Mineralogia e petrografia

PROPRIETÀ MORFOLOGICHE DEI MINERALI:

●​ Quasi tutti i minerali hanno una struttura cristallina, cioè un’«impalcatura» di atomi regolare e

ordinata. Da questa struttura invisibile si origina la forma esterna del minerale, che è invece ben

visibile e altrettanto regolare e che viene chiamata abito cristallino o cristallo. Un cristallo, quindi, è

un solido geometrico con facce, spigoli e vertici che si originano per la crescita progressiva, atomo

dopo atomo per miliardi di volte, di una struttura tridimensionale elementare di dimensioni

infinitesime. Ogni volta che un minerale può accrescersi senza ostacoli si sviluppa in cristalli singoli,

perfettamente formati. Se invece la crescita è ostacolata per lo sviluppo contemporaneo di altri

cristalli, ne risulta una massa di individui fittamente aggregati, nei quali non è possibile riconoscere

l’abito cristallino senza opportuni strumenti.

La struttura interna di un cristallo di un qualunque minerale è quindi caratterizzata da una disposizione degli

atomi nello spazio che si ripete a intervalli regolari lungo più direzioni. La struttura tridimensionale

che così si realizza viene genericamente chiamata reticolo cristallino e si presenta come

allineamenti regolari di atomi.

Lungo queste file regolari gli atomi, della stessa natura o di natura diversa, si susseguono a distanze fisse e

sono separati da spazi vuoti. L’esempio riportato in figura si riferisce alla struttura cristallina del

minerale salgemma, che corrisponde al composto chimico cloruro di sodio. In questo caso le file

regolari di atomi sono orientate nello spazio secondo tre direzioni tra loro ortogonali, tanto da

disegnare delle minuscole celle di forma cubica (con un atomo in ogni vertice).

L’esistenza di atomi diversi per dimensioni e struttura elettronica dà origine a reticoli cristallini diversi.

Anche le forme degli abiti cristallini, di conseguenza, sono molteplici e spesso complesse, ma tutte

rispondono a leggi di simmetria che governano l’organizzazione reticolare estesa in modo indefinito

nello spazio. Senza entrare in dettaglio nel complesso ma affascinante campo della Cristallografia,

ricordiamo che le distribuzioni possibili di atomi nello spazio per formare un minerale non sono

infinite: diversi abiti cristallini risultano così distribuiti in 32 differenti «classi», ognuna delle quali è

caratterizzata da una o più forme cristalline semplici (cubi, prismi, piramidi).

In una medesima classe, forme semplici possono risultare combinate in numerose forme cristalline

composte.

Le facce e le forme cristalline possono presentare degli elementi di simmetria che possono essere piani di

simmetria, assi di simmetria (1, 2, 3, 4… fa riferimento all’angolo, cioè la frazione di 360° di cui

ruota) o centro di inversione.

La combinazione degli elementi di simmetria:

o​ classi di simmetria

o​ sistemi di riferimento cristallo grafici (scoperta dei raggi X, Roentgen)

o​ esperimenti di diffrazione (per verificare la natura elettromagnetica dei raggi x serviva un

reticolo molto piccolo, per questo motivo vennero usati cristalli che potevano fingere come

mezzo di diffrazione per lo studio dei raggi x.

Niels Stensen (Nicola Stenone, 1638-1686). Partendo da misure compiute su cristalli di quarzo, enunciò la

prima legge della cristallografia: gli angoli tra le facce omologhe di cristalli dello stesso tipo sono

indipendenti dalle dimensioni assolute dei cristalli stessi (De solido intra solidum naturaliter

contento dissertationis prodromus, Firenze, 1669). Tale legge che prese il nome di «legge della

costanza dell’angolo diedro» venne poi generalizzata a tutte le specie cristalline, grazie agli studi

sistematici di Jean-Baptiste Louis Romé de L'Isle (1736-1790). L’opera fondamentale di Stenone sui

cristalli non si esaurisce qui: egli intuisce che i cristalli minerali, a differenza di ciò che avviene nel

mondo animale e vegetale, crescono grazie all’aggiunta di particelle che provengono da un fluido

esterno ai cristalli stessi. Egli non sa spiegare come e perché si formi un microscopico germe iniziale,

ma ipotizza che, dopo la sua formazione, la crescita avvenga per sovrapposizione di particelle sulle

microfaccette già esistenti del cristallo-germe stesso. Inoltre la velocità di crescita non è uguale per

tutte le facce: per esempio, nei cristalli di quarzo, è il rapporto tra la velocità di crescita delle facce

di piramide e quella delle facce del prisma che determinerà la forma finale dei cristalli (tozza o

allungata). È quindi a questo genio danese, naturalista, geologo, anatomista, che fu inoltre anche

vescovo e vicario apostolico nella Germania settentrionale, che noi dobbiamo il concetto di

«anisotropia nello stato solido», che distingue i cristalli da qualsiasi altro stato di aggregazione della

materia. La Cristallografia ha quindi ragione di andar fiera di annoverare tra i suoi fondatori anche

un Beato: infatti Stenone assurse agli onori degli altari nel 1988, per volontà

del Beato Karol Woitiła (Giovanni Paolo II).

René Just Haüy parte dall’osservazione che dalla sfaldatura successiva dei cristalli nascono frammenti di

taglia sempre più piccoli la cui forma è identica a quella del cristallo originale. Dall’osservazione

nasce un’intuizione che sconvolgerà il modo con cui gli uomini concepiranno lo stato solido nei

secoli futuri:

- in ogni cristallo esiste una particella

(une molécule intégrante) dalla

cui forma dipenderà la forma

esterna del cristallo;

- tali particelle si ripetono in modo

periodico in tre direzioni dello

spazio tridimensionale.

