasmessa e diffrattometria a raggi X su polveri. Introduzione all analisi mineralogica: microsonda elettronica e SEM. Ogni argomento sarà integrato da esercitazioni pratiche. Esercitazioni: Riconoscimento dei principali minerali in base ai caratteri esterni; definizione del gruppo puntuale di cristalli e indicizzazione delle facce per i vari sistemi. Lettura e interpretazione di diffrattogrammi delle polveri e calcolo dei parametri di cella (solo per minerali cubici); calcolo di formule cristallochimiche e classificazione di un minerale tramite l'ausilio di diagrammi di fase e di sistematica mineralogica al Museo di Mineralogia. Laboratorio di Ottica: 1. Il microscopio polarizzatore. Regolazioni del microscopio. Osservazioni al solo polarizzatore: misure di angoli, sfaldature e fratture, rilievo. 2. Osservazioni al solo polarizzatore: determinazione degli indici di rifrazione con il metodo della linea di Becke; colore e pleocroismo. 3. Osservazioni a polarizzatori incrociati: colori di interferenza, misura del potere birifrattivo. Estinzioni rette e inclinate, segno dell'allungamento. 4. Osservazioni in luce convergente: figure di interferenza e segno ottico di sostanze uniassiche. 5. Osservazioni in luce convergente: figure di interferenza e segno ottico di sostanze biassiche. Stima del 2V. Saperi pregressi (da corsi degli anni precedenti o dalla carriera scolastica precedente) Da tutti i corsi precedenti: conoscenze di base della matematica e uso della calcolatrice scientifica. Dal corso di Chimica: tavola periodica degli elementi, proprietà periodiche degli elementi chimici, stato di ossidazione, elettronegatività, raggi atomico/ionico con particolare riferimento agli elementi più abbondanti sulla crosta terrestre. Concetto di legame chimico, legame covalente, ionico, metallico, idrogeno, forze di Van der Waals, ibridizzazione. Soluzioni. Diagrammi di stato di H 2 O e S. Dal corso di Fisica: onde e loro interferenza. Rifrazione, riflessione totale. Principali lenti e costruzione delle immagini relative. Introduzione ai raggi X. Generazione dei raggi X. Rivelazione dei raggi X

2 Saperi imprescindibili (1) - Definizione di minerale. - Concetto di simmetria. - Caratteristiche strutturali e cristallochimiche dei minerali delle rocce: minerali della silice, feldspati, olivine, pirosseni, anfiboli, carbonati, fillosilicati. Grafite e diamante. - Diagrammi di fase P,T; diagrammi composizionali binari (olivine, plagioclasi) o ternari (pirosseni, anfiboli, feldspati). - Riconoscimento macroscopico dei principali minerali. - Riconoscimento dei minerali in sezione sottile. - Riconoscimento di minerali mediante diffrazione RX su polveri. Obiettivi formativi e risultati di apprendimento attesi (conoscenze, competenze e abilità) Obiettivi formativi: Il corso fornisce una conoscenza di base dei materiali costituenti la Terra solida, del modo di aggregarsi degli atomi che li compongono, delle proprietà fisiche che ne consentono il riconoscimento oltre ai principi classificativi dei minerali delle rocce. Il corso si basa su lezioni teoriche, su esercitazioni pratiche e numeriche e sulla frequenza di laboratori di microscopia ottica del Dipartimento di Scienze della Terra. Risultati dell apprendimento: Gli studenti che abbiano superato l esame integrato avranno acquisito il linguaggio specifico e saranno in grado di consultare la letteratura mineralogica comprendendone i concetti; saranno in grado di descrivere la simmetria, le proprietà ottiche dei principali minerali delle rocce, la loro composizione chimica e struttura e ambiente di formazione. Inoltre avranno acquisito la capacità riconoscere i minerali più comuni sulla base delle loro proprietà fisiche, di utilizzare il microscopio polarizzatore, di leggere e interpretare un diffrattogramma r-x su polveri ed elaborare i risultati di un'analisi chimica. CONTENUTO ( 12 CFU) Ore in aula Ore studente a casa Ore studente totali Valutazione (6) 6 Aula (Lezioni frontali) Prova pratica più prova orale 6 Esercitazioni Lezioni naturale (escursioni) 0 Seminari Altro Valutazione finale Lettura diffrattogramma, riconoscimento simmetria modello cristallo, riconoscimento macroscopico di due minerali, prova orale. Testi consigliati Dispense del docente in parte reperibili all'indirizzo Solo gli studenti regolarmente iscritti possono accedere al materiale didattico ivi depositato. DEER W.A., HOWIE R.A., ZUSSMAN J. (1994) - Introduzione ai minerali che costituiscono le rocce. Ed. Zanichelli, Bologna (per olivine, pirosseni, anfiboli, miche, feldspati, minerali della silice e carbonati).

