Minerali e cristalli

Definizione di minerale

Una sostanza può essere definita un minerale quando:

- allo stato naturale si è formata attraverso un processo generalmente inorganico;

- la sua composizione si può esprimere mediante una formula chimica;

- la sostanza è un solido cristallino;

- è caratterizzata da specifiche proprietà fisiche (durezza, densità) che devono avere un valore costante e definito.

Caratteristiche dei solidi

Tutti i solidi sono caratterizzati da incompressibilità, rigidità e forma definita.

- Solidi cristallini, detti anche cristalli (Minerali):

- sono poliedrici,

- hanno punto di fusione fisso e costante,

- sono anisotropi (= quando lo riscaldi non si dilata equamente ma si ovalizza),

- si reticolo

- Solidi amorfi, detti anche solidi vetrosi (Non minerali):

- non sono vincolati ad alcuna forma precisa,

- fondono passando attraverso gradi intermedi di rammollimento,

- sono isotropi,

- no reticolo.

La diversità tra solidi cristallini e solidi amorfi dipende dalla disposizione spaziale delle particelle che formano il solido.

Formazione dei cristalli

Abito cristallino: forma propria di un solido cristallino.

Reticolo cristallino: disposizione interna delle specie chimiche (atomi, ioni), le cui dimensioni devono essere tali da poter avere un impalcatura cristallina stabile, determina la forma dei cristalli. I cristalli si formano quando le particelle di una sostanza sono libere di muoversi.

Policristalli: corpi formati da più cristalli uniti tra loro.

Monocristalli: solidi composti da un solo cristallo.

Ogni solido poliedrico è costituito di facce, spigoli e vertici.

Cella elementare: entità geometrica più piccola del reticolo cristallino, il cui ripetersi nello spazio forma l’intero cristallo.(Deve essere elettricamente neutra, quindi cariche positive e negative devono bilanciarsi).

In base al tipo di particelle di cui sono composti e all’intensità delle forze di attrazione fra queste:

● ionici: costituiti da cationi e anioni che si alternano nel reticolo, tenuti insieme da forze elettrostatiche. Sono conduttori.

● covalenti: costituiti da atomi legati covalentemente fra loro a formare una rete che si estende in tutte le direzioni del cristallo. No conduttori.

● metallici: costituiti da cationi, che occupano le varie posizioni del reticolo, circondati da elettroni di valenza in movimento e diffusi in tutto il solido. Si conduttori.

● molecolari: costituiti da atomi o da molecole neutre tenute insieme da legami covalenti e legami più deboli. No conduttori.

Modo anisotropo: lungo certe direzioni la crescita del cristallo avviene con velocità massima, in altre direzioni con velocità minima.

Sostanze cristalline anisotrope: cioè in esse grandezze fisiche, come la dilatazione termica o proprietà ottiche, assumono valori diversi a seconda della direzione considerata.

I minerali si possono formare per:

● cristallizzazione da soluzioni magmatiche solidificatesi per raffreddamento;

● cristallizzazione per raffreddamento di vapori o per reazioni tra gas;

● cristallizzazione da fasi solide (cristalline) con trasformazione allo stato solido di minerali presenti;

● attività degli organismi viventi con produzione di biominerali (es. gusci).

Proprietà fisiche dei minerali

1. Colore: dipende dalla composizione chimica, in particolare dalla presenza di specifici elementi.

Il colore di un minerale è spesso valutato attraverso la tecnica dello striscio (es. ematite nera ma striscio rosso).

Idiocromatici: quando presentano sempre la stessa colorazione.

Allocromatici: quando possono presentare colorazioni diverse dovute alla presenza di piccole impurità sufficienti da distribuire una colorazione particolare. La maggior parte dei minerali sono allocromatici (es. Diamante, corindone, topazio, berillo e tormalina).

2. Peso specifico e densità: è il rapporto tra il peso del minerale e quello di un ugual volume di acqua distillata a 4 °C. Poiché peso specifico e densità sono direttamente proporzionali, i minerali più densi sono anche i più pesanti.

3. Sfaldatura: è la proprietà di rompersi lungo piani preferenziali.

E’ quindi un indizio della struttura interna di un minerale perché dipende dai tipi di legame.

Le miche e la grafite sono facili da sfaldare in quanto sono costituiti da una struttura a strati in cui il legame entro gli strati è molto forte, ma è molto più debole tra uno strato e l’altro.

4. Durezza: è la misura della sua resistenza ad essere scalfito o abraso.

Si determina tramite una scala standard: Scala di Mohs (1: Talco - 10: Diamante).

Nella scala ogni minerale scalfisce quelli che lo precedono ed è scalfito da quelli che lo seguono.

5. Lucentezza: dipende dal comportamento della superficie del minerale rispetto alla luce.

La lucentezza può essere metallica, nei minerali opachi, non-metallica, nei minerali più o meno trasparenti. (Luc. non metallica: vitrea, cerosa, perlacea, grassa, setosa, adamantina).

6. Temperatura di fusione: è la temperatura alla quale l’architettura dello stato solido cristallino viene demolita. Alla temperatura di fusione si verifica il passaggio allo stato liquido.