L’idea di Haüy non era perfettamente

coerente, ma conteneva in sé

un principio rivoluzionario che

legava la forma del cristallo al

suo contenuto: la materia che

costituisce un solido cristallino

non è distribuita in modo

continuo, ma discontinuo

(discreto) e periodico. Le

conseguenze di tale

distribuzione sulla forma

esterna del cristallo sono

impressionanti: le posizioni

relative delle facce che limitano

il cristallo saranno esprimibili non mediante numeri reali qualsiasi, ma mediante soli numeri interi

(legge di Haüy, o dell’interezza degli indici delle facce cristalline); la morfologia di

un cristallo non potrà essere dotata di una simmetria totale (come lo sono un gas o un liquido), ma sarà

descrivibile con un numero limitato di elementi di simmetria (piani di riflessione, assi di rotazione,

centri di simmetria) i quali, a loro volta, sono sottoposti a un numero ben definito di regole che ne

condizionano la posizione relativa.

Un allievo di Haüy, Gabriel Delafosse (1796-1878) perfezionò l’intuizione del maestro, dimostrò che è

necessario distinguere fra «molecola integrante» e «molecola chimica» e fu il primo a proporre sia il

concetto di «cella elementare» (nel 1840) che quello di «reticolo cristallino».

La legge di Haüy fu utilizzata nel 1830 dal fisico tedesco Johann Friedrich Christian Hessel (1796-1872) per

determinare il numero delle possibili combinazioni tra assi di rotazione, piani di simmetria e centri

di simmetria. Esse sono solo 32 e prendono il nome di «gruppi puntuali» (gruppo di elementi di

simmetria che passano tutti attraverso un punto).

Il francese Auguste Bravais (1811-1863) descrisse le 14 possibili disposizioni di punti nel-

lo spazio per formare celle elementari di una struttura cristallina nei sistemi tridimensionali;

queste 14 figure sono oggi note come reticoli di Bravais (Etudes cristallographiques.

Part 1: Du cristal considéré comme un simple assemblage de points, Paris, 1849).

La composizione chimica e l’abito cristallino sono le caratteristiche fondamentali di un minerale; ad esse si

associano però altre proprietà fisiche, che aiutano nel suo riconoscimento.

Grazie a queste nuove conoscenze, durante il XIX secolo vennero descritte minu-ziosamente, nelle loro

proprietà macroscopiche chimiche e fisiche (e quindi classificate) migliaia di specie cristalline,

appartenenti tanto al mondo dei minerali naturali, quanto a quello delle sostanze inorganiche e

organiche prodotte in laboratorio. Ma nessuna nuova conoscenza veniva intanto acquisita sulla

disposizione delle specie chimiche interne ai cristalli: sembrava che il tempo si fosse fermato alla

visione geometrico-reticolare di Haüy e Bravais. Max von Laue (1879-1960), giovane fisico tedesco

che vive in questo ambiente, effettua una tesi didottorato sull’interferenza delle onde

elettromagnetiche con la materia condensata e si pone la domanda di cosa potrebbe succedere se

una radiazione, di lunghezza d’onda sconosciuta (i raggi X, scoperti da Wilhelm Conrad Röntgen

nel 1895) interferisse con i cristalli, la cui natura interna è a sua volta sconosciuta, ma di cui erano noti, per

via teorica: periodicità, ordine e probabili valori delle distanze medie tra gli atomi e tra i piani

reticolari. Nel 1912 Walter Friedrich e Paul Knipping, su progetto di Laue, osservarono la diffrazione

dei raggi X da parte di un cristallo di solfato di rame.

PROPRIETÀ FISICHE (E OTTICHE) DEI MINERALI:

●​ La durezza è la proprietà di resistere all’abrasione o alla

scalfittura e dipende dalla forza dei legami reticolari. Questa

viene misurata in base alla scala di Mohs, una successione

determinata di 10 minerali, ciascuno dei quali può scalfire le

facce del minerale che lo precede nella scala e viene invece

scalfito dal minerale che lo segue.

●​ La sfaldatura è la tendenza di un minerale a rompersi per urto

secondo superfici piane, parallele a una o più facce dell’abito

cristallino. Essa dipende dalla diversa forza dei legami tra gli

atomi nelle diverse direzioni entro il cristallo. Un cristallo di

salgemma, per esempio, si sfalda lungo le superfici che formano

tra loro angoli diedri di 90 gradi, per cui i frammenti che ne

risultano sono tutti di forma cubica.

●​ La lucentezza misura il grado in cui la luce viene riflessa dalle facce di un cristallo e si distingue in:

o​ metallica, tipica di sostanze che assorbono totalmente la luce e che risultano opache

(diffusione superficiale della luce) ;

o​ non metallica, tipica dei corpi più o meno trasparenti (diffusione della luce anche nelle parti

interne) es. vetrosa, resinosa, perlacea, sericea, adamantina, ecc…

●​ Il colore è una proprietà molto evidente, ma meno diagnostica di altre. Il colore dipende dalla

lunghezza d’onda assorbito.

I minerali idiocromatici sono minerali che presentano sempre lo stesso colore (ad esempio: il lapislazzulo è

sempre turchino; la malachite verde; il cinabro rosso ecc.)

I minerali allo