COMPOSIZIONE DELLA TERRA SOLIDA

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1 COMPOSIZIONE DELLA TERRA SOLIDA Delle tre sfere che costituiscono la parte abiotica dell ambiente Terra quella che ci è più familiare è la LITOSFERA, solida e posta sotto alle due sfere fluide: l atmosfera e l idrosfera. Essa è costituita da una parte interna rigida, il mantello e da una parte esterna leggera e più sottile detta crosta terrestre su cui noi ci muoviamo, edifichiamo città, ponti, strade e di cui utilizziamo le materie prime. La crosta terrestre è formata per il 98,6% da 8 elementi chimici ovvero su grammi di crosta 986 g sono formati da solo 8 elementi mentre i restanti 14 g sono formati dagli altri 80 elementi esistenti in natura. Fig. 1 Abbondanza percentuale degli elementi sulla crosta terrestre. La litosfera è costituita dalle rocce che a loro volta sono costituite da minerali. La differenza fondamentale tra rocce e minerali è che le rocce sono miscugli eterogenei in fase solida mentre i minerali sono dei composti ovvero delle sostanze pure. Una roccia è un miscuglio eterogeneo di due o più minerali (solo le rocce calcaree sono costituite da un solo tipo di minerale: il carbonato di calcio CaCO3). Non si possono rappresentare, come i minerali, con una formula chimica. Una roccia potrà essere definita solo dai valori percentuali dei minerali che la compongono. Se si osserva invece una roccia, con l aiuto di una lente d ingrandimento, si osserva che essa è costituita generalmente da particelle di forma, dimensione e colore diversi, tutte aggregate insieme: tali particelle sono minerali, per cui si dice che le rocce sono aggregati naturali di minerali diversi. Identificare i minerali e le rocce è importante perché ogni roccia è in grado di raccontare un po della storia della Terra. I MINERALI 1. DEFINIZIONE E CARATTERISTICHE Un MINERALE è un solido cristallino di composizione chimica ben definita e di origine naturale. Cerchiamo di capire meglio la definizione. Un minerale è un solido cristallino in quanto le particelle che lo costituiscono occupano posizioni fisse ed ordinate tanto da definire un cristallo avente una forma esterna ben definita detta abito cristallino e con una caratteristica temperatura di fusione al contrario dei solidi amorfi nei quali le particelle sono disposte in modo più disordinato e non hanno una ben definita temperatura di fusione. La forma esterna del cristallo rispecchia il preciso ordine geometrico con cui sono disposte le particelle che costituiscono il minerale. L unità fondamentale del cristallo prende il nome di cella elementare, che si ripete all infinito nello spazio creando una complessa struttura tridimensionale che prende il nome di reticolo cristallino. 1/9

2 Fig. 2 a) Rappresentazione schematica della cella elementare del salgemma (cloruro di sodio, NaCl): gli atomi di sodio sono colorati in rosso e quelli di cloro in verde; b) Rappresentazione schematica della struttura ideale di un cristallo di salgemma con il suo classico reticolo a forma cubica. Un solido può essere così classificato: Le particelle che lo costituiscono occupano posizione fisse ed ordinate del reticolo tanto da definire cristallo un corpo solido che si presenta in natura in forma poliedrica ben definita e variabile da specie a specie, modellatasi spontaneamente in conseguenza alla struttura chimica della sostanza che lo costituisce. Hanno una ben definita temperatura di fusione T f. Le particelle che lo costituiscono sono disposte in modo casuale e non ordinato. Non hanno temperatura di fusione ben definita ma fondono entro un intervallo di temperature ΔT f. E per questo importante specificare che i minerali sono solidi cristallini per distinguerli dai solidi amorfi. Un minerale ha una composizione chimica ben definita ovvero è rappresentabile