3 KLEIN C. (2004) - Mineralogia. Ed. Zanichelli, Bologna. KLEIN C., PHILPOTTS A. (2012) Earth Materials - Introduction to mineralogy and petrology. Cambridge University Press. Cambridge, UK. Note (1) Saperi minimali per il superamento dell'esame. (2) Indicare il numero di CFU dell insegnamento, considerando che 1 CFU = 25 ore di impegno globali da parte dello studente. (3) 1 CFU corrisponde a 8 ore di didattica frontale, oppure a 12 CFU di esercitazioni e laboratorio, oppure a 2 giornate di escursione sul campo, equivalenti a 25 ore (che possono essere ripartite in modo diverso tra lavoro sul terreno e lavoro a casa). (4) Il valore, espresso in ore, deve essere il complemento a 25 per i CFU di ogni tipologia del contenuto. (5) Le ore totali devono essere uguali a 25 per i CFU di ogni tipologia del contenuto. (6) Indicare se è prevista solo una prova orale o prova orale più prova pratica o altre modalità di esame (test attitudinale, valutazione progetto, valutazione tirocinio, prova pratica). (7) Solo in questo caso la voce "Ore in aula" corrisponde a "Ore di escursione". (8) Cognome autore/i, titolo libro, anno, casa editrice

4 BACHELOR OF SCIENCE IN GEOLOGY Mineralogy (L-Z) A.Y. 2016/2017 Teacher: Prof. Paolo BALLIRANO, Dipartimento di Scienze della Terra, first floor, room n. 111, tel Target Students: II year I semester Unit level: introductory Pre-requisites: It is assumed that participants have completed the General Inorganic Chemistry with Elements of Organic Chemistry course. Credits (CFU): 12 Teaching modality: traditional Attendance: optional/only Lab of Optical Mineralogy is compulsory Description of the contents Role of mineralogy within the Earth Sciences and the geologist profession. Basics on minerals: definition, short- and long-range order. Physical chemical properties. Simmetry from microscopic to macroscopic. Morphologic mineralogy: symmetry elements, translational symmetry, lattices, Miller indices, point and space groups, stereographic projection. Identification of relevant mineral species from hand samples. Identification of relevant mineral species by stereoscopic microscopy. Basic principles of crystal chemistry. Chemical bonding, coordination polyhedra, Pauling s rules. Solid solutions, polymorphism, P- T diagrams. Each topic will be subject of practice laboratory work. Practice laboratory work: Identification of relevant mineral species from morphology and physical properties; identification of point-group symmetry of crystals and indexing of crystal forms. Basic principles of systematic mineralogy, minerals classification. Igneous, metamorphic, sedimentary, and soil minerals. Extraterrestrial mineralogy. Minerals and health issues. Interaction between radiation and condensed matter: microscopic investigation of crystalline solids; crystallographic and mineralogical optics; X-ray crystallography, theory and practice. Identification of relevant minerals by transmitted-light microscopy and X-ray powder diffractometry. Basics of mineralogical analysis: electron microprobe and SEM. Each topic will be subject of practice laboratory work. Practice laboratory work: Five sessions on X-ray powder method as a determinative tool: 1. identification of mineral species from X-ray powder diffraction patterns. 2. Example of calculation of cell parameters (for cubic minerals only). Calculation of crystal chemical formulae and mineral classification through the use of phase diagrams. Systematic mineralogy at the Museum of Mineralogy. Optics Workshop: 1. The polarizing microscope. Plane-polarized light observations: measuring angles, cleavage and fracture, relief. 2. Plane-polarized light observations: determination of refractive indices by the Becke line method, color and pleochroism. 3. Cross-polarized light observations: interference colors, birefringence. Parallel and inclined extinction, the maximum extinction angle, elongation sign. 4. Cross-polarized convergent light observations: uniaxial interference figures and determination of optical sign. 5. Cross-polarized convergent light observations: biaxial interference figures and determination of optical sign, estimation of 2V. Previous knowledge (from past courses or from the educational career) From educational career: basic skills in mathematics; use of scientific calculator. From the General Inorganic Chemistry with Elements of Organic Chemistry course: periodic table of elements, periodic properties of chemical elements, oxidation state, electronegativity, atomic/ionic radii with particular reference to the most abundant elements in the earth's crust. Concept of chemical bond, covalent, ionic, metallic and hydrogen bonds, Van der Waals forces, hybridization. Solutions. H 2 O and S phase diagrams.

