FORMAZIONE E CRESCITA DEI MINERALI

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Rachele Antonelli
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FORMAZIONE E CRESCITA DEI MINERALI Dipartimento di Scienze dell Ambiente e del Territorio e di Scienze Della Terra Cristalli di solfato di rame Cristalli di sale, cloruro di sodio 1 ESPERIMENTI DI

(riscaldata oppure no) Tempo necessario per la cristallizzaz ione Dimensione dei cristalli Abito cristallino Altre osservazioni (disposizion e, struttura ) 10-40 min <2mm stesse delle capsule vedi

1 FORMAZIONE E CRESCITA DEI MINERALI Dipartimento di Scienze dell Ambiente e del Territorio e di Scienze Della Terra Cristalli di solfato di rame Cristalli di sale, cloruro di sodio 1 ESPERIMENTI DI PRECIPITAZIONE Dipartimento di Scienze dell Ambiente e del Territorio e di Scienze Della Terra Quantità di soluzione presente in condizioni di temperatura ambiente Caso 1: una goccia su un vetrino (riscaldata oppure no) Tempo necessario per la cristallizzaz ione Dimensione dei cristalli Abito cristallino Altre osservazioni (disposizion e, struttura ) min <2mm stesse delle capsule vedi slides Caso 2: soluzione nella capsula Petri 7-14 giorni fino a 5 cm solfato Fino a 2 cm salgemma parallelepipedo a base quadrata, piramidali (sale) Romboedrici, prismatici + o allungati, abito aciculare, aghiforme (solfato) vedi slides 2 1

2 Vetrino e capsula a confronto 3 Vetrino con sale da cucina osservato al microscopio ottico Che abito hanno i cristalli? Come si sono accresciuti? Che dimensioni relative hanno i cristalli? Orlo goccia interno soluzione Orlo goccia esterno 4 2

3 abito cubico Orlo goccia interno: cristalli meglio sviluppati Orlo goccia esterno: cristalli più piccoli 5 6 3

4 Singoli cristalli isolati cristalli compenetrati in cui si vedono le linee di accrescimento 7 Ingrandimento dell orlo esterno 8 4

rame osservato al microscopio Orlo goccia interno

5 Ingrandimento massimo dell orlo esterno: sono sempre cristallini cubici di NaCl 9 Vetrino con solfato di rame osservato al microscopio Orlo goccia interno Orlo goccia esterno Cristalli nella goccia di soluzione 10 5

6 Abito cristallino aciculare Abito cristallino prismatico 11 Abito cristallino romboedrico Cristalli embricati 12 6

13 Vetrino con sale e solfato di rame Nei

molto piccoli e sovrapposti nel margine più

cristalli più grandi, sempre sovrapposti gli

Al centro della goccia i cristalli sono più

7 13 Vetrino con sale e solfato di rame Nei vetrini si forma un contorno con cristalli molto piccoli e sovrapposti nel margine più esterno mentre nell orlo interno si formano cristalli più grandi, sempre sovrapposti gli uni agli altri. Al centro della goccia i cristalli sono più piccoli e separati Come mai nei vetrini il solfato di rame spesso ha forma aghiforme allungata? 14 7

8 Capsule petri con sale e con solfato di rame Forme dei cristalli di Cloruro di Sodio 15 Forme dei cristalli di solfato di rame 16 8

Tempi di cristallizzazione Tanta soluzione Dopo una

una settimana Tanta soluzione Dopo due settimane Prima si

sufficiente soluzione, quando ne resta poca diminuisce lo

9 Tempi di cristallizzazione Tanta soluzione Dopo una settimana poca soluzione 17 Modi di cristallizzazione Dopo una settimana Tanta soluzione Dopo due settimane Prima si formano 7 nuclei e si accrescono indisturbati finchè c è sufficiente soluzione, quando ne resta poca diminuisce lo spazio e il tempo di evaporazione e si formano tanti piccoli cristalli 18 9

10 Risultati di cristallizzazione 2 gruppo: + fredde e concentrazione > Quantità > Differenze? Quantità < 19 Quantità > Differenze? Quantità < 20 10

Differenze: orlo su bordo capsula: T C di

11 1 gruppo: + calde e concentrazione < Quantità > Quantità < Differenze? 21 Differenze? 2 gruppo: + fredde e concentrazione > 1 gruppo: + calde e concentrazione < Differenze: orlo su bordo capsula: T C di partenza? Intensità colore cristalli: > quantità soluto 22 11

Come mai in una capsula si sono formati alcuni grandi cristalli e tanti piccoli

23 Capsule con poca soluzione di partenza: orlo con cristalli di maggiori

scambio termico con l aria; dimensioni dei cristalli mediamente più piccole

12 Come mai in una capsula si sono formati alcuni grandi cristalli e tanti piccoli mentre nell altra le dimensioni sono più omogenee? 23 Capsule con poca soluzione di partenza: orlo con cristalli di maggiori dimensioni dove l evaporazione è stata massima, per maggiore superficie di scambio termico con l aria; dimensioni dei cristalli mediamente più piccole rispetto ai casi con maggior quantitativo di soluzione a causa di un evaporazione più rapida. Nel caso a destra i primi nuclei di cristallizzazione hanno attirato maggiori quantitativi di materia e la differenza dimensionale tra i cristalli dell orlo e il resto è maggiore

