I MINERALI I minerali

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1 I minerali 1.1 La Terra un pianeta a strati 1.2 I materiali del pianeta Terra 1.3 Composizione della crosta terrestre 1.4 Minerali e rocce 1.5 Minerali e cristalli 1.6 Struttura dei cristalli 1.7 Classificazione dei solidi cristallini 1.8 Minerali polimorfi 1.9 Minerali isomorfi 1.10 Proprietà dei minerali 1

2 1.8 Minerali polimorfi Due minerali possono avere la stessa formula chimica ma diversa struttura cristallina. Si ha polimorfismo quando una stessa sostanza si può presentare in forme cristalline diverse per dare minerali diversi (quando la sostanza è un elemento si dice che essa presenta più forme allotropiche). Il polimorfismo dipende dal fatto che la stessa sostanza, in condizioni di diversa pressione e temperatura, può cristallizzare con modalità difformi. 2

3 1.8 Minerali polimorfi Il diamante e la grafite sono due sostanze elementari costituite da carbonio con diversa distribuzione degli atomi nello spazio. Nel diamante la struttura è compatta (ogni C è legato ad altri 4 atomi di C disposti ai vertici di un tetraedro) con forti legami distribuiti in modo simmetrico nello spazio. Nella grafite la struttura è a piani paralleli con legami deboli tra i piani: gli atomi di C generano strati a struttura esagonale (1:3); queste lamine di atomi di C sono sovrapposte e unite tra loro da forze di Van der Waals. 3

4 1.8 Minerali polimorfi Dalla diversa distribuzione degli atomi nello spazio derivano enormi differenze nelle proprietà. Il diamante è splendente, limpido e durissimo. La grafite è nera, opaca e scivolosa. 4

5 1.8 Minerali polimorfi I fullereni costituiscono una classe di sostanze allotropiche molecolari del carbonio. Le molecole di fullerene, costituite interamente di carbonio, assumono una forma simile a una sfera cava, di un ellissoide o di un tubolare. I fullereni di forma simile a una sfera o a un ellissoide sono chiamati buckyball, mentre quelli di forma tubolare sono chiamati buckytube (o nanotubi di carbonio). Il nome di tale fullerene fa riferimento alla somiglianza con le cupole geodetiche predilette dall'architetto Richard Buckminster Fuller. Strutture molecolari di fullereni di tipo "buckyball" (sopra) e "buckytube" (sotto). Le molecole di fullerene sono generalmente stabili a temperatura e pressione ambiente, nonostante siano energeticamente sfavorite rispetto ad altri allotropi del carbonio, quali la grafite e il diamante. 5

6 1.9 Minerali isomorfi Due minerali con diversa composizione chimica possono formare cristalli con lo stesso tipo di reticolo e stesso abito cristallino. Si ha isomorfismo quando due sostanze che hanno composizione chimica diversa presentano identica struttura del reticolo cristallino. I minerali isomorfi hanno composizioni chimiche simili in cui ioni con raggio ionico e carica simili si sostituiscono a vicenda. 6

7 1.9 Minerali isomorfi Gli elementi che hanno questa possibilità di scambio si dicono vicarianti. Il fenomeno dell intercambiabilità tra gli ioni è indicato come vicarianza. Sono elementi vicarianti: Fe 2+ e Ca 2+ nella calcite CaCO 3 e nella siderite FeCO 3 ; minerali che possono cristallizzare insieme formando soluzioni solide omogenee. rubino Nel corindone Al 2 CO 3 per sostituzione di qualche ione Al 3+ con ioni Cr 3+ si ha il rubino; Invece, per sostituzione con ioni Ti 3+ e Fe 3+ lo zaffiro, e con il Be 2+ lo smeraldo. 7

8 1.9 Minerali isomorfi I minerali che presentano isomorfismo danno vere e proprie soluzioni allo stato solido dei singoli componenti. I granati sono miscele di minerali isomorfi, i cui termini principali molto raramente si rinvengono puri. 8

9 1.10 Proprietà dei minerali Ogni minerale è caratterizzato da specifiche proprietà, che ne rendono possibile una semplice e rapida determinazione. Le proprietà dei minerali dipendono dalla composizione chimica e dalla struttura cristallina. Le principali proprietà dei minerali sono: densità durezza sfaldatura colore colore della polvere lucentezza temperatura di fusione 9