con una formula chimica che indica esattamente il numero e il tipo di atomi che lo compongono. Questo è il primo criterio per distinguere un minerale da una roccia. Es.: carbonato di calcio CaCO3, ortosilicato di calcio Ca2SiO4, solfato di calcio CaSO4, ecc. La determinazione della composizione chimica dei minerali assume particolare importanza soprattutto per quei minerali, detti isomorfi ovvero che presentano il fenomeno dell ISOMORFISMO in conseguenza del quale due minerali diversi ovvero con differente composizione chimica possono avere una uguale struttura cristallina (ad esempio il carbonato di bario BaCO3 e il carbonato di piombo PbCO3). Al fenomeno di sostituzione all interno del reticolo cristallino da parte di alcuni ioni con altri di dimensioni simili viene attribuito il nome di vicarianza. Accanto al fenomeno dell isomorfismo, i minerali presentano il fenomeno del POLIMORFISMO ovvero la capacità di un solido cristallino di assumere strutture cristalline diverse al variare della temperatura e della pressione: variando questi due parametri si può passare da una forma cristallina all altra. Un esempio è lo zolfo che può assumere le forme di zolfo rombico o zolfo monoclino. Un altro esempio è rappresentato dal diamante (enormemente pregiato!) e dalla grafite (di scarso valore commerciale): la cella elementare è sempre costituta da 6 atomi di C ma i reticoli cristallini sono diversi. Un minerale è un solido di origine naturale: ad esempio un minerale come il salgemma è ottenuto per evaporazione spontanea, ovvero naturale, delle acque salate. 2/9

3 2. LE PROPRIETA DEI MINERALI Ogni minerale è identificabile in base alla composizione chimica e alla struttura cristallina: ci sono però anche delle proprietà fisiche che permettono facilmente di distinguere un minerale dall altro: - Peso specifico: è il metodo più rapido per riconoscere i minerali. Si ottiene facendo il rapporto tra il peso del minerale e quello di un ugual volume di acqua distillata a 4 C (espresso in g/cm 3 ). - Densità: è direttamente proporzionale all addensamento degli atomi nel reticolo; quindi dipende anche dalla pressione di formazione. Essa è alta in composti con elevato numero di coordinazione, come i metalli. Si misura in laboratorio sfruttando il principio di Archimede. - Durezza: consiste nella resistenza che esso oppone all incisione (abrasione o scalfitura) da parte di un altro corpo. Viene stabilità attraverso l uso della scala di Mohs in cui ogni minerale successivo nella scala è in grado di incidere quello precedente. In particolare, un termine e il successivo della scala non sono separati dalla stessa differenza di durezza; infatti tra il corindone (9) e il diamante (10) vi è molta più differenza che non tra il talco (1) e il gesso(2). Fig. 3 I minerali della scala di Mohs - Sfaldatura: è la proprietà che hanno certi minerali di fratturarsi (rompersi per urto) secondo piani ben definiti, paralleli alla superficie del cristallo: dipende dalla natura dei legami chimici che uniscono gli atomi all interno del reticolo cristallino. - Tenacità: è l insieme delle proprietà che consentono ad un minerale di deformarsi sotto l azione di una forza. - Proprietà ottiche (colore, lucentezza, rifrangenza, luminescenza): riguardano il comportamento dei minerali nei confronti della luce. Il colore dei minerali dipende anche dal tipo di elementi da cui esso è formato. In base al colore i minerali si classificano in idiocromatici e allocromatici: i primi presentano sempre lo stesso colore (se ridotti in polvere i frammenti mantengono il loro colore, anche se più pallido), i secondi presentano colori diversi a seconda delle impurità chimiche presenti o per difetti del reticolo cristallino (se ridotti in polvere i frammenti presentano un colore biancastro o grigio chiaro). 3/9

