Caratteristiche e formazione dei minerali: un viaggio nel mondo cristallino

Definizione e stato cristallino

Il minerale è un elemento o un composto presente in natura che di norma si trova allo stato solido cristallino e che presenta entro certi limite proprietà fisiche costanti. L’unico minerale che non è allo stato solido è il mercurio che pur essendo liquido è considerato un minerale. Lo stato solido cristallino è caratterizzato da una composizione geometrica ordinata delle particelle che compongono la sostanza. Nello stato solido amorfo invece le particelle sono disposte nello spazio in modo disordinato[esempio vetro]

Lo stato cristallino

Formazione e struttura dei cristalli

Ogni minerale forma cristalli con una particolare forma geometrica esterna che prende il nome di “abito”. Esso dipende dalle condizioni fisiche e chimiche in cui si è formato. La sua forma dipende da una definita disposizione al suo interno delle particelle che lo compongono e ciò fu scoperto 300 anni fa dal danese Steensen che notò che a volte anche in cristalli diversi l’angolo diedro tra due facce dello stesso tipo di minerale è costante [legge di stenone]. In un determinato minerale l’abito dei cristalli può variare ma la struttura interna è sempre la stessa ed è sempre diversa da quella di altri minerali. Come si compone un cristallo? Prendiamo ad esempio il sale, NaCl, formato da grandi ioni cloro e da piccolo ioni sodio disposti in modo tale che ogni ione Cl è completamente circondato da ioni Na e viceversa. In questa disposizione si riconoscono dei “filari” ossia degli allineamenti formati da alternanza di ioni Cl e ioni Na. Più filari paralleli formano i piano reticolare e più piani reticolari formano il reticolo cristallino. I nodi che sono i punti di intersezioni di piani reticolari sono sempre composti da atomi o da molecole e la più piccola porzione che si può isolare ed esaminare del reticolo è definita “cella elementare”. Il cristallo è formato dalle continue ripetizioni nelle tre dimensioni della cella elementare.

Gruppi e sistemi cristallini:

Classificazione dei cristalli

Un cristallo in base alla composizione del suo reticolo assume una determinata forma geometrica. E’ ovvio che se la cella elementare del reticolo è di forma cubica il cristallo non potrà essere di forma esagonale ma dovrà rispettare gli elementi di simmetria della cella elementare. In base agli elementi di simmetria della cella elementare i cristalli si classificano in 3 gruppi: se i 3 lati della cella elementare sono uguali abbiamo il gruppo monometrico, se 2 sono uguali e 1 è diverso abbiamo il gruppo dimetrico, se sono tutti e tre diversi abbiamo il gruppo trimetrico.

Alcune forme di cristalli derivano dalla fusione di due o più cristalli: questo cristallo è detto geminato. Esistono geminati di contatto, dove i cristalli si saldano lungo una faccia, geminati di compenetrazione dove i cristalli si sono fusi uno dentro l’altro. Quando un geminato è formato da molti cristalli è detto polisintetico.

Polimorfismo e isomorfismo:

Polimorfismo e isomorfismo

una caratteristica dei minerali è quella di poter cristallizzare utilizzando reticoli diversi e dando origine a cristalli con abiti diversi. Questa caratteristica è definita polimorfismo e dipende dalle condizioni fisiche esistenti. Dato che la disposizione delle particelle nel reticolo è quella che risulta più stabile per quel determinato ambiente fisico in cui si è formato. Se l’ambiente circostante cambia e quindi variano la temperatura o la pressione le particelle di questi minerali si dispongono in modo diverso. Le diverse forme che si ottengono sono dette polimorfi e presentano proprietà fisiche differenti. Un esempio di polimorfismo è quello del carbonio puro che può essere sia sotto forma di grafite, tenero, che sotto forma di diamante.

Altri minerali hanno la capacità di miscelarsi in modo omogeneo con altri minerali che hanno un identico reticolo cristallino e questa caratteristica è detta isomorfismo. Queste miscele dette isomorfe avvengono solo tra minerali la cui formula varia minimamente per sostituzione di uno ione con un altro ione con all’incirca le stesse dimensioni. Questa capacità degli ioni di sostituirsi viene detta vicarianza ed è indicata dalla formula del minerale con la virgola che separa i 2 o più elementi vicarianti.

