Mineralogia e petrografia

Mineralogia

Un minerale è un solido naturale che ha una struttura interna ordinata e una precisa ma non fissa composizione chimica. Un minerale al suo interno ha gli atomi disposti in modo ordinato e ciò viene chiamato reticolo cristallino. Quando il minerale si trova in condizioni favorevoli, questo può formare strutture precise chiamate cristalli. Rene Just Hauvy formulò la teoria della molecola integrante sostenendo che l’aspetto esterno di un minerale rispecchiasse il suo ordinamento interno.

All’interno della struttura cristallina del minerale si possono riconoscere dei reticoli che hanno al vertice atomi tutti uguali. All’interno di questi reticoli si può trovare la cella elementare, che è quella figura che, ripetuta nello spazio, forma il reticolo cristallino.

Forma cristallografica

Per forma cristallografica si intende l’insieme delle facce equivalenti tenute insieme da un operatore di simmetria. Quando si studia un minerale, si possono identificare degli operatori di simmetria; questi possono essere semplici o composti.

• Tra gli operatori semplici abbiamo:
• Inversione
• Rotazione
• Traslazione
• Riflessione
• Tra gli operatori composti abbiamo:
• Rotoinversione
• Elicogire (traslazione + rotazione)
• Slittopiani (traslazione + riflessione)

In base alla forma della cella elementare si possono individuare sette sistemi cristallini e 32 classi di simmetria. I sistemi cristallini, a loro volta, possono essere suddivisi in 3 gruppi:

Gruppo trimetrico

• Triclino
• Monoclino
• Rombico

Il gruppo triclino è caratterizzato da avere A diverso da B e diverso da C. Alfa diverso da beta e diverso da gamma. In questo sistema cristallizzano, ad esempio, la cianite e il microclino.

Il gruppo monoclino è caratterizzato da avere A diverso da B e diverso da C. Alfa uguale a beta uguale a 90° e gamma diverso da 90°. Cristallizzano in questo sistema, ad esempio, la lazulite e la titanite.

Il gruppo rombico è caratterizzato da avere A diverso da B e diverso da C e alfa, beta e gamma tutti di 90°. Cristallizzano in questo sistema, ad esempio, olivina e la barite.

Gruppo dimetrico

• Trigonale
• Tetragonale
• Esagonale

Il gruppo trigonale è caratterizzato da avere A uguale a B e diverso da C. Alfa e beta sono di 90° e gamma di 120°. In questo gruppo comanda un asse ternario. Cristallizza in questo gruppo, ad esempio, la dolomite, la calcite e la siderite.

Il gruppo tetragonale è caratterizzato da avere A uguale a B e diverso da C, alfa, beta e gamma sono tutti di 90° e comanda un asse quaternario. Cristallizza in questo gruppo, ad esempio, l’apofillite e il rutilo.

Il gruppo esagonale è caratterizzato da avere A uguale a B e diverso da C, alfa e beta sono di 90° e gamma di 120°, comanda un asse senario. Cristallizza in questo gruppo, ad esempio, il quarzo.

Gruppo monometrico

Il sistema cubico è caratterizzato da avere A uguale a B e uguale a C, alfa, beta e gamma tutti di 90°. Cristallizza in questo gruppo, ad esempio, la galena.

Leggi della mineralogia

La prima legge o legge di Stenone dice che cristalli della stessa sostanza cristallina hanno gli angoli diedri tra facce equivalenti uguali tra loro.

La seconda legge della mineralogia dice che ogni faccia del cristallo può essere messa in relazione con la faccia fondamentale e questa relazione viene espressa con i numeri interi primi fra loro chiamati indici di Miller. Gli indici di Miller sono h k l, h rappresenta l’intersezione con l’asse a, k con l’asse b e l con l’asse c. Se non ci sono zeri nella tripletta di Miller per cui nessuna faccia è parallela agli assi, si parla di forma semplice generale, se nella tripletta ci sono degli zeri invece si parla di forma semplice speciale.

5 Regole di Pauling

Prima legge: Intorno a ciascun catione si forma un poliedro di coordinazione di anioni, dove la distanza anione-catione è data dalla somma dei raggi. Il catione viene chiamato ione coordinante mentre gli anioni sono gli ioni coordinati e il numero di anioni intorno al catione rappresenta il numero di coordinazione.

Seconda legge: È la legge del bilancio elettrostatico e dice che in una struttura ionica stabile, quindi dove gli ioni sono approssimati a sfere e la distanza tra ioni è data dalla somma dei raggi, la forza totale che gli anioni danno al catione corrisponde alla carica del catione stesso. Questa forza, chiamata forza elettrostatica, si calcola facendo la valenza del catione diviso il numero di coordinazione, e questo legame è tanto più forte quanto più prossimo a uno.

