Corso di Mineralogia
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- Isidoro Esposito
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1 Corso di Mineralogia Scienze Geologiche A.A / 2017 Proprietà fisiche II (pdf # 09)
2 (2) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Proprietà fisiche dei minerali I minerali, come tutte le sostanze, possiedono una serie di proprietà fisiche che li caratterizzano; l osservazione e determinazione di queste proprietà è molto importante per la conoscenza (e soprattutto per il possibile uso) dei minerali. Distinguiamo fra proprietà qualitative (non esprimibili immediatamente con un valore numerico) e proprietà quantitative, esprimibili numericamente (entro certi limiti)
3 (3) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Fra le proprietà fisiche distinguiamo inoltre a) proprietà osservabili direttamente su di un campione macroscopico e/o determinabili con una strumentazione molto semplice e; b) proprietà la cui determinazione necessita di una qualche strumentazione analitica Le proprietà fisiche sono: scalari = esprimibili con un numero (non direzionali) e vettoriali = direzionali cioè legate intimamente all ordine implicito dello stato cristallino Un minerale, dalla sua definizione, deve possedere almeno una proprietà vettoriale; l esistenza stessa della struttura cristallina (= ordinata) implica una proprietà direzionale (= non isotropa)
4 (4) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Proprietà fisiche osservabili direttamente su campioni di minerali: sono state oggetto di un laboratorio all'inizio del corso. Vi ritorneremo durante le esercitazioni di mineralogia sistematica. Ricordiamo fra queste Lucentezza, diafanità (trasparenza / opacità) (s) Colore, colore della polvere (striscio) (s) Luminescenza (s), giochi di colore Forma / abito dei cristalli (v), stato di aggregazione (s) Durezza (v) Sfaldatura (v), parting, frattura Peso specifico (s) Solubilità (in H 2 O e HCl)
5 (5) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Alcune proprietà fisiche di grande importanza Queste proprietà (non elementari) meritano una trattazione a parte Colore Magnetismo Piezoelettricità Crescita dei cristalli Difetti strutturali Geminazione (svolta a parte)
6 (6) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II IL COLORE Il colore è una delle proprietà fisiche più evidenti dei minerali ma anche una delle più ingannevoli. Una distinzione fondamentale è fra: Minerali idiocromatici = dotati di colore proprio. Questi minerali hanno sempre lo stesso colore caratteristico, dovuto alla presenza di ioni cromofori (metalli di transizione, Hg, U ecc.) come costituenti fondamentali. Minerali allocromatici = privi di un colore costante il colore dipendente da impurità quali metalli di transizione in soluzione solida o inclusioni o difetti strutturali.
7 (7) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Soluzioni colorate da ioni cromofori Colorazioni assunte da soluzioni acquose di metalli di transizione. Da sinistra: nitrato di cobalto(ii), Co(NO 3 ) 2 (rosso); dicromato di potassio, K 2 Cr 2 O 7 (arancio); cromato di potassio, K 2 CrO 4 (giallo); cloruro di nichel(ii), NiCl 2 (verde); solfato di rame(ii), CuSO 4 (azzurro); permanganato di potassio, KMnO 4 (violetto) (da wikipedia)
8 (8) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Il colore è una delle proprietà più attraenti dei minerali ed è una delle caratteristiche fondamentali delle gemme Alcuni esempi di minerali e gemme colorati idiocromatici (i) ed allocromatici (a) Corindone: Rubino, zaffiro (a) Berillo: smeraldo, acquamarina (a) Granati (a, i) Tormalina (a) Quarzo (a) Rodocrosite (i) Malachite, azzurrite, turchese (i) Ematite (i), cinabro (i)
9 (9) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Cause del colore nei minerali Il colore nei minerali dipende da fenomeni fisici piuttosto complessi; la trattazione rigorosa è difficile. L origine dei colori viene ricondotta a una serie di processi distinti: Campo cristallino (crystal field) Trasferimento di carica (orbitali molecolari) Centri di colore Effetti fisici Inclusioni Per una trattazione rigorosa potete leggere questi 2 lavori non recenti ma molto interessanti: Nassau K., The origins of color in minerals. American Mineralogist 63, Loeffler B.M. & Burns R.G Shedding light on the color of gems and minerals. American Scientist 64, 6, Per entrambi potete scaricare il pdf dalla pagina delle lezioni sul sito.
10 (10) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Colori e spettro elettromagnetico La parte dello spettro elettromagnetico di interesse è la banda del visibile che rappresenta una finestra molto ristretta rispetto all'intero spettro
11 (11) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II assorbimento di radiazione elettromagnetica separazione degli orbitali in un campo cristallino ( octahedral splitting ) orbitali d
12 (12) Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Campo cristallino corindone, Al 2 O 3 Nel corindone, Al 3+ si posiziona in siti ottaedrici. In piccola parte (1-2%) può essere sostituito da Cr 3+. La sostituzione è facile (raggio ionico molto simile, stessa carica). La configurazione elettronica dello ione Cr 3+ è tale che, inserito in un sito ottaedrico (coordinato da 6 ossigeni), assorbe selettivamente una parte (e quindi alcuni "colori") dello spettro elettromagnetico (visibile e non). Il cromo produce (nei casi più favorevoli e rari) la bellissima colorazione rossa del rubino. Il rubino può essere sintetizzato facilmente. In una struttura completamente diversa, il berillo Be 3 Al 2 Si 6 O 18, lo ione Cr 3+ (sostituendo sempre Al 3+ in piccola parte) induce il tipico colore verde dello smeraldo (caso piuttosto raro).
