La crosta terrestre: minerali e rocce

•••• I costituenti della crosta terrestre
•• È l’involucro solido più esterno della Terra, sottile appena qualche decina di chilometri. Il raggio terrestre è di 6300 km.
•• I minerali sono i costituenti delle rocce che a loro volta sono i mattoni della crosta. Si studia il terreno facendo la differenza tra gli ambienti in cui nascono rocce nuove e quelli in cui si trovano rocce formate in passato. Si possono comprendere gli ambienti del passato studiando le rocce che arrivano oggi in superficie. I processi litogenetici danno origine alle rocce. Le rocce si riciclano e la crosta si rinnova continuamente.

•••• La “chimica” della crosta terrestre
•• La crosta rappresenta l’1% del volume della Terra, ma è molto complessa e composta da una grande varietà di minerali.
••• Elementi, composti e miscele

•• L’elemento è una sostanza formata da atomi tutti uguali e con lo stesso numero atomico. Un composto è l’insieme di più atomi. La molecola è la più piccola particelle di un elemento che ne conserva le caratteristiche (uno o più atomi).
In natura le sostanze pure sono rare e più spesso si trovano miscele, formate da due o più sostanze, divise in miscugli (miscela eterogenea) e soluzioni (miscela omogenea).
••• Stati di aggregazione della materia
•• Solido, liquido e aeriforme.

•••• I minerali
•• Un minerale è una sostanza naturale solida, con due caratteristiche fondamentali: composizione chimica ben definita (o di poco variabile) e una disposizione ordinata e regolare degli atomi che la costituiscono, sempre uguale per ogni tipo di minerale, chiamata struttura cristallina. In genere sono di origine inorganica, anche se sono minerali anche i carboni, gli idrocarburi e l’ambra.
••• La composizione chimica dei minerali
•• I minerali si combinano con gli stessi elementi che troviamo in tutto l’Universo. Alcuni sono formati da un solo elemento, come l’oro e l’argento, ma la maggior parte sono formati da più elementi, legati secondo composti chimici. Anche se in percentuale sono otto gli elementi più frequenti nei composti dei minerali della crosta continentale (terre emerse): ossigeno, silicio, alluminio, ferro, calcio, sodio, potassio e magnesio. Solo l’ossigeno e il silicio formano il 75% della crosta terrestre. La crosta oceanica (terre subacquee) ha gli stessi elementi ma in proporzioni diverse, quindi i composti e i minerali formati sono diversi.