4 La lucentezza misura il grado in cui la luce è riflessa dal cristallo. Essa può essere metallica o nonmetallica: la prima è tipica delle sostanze che assorbono completamente la luce e appaiono opache; la seconda è tipica dei corpi più o meno trasparenti perché si lasciano attraversare dalla luce. In base alla rifrangenza i minerali di distinguono in monorifrangenti e birifrangenti: nel primo caso la luce rifratta si propaga all interno del cristallo alla stessa velocità in tutte le direzioni; nel secondo caso la luce rifratta che passa all interno del cristallo si divide in due raggi polarizzati che vibrano in piani tra loro perpendicolari e si propagano con diverse velocità [es.: Spato d Islanda (calcite)]. La luminescenza è l emissione della luce da parte di un minerale se sollecitato con raggi UV. Si parla di fluorescenza se il fenomeno finisce al cessare della sollecitazione, di fosforescenza se il minerale continua a emettere luce per un certo periodo anche se la sollecitazione è cessata. - Conducibilità magnetica: in base alle proprietà magnetiche i minerali possono essere ferromagnetici, paramagnetici o diamagnetici. Le sostanze ferromagnetiche (es.: ferro, magnetite) acquistano le proprietà attrattive se posti sotto l influenza di un campo magnetico; le sostanze paramagnetiche (es.: alluminio, sodio, platino) vengono debolmente attratte da un magnete; quelle diamagnetiche (es.: acqua, argento, piombo, grafite, quarzo) vengono debolmente respinte da un magnete. La magnetizzazione di una sostanza ferromagnetica può essere permanente o temporanea. Il grado di magnetizzazione di una sostanza viene espresso dalla permeabilità magnetica relativa. - Conducibilità elettrica: in base alla proprietà elettriche i minerali possono essere distinti in conduttori, semiconduttori e non-conduttori (isolanti) oppure, semplicemente, in buoni e cattivi conduttori elettrici. Tra i minerali non-conduttori ve ne sono alcuni capaci di sviluppare comunque una differenza di potenziale se sottoposti a sollecitazioni di tipo meccanico (compressione, trazione, torsione) o termico: i primi (per risposta meccanica) si dicono piezoelettrici, i secondi (per risposta termica) si dicono piroelettrici. I metalli sono buoni conduttori di corrente elettrica; i non-metalli sono cattivi conduttori di corrente elettrica. - Conducibilità termica: in base alle proprietà di trasmissione del calore i minerali si distinguono in buoni e cattivi conduttori di calore. I metalli sono buoni conduttori di calore; i non-metalli sono cattivi conduttori di calore. - Punto di fusione: è la temperatura a cui un minerale passa dallo stato solido a quello liquido. 3. LA CLASSIFICAZIONE DEI MINERALI Dal punto di vista della loro origine i minerali sono classificati in: - MINERALI PRIMARI: sono quelli che si sono formati a temperature elevate e sono ereditati dal suolo da rocce ignee e metamorfiche. - MINERALI SECONDARI: sono invece quelli che si sono formati a temperature più basse ed ereditati dal suolo da rocce sedimentarie oppure formatisi per alterazione di minerali primari. Dal punto di vista chimico i minerali possono essere classificati in: - ELEMENTI (MINERALI NATIVI), che a loro volta possono essere metallici (Au, Ag, Cu) o non-metallici (zolfo, grafite, diamante). - COMPOSTI (MINERALI COMPOSTI), formati dall unione con legami chimici di due o più elementi diversi (carbonati, silicati, solfati, ecc.). I minerali vengono classificati in tal caso rispetto al tipo di anione presente. 4/9

