Corso di Mineralogia Scienze Geologiche A.A. 2016 / 2017 Le proprietà fisiche dei minerali osservabili a scala macroscopica (pdf # 02)
(2) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Proprietà fisiche dei minerali I minerali mostrano (e possiedono) una serie di proprietà fisiche che li qualificano univocamente (entro certi limiti) e altre proprietà fisiche meno esclusive (ossia non costanti per una determinata specie); l osservazione e determinazione di queste proprietà è alla base della mineralogia descrittiva. (identificazione e descrizione dei minerali). Distinguiamo fra proprietà: qualitative (non esprimibili con un valore numerico) e proprietà quantitative, esprimibili con un valore numerico (quantitativo, naturalmente con limiti e incertezze e tenendo conto della variabilità naturale)
(3) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Fra le proprietà fisiche distinguiamo inoltre: a) proprietà osservabili direttamente su di un campione macroscopico e/o determinabili con strumentazioni (molto) semplici e; b) proprietà la cui determinazione necessita di una qualche strumentazione non elementare (spesso molto sofisticata). Le proprietà sono infine suddivisibili in: Scalari = non direzionali Vettoriali = direzionali cioè legate direttamente all ordinamento caratteristico dello stato cristallino Un minerale, dalla sua definizione, deve possedere almeno una proprietà vettoriale; l esistenza stessa della struttura cristallina (= ordinata) e delle facce implica una proprietà direzionale (= non isotropa)
(4) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Proprietà definibili tramite osservazione diretta su campioni di minerali Forma cristallina / abito (questa parte sarà oggetto delle lezioni e laboratorio di cristallografia morfologica) Concrescimenti, geminazioni, striature Stato di aggregazione Lucentezza Colore Altre proprietà dipendenti dalla luce Sfaldatura
(5) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Proprietà fisiche indagabili con strumenti (semplici) Peso specifico Tenacità, fratturabilità, sfaldabilità Durezza (Proprietà elettriche) (Magnetismo) Radioattività Solubilità Fluorescenza UV
(6) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Altre proprietà fisiche di grande importanza Magnetismo Piezoelettricità Crescita dei cristalli Difetti strutturali Geminazione In questa parte iniziale esamineremo queste proprietà dal punto di vista qualitativo; alcune verranno trattate successivamente in maniera più approfondita (colore, magnetismo)
(7) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Proprietà fisiche indagabili con solo esame visivo (su esemplari di minerali)
(8) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Un CRISTALLO è un solido regolare (poliedro), limitato da FACCE piane che si incontrano originando SPIGOLI che a loro volta convergono in VERTICI. (in questo caso l'angolo interfacciale = 54,74, non 60 ) Vale la relazione di Eulero: f + v = s + 2 Cristallo ottaedrico di MAGNETITE OTTAEDRO: 8 facce, 12 spigoli, 6 vertici
(9) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Forma cristallina e abito L ambiente di formazione influenza la crescita dei minerali modificandone le dimensioni delle singole facce e favorendo la crescita o la scomparsa di alcune forme rispetto ad altre. FORMA: gruppo di facce di un cristallo legate da una precisa relazione con gli elementi di simmetria (caratteristici del cristallo). Questa definizione sarà sviluppata nelle lezione di cristallografia morfologica. Cubo, ottedro, dodecaedro sono FORME caratteristiche del sistema cubico. Sono forme chiuse. Il prisma (esagonale) è una forma aperta. (vedi Klein pp. 195-197 fig. 5.38)
(10) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Forma cristallina e abito TRATTO: insieme di tutte le forme semplici, comunque sviluppate, in un cristallo. ABITO: aspetto caratteristico di un cristallo che deriva dalla predominanza di una delle sue forme rispetto alle altre (maggiore estensione delle facce relative) A PARITA DI TRATTO L ABITO PUO ESSERE NOTEVOLMENTE DIVERSO I cristalli a, b, c hanno il medesimo tratto: cubo+ottaedro+dodecaedro, ma abito diverso: a, abito cubico; b, abito dodecaedrico; c, abito ottaedrico
(11) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Forma cristallina e abito I cristalli a, b, c hanno il medesimo tratto: cubo+ottaedro+dodecaedro, ma abito diverso: a = abito cubico, b = abito dodecaedrico, c = abito ottaedrico
(12) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Cristallo cubico di PIRITE FeS 2 Cristallo cubico di FLUORITE CaF 2 Cristallo ottaedrico di DIAMANTE - C
(13) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) L abito di un minerale può essere: equidimensionale Tabulare (baritina) Lamellare (muscovite)
(14) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Allungato (tremolite) Aciculare (antimonite) Capillare (millerite)