10 1.10 Proprietà dei minerali La densità di un minerale dipende dalla compattazione delle particelle e dagli elementi che costituiscono i minerali. Il peso specifico è il rapporto tra il peso del minerale e quello di un ugual volume di acqua distillata a 4 C. CARNALLITE densità = 1,6 g/cm 3 QUARZO densità = 2,65 g/cm 3 GALENA densità = 7,6 g/cm 3 ORO densità = 19,3 g/cm 3 Poiché peso specifico e densità sono direttamente proporzionali, i minerali più densi sono anche i più pesanti. 10

11 1.10 Proprietà dei minerali La durezza di un minerale è una misura della sua resistenza a essere scalfito o abraso. I valori di durezza sono riferiti alla scala di Mohs. TALCO durezza = 1 GESSO durezza = 2 CALCITE durezza = 3 FLUORITE durezza = 4 APATITE durezza = 5 ORTOCLASIO durezza = 6 QUARZO durezza = 7 TOPAZIO durezza = 8 CORINDONE durezza = 9 DIAMANTE durezza = 10 11

12 1.10 Proprietà dei minerali La sfaldatura è la proprietà dei minerali di rompersi lungo piani preferenziali. La mica si sfalda in lastre sottilissime La calcite si sfalda in romboedri Questi piani corrispondono a superfici in cui i legami chimici sono meno forti. 12

13 1.10 Proprietà dei minerali Il colore dei minerali dipende principalmente dalla loro composizione chimica. Lo stesso minerale può presentare colori diversi in base alle impurità presenti nella sua struttura, questi minerali vengono detti allocromatici. Se, invece, i minerali presentono sempre lo stesso colore vengono detti idiocromatici. Quarzo ialino Quarzo citrino Quarzo rosa Quarzo ametista Quarzo affumicato 13

14 1.10 Proprietà dei minerali Il colore della polvere di un minerale è costante, mentre il colore dei cristalli può essere variabile. Il colore di un minerale dipende dalla composizione chimica, cioè dalla presenza di determinati ioni. I minerali colorati contengono ferro, cromo, cobalto, manganese, nichel, titanio, rame. L ematite può essere rossa, nera o marrone, ma la sua polvere è sempre rossa. 14

15 1.10 Proprietà dei minerali La lucentezza è una caratteristica che dipende da come la superficie del minerale risponde quando è colpita dalla luce. TORMALINA lucentezza vitrea PIRITE lucentezza metallica CERUSSITE lucentezza adamantina OPALE lucentezza grassa 15

16 1.10 Proprietà dei minerali La temperatura di fusione, alla quale la precisa architettura dello stato solido cristallino viene demolita, ha un valore specifico per ogni minerale. Alla temperatura di fusione, tipica per ogni minerale, si verifica il passaggio allo stato liquido. Antimonite (525) C) Quarzo (1710 C) 16

17 dei minerali La classificazione dei minerali si basa sugli elementi chimici di cui sono costituiti. I minerali sono ripartiti in «classi» sulla base dell anione presente e le famiglie a loro volta possono essere divise in «gruppi» sulla base di somiglianze strutturali. Un gruppo e' costituito da «specie» che possono formare «serie» fra loro e infine una specie può avere diverse «varietà». Per gruppo si intende due o più materiali simili nella struttura e nelle proprietà, ma chimicamente diversi. I singoli costituenti di un gruppo vengono definiti specie. Tutte le varietà di una specie presentano la stessa struttura cristallina e la stessa composizione chimica, differenziandosi solo nel colore. Esempio di classificazione: CLASSE: silicato GRUPPO: ciclosilicato SPECIE: berillo VARIETÀ: smeraldo Le classi più importanti sono: elementi nativi, solfuri, Solfati, fosfati, borati e alogenuri, ossidi e ossidi idrati, carbonati, silicati. 17

18 Gli elementi nativi sono minerali costituiti da un unico elemento chimico (metallo o non-metallo), che si rinviene in natura allo stato elementare. Oro Au Diamante C Zolfo S continua 18