● Luminescenza: (es. fluorite) →Proprietà ottiche (monorifrangenti e birifrangenti (es. calcite))

● Magnetismo: (es. magnetite)

● Radioattività: (es. uraninite)

Polimorfismo: quando minerali con la stessa composizione chimica hanno struttura cristallina diversa. (es. Grafite, fullerene e diamante sono costituiti da carbonio, ma struttura reticolare diversa). ALLOTROPIA

ISOMORFISMO: minerali che presentano identica struttura cristallina, pur avendo composizione chimica differente.

Presentano il fenomeno della vicarianza: ioni di elementi chimici diversi, simili per dimensioni e carica, possono sostituirsi all’interno del medesimo reticolo cristallino.

(es. Olivina → proporzioni variabili di ferro e magnesio).

Classificazione dei minerali

I minerali sono solitamente sali (raramente ossidi o elementi nativi), quindi derivano dai “residui” di un acido e di una base→ le formule sono composte da due parti: un metallo (residuo basico) e un non metallo e, di solito, ossigeno (residuo acido) → classificazione in base al residuo acido.

1. Elementi nativi: costituito da un semi/metallo, sono in natura allo stato elementare (oro, argento, rame, zolfo, carbonio)

2. Solfuri: contengono zolfo, ma non ossigeno. Hanno una lucentezza metallica. Si formano in condizioni particolari (filoni = vene). Importanti per l’estrazione dei metalli (blenda, cinabro, pirite).

3. Alogenuri (o Aloidi): contengono un alogeno (F, Cl, Br, I) → ulteriormente distinti in fluoruri, cloruri, bromuri, ioduri. Sono di solito rari, perché spesso solubili in acqua.

Hanno spesso piani di sfaldatura molto netti (salgemma, fluorite, silvite).

4. Solfati: contengono lo ione solfato SO4^2-. Spesso solubili in acqua (gesso, anidrite).

5. Ossidi: composti da un metallo (raramente un non metallo)+ossigeno (ematite, magnetite).

6. Idrossidi: talvolta, oltre all’ossigeno è presente anche idrogeno a formare gruppi OH (limonite).

7. Carbonati: contengono lo ione carbonato CO3^2-. Sono molto comuni nelle rocce sedimentarie (calcite, dolomite).

Silicati e loro struttura

La maggior parte della crosta terrestre è formata da ossigeno e silicio. Questi due elementi non si trovano allo stato puro ma sono combinati con cationi metallici, che costituiscono la famiglia dei silicati. L’unità fondamentale del reticolo cristallino dei silicati è lo ione silicato SiO44-. Ha la forma di un tetraedro che ha al centro lo ione Si4+ circondato da quattro ioni O2- equidistanti e posti ai vertici. Il tetraedro non è elettricamente neutro essendo che vi sono quattro cariche negative dell’ossigeno libere, le quali creano la possibilità di creare legami con i cationi metallici e con altri tetraedri.

→ I silicati sono classificati in base alla disposizione dei tetraedri, in particolare al numero di tetraedri legati tra di loro e alla loro disposizione nello spazio.

- Nesosilicati: tutti e quattro gli ossigeni di ogni tetraedro formano legami ionici: SiO44-.

Le cariche negative dell’ossigeno sono bilanciate da ioni positivi, in particolare con ferro e magnesio. (es.l’olivina, zircone).

- Sorosilicati: I tetraedri si uniscono due a due con legami covalenti Si-O-Si.

Gli altri ossigeni formano legami ionici con metalli (es. Epidoto).

- Ciclosilicati: I tetraedri si uniscono a formare anelli. Esistono anelli a 3, 4 o 6 tetraedri.

(es. berillio e la tormalina).

- Inosilicati a catena singola (pirosseni): I tetraedri si uniscono a formare catene lineari, condividendo un atomo di ossigeno con il tetraedro adiacente. Minerali importanti nelle rocce ignee. (es: augite).

- Inosilicati a catena doppia (anfiboli): I tetraedri si uniscono in catene ma due catene si uniscono trasversalmente. (es. orneblenda).

- Fillosilicati (Silicati a piani): I tetraedri sono uniti a formare piani bidimensionali. I cristalli sono piatti e formano pile sovrapposte (es. le miche→biotite, muscovite).

I fillosilicati sono molto deboli e tendono a sfaldarsi con facilità.

- Tettosilicati (Silicati tridimensionali): struttura cristallina tridimensionale, in cui ogni atomo di ossigeno funge da ponte tra due tetraedri, quindi si uniscono tutti i vertici. (es. quarzo, le zeoliti).

Feldspati (fanno parte dei tettosilicati) → alcuni atomi di silicio sostituiti da alluminio che però forma solo 3 legami, perché ha un elettrone in meno, quindi sono presenti ioni metallici per bilanciare le cariche negative dell’ossigeno.

I feldspati possono dividersi in:

- ortoclasio → silicio parzialmente sostituito da magnesio

- plagioclasi → presenza di sodio e calcio (es. leucite)