(15) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) ACCRESCIMENTI Con accrescimenti si intende il modo di presentarsi dei cristalli (minerali) come gruppi ossia non come individui isolati. Nelle collezioni vengono privilegiati i cristalli isolati mentre in natura i minerali sono praticamente sempre associati Associazioni subregolari o aggregati Associazioni regolari o parallele Geminati (data la diffusione e importanza che i geminati assumono nei feldspati li tratteremo in maniera più approfondita nelle lezioni di ottica mineralogia e di sistematica dei feldspati)
(16) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Associazioni subregolari o aggregati Aggregato spatico di CALCITE Aggregato saccaroide di CALCITE
(17) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Aggregato aciculare di ANTIMONITE Aggregato fibroso raggiato di MARCASITE
(18) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Aggregati dendritici di OSSIDI DI MANGANESE (1), RAME (2), ARGENTO (3) 2 1 3
(19) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Aggregato a drusa di QUARZO (drusa = gruppo di cristalli allungati che si dipartono da una base comune) Aggregato a geode di CALCEDONIO e quarzo (geode = cavità regolare tendenzialmente sferica verso cui si protendono i cristalli)
(20) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Aggregato lamellare di MICA (MUSCOVITE) Aggregato lamellare a rosetta di EMATITE e GESSO (rosa del deserto)
(21) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Aggregato selliforme di DOLOMITE Aggregato mammellonare di EMATITE Aggregato coralloide di CALCITE
(22) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Aggregati pisolitici di ARAGONITE
(23) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Aggregati zonato-concentrici di MALACHITE
(24) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Associazioni regolari o parallele Accrescimento parallelo di quarzo QUARZO A SCETTRO Concrescimento parallelo di QUARZO (la base è comune, in un certo senso è un unico cristallo)
(25) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) GEMINATI Un geminato (da gemini, gemello) è un particolare tipo di concrescimento simmetrico fra 2 o più individui (cristalli) della stessa sostanza. I due (o più) individui in un geminato sono legati tra di loro da un elemento di simmetria assente nel cristallo originale (nelle prossime lezioni definiremo il concetto di simmetria). Un geminato è a tutti gli effetti un monocristallo ossia, i 2 (o più) individui che lo costituiscono, non sono "appoggiati" l'uno contro l'altro ma formano un cristallo omogeneo. I geminati sono molto importanti nei feldspati (albite, ortoclasio) poiché ci aiutano moltissimo nel riconoscimento di questi minerali al microscopio. Per questo motivo li approfondiremo quando parleremo dei feldspati e avremo modo di osservarli durante i laboratori di ottica. (vedi K. pp.198-201 per una buona descrizione dei geminati più importanti)
(26) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) ALCUNI ESEMPI DI GEMINATI QUARZO - Geminato, legge del Giappone GESSO - Geminato, "ferro di lancia"
(27) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) ORTOCLASIO Geminato "Carlsbad" per compenetrazione ARAGONITE Geminazione per "mimesia" ossia il geminato simula una simmetria maggiore di quella reale
(28) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Lucentezza La lucentezza dipende da come la superficie di un minerale diffonde la luce. Una prima distinzione è fra lucentezza metallica e non metallica. A sua volta la lucentezza non metallica si può descrivere come adamantina, sericea, vitrea, satinata, resinosa, perlacea, porcellanacea, terrosa. Lucentezza metallica: GALENA - PbS
(29) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Lucentezza Lucentezza terrosa: LIMONITI Lucentezza vitrea: quarzo - SiO 2
(30) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Lucentezza Lucentezza perlacea: calcedonio - SiO 2 Lucentezza adamantina: diamante - C
(31) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Colore E tra le proprietà fisiche quella che si osserva per prima e con maggiore facilità e può essere usato come carattere distintivo quando per un minerale il colore è una proprietà caratteristica. Tuttavia, per molti minerali, è una proprietà piuttosto variabile tanto da non poter essere usata se non come elemento aggiuntivo per l identificazione. Possiamo dividere i minerali, dal punto di vista del colore, in 2 categorie: minerali idiocromatici e minerali allocromatici. I minerali idiocromatici sono dotati di colore proprio e la polvere ha lo stesso colore del minerale (cinabro, azzurrite, malachite ). I minerali allocromatici invece presentano diversi cromatismi in funzione delle impurità (elementi chimici) che possono contenere o dei difetti reticolari (centri di colore) ( quarzo, fluorite, calcite ).