5 Unavoidable knowledge - Mineral definition - Basic knowledge of symmetry properties - Crystalchemical and structural properties of rock-forming minerals: silica phases, feldspars, olivines, pyroxenes, amphiboles, carbonates, phyllosilicates. Graphite and diamond. - P-T diagrams, binary (olivines, plagioclases) and ternary diagrams (pyroxenes, amphiboles, feldspars). - Identification of hand specimens of relevant minerals. - Identification of minerals by transmitted-light microscopy. - Identification of minerals by X-ray powder diffraction. Developing competences and learning outcomes Educational goals: The course aims to give the student a basic knowledge of the materials constituting the solid Earth, the way atoms aggregate to form minerals, the physical properties that allows identification of minerals as well as of the basic rules for mineral classification and nomenclature. The course is taught through lectures, practice laboratory work using the analytical instruments available at the Earth Sciences Department. Course assessment will be by a combined written and oral examination at the end of the second semester. Learning outcomes: On successful completion of this course students will be able to understand the basic principles of mineralogy, to read the specific literature; they will be able to describe the optical properties of the major rock-forming minerals, to state their symmetry, chemistry, crystal structure, and geological occurrence. Students will be able to identify minerals and write a detailed technical report. Successful students will have acquired the capacity to recognize the most common minerals on the basis of their physical properties, to use the polarizing microscope to determine the main optical properties of rock forming minerals, to read and interpret an X-ray powder diffractogram and recalculate a chemical analysis. CONTENT Classroom Homework Total hours Evaluation (12 CFU) (hours) (hours) 6 Lectures Oral and practical exam 6 Practice Natural laboratory (Field work) 0 Seminars Others Final evaluation Interpretation of X-ray powder diffraction pattern, identification of the symmetry of a crystal, identification of two mineral species from hand specimens, oral exam. Texts Lecture syllabus and course Web page Only enrolled students can access course materials stored there. DEER W.A., HOWIE R.A., ZUSSMAN J. (1994) - Introduzione ai minerali che costituiscono le rocce. Ed. Zanichelli, Bologna (for olivines, pyroxenes, amphiboles, micas, feldspars, silica minerals and

6 carbonates). KLEIN C. (2004) - Mineralogia. Ed. Zanichelli, Bologna. KLEIN C., PHILPOTTS A. (2012) Earth Materials - Introduction to mineralogy and petrology. Cambridge University Press. Cambridge, UK.