Mineralogia

Mineralogia

La mineralogia studia i minerali. Tantissime cose che ci circondano, a parte quelle di origine organica, sono costruite a partire da minerali, che sono le principali risorse naturali. I calcoli renali, per esempio, sono dei sassolini che si formano per accumuli e per processi di minerogenesi. I minerali possono anche essere dispersi in soluzione (nei fiumi, nei corsi d’acqua, nel mare) o nell’aria: noi le stiamo respirando sotto forma di particelle nanometriche.

Interesse ambientale e sanitario

Per questo ci sono anche interessi di tipo ambientale e sanitario: essendo i minerali ovunque, è inevitabile che ci siano delle interazioni tra i minerali e l’essere umano o comunque con il sistema ecologico/ambientale (per esempio i problemi connessi con la respirazione dell’amianto).

Interesse geologico

C’è anche un interesse geologico perché per avere un minerale piuttosto che un altro, io devo cambiare le condizioni di pressione (ovvero di profondità), di temperatura, di deformazione, nonché le condizioni chimiche. Quindi saper studiare i minerali mi permette di ricostruire a ritroso tutte queste condizioni di pressione e temperatura alle quali, per esempio, un sasso si è trovato.

Minerali in casa

Anche in casa viviamo circondati da minerali. I mattoni sono realizzati a partire da minerali, principalmente argille, quarzo e feldspati, che poi vengono cotti. La colorazione del mattone da prima a dopo la cottura cambia da grigio a rosso: questo perché evidentemente dentro c’erano dei minerali contenenti ferro e durante la cottura, che avviene in condizioni ossidanti, il ferro si ossida, e questo è il motivo per cui i mattoni sono spesso di colorazione rossastra. Un’altra caratteristica è che viene ridotto il volume, non solo perché l’acqua evapora (perché viene aggiunta all’argilla per formare il mattone), ma anche perché i minerali contengono acqua al loro interno, e quando li portiamo a 800-900-1000 gradi, questi minerali reagiscono e diventano minerali anidri, cioè privi di acqua.

Carica minerale nella carta

Un foglio sarà più o meno bianco in base alla carica minerale: esso è fatto da fibre di cellulosa ma ci sono anche oggetti che sembrano cristallini. Quindi alla struttura della cellulosa è stata aggiunta una carica minerale, ovvero dei cristalli di gesso molto piccoli, ovvero 20 micron.

Perché è stato aggiunto gesso alla carta? Sostanzialmente per migliorarne le prestazioni, perché se io aggiungo la carica minerale del gesso, ottengo un foglio di carta più bianco. Oltre ad essere più bianco, il foglio è anche più liscio e levigato, perché la carica minerale va anche a riempire la porosità che si forma tra le fibre di cellulosa. Infatti, se si scrive con penna su un foglio, l’inchiostro non si disperde ma rimane definito.

Categorie di materiali

Tutti i materiali che conosciamo vengono suddivisi in 3 categorie:

• Polimeri: Essi sono tutti i materiali di origine organica, la cui struttura è basata su composti polimerici.
• Metalli: Essi sono tutti i materiali basati su legami di tipo metallico (come il ferro e tutte le sue leghe e l’alluminio e tutte le sue leghe).
• Ceramici: Sono tutti i materiali inorganici che hanno legami di tipo covalente e ionico (in pratica tutto il resto a parte i metalli).

Il nostro pianeta è infatti un pianeta ceramico. I materiali ceramici a loro volta si dividono in 3 sottocategorie:

• Ceramiche in senso stretto: Ovvero i piatti, per esempio, ma anche ceramiche avanzate.
• Ceramiche idrauliche: Essi sono i leganti, e quindi per esempio il cemento, la calce e il gesso.
• Vetri: Essi vengono considerati materiali ceramici amorfi, ovvero privi di una struttura cristallina.

Estrazione dei minerali

Per poter ottenere i minerali, si costruiscono cave, miniere e si fanno escavazioni. Quando poi un sito non è più vantaggioso nel rapporto costi/benefici, questo viene abbandonato. Però ormai l’equilibrio originario, geochimico e geologico, è stato turbato (le acque superficiali per esempio percolano ovunque).