5 Uno dei criteri più diffusi per la classificazione dei minerali è di tipo chimico, poiché si considera l anione che caratterizza il minerale. Se l anione è l ossigeno (O 2- ) esso si potrà legare con cationi metallici per formare composti chiamati ossidi. L ossigeno però, più frequentemente, si lega ad altri elementi per formare anioni poliatomici che a loro volta si combinano con uno o più cationi metallici. Tra gli anioni più importanti ricordiamo lo ione silicato (SiO 4 4- ), lo ione carbonato (CO 3 2- ), lo ione solfato (SO 4 2- ) ma esistono anche quelli con lo ione nitrato (NO 3 1- ), lo ione borato (B x O y Z- ), ecc.; i minerali contenenti questi ioni prendono il nome degli ioni stessi: silicati, carbonati, solfati. Esistono, in quantità decisamente minore, altri minerali, caratterizzati dal ione solfuro S 2- (solfuri),oppure dallo ione fluoruro F - e dallo ione cloruro Cl - (aloidi, alogeni o alogenuri). A questi vanno inoltre aggiunti gli elementi nativi che non possiedono anioni e sono molto rari (oro Au, argento Ag, rame Cu, grafite e diamante C, zolfo S). Vediamo, dalla tabella seguente, quali sono i cationi metallici a cui si legano più frequentemente gli anioni in base ai quali abbiamo classificato i minerali: Tab. 1 Abbinamento anioni e cationi nei minerali 5/9

6 I SILICATI Sono i minerali più abbondanti nella crosta terrestre e sono caratterizzati dalla presenza dello ione silicato (SiO 4 4- ), che rappresenta l unità fondamentale del reticolo cristallino di questi composti. Lo ione silicato ha una struttura tetraedrica, all interno della quale ogni ione silicio Si 4+ coordina 4 ioni O 2-. Lo ione silicio si trova al centro del tetraedro, mentre ai vertici sono collocati i 4 ioni ossigeno. Siccome lo ione silicato non è elettricamente neutro (possiede 4 cariche negative in eccesso, una per ogni atomo di ossigeno) il tetraedro può raggiungere la neutralità in tre modi: 1) legandosi unicamente a cationi metallici, per cui i singoli tetraedri rimangono isolati non condividendo nessun atomo di ossigeno (i cationi fanno da ponte fra un tetraedro e l altro); 2) legandosi in parte a cationi metallici e in parte mettendo in comune gli atomi di ossigeno con tetraedri adiacenti; in questo caso, che è il più diffuso, se aumenta il numero di atomi di ossigeno condivisi, diminuisce quello degli ioni positivi che entrano nella struttura del minerale; 3) unicamente mettendo in comune tutti gli atomi di ossigeno con i tetraedri adiacenti (nei tetto silicati). La classificazione all interno del gruppo dei silicati non è di tipo chimico ma strutturale, in quanto dipende dal modo in cui i tetraedri si uniscono tra loro (v. fig. 4 seguente: struttura dei silicati). Nesosilicati: i gruppi tetraedrici sono isolati (SiO 4) 4-. Le cariche negative delle ione silicato sono saturate da ioni metallici. Presentano generalmente durezza e peso specifico elevati. Es.: olivine. Sorosilicati: sono costituiti da 2 tetraedri uniti per un vertice a formare un gruppo (Si 2O 7) 6-. Le sei cariche negative sono bilanciate da cationi metallici. Es.: epidoti. Ciclosilicati: sono costituiti da anelli formati da 3, 4, 6 tetraedri, ognuno dei quali condivide 2 atomi di ossigeno con tetraedri dello stesso anello a formare gruppi (Si no 3n) 2n- (dove n è uguale al numero di tetraedri nell anello). Nella struttura gli anelli risultano sovrapposti l uno sull altro dando origine a cristalli di forma prismatica. Es.: tormalina, berillo. Inosilicati: i tetraedri sono uniti tra loro a formare catene lineari indefinite; questa disposizione può essere di due tipi: semplice o doppia. Nel primo caso ogni tetraedro condivide 2 atomi di ossigeno con 2 tetraedri adiacenti; nel secondo caso i tetraedri condividono alternativamente 2 o 3 atomi di ossigeno. Prevalgono forme allungate, aciculari o fibrose di cristalli. Es.: augiti [pirosseni (Si 2O 6) 4- a catena semplice]; orneblende [anfiboli (Si 4O 11) 6- a catena doppia]. Fillosilicati: un tetraedro condivide 3 atomi di ossigeno con altrettanti tetraedri adiacenti a formare dei piani di esagoni; per questo motivo gli abiti dei cristalli sono lamellari e fogliacei con facile sfaldatura parallela ai piani. Il gruppo anionico che li caratterizza (Si 4O 10) 4-, viene neutralizzato, tra un piano e l altro, da quattro cariche positive fornite dai più comuni cationi metallici. Es.: biotite (mica nera), muscovite (mica bianca). Tettosilicati: i 4 atomi di ossigeno del tetraedro sono in comune fra tetraedri vicini, in modo che ogni atomo di ossigeno è legato a due atomi di silicio. La struttura che si forma è tridimensionale, continua e indefinita. Es.: quarzo (SiO 2). 6/9

