MINERALOGIA Corso di Laurea in Scienze Naturali II Anno I Sem. - 9 CFU A.A. 2008-2009 Prof. Antonio GIANFAGNA Dipartimento di Scienze della Terra Stanza 309, Edificio Mineralogia Tel. 06-49914921 e-mail: antonio.gianfagna@uniroma1.it - Ricevimento studenti: lunedì, giovedì e venerdì, ore 12-13. NOZIONI GENERALI. La Terra. Rocce eruttive, sedimentarie e metamorfiche. Formazione dei minerali da una fase gassosa e da una fase liquida. Paragenesi mineralogiche. Sostanze omogenee ed eterogenee. Isotropia e anisotropia. Stato amorfo, mesomorfo e cristallino. Materia allo stato cristallino. Nucleazione ed accrescimento dei cristalli. CRISTALLOGRAFIA. I cristalli: abito, morfologia, angoli tra le facce. Legge della costanza dell angolo diedro. Cristallo modello e sproporzionato. Modello del cristallo. Relazione di Eulero. Assi coordinati e loro scelta: riferimento milleriano e bravaisiano. Il ricoprimento. Forme semplici. Parametri e rapporti parametrici. Rapporto parametrico fondamentale. Indici. Legge di Hauy della razionalità degli indici. Zone. Spigoli. Simbologia per l indicazione delle facce, forme semplici, zone e spigoli. Tautozonalità. Reticolo di Wulf. Rappresentazione dei cristalli in proiezione stereografica e gnomonica. Simmetria e singonia. Elementi di simmetria: assi, piani e centro. Grado di simmetria. Reticoli cristallini.
La cella elementare. I parametri reticolari. Tipi di Bravais. Reticoli semplici e composti. La traslazione. Assi di rotoriflessione, di rotoinversione, elicogiri. Slittopiani. La simbologia internazionale. Gruppi puntuali. Gruppi spaziali. Associazioni cristalline e geminati. CRISTALLOFISICA. Proprietà fisiche dei minerali. Figure di corrosione. Raggi X: proprietà, fenomeni di diffusione e interazione con la materia allo stato cristallino. Equazioni di Laue e di Bragg. Il diffrattometro. Metodi sperimentali di Laue, di Polanyi e delle polveri. Diffrattogrammi di campioni di polvere. Lo schedario JCPDS e l identificazione delle fasi mineralogiche. Propagazione delle onde piane in mezzi isotropi e anisotropi. Riflessione, rifrazione e birifrazione. Indici di rifrazione delle onde piane. Indicatrici ottiche e loro orientazione nei cristalli. Il microscopio polarizzatore. Proprietà ottiche dei minerali in sezione sottile. CRISTALLOCHIMICA E FASI SOLIDE NATURALI. L atomo. I legami chimici. Impaccamenti compatti. Sequenza e irregolarità nelle successioni di sequenze. Poliedri di coordinazione. Regole di Pauling. La classificazione strutturale dei silicati. Esempi di strutture cristalline. Polimorfismo ed isomorfismo. La formula cristallochimica. Osservazione e descrizione dei principali caratteri di campioni macroscopici di minerali.
Il Globo Terrestre Area: totale: 510,072 milioni di km 2 terra: 148,940 milioni di km 2 (29,2%) acqua: 361,132 milioni di km 2 (70,8%) Diametro medio: circa 12742 km Spessore crosta: circa 40 Km
I gusci della Terra Crosta Mantello Nucleo
Proprietà chimico-fisiche della geosfera Composizione media della Terra, ordinata secondo la massa dei costituenti: 34.6 % ferro 29.5% ossigeno 15.2% silicio 12.7% magnesio 2.4% nichel 1.9% zolfo 0.05 titanio Composizione media della crosta terrestre (in ossidi degli elementi): 59,5 % SiO 2 15,9 % Al 2 O 3 7,2 % CaO 4,5 % FeO 4,0 % MgO 3,0 % Na 2 O 2,5 % Fe 2 O 3 2,4 % K 2 O 1,0 % TiO 2
La temperatura all'interno della Terra aumenta progressivamente fino a raggiungere i 5270 o K al suo centro. Il calore interno è stato generato in parte durante la formazione del pianeta e da allora ulteriore calore è stato continuamente generato dal decadimento radioattivo di isotopi dell uranio, del torio e del potassio. La densità media della Terra è di 5,515 g/cm 3, rendendo il pianeta più denso del Sistema Solare. Poiché la densità delle rocce della crosta terrestre varia da 2,6 a 3,5 g/cm 3, il materiale del nucleo deve essere molto più denso: circa 5,7 g/cm 3.