Problemi ambientali nelle miniere

A Campiano nelle Colline Metallifere, c’era una grossa miniera di pirite, che veniva in realtà usata per ricavare non il ferro (perché è meglio ricavarlo dai solfuri di ferro) ma lo zolfo, che poi andava all’industria chimica. Ad un certo punto hanno chiuso tutto, e dopo un mese il fiume è diventato giallo/arancio, a causa dell’alterazione della pirite. Questo è un male soprattutto perché insieme al ferro possono essere presenti elementi indesiderati come cromo o arsenico. È infatti partita una campagna di monitoraggio ambientale del particolato minerale disciolto nell’acqua di drenaggio, e ad un certo punto hanno dovuto costruire un impianto di drenaggio che drena l’acqua che percola all’interno della miniera chiusa, e che poi la tratta. Ovviamente ciò è costato tanto a livello economico.

Sempre nella zona delle Colline Metallifere, più verso il mare, abbiamo una zona molto ricca di minerali come ferro, zinco, rame. In pratica, anche in questo caso, all’uscita della miniera, il fiume è rosso, ma proseguendo lungo il corso del fiume, c’era un viraggio netto, dove l’acqua diventava color latte (nel giro di 1 km). Andando ancora più a valle, il fiume diventava verde e poi trasparente. Probabilmente avvenivano delle reazioni chimiche di precipitazione di minerali che erano visibili sul terreno con questo cambio di colore. Sono state campionate le acque lungo il corso del fiume, e la risposta finale è che il fiume ha agito esso stesso come risolutore del problema perché a valle l’acqua non conteneva più in soluzione elementi indesiderati.

Malattie polmonari legate ai minerali

Ci sono malattie, soprattutto polmonari, strettamente connesse all’inalazione di minerali. Chi lavora nelle miniere può arrivare a evolvere malattie come la silicosi, malattia polmonare data dal fatto di respirare polveri di quarzo. Ciò causa perdita di efficienza polmonare. Uno dei casi più noti è quello dell’amianto: esso è stato usato per qualsiasi cosa perché ha proprietà eccezionali, ma poi ci siamo resi conto che purtroppo è cancerogeno. Ce ne sono di 2 tipi diversi: bianco e blu. Specialmente quello blu è responsabile di una forma tumorale severa. Ora infatti, per eliminarlo, spendiamo tanti soldi.

Particolato atmosferico

Quando si sente parlare di polveri sottili, si parla sempre di minerali. PM vuol dire particolato atmosferico, mentre il numero indica la dimensione di queste particelle aereo-disperse. Più sono fini, più sono pericolose, perché riescono ad arrivare alle vie respiratorie più profonde.

La formazione delle Alpi

Dato che le Alpi si sono formate grazie allo scontro di 2 placche, con fenomeni di subduzione, lì si trova il quarzo e la coesite, e quindi evidentemente in quel contesto siamo andati a profondità superiori a 150 km. Quindi è questo il modo in cui si legge una roccia per decifrare la storia geologica. Per pressioni elevatissime si forma addirittura un’altra fase minerale, sempre con questa formula chimica SiO₂, ed è la stishovite. Essa si può trovare per esempio in Arizona, in questa zona di impatto con un meteorite. Qui si sono generate pressioni così elevate da trasformare la sabbia che conteneva i granuli di quarzo in stishovite.

Zone di impatto

Ci sono casi in cui non sempre sono così evidenti le zone di impatto. L’unico modo per rendersene conto è andare sul terreno e cercare tracce di alta pressione.

Esplorazione di altri pianeti

Rocce, suoli e minerali non servono solo a ricostruire la storia del nostro pianeta, ma anche di altri. Abbiamo immagini di Marte, dove al momento si trovano un paio di robottini, tra cui Perseverance. Essi sono dotati di strumenti di analisi mineralogica per capire le composizioni chimiche e i minerali presenti. Fanno analisi ma possono anche prendere dei piccoli campioncini.

Composizione chimica del quarzo

Il quarzo è un minerale presente all’interno del granito e ha formula chimica SiO₂, ed è quindi costituito da atomi di silicio (Si) e di ossigeno (O₂). Ciò non vuol dire che è formato da 1 atomo di Si e 2 di O, ma significa che il rapporto sarà sempre 1 a 2. Ciò vuol dire che se in un granellino nanometrico di quarzo ci sono 1 milione di atomi di Si, ce ne saranno 2 milioni di atomi di O.

All’interno di una roccia ci sono tanti cristalli dello stesso minerale, il quarzo. Quindi i singoli individui sono i cristalli, di un minerale (quarzo) che è costituito da atomi. Ci sono poche eccezioni: diamante e grafite, per esempio, sono costituiti solo da carbonio. Ci sono anche poche eccezioni di rocce costituite da un solo tipo di minerale, ma un esempio è il marmo che è costituito da tanti cristalli, tutti dello stesso minerale che è la calcite, la cui composizione chimica è CaCO₃ (carbonato di calcio).