19 Elementi nativi: oro in forma granulare continua 19

20 Elementi nativi: goccioline di mercurio in una roccia ferrosa continua 20

21 I solfati sono minerali caratterizzati dalla presenza dell anione SO 4 2. Gesso CaSO 4 2H 2 O Anidrite CaSO 4 Barite BaSO 4 continua 21

22 I solfati: il gesso CaSO 4 H 2 O 22

23 I fosfati: sono minerali caratterizzati dalla presenza dell anione PO 4 3. Ad es.: l apatite Ca 5 F(PO 4 ) 3 continua 23

24 I fosfati: il turchese CuAl 6 [(OH) 2 PO 4 ]4H 2 O 24

25 I borati: sono minerali caratterizzati dalla presenza dell anione borato. Ad es.: il borace Na 2 B 4 O 7 10H 2 O continua 25

26 I borati: la boracite Mg 3 B 7 O 13 Cl 26

27 Gli alogenuri comprendono i minerali che hanno come anione un alogenuro. Salgemma NaCl Fluorite CaF 2 Silvite KCl continua 27

28 Gli alogenuri: la fluorite CaF 2 continua 28

29 Gli alogenuri: il salgemma NaCl 29

30 I solfuri sono composti dello zolfo con i metalli. Pirite FeS 2 Galena PbS Cinabro HgS continua 30

31 I solfuri: la pirite FeS 2 continua 31

32 I solfuri: la galena PbS 2 32

33 Ossidi e ossidi idrati sono composti dell ossigeno, contenenti a volte anche molecole d acqua. Magnetite FeO Fe 2 O 3 Corindone Al 2 O 3 Limonite FeO(OH) nh 2 O continua 33

34 Gli ossidi: l ematite Fe 2 O 3 continua 34

35 Gli ossidi: il rubino È un isomorfo del corindone come già indicato 35

36 I carbonati sono minerali che contengono l anione CO 3 2. Calcite CaCO 3 Dolomite CaMg(CO 3 ) 2 Malachite Cu 2 (CO 3 )(OH) 2 continua 36

37 La dolomite Ca,Mg(CO 3 ) è una miscela isomorfa, in cui il calcio è in parte sostituito da magnesio. continua 37

38 I carbonati: l aragonite. Calcite e aragonite sono minerali polimorfi 38

39 I silicati sono minerali che contengono l anione SiO 4 4. I minerali che costituiscono la crosta terrestre e il mantello sono per la maggior parte silicati. continua 39

40 La struttura tridimensionale del tetraedro detto gruppo silicatico [SiO 4 ] 4. Il catione Si 4+ coordina quattro anioni O 2 Il tetraedro è disegnato rappresentando gli ioni con sfere di adeguate dimensioni relative; il catione Si 4+, molto più piccolo, è completamente racchiuso nello spazio che rimane tra i quattro grandi anioni O 2 fra loro a contatto. continua 40

41 continua Strutture cristalline dei principali silicati, rappresentate attraverso i diversi modi in cui i tetraedri [SiO 4 ] 4 possono legarsi tra loro per mezzo di ossigeni-ponte. 41

42 I silicati costituiscono il 90% delle rocce, sono molecole polimeriche e in base alla disposizione dei gruppi tetraedrici [SiO 4 ] 4 (Figura diapositiva precedente) si classificano in 6 tipi: 1. nesosilicati: gruppi tetraedrici isolati uniti da un catione di silicio, 2. sorosilicati: gruppi di due tetraedri, uniti per un vertice, separati tra loro da cationi 3. ciclosilicati: tetraedri uniti ad anello di 3,4,6 elementi 4. inosilicati: tetraedri uniti a formare catene semplici (aperte) o doppie (chiuse) indefinite, 5. fillosilicati: tetraedri uniti per tre vertici in modo da formare una maglia piana. I vertici liberi (quarto vertice) sono isoorientati e assicurano il legame con il piano sottostante 6. tectosilicati: tetraedri uniti direttamente per tutti e quattro i vertici, formano maglie complesse. I minerali non silicati costituiscono circa il restante 8% della crosta terrestre. 42