7 N.B.: nei tettosilicati, l alluminio può sostituire atomi di silicio all interno dell impalcatura tridimensionale, formando composti che sono chiamati alluminosilicati; la presenza dell Al 3+ in luogo di Si 4+ permette l inserimento nell impalcatura cristallina di vari tipi di cationi. Un esempio di alluminosilicati sono i minerali appartenenti alla famiglia dei feldspati: se consideriamo 4 gruppi SiO 2 otteniamo (Si 4 O 8 ) e, sostituendo un Si con un Al, otteniamo (AlSi 3 O 8 ) -, che si può legare con cationi monovalenti come K + e Na +, oppure, sostituendo due atomi di Si con due di Al, si forma il gruppo anionico (Al 2 Si 2 O 8 ) 2- che permette l inserimento di cationi bivalenti come Ca 2+. Nel primo caso si ottiene il feldspato potassico (K-feldspato) KAlSi 3 O 8, termine generale ce indica 4 modificazioni polimorfe che hanno una struttura differente in relazione alle condizioni di cristallizzazione: sanidino (alta temperatura), ortoclasio (temperatura medio-alta), microclino (temperatura medio-bassa) e adularia (bassa temperatura). Nel secondo caso, la vicarianza tra Na + e Ca 2+, resa possibile dalle dimensioni quasi identiche dei due ioni, dà origine a una famiglia di minerali molto comuni, i plagioclasi, una serie isomorfa tra albite NaAlSi 3 O 8 (oligoclasio andesina labradorite bytownite) e anortite CaAl 2 Si 2 O 8. Anche in questo caso la composizione chimica è influenzata dalla temperatura: a temperatura maggiore cristallizza l anortite, seguono via via termine sempre meno ricchi in Ca e più ricchi in Na, fino all albite. Nesosilicati (o Ortosilicati) (gr.: isolato, dritto, normale) Sorosilicati (gr.: gruppo) Ciclosilicati (gr.: circolo) Gruppo anionico Carica 1 tetraedro SiO tetraedri Si 2 O 7-6 a 3 tetraedri a 4 tetraedri a 6 tetraedri a catena semplice a catena doppia Si 3 O 9-6 Si 4 O 12-8 Si 6 O Si 2 O 6-4 Si 4 O 11-6 Inosilicati (gr.: fibra) Fillosilicati (gr.: foglia) lamellare Si 4 O 10-4 Tettosilicati (o Tectosilicati) (gr.: costruttore) 3D SiO 2 0 Tab. 2 Gruppi anionici e cariche negative da bilanciare UN ULTERIORE DISTINZIONE: minerali FEMICI e SIALICI In base alle caratteristiche chimiche e fisiche possiamo distinguere i silicati in due gruppi: - FEMICI (o MAFICI), ricchi di Fe e Mg. Essi hanno densità elevata (d = 2,6 4,3 g/cm 3 ) e una colorazione scura, verde, bruna o nerastra; a questo gruppo appartengono i minerali come l olivina, i pirosseni, gli anfiboli e la biotite; - SIALICI (o FELSICI), cosiddetti perché contengono prevalentemente silicio, ossigeno e alluminio. Essi hanno una densità minore (d = 2,6 2,8 g/cm 3 ) di quelli femici e una colorazione chiara; a questo gruppo appartengono il quarzo, un minerale molto duro e resistente agli agenti atmosferici, e i feldspati. Minerali Rapporto Si/O Densità (g/cm 3 ) Olivina 1/4 3,3 4,3 Femici Pirosseni 1/3 3 4 Anfiboli 4/11 2,8 3,6 Mica 2/5 2,6 3,3 Sialici Feldspati (ortoclasio, plagioclasi) 1/2 2,6 2,8 Quarzo 1/2 2,6 Tab. 3 Minerali femici e sialici 7/9