Struttura cristallina del sale

Il sale ha una determinata composizione chimica che è NaCl, e quindi c’è un rapporto 1:1 tra il catione Na e l’anione Cl. Esso ha poi una determinata struttura cristallina perché c’è una disposizione atomica tridimensionale che sarà:

• Ordinata: Vuol dire che avrò sempre un sodio, poi un cloro, poi un altro sodio e così via, lungo x, lungo y e lungo z. Se io ho 2 Cl vicini, ho un difetto, un disordine.
• Periodica: Vuol dire che il passo tra un Na e quello dopo, è sempre dello stesso valore, e ho sempre lo stesso periodo, lungo x, y e z.

Infatti, se io voglio rappresentare la struttura cristallina di un chicco di cloruro di sodio, non serve fare rappresentazioni gigantesche, ma basta rappresentare la cella elementare, cioè il mattoncino fondamentale che, ripetuto all’infinito lungo x, y e z, mi descrive l’intero cristallo.

Eccezioni nei minerali

Ci sono un paio di eccezioni a tutto ciò: per esempio, l’unico minerale di natura organica è l’ambra, che è resina fossile. C’è poi un minerale inorganico ma che non è dotato di una struttura cristallina, bensì ha una struttura amorfa, ed è l’opale: esso è una varietà di silice (quindi sempre SiO₂) ma amorfa, e quindi i suoi atomi sono disposti a caso, senza un ordine preciso.

Rocce amorfe

L’ossidiana è amorfa, ma è una roccia: è un vetro, ed è il prodotto di un raffreddamento rapido di una lava, dove i minerali non hanno fatto in tempo ad organizzarsi in una struttura cristallina. Questo accade quando la lava cade direttamente in mare. Infatti, affinché un minerale riesca a cristallizzare in una struttura ordinata e periodica, ha bisogno di tempo.

Cristallografia

Si parlerà poi di cristallografia morfologica, che è più un approccio storico, perché in passato non c’erano tanti strumenti e quindi si usavano gli occhi. In passato si cercava di capire, sulla base della morfologia dei cristalli, qualcosa che avesse a che fare con la loro natura. E questi sono riusciti così a capire l’esistenza della cella elementare.

Cristallografia strutturale

La cristallografia strutturale è l’evoluzione di quella morfologica, perché è quella che si occupa della distribuzione ordinata e periodica degli atomi all’interno dei cristalli, vista con dei moderni strumenti di analisi. In pratica, si vanno per esempio a determinare le coordinate X, Y e Z del Si e dell’O₂ all’interno del quarzo.

Cristallofisica

La cristallofisica è importante perché dà le basi per le tecniche di indagine. Le tecniche di indagine riguardano gli strumenti che ho a disposizione per determinare la natura di un qualche campione.

Distinzione dei pianeti

I pianeti vengono distinti in gassosi e terrestri proprio in base alla composizione chimica. C’è un corso che affronta tutto ciò ed è la geochimica.

Composizione della crosta terrestre

Quindi, come siamo riusciti a dare una composizione chimica media di tutta la crosta terrestre? Facendo una media. Per la composizione del mantello e del nucleo è più difficile, perché non ci si arriva: abbiamo quindi bisogno di “ascensori” che ci portino su la roba.

Il Mar Rosso è un oceano che si sta formando e nella zona centrale abbiamo un pezzo di mantello che è risalito. Un altro modo per capire come sono fatti mantello e nucleo è dalle meteoriti, perché alcune sono fatte con materiali che assomigliano a quelli della crosta, altre del mantello e altre del nucleo, con nichel e ferro. C’è poi un ultimo metodo, sperimentale, che sarebbe la mineralogia sperimentale, dove in laboratorio si riproducono le condizioni del mantello profondo, e quindi posso vedere che succede.

La crosta terrestre

Quindi la crosta è composta prevalentemente da Si, Al e O più altri 6 o 7 elementi chimici. Con questi elementi formiamo circa il 98,6% in peso della crosta terrestre, e se questi sono gli ingredienti, quali saranno i minerali più comuni sulla crosta? Essendoci un sacco di O e Si, avremo i silicati.

Caratteristiche dei silicati

Un tetraedro è un solido geometrico, composto da una base triangolare e un apice, dove ai 4 vertici troviamo gli ossigeni, mentre al centro troviamo il Si. La sua composizione chimica non è SiO₂ (che è la formula del quarzo, della stishovite o della coesite), ma SiO₄. Però le cariche non sono bilanciate, bensì c’è un eccesso di cariche negative. Per bilanciare il tutto dovrà legarsi ad un'altra cosa, che possono essere altri tetraedri di silicio, oppure altri tipi di poliedri, occupati nel mezzo da tutti gli altri elementi chimici quali Al, Fe, K, etc.