(32) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Esempi di minerali IDIOCROMATICI CINABRO - HgS AZZURRITE Cu 3 (CO 3 ) 2 (OH) 2 MALACHITE Cu 2 (CO 3 )(OH) 2
(33) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Varietà colorate di quarzo: esempio di minerale ALLOCROMATICO (nel Museo di mineralogia trovate una vetrina con splendidi esemplari) QUARZO
(34) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Striscio Per la determinazione dello striscio di un minerale si utilizza una una piastrella di ceramica bianca non smaltata (durezza 7) chiamata tavoletta da striscio. Il minerale viene sfregato energicamente sulla superficie ruvida e, se ha durezza inferiore alla tavoletta, produce una traccia che risulterà bianca o colorata in funzione della tipologia di minerale indagato.
(35) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) 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 varietà "occhio di tigre", crisoberillo "occhio di gatto". In alcuni minerali (particolarmente appartenenti al sistema esagonale) le inclusioni possono essere disposte a 120 e assumere un triplo gatteggiamento: asterismo.
(36) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) GIOCHI DI COLORE LABRADORITE OPALE NOBILE QUARZO var.occhio di tigre
(37) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Odore e sapore ODORE Lo zolfo e i solfuri, in genere hanno odore acre. SAPORE Il salgemma NaCl ha un gusto salato, mentre la silvite KCl ha un gusto amarognolo
(38) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Proprietà fisiche indagabili con strumenti semplici di verifica
(39) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Peso specifico e densità La densità è data dal rapporto massa / volume e si misura in kg/metro cubo (kg/m 3 ). Dipende dalla temperatura (nei solidi le variazioni sono piccole ma non trascurabili; vedi la dilatazione termica ad es. nei ponti con struttura in acciaio / cemento armato). Il peso specifico o peso di volume (ingl. specific gravity, SG o G) è il rapporto fra il peso (massa) di un minerale (un cristallo, un frammento) e il peso (massa) di un eguale volume di acqua distillata a T = 4 C (massima densità per l'acqua). E' una grandezza adimensionale (rapporto di 2 "pesi") e non dipende dalla temperatura. Il valore del peso specifico risulta numericamente uguale a quello della densità (quando è espressa in g/cm 3 sempre alla temperatura di 4 C). La misura del peso specifico è un dato importante sia per il riconoscimento dei minerali sia per gli eventuali usi del minerale Il peso specifico varia da valori <1 per sostanze organiche naturali (carboni, cere fossili ecc.) a > 18 per i metalli pesanti come oro e metalli del gruppo dei PGE (Platinum Group Elements; Pt, Ir, Pd, Rh, Os). Nella gran parte dei minerali è compreso fra 2,5 6.
(40) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Peso specifico e densità Per la misurazione del peso specifico si può ricorrere a picnometro, bilancia idrostatica, liquidi pesanti. Il picnometro è in pratica una "bottiglietta" con cui si può misurare con precisione il volume di acqua spostato da un frammento di solido inserito all'interno (in realtà è fatto di vetro pyrex ed ha volume accuratamente tarato) La bilancia idrostatica consente la misura diretta del peso specifico. Viene usata dai gemmologi per una stima veloce del peso specifico, utile per il riconoscimento delle gemme
(41) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1)
(42) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Peso specifico e densità Disponendo di una serie di liquidi "pesanti" si può misurare il peso specifico per una gemma o minerale (diluendo opportunamente il liquido). TABELLA DENSITA' LIQUIDI PESANTI RISPETTO ALL'ACQUA Liquido Peso specifico Acqua pura a 4 C 1.00 Soluzione satura NaCl 1.15 Tetracloruro di carbonio 1.59 Bromoformio 2.89 Ioduro di metilene 3.32 Soluzione di Clerici (sali di Tallio) 4.65 (a) affonda velocemente (b) affonda lentamente (c) rimane in equilibrio (stesso ps) (d) risale lentamente (e) risale velocemente Questo metodo consente di misurare con precisione la densità (peso specifico) di un cristallo. La densità del liquido può essere misurata con precisione tramite una particolare bilancia ("Bilancia di Westphal"). Il principale inconveniente è l'elevata tossicità del liquidi. Attualmente l'uso è sconsigliato / proibito. Il tallio è estremamente tossico anzi mortale!