13 Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II berillo L ingresso di piccole quantità di ione Cr 3+ nei siti ottaedrici determina la comparsa del colore verde smeraldo (purtroppo molto raramente!) ottaedri AlO 6 Nel corindone il carattere del legame è prevalentemente ionico mentre nel berillo vi è una significativa componente covalente. Le bande di assorbimento sono simili ma posizionate ad energie leggermente diverse
14 (14) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Spettri di assorbimento in rubino e smeraldo
15 (15) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II principali ioni cromofori, minerale, colore indotto
16 (16) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Trasferimento di carica / orbitali molecolari Nel "trasferimento di carica" si ha condivisione di un elettrone fra una coppia di elementi con stato di ossidazione variabile quali ad es. Fe 2+/3+ - Ti 3+/4+ questo processo richiede energia (qualche ev) che viene fornita dalla radiazione elettromagnetica (luce visibile, UV, IR) che interagisce (attraversa) il minerale determinando l assorbimento selettivo di parti dello spettro (e quindi di colori). Il trasferimento di carica fra la coppia Ti-Fe determina la comparsa del colore blu nello zaffiro.
17 (17) Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Trasferimento di carica corindone, Al 2 O 3 Nel corindone, Al 3+ viene sostituito in piccola parte dalla coppia Fe 2+/3+ - Ti 3+/4+. La sostituzione è facile a causa del raggio ionico quasi uguale. Le coppie di ioni si scambiano un elettrone (lo condividono) assorbendo energia durante il processo. La piccola quantità di energia assorbita è responsabile del colore blu nello zaffiro. Nel berillo Be 3 Al 2 Si 6 O 18 un processo simile a carico della coppia Fe 2+ - Fe 3+ determina il colore verde-acqua tipico della acquamarina.
18 (18) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Fe 2+ Fe 3+ magnetite FeFe 2 O 4 opaco
19 (19) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Esempi di varietà colorate del corindone, Al 2 O 3
20 (20) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Berillo: smeraldo, acquamarina
21 (21) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Dicroismo in granati
22 (22) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Spettri di assorbimento in alessandrite
23 (23) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Centri di colore in fluorite e quarzo i centri di colore sono difetti strutturali fluorite, CaF 2 ; colore dovuto a centri di colore quarzo, SiO 2 ; varietà violetta ametista; colore dovuto a impurità di Fe 3+ e indotto da irraggiamento
24 (24) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II quarzo, SiO 2 ; varietà quarzo affumicato ; colore dovuto a impurità di Al 3+ e indotto da irraggiamento. Le varietà giallo (citrino) e verde si ottengono per trattamento termico di ametista. Topazio blu; irraggiamento e trattamento termico
25 (25) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Colori dovuti ad effetti fisici Il colore può essere dovuto ad effetti fisici Dispersione in minerali con elevato RI: il fuoco di alcune gemme quale diamante, zircone Diffusione (scattering): "gatteggiamento" in occhio di gatto, occhio di tigre Asterismo nello zaffirio stellato Lucentezza serica nelle perle, talco, brucite, gesso (sericolite) Adularescenza, avventurescenza in feldspati e quarzo Interferenza: film sottili di alterazione su solfuri quali calcopirite, columbite, bornite Diffrazione: da strutture periodiche in opale, labradorite
26 (26) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Altre proprietà dipendenti dalla luce Minerali trasparenti, traslucidi e opachi : sono rispettivamente permeabili, semipermeabili o impermeabili alla luce visibile. Giochi di colore: sono fenomeni di interferenza della luce, sia sulla superficie che all interno del minerale; possono produrre una varietà di colori in funzione della variazione dell angolo di incidenza. Sono giochi di colore: l opalescenza (opale nobile), l iridescenza o labradorescenza (labradorite). Gatteggiamento e asterismo: fenomeno legato alla presenza di fibre parallele strettamente impaccate o alla disposizione parallela di minuscole inclusioni o cavità. Il minerale assume un aspetto setoso (gesso sericolitico, quarzo var.occhio di tigre, crisoberillo var. occhio di gatto. In alcuni minerali (particolarmente appartenenti al sistema esagonale) le inclusioni possono essere disposte a 120 e assumere un triplo gatteggiamento: asterismo.
27 (27) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II LABRADORITE OPALE NOBILE QUARZO varietà occhio di tigre
28 (28) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Opale comune Opale nobile Nell opale comune si ha una distribuzione disordinata di sferule di silice amorfa. Nell opale nobile le sfere sono più omogenee e disposte secondo "strati" ordinati. Si ha un reticolo di diffrazione che produce il gioco di colori tipico della gemma
29 (29) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II PROPRIETA MAGNETICHE Tipi di magnetismo riscontrati nei minerali Diamagnetismo (quarzo) Paramagnetismo (Fe-olivina) Ferromagnetismo (Ferro) Ferrimagnetismo (Magnetite) Antiferromagnetismo (Ilmenite)
30 (30) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II
31 (31) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II piezoelettricità Importante proprietà che indica la presenza di una classe non centrosimmetrica (= priva di centro di simmetria) e di assi polari. Quarzo (non geminato) Tormalina Importantissime applicazioni
32 (32) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Crescita dei cristalli per aggiunta di celle elementari lungo gli spigoli e origine di dislocazioni a vite Vettori di accrescimento delle facce di un cristallo di NaCl; le facce con maggiore velocità di crescita tendono a scomparire
33 (33) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II Difetti nei cristalli Difetto di Schottky: vacanza cationica + vacanza anionica Difetto di Frenkel: vacanza cationica + catione interstiziale
34 (34) - Mineralogia 2016/2017_proprietà fisiche II dislocazione in un reticolo piano Dislocazione a spigolo I difetti e le dislocazioni sono estremamente importanti poiché consentono la migrazione di ioni e la propagazione di deformazioni in solidi altrimenti rigidi!
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