Quindi un tetraedro non può stare in piedi da solo perché è caricato negativamente, non è neutro. Su questo concetto si basa proprio la classificazione dei silicati. Ci sono dei silicati in cui i tetraedri di silicio sono isolati tra loro, che vengono chiamati nesosilicati, e dove quindi il collegamento avviene attraverso altri tipi di poliedri, come un ottaedro di magnesio, ferro o calcio. Questi solidi, tetraedri e ottaedri, si ripetono quindi all’infinito nelle tre dimensioni, in maniera ordinata e periodica.

Un esempio di nesosilicati sono le olivine e i granati. Oppure i tetraedri di silicio si possono unire a formare una catena. Se si disegna una linea retta e uno zigzag in mezzo, abbiamo disegnato la struttura di un inosilicato, con una disposizione a catena. Un esempio di inosilicati sono i pirosseni e gli anfiboli. Quando invece i tetraedri si uniscono a formare dei fogli, e quindi delle superfici bidimensionali infinite, abbiamo dei fillosilicati, o silicati a strati.

Infine, dobbiamo immaginare che ognuno dei tetraedri sia collegato tra loro per tutti e 4 i vertici. In pratica, ognuno dei 4 atomi di ossigeno è a sua volta collegato ad altri tetraedri. È una struttura tridimensionale dove tutti gli ossigeni del tetraedro sono a loro volta condivisi da altrettanti tetraedri. Questa è la struttura dei tettosilicati, come i feldspati (tra cui i plagioclasi) e il quarzo.

Altri minerali sulla crosta terrestre

Tutto ciò per quanto riguarda i silicati, ma non ci sono solo questi sulla crosta terrestre, ma ci sono tanti altri minerali abbondanti:

• Ossidi o idrossidi: Che quindi non hanno il Si nella loro struttura. Un esempio è la magnetite, ossido di ferro.
• Carbonati: Come la calcite, la dolomite, etc. L’Appennino è in buona parte costituito da carbonati.
• Solfati: Abbiamo il gesso, che è il solfato di calcio. A Volterra, per esempio, ci sono affioramenti di gesso, dove appunto hanno impiantato delle cave. A Roccastrada c’è un’industria che produce cartongesso e che ha costruito l’industria a 100 metri dalla cava.
• Solfuri: Si parla della pirite, che è il solfuro di ferro.
• Fosfati: Un po’ meno comuni, abbiamo l’apatite, che è il principale costituente della parte inorganica del nostro corpo (ossa, denti).
• Cloruri: Quale il sale, ovvero il salgemma, NaCl.

Si possono addirittura determinare le composizioni specifiche dei singoli minerali, quindi di quel pirosseno e di quell’olivina. Inoltre, bisognerà descrivere la tessitura o microstruttura di un campione. Bisogna quindi dire se sono grandi o piccoli, se hanno o meno un’orientazione, se hanno tutte le stesse dimensioni, etc. Conoscere quali sono le dimensioni dei cristalli, la microstruttura, etc., è fondamentale, perché tutto ciò determina poi le proprietà dei materiali!

Siti estrattivi

Se la crosta è composta dagli elementi chimici sopracitati, dove trovo tutti gli altri? E come faccio a sfruttarli se sono così pochi? È possibile avere siti estrattivi di oro, argento, platino, litio, etc., perché nella crosta terrestre, grazie all’azione di processi geologici che vanno avanti da anni, si hanno dei meccanismi di arricchimento locale. Cioè nella crosta ci sono dei siti in cui questi elementi chimici più rari si concentrano, e questi sono i cosiddetti giacimenti.

Si possono avere dei giacimenti in cui si formano dei minerali propri. Se io ho bisogno di rame, per esempio, andrò a cercare un giacimento di un minerale di rame, come la malachite (i cui giacimenti si trovano anche all’Isola d’Elba), che è un carbonato di rame. Quindi io ho giacimenti dove i minerali sono proprio minerali di rame, o di quello che mi interessa. Un altro esempio è il mercurio, che può essere presente all’interno di un solfuro, che prende il nome di cinabro. Una grande concentrazione di mercurio si trovava nel Monte Amiata, anche se l’attività estrattiva è dismessa da anni. Si possono trovare delle masse policristalline, ovvero un aggregato di più cristalli del minerale cinabro.