(43) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Frattura e Sfaldatura Frattura e sfaldatura sono elementi diagnostici assai importanti per l'identificazione dei minerali. I mineralogisti distinguono vari tipi di frattura in dipendenza della natura delle superfici che si formano. Si parla di frattura concoide (da conchiglia, con superfici curve a contorno irregolare - quarzo), scagliosa (con superfici formate da particelle lamellari - gesso, talco), scheggiosa o fibrosa (con superfici cosparse di schegge o fibre - pectolite), uncinata (con superfici mostranti punte - metalli), terrosa (con superfici cosparse di granuli minuti - materiali argillosi). Al contrario della frattura, la sfaldatura avviene secondo piani paralleli a facce reali o possibili del cristallo, cioe secondo piani razionali. Se si ha sfaldatura secondo una faccia di una forma semplice, la si ha pure secondo tutte le altre facce che compongono la forma semplice stessa, per cui se la forma semplice è chiusa, si può ottenere sottoponendo un cristallo a sollecitazioni meccaniche un così detto solido di sfaldatura, delimitato dalle facce in questione.
(44) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) La possibilità di sfaldature è spesso rilevabile sui campioni di minerali dalla presenza sulle facce di serie di incrinature (tracce di sfaldatura), le quali risultano parallele ai piani secondo cui avviene la rottura. Le tracce di sfaldatura sono un utile strumento diagnostico per il riconoscimento e la distinzione di numerosi minerali (ad esempio anfiboli e pirosseni). L'esistenza di sfaldature più o meno facili è conseguenza diretta della struttura del cristallo: una sfaldatura si manifesta secondo piani normalmente ai quali esistono un minor numero di legami o legami più deboli fra gli atomi. Alla maggiore o minore resistenza alle sollecitazioni meccaniche si ricollega la definizione di tenacità di un minerale. Da questo punto di vista i minerali possono classificarsi in: fragili, se facilmente fratturabili (galena, quarzo), settili, se facilmente tagliabili con una lama (gesso, calcosina), malleabili e duttili, se facilmente riducibili in lamine o fili (rame, oro), flessibili, se capaci di deformazioni plastiche (talco), elastici, se capaci di deformazioni elastiche (miche).
(45) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Sfaldabilità perfetta della mica
(46) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1)
(47) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Per durezza si intende generalmente la resistenza opposta da un minerale ad essere scalfito e non va confusa con la fragilità. La scala di Mohs è una scala empirica, che tuttavia è tuttora in uso a scopi di riconoscimento di minerali per la semplicità con la quale può essere fatta la determinazione, una volta che uno sia in possesso della serie di dieci minerali sopra elencata. Ha tuttavia il difetto di considerare la durezza come una proprietà scalare, mentre in realtà la durezza è una proprietà fisica vettoriale, anche se la sua variazione con la direzione non è in genere eccessiva per lo meno se il minerale non presenta nette sfaldature. Esistono anche altre interpretazioni della durezza, ad esempio come resistenza alla levigazione, resistenza alla trivellazione con una punta di trapano, o resistenza alla penetrazione di una punta di diamante.
(48) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Proprietà elettriche. Conducibilità - Piezoelettricità - Piroelettricità. Conducibilità: i minerali, come altri corpi cristallini, se sottoposti ad una tensione elettrica possono risultare conduttori, semiconduttori o non conduttori (dielettrici) della elettricità. Per piezoelettricità si indica la generazione di cariche elettriche sulla superficie di un cristallo sottoposto a sollecitazione meccanica (compressione, torsione). Cariche elettriche di segno opposto si determinano alle due estremità di un asse polare. Il fenomeno è reciproco nel senso che posto in un campo elettrico, il cristallo si deforma (elettrostrizione). Tipici minerali piezoelettrici sono il quarzo e la tormalina. Perché il fenomeno avvenga è tuttavia necessario che fra gli elementi di simmetria del cristallo sia assente il centro, altrimenti la deformazione indurrebbe tanti dipoli orientati in un senso quanti orientati in senso opposto e l'effetto sarebbe nullo. Il fenomeno è quindi confinato ai minerali appartenenti a quelle delle 32 classi cristalline che non sono centrosimmetriche. La piroelettricità è per molti versi analoga alla piezoelettricità, solo che il manifestarsi di cariche elettriche superficiali è indotto da variazioni di temperatura (riscaldamento o raffreddamento).
(49) - Mineralogia 2017 (Proprietà fisiche 1) Solubilità (in acidi) REATTIVITA ALL ACIDO CLORIDRICO HCl La calcite, CaCO 3 reagisce con HCl, producendo effervescenza cioè anidride carbonica CO 2. Altri carbonati (dolomite, il più comune, siderite, magnesite) reagiscono solo a caldo e polverizzati. Galena PbS, blenda ZnS e altri solfuri reagiscono con HCl producendo acido solfidrico - H 2 S (odore di uovo marcio) REATTIVITA ALL ACIDO FLUORIDRICO - HF I silicati sono solubili in HF e formano un composto volatile: tetrafluoruro di silicio. Questa verifica è altamente sconsigliata