8 OSSIDI e IDROSSIDI I NON SILICATI (la loro quantità nella crosta terrestre non supera l 8%) Il caso più semplice è quello in cui l anione è quello dell ossigeno O 2- che si combina direttamente con ioni positivi. I minerali che lo contengono vengono chiamati OSSIDI. Quando l ossigeno è legato all idrogeno si hanno gli IDROSSIDI che contengono lo ione OH -. Minerali che appartengono a questa classe sono la magnetite (Fe II Fe III O 4 ), l ematite (Fe 2 O 3 ), il corindone (Al 2 O 3 ), la bauxite [Al 2 O 3 nh 2 O, ricco di metaidrossido di alluminio AlO(OH) e ortoidrossido Al(OH) 3 ], la brucite [Mg(OH) 2 ] e lo stesso quarzo (SiO 2 ) se si considera la sua composizione chimica (e non la struttura). SOLFATI Contengono lo ione solfato SO 4 2- (in cui un atomo di zolfo è legato a 4 atomi di ossigeno). I minerali più noti sono il gesso (CaSO 4 2H 2 O), anidrite (CaSO 4 ) e la barite (BaSO 4 ). SOLFURI Sono costituiti da atomi metallici legati chimicamente ad un atomo di zolfo S 2- : pirite (oro degli stolti, FeS 2 ), galena (PbS) e cinabro (HgS), sfalerite (ZnS), calcopirite (CuFeS 2 ). CARBONATI Sono caratterizzati dalla presenza dello ione carbonato CO 3 2- in cui un atomo di carbonio è legato a 3 atomi di ossigeno. Sono minerali che abbondano particolarmente entro le rocce sedimentarie. Tipici esempi sono la calcite CaCO 3 e la dolomite CaMg(CO 3 ) 2. 8/9

9 FOSFATI Sono caratterizzati dalla presenza dello ione fosfato PO 4 3- (in cui l atomo di fosforo P è legato a 4 atomi di ossigeno). I più diffusi sono i fosfati di calcio noti con il nome di apatite Ca 5 F(PO 4 ) 3. ALOGENURI (o Alogeni o Aloidi) Comprendono i minerali che contengono ioni cloro Cl -, fluoro F -, bromo Br -, e iodio I - uniti a ioni metallici. Il più noto è il salgemma; è questo il nome assunto dal comune sale da cucina (cloruro di sodio NaCl) quando si trova dentro le rocce. 4. LA FORMAZIONE DEI MINERALI Le strutture ordinate che costituiscono i minerali hanno origine durante i processi di cristallizzazione, una serie di trasformazioni che permette agli atomi di legarsi tra loro in una struttura cristallina. E possibile distinguere 3 processi di cristallizzazione: - Cristallizzazione per raffreddamento [in acqua (precipitazione), in un fuso magmatico o in aria (da vapori caldi) processo fisico]: avviene quando gli atomi o le molecole che compongono la sostanza allo stato fluido si dispongono in una struttura cristallina ordinata a causa di una diminuzione di temperatura. Se il raffreddamento avviene lentamente si formano minerali con facce ben formate e caratteristiche di ognuno; se invece il raffreddamento è veloce, per esempio avviene in acqua o a contatto con l aria, si formano solidi amorfi o vetrosi cioè con una disposizione degli atomi disordinata. Inoltre, in prossimità dei crateri vulcanici, le superfici relativamente fredde possono far sublimare (per brinamento/deposizione) le esalazioni calde determinando la formazione di cristalli (es.: zolfo). - Cristallizzazione per precipitazione (per evaporazione processo chimico): avviene quando gli ioni positivi e negativi disciolti in acqua si legano formando una sostanza solida insolubile in acqua che precipita formando solidi cristallini. Questo processo avviene per evaporazione dell acqua, come accade per il salgemma in una salina. - Cristallizzazione per attività biologica (processo biologico): modalità di formazione dei minerali ad opera degli organismi viventi che costruiscono i loro gusci o apparati scheletrici e che, alla loro morte, si depositano accumulandosi. Infine, elevate pressioni associate ad elevate temperature possono portare alla formazione di nuove strutture cristalline diverse (per struttura e/o composizione chimica) da quelle preesistenti (ad es.: da fluidi con una stessa composizione chimica si possono formare strutture cristalline diverse, come nel caso del diamante e della grafite che sono formati entrambi unicamente da atomi di C ma disposti in modo diverso; il diamante si forma a pressioni molto elevate, mentre la grafite a pressioni molto più basse). Questo processo, in generale, è noto col termine di metamorfismo. 9/9