13 25 Osservazione dei fenomeni: Confrontate la forma e le dimensioni dei cristalli tra il vetrino e il precipitato nelle capsule petri. Confrontate i tempi di evaporazione con le condizioni ambientali (T C) e con la quantità di soluzione Confrontate i tempi di evaporazione e precipitazione con le dimensioni dei cristalli ottenuti Interpretazione dei fenomeni: Quali variabili fisiche influenzano il processo? In che modo la velocità del processo (e quindi la temperatura) e lo spazio a disposizione (quindi la quantità di sostanza) possono influenzare la cristallizzazione e in particolare le dimensioni e la 26 forma dei cristalli? 13

14 Il processo La precipitazione del soluto avviene per: raffreddamento evaporazione parziale del solvente. Raffreddando una soluzione, o lasciandola evaporare, essa supera il suo limite di saturazione, con la conseguente cristallizzazione del soluto in eccesso. La soluzione sovrassatura lascia precipitare il soluto in eccesso, tendendo verso la situazione di equilibrio della saturazione. Si ottiene un soluto puro (cristallino), accanto ad un solvente che ne contiene ancora una certa quantità al suo interno (soluzione satura). 27 Le Variabili VARIABILI fisiche che influenzano la cristallizzazione e in particolare le dimensioni e la l abito cristallino dei cristalli: la velocità di evaporazione o di raffreddamento temperatura dell ambiente dimensioni e dal tipo di recipiente: superficie di scambio termico la quantità di soluzione impiegata Quindi lo spazio a disposizione la temperatura dell acqua di partenza (provate scaldando l acqua a 60 C a 90 C) Quindi la quantità di soluto solubile in un medesimo quantitativo 28 14

15 Velocità del processo di precipitazione Dipartimento di Scienze dell Ambiente e del Territorio e di Scienze Della Terra temperatura dell ambiente di evaporazione o solidificazione maggiore è la V di evaporazione della soluzione, minori sono le dimensioni dei cristalli Una velocità lenta produce dimensioni dei cristalli maggiori si formano tanti germi di cristallizzazione che si accrescono tutti insieme e rapidamente, spesso in direzioni preferenziali (divenendo aciculari e dendritiche). pochi germi e una crescita uniforme; si produce un abito cristallino più simile alla geometria della cella elementare e cristalli di dimensioni maggiori 29 Quantità di soluzione minore è la quantità di soluzione, minori saranno le dimensioni che acquisteranno i cristalli es vetrino/capsula e differenza dimensioni tra bordo goccia e centro Influisce sullo spazio e il tempo che le sostanze hanno a disposizione per migrare andando ad accrescere i nuclei già formati gli ioni trovano poco spazio e poco tempo per muoversi e i germi cristallini si accrescono vicini, spesso in aggregati maggiore è la quantità, maggiori saranno le dimensioni che acquisteranno i cristalli capsula petri cristalli + grossi e isolati gli ioni trovano più spazio e più tempo per muoversi e i germi cristallini si accrescono senza ostacolarsi l un l altro 30 15

16 IL PROCESSO DI CRISTALLIZZAZIONE 1) NUCLEAZIONE: gli atomi sparsi a casaccio si associano in modo ordinato fino a costituire il primo germe (poche celle elementari) La nucleazione è favorita da: aumenti localizzati della sovrassaturazione, come avviene, ad esempio in prossimità delle superfici di scambio termico (orlo goccia, contatto soluzione-capsula) dalla presenza in soluzione di corpi estranei che agiscono da punti di innesco, come impurità, pulviscolo atmosferico, ecc. Più numerosi sono i nuclei che si formano più lento sarà l accrescimento: si può immaginare infatti che la massa cristallina che precipita venga suddivisa tra di essi. 31 2) CRESCITA: L'accrescimento dei cristalli nella soluzione sovrassatura inizia non appena si formano i nuclei. Il germe si accresce a partire dalla sua superficie con deposizioni di strati successivi di materia o per aggiunte di filari a partire da una irregolarità della superficie stessa. La presenza di difetti (dislocazioni, gradini, disomogeneità, ecc.) sulla superficie del cristallo, offre al soluto numerosi punti di aggancio per continuare ad accrescersi, provocando un accrescimento irregolare (vedi forme aciculari nel solfato di rame o a stella nel sale) TEMPI: dipende dai minerali, alcuni si formano in tempi molto brevi, anche poche ore (es. Gesso); altri in migliaia di anni (es. alcuni quarzi). Valori tipici della velocità di accrescimento lineare di cristalli si aggirano intorno a 0.1 mm/h

GLI AMBIENTI DI CRISTALLIZZAZIONE AMBIENTE

17 Sequenza di immagini dal video della cristallizzazione di una goccia di soluzione di solfato di rame effettuata in laboratorio il 25 ottobre GLI AMBIENTI DI CRISTALLIZZAZIONE AMBIENTE MAGMATICO AMBIENTE SEDIMENTARIO AMBIENTE METAMORFICO 34 17

18 Video zanichelli su formazione minerali 35 18

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