Come si caratterizzano i minerali:

Caratteristiche fisiche dei minerali

i minerali si distinguono innanzitutto in

Isotropi: minerali le cui proprietà fisiche vettoriali non variano lungo la direzione del cristallo lungo la quale vengono misurate.

Anisotropi: minerali le cui proprietà fisiche variano al variare della direzione del cristallo lungo la quale vengono misurate.

Le proprietà fisiche sono:

il colore: dipende dalla sua composizione chimica o dalla presenza di piccole percentuali di impurezze chimiche. In alcuni casi solo l’esame del coloro è già abbastanza per riconoscere un minerale come nel caso della pirite o lo zolfo. Alcuni minerali sono luminescenti cioè hanno la proprietà di emettere luce di un colore se esposti, al buio, davanti ad una lampada a raggi ultravioletti.

La lucentezza: l’aspetto brillante o opaco della superficie di un minerale dipende dall’intensità con cui riflette la luce e dalla rifrazione interna. Alcuni hanno una lucentezza metallica mentre altri una lucentezza vitrea. Per le pietre preziose si parla di lucentezza adamantina mentre per lo zolfo si parla di lucentezza grassa.

Peso specifico: è il rapporto tra il peso di un corpo e il peso di un uguale volume di acqua a 4°C. Esso si misura con il picnometro

Sfaldatura: è la proprietà che hanno alcuni minerali di rompersi più facilmente secondo certi piani detti “piani di sfaldatura”. Ciò è dovuto alla presenza di legami chimici più deboli che in caso di urto si rompono prp qst più deboli.

Durezza:è la resistenza di un minerale ad essere scalfito. Si misura comparando la durezza del minerale con quella dei 10 minerali che costituiscono la scala di Mohs. Essi sono disposti in ordine di durezza crescente. Particolare è che ogni minerale scalfisce tutti i minerali di ordine più basso e se stesso ed è inciso invece da quelli con ordine più alto e da se stesso. La scala di Mohs va dal Talco, livello 1, al diamante, 10.

Come si formano i minerali:

Processi di formazione dei minerali

la minerogenesi avviene tramite vari processi:

Minerogenesi da soluzioni: la formazione di un minerale può avvenire per raffreddamento e conseguente solidificazione di un liquido o per passaggio diretto da aeriforme a solido

Minerogenesi da magmi: all’interno della superficie terrestre si trovano soluzioni definite magmi che sono soluzioni varie fatte da gas disciolti e da cristalli i quali salendo verso la superficie a contatto con rocce sempre più fredde e in condizioni sempre più basse di pressione si solidifica formando un minerale.

Minerogenesi per trasformazione allo stato solido: un minerale si può anche generare per trasformazione chimica di uno o più minerali senza passare per lo stato liquido. Questo processo di ricristallizzazione è detto blastesi ed esso dipende dalla pressione,dalla temperatura e dalla composizione dei fluidi circolanti nelle rocce. La Blastesi avviene ogni qual volta in una roccia, formatasi in determinate condizioni fisiche, varia una o più variabili che abbiamo sopra indicato. Per cui la trasformazione riguarda solo la struttura fisica del minerale e la formula chimica non cambia ma cambiano le proprietà del minerale: questo è il caso del diamante e della grafite entrambi di formula C.

Minerogenesi ad opera di organismi:alcuni organismi marini come i molluschi sono capaci di prelevare dall’acqua il bicarbonato di calcio e il biossido di silicio per formare il loro scheletro che formano poi, accumulandosi col passare dei millenni, quegli imponenti edifici calcarei degli atolli e delle barriere coralline.

Minerali non cristallini:alcuni minerali si presentano con una struttura disordinata cioè allo stato amorfo. Ciò è dovuto o al rapido raffreddamento della soluzione che non ha dato il tempo alle particelle di organizzarsi in una struttura ordinata o al risultato della gelificazione di soluzioni colloidali ossia particolari soluti fatti da molecole molto grandi che gelificandosi inglobano al loro interno grandi quantità di solventi.