••• La struttura cristallina dei minerali
•• Tutti i minerali hanno una struttura cristallina, cioè una forma di atomi regolare e ordinata. Questa struttura è invisibile a occhio nudo, ma poi si fa visibile nella forma finale del minerale, perché gli atomi si aggregano sempre allo stesso modo e anche il minerale ha la stessa forma in grande della sua struttura cristallina (a meno che non ci siano degli ostacoli). Questo è detto cristallo (o abito cristallino); quindi il cristallo è l’abito cristallino. Se la crescita del cristallo è ostacolata da quella di un altro cristallo, è impossibile risalire alle strutture cristalline originarie se non attraverso precisi strumenti. Il risultato della crescita tridimensionale della struttura cristallina è il reticolo cristallino, dato dagli allineamenti regolari di atomi. Le distribuzioni possibili di atomi nello spazio non sono infinite: gli abiti cristallini possono essere suddivisi in 32 classi diverse, ognuna delle quali ha una o più forme cristalline semplici (cubi, prismi, piramidi). In una sola classe, le forme semplici si possono combinare in forme cristalline complesse.
••• Proprietà fisiche dei minerali
•• Composizione chimica e abito cristallino sono le caratteristiche fondamentali di un minerale. Le altre proprietà fisiche sono:
La durezza: proprietà di resistere all’abrasione o alla scalfittura e dipende dalla forza dei legami reticolari (tra atomi). Si misura in base alla scala di Mohs in cui ci sono dieci minerali e ognuno può scalfire quello che lo precede. Il diamante è il più duro, il talco è il meno duro.
La sfaldatura: la tendenza di un materiale a rompersi per urto secondo superfici piane precise che dividono le facce dell’abito cristallino. Questo dipende dalla forza dei legami tra gli atomi e le direzioni nel cristallo. Se un abito cristallino è cubico, il minerale si sfalda a forma cubica.
La lucentezza: è il grado in cui la luce viene riflessa dalle facce da un cristallo e si distingue in metallica (se le sostanze sono opache e assorbono totalmente la luce) e non metallica (se le sostanze sono più o meno trasparenti e si lasciano attraversare dalla luce).
Il colore: ci sono minerali idiocromatici (o monocromatici), che si presentano sempre con lo stesso colore, e i minerali allocromatici, che variano di colore secondo le impurità che contengono nel reticolo così formatosi o per alcuni difetti in determinati punti del reticolo.
La densità (m • V): dipende dalla densità degli atomi nel reticolo. La densità dipende anche dalla pressione (questo ha a che fare con la propagazione delle onde nei solidi).
••• La classificazione dei minerali
•• Oggi conosciamo 32 classi e oltre 2000 specie di minerali, con numerosissime varietà e possiamo classificarli tenendo conto della struttura del reticolo cristallino (che poi forma l’abito cristallino) e della composizione chimica. 20 specie sono le più importanti. Classifichiamo i minerali in specie minerali e tutti i minerali di una specie hanno in comune la struttura del reticolo cristallino e la composizione chimica (o di poco variabile). Sono otto classi per le sostanze inorganiche e una per le sostanze organiche. La prima comprende gli elementi nativi con cristalli formati da un solo elemento; le altre classi hanno ossidi e sali costruiti intorno agli anioni (ione con carica negativa). Non da tutte le specie hanno origine le rocce, ma solo da una ventina si ha il più grande numero di rocce. Il gruppo più diffuso è quello dei silicati, formato da ossigeno e silicio, gli elementi più abbondanti nella crosta e si combinano formando diverse strutture di base e i minerali di questa classe sono l’80% dei materiali della crosta terrestre. I silicati per il mondo inorganico sono come i composti del carbonio per il mondo organico. Il gruppo silicato [SiO4]4- ha forma tridimensionale di un tetraedo. I teatraedi possono legarsi tra di loro secondo un processo di polimerazione . A questi minerali silicati si legano poi altri elementi (cationi, ioni positivi), tra cui sodio, potassio, calcio e magnesio. L’alluminio a volte si sostituisce al silicio nei tetraedri e forma i feldspati, il gruppo di minerali più numeroso della crosta terrestre. I teatraedi dei silicati si possono legare secondo quattro gruppo (nesosilicati, inosilicati, filosilicati, tettosilicati).
I minerali non silicatici sono molto meno abbondanti, ma non trascurabili economicamente. Per la costruzione di rocce, sono importanti solo i minerali carbonatici, dall’unione dell’anione (CO3)2- con uno o più cationi, come la calcite e la dolomite, componenti delle rocce sedimentarie carbonatiche. Frequenti sono il salgemma (NaCl) e il gesso (CaSO4 • H2O) che si formano con l’evaporazione di acqua salata. I non silicatici sono: elementi nativi, solfuri, solfati, ossidi e carbonati.
••• Come si formano i minerali
•• I minerali si formano dalle reazioni chimico-fisiche che si riassumono nel processo di cristallizzazione (passaggio di insieme di atomi disordinati a porzioni di materia rigorosamente ordinata). Ogni specie minerale dipende dall’ambiente in cui si forma: temperatura, pressione, tipi di elementi chimici presenti. I principali processi di formazione di un minerale:
Cristallizzazione per raffreddamento di un materiale fuso (gli atomi o gruppi di atomi formano reticoli cristallini tipici dei composti chimici che si formano secondo la natura del materiale fuso).
Precipitazione da soluzioni acquose calde in via di raffreddamento (la temperatura diminuisce e si formano cristalli di specie diverse secondo la composizione chimica della soluzione).
Sublimazione di vapori caldi (esalazioni vulcaniche creano cristalli su superfici relativamente fredde vicino alla zona di fuoriuscita dei vapori).
Evaporazione di soluzioni acquose (soprattutto nel mare con l’acqua marina).
Attività biologica (che crea gusci o scheletri).
Trasformazioni allo stato solido grazie a variazioni di temperatura, di pressione o entrambe di minerali già esistenti (creando minerali diversi appartenenti anche a specie mineralogiche diverse da quelle di partenza).
•• I minerali ci danno l’informazione di come gli elementi chimici si sono organizzati in composti, tra i quali i minerali, e questi processi sono ancora attivi.

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