Le rocce: contenitori di minerali Rocce ignee: cristallizzazione magmatica Rocce sedimentarie: disgregazione di altre rocce Rocce metamorfiche: trasformazione di altre rocce
I MINERALI I minerali sono i materiali di base della Terra e il loro studio occuperà sempre una posizione centrale nelle Scienze della Terra (Frank C. Hawthorne, 1993). La scienza dei minerali (chiamata tradizionalmente Mineralogia) è lo studio delle sostanze solide naturali che costituiscono la porzione solida dell Universo. I minerali sono il prodotto di complessi processi terrestri e planetari che avvengono in un ampio intervallo di pressioni e temperature e, come tali, essi ci offrono una chiave per comprendere l origine e l evoluzione della Terra e dei pianeti. I minerali sono inoltre le materie prime di base sulle quali si basa molto dello sviluppo tecnologico e della produttività economica della nostra società. I minerali e la materia organica sono i principali costituenti dei suoli. I minerali ornamentali e le pietre preziose tagliate da essi sono di straordinaria bellezza ed esempi estremamente rappresentativi del mondo minerale. (C. Klein, pag. 1)
DEFINIZIONE DI MINERALE Un minerale è: un solido naturale, con un elevato ordinamento a scala atomica ed una definita (ma non fissa) composizione chimica. Si forma generalmente da processi inorganici.
Principi della Cristallografia Una buona conoscenza della geometria cristallina dovrebbe fare parte del bagaglio culturale di chiunque si occupi dello stato cristallino o che desideri leggere in maniera proficua qualunque pubblicazione si occupi della materia cristallina. L aspetto fondamentale della geometria cristallina è che essa ha a che fare con ripetizioni ordinate. In effetti, la geometria dei cristalli è la geometria dell ordine.
Concetti fondamentali della geometria cristallina: Morfologia = forma esterna del cristallo Struttura cristallina = disposizione interna degli atomi Simmetria = ripetizione ordinata di atomi, ioni e molecole; si può dedurre dalla forma esterna del cristallo.
Esistono 32 combinazioni diverse di simmetrie: 32 gruppi puntuali (o 32 classi cristalline) distribuite tra i 7 (6) sistemi cristallini: - Triclino - Monoclino - Rombico - Esagonale (compreso il Trigonale) - Tetragonale -Cubico
I 7 sistemi cristallini
ELEMENTI DI SIMMETRIA - Assi di rotazione - Piani di riflessione - Centro di simmetria - Assi di rotoinversione
Assi di rotazione
Asse A 1, 2, 3, 4, 6 Piano 1 P, m Centro C, 1
Centro di inversione
C m 3 + C 3/m
Simmetria rotazionale
P
Pentagono regolare n = 5 (non possibile) Esagono regolare n = 6
Esempio: Diamante Forme cristalline
Forme Semplici
Morfologie particolari dei minerali
Modello strutturale cubico (Na + Cl - )
Le simmetrie dei sistemi cristallini sfenoidale bisfenoidale pediale domatica piramidale pinacoidale prismatica bipiram.
Cristalli regolari e Cristalli sproporzionati Costanza dell angolo diedro (Stenone, 1638-1686) Legge di Eulero: in un cristallo, il numero delle Facce (F) più il numero dei Vertici (V) è uguale al numero degli Spigoli (S) + 2 F + V = S + 2
Misura degli angoli tra le facce Goniometro a contatto cristallo
Goniometro a riflessione
N O E S
Proiezione sferica
Proiezione gnonomica P P
Proiezione sferica Proiezione stereografica
Dalla proiezione sferica a quella stereografica
INDICIZZAZIONE DELLE FACCE DI UN CRISTALLO
Giacitura di una faccia Parametri: a, b, c
Calcolo del rapporto parametrico a:b:c ON = normale alla faccia y :
Legge della razionalità degli indici (Hauy, 1874) Indici hkl della faccia fondamentale = :
Doppio rapporto parametrico Indicizzazione di tutte le altre facce:
Modello di cristallo di Zolfo (rombico)
Calcolo indici hkl del modello zolfo
Vesuvianite Ca 10 (Mg,Fe) 2 Al(SiO 4 ) 5 (Si 2 O 7 ) 2 (OH) 4 m m ^ ^ ^
MgHPO 4. 3H 2 O
Salgemma NaCl Diamante C Strutture cristalline Calcite CaCO 3 Quarzo SiO 2
ordinamento tridimensionale Impilamento regolare e sistematico di celle cubiche
Ordinamento bidimensionale Disposizione ordinata Disposizione disordinata
Componenti di traslazione Bidimensionale Tridimensionale
Filari Filari di oggetti con varie spaziature b lungo l asse y
Disposizione ordinata di motivi
I cinque reticoli piani possibili
Esempi dei cinque reticoli piani
Possibili reticoli bidimensionali Rettangolare centrata Primitiva obliqua Cella a diamante (o a rombo) Celle oblique multiple
Possibile scelta fra due celle elementari piane
I 10 gruppi puntuali di simmetrie planari
Riflessioni e Slittopiani (linee di scivolamento)
Riflessione e linee di scivolamento
I 17 gruppi puntuali planari
Reticolo tridimensionale
Parametri della cella elementare
I 14 reticoli tridimensionali possibili
segue
I 14 reticoli di Bravais
I 14 reticoli di Bravais
Elicogira
Elicogire
I 230 gruppi spaziali