Terza legge: Ci dice cosa succede quando due poliedri di coordinazione entrano in contatto tra di loro, ovvero che la condivisione di facce tra poliedri di coordinazione fa diminuire la stabilità. Questo si accentua soprattutto nei cationi che hanno grande valenza e basso numero di coordinazione.

Quarta regola: Ci dice che cationi che hanno grande valenza e basso numero di coordinazione tendono a non condividere elementi tra di loro.

Quinta regola: Regola della parsimonia dice che la struttura cristallina dei minerali tende a essere semplice.

Tipi strutturali

1. Struttura tipo halite (NaCl)
   • Gli anioni fanno un reticolo cubico compatto
   • I cationi occupano i siti ottaedrici disponibili
2. Struttura tipo sfalerite
   • Anioni e cationi sono disposti secondo un reticolo cubico a facce centrate
   • È una struttura non centro simmetrica
3. Struttura tipo fluorite
   • I cationi sono ai vertici e al centro di una cella elementare cubica
   • Gli anioni sono al centro di otto cubetti equivalenti in cui si può dividere la cella
   • Ciascun catione è circondato da 8 anioni in coordinazione cubica
4. Struttura tipo spinello
   • Retico cubico di ossigeni
   • I cationi occupano sia siti ottaedrici che tetraedrici

Soluzione solida

I minerali in natura non si trovano come composti puri ma possono avere cambiamenti nella composizione chimica, formando delle soluzioni solide. Un esempio è l’olivina: l’olivina è una soluzione solida tra fosterite, termine a magnesio, e fayalite, il termine a ferro. Il ferro e il magnesio si possono sostituire nei siti ottaedrici. Quella dell’olivina è una soluzione solida completa poiché magnesio e ferro possono sostituirsi in qualunque percentuale, ma possono esistere anche soluzioni solide parziali e in questo caso si ha una lacuna di miscibilità allo stato solido.

Per far sì che si abbia soluzione solida, gli elementi che si sostituiscono, che vengono detti vicarianti, devono avere dimensioni simili; il raggio ionico infatti non deve differire più del 10-15%. Le sostanze che possono fare soluzione solida sono isostrutturali e isomorfe, ovvero cristallizzano nello stesso sistema e hanno la stessa formula chimica.

Polimorfismo

Si possono avere forme diverse dello stesso composto; i diversi tipi si chiamano modificazioni e hanno la stessa formula chimica ma con strutture e proprietà fisiche diverse. Il polimorfismo è determinato da temperatura e pressione. Un esempio di polimorfismo è quello del biossido di silice, che cristallizza in forme diverse a seconda dell’ambiente di formazione (quarzo, tridimite, cristobalite, coesite, shistovite).

Esistono 4 tipi di trasformazioni polimorfe:

1. Trasformazioni minime o distorsive: La struttura cambia poco e il cambiamento è quasi indistinguibile. Un esempio è la trasformazione da quarzo alfa a quarzo beta. Questa trasformazione è reversibile e avviene a 573°. Il quarzo alfa ha una struttura trigonale trapezoideica mentre il quarzo beta ha una struttura esagonale trapezoideica.
2. Trasformazione ricostruttiva di tipo 1: È una trasformazione profonda ma senza il cambiamento dei poliedri di coordinazione. Si ha la rottura dei legami che si ricostruiscono poi in modo diverso. Un esempio è la trasformazione quarzo-tridimite-cristobalite.
3. Trasformazione ricostruttiva di tipo 2: Si hanno profonde trasformazioni con cambiamenti dei poliedri di coordinazione e differenze nei numeri di coordinazione. Un esempio è la trasformazione calcite-aragonite, il numero di coordinazione del calcio nella calcite è 6 e nell’aragonite è 9.
4. Trasformazione ricostruttive di tipo 3: Sono trasformazioni totali, dove si ha cambiamento sia dei poliedri di coordinazione che dei legami. Un esempio è la trasformazione grafite-diamante. La grafite ha una struttura tenuta insieme da legami di Van der Waals e il carbonio ha ibridazione sp², invece il diamante ha una struttura con legami covalenti e il carbonio è ibridato sp³.

Proprietà fisiche

Le proprietà fisiche sono risposte misurabili del materiale a cause esterne.

1. Abito cristallino – Descrive la qualità dello sviluppo delle facce del cristallo. Può essere eudrale se il cristallo è completamente delimitato da facce, subedrale se il cristallo è delimitato solo in parte da facce e anedrale se il cristallo non è delimitato da facce.
2. Lucentezza – È l’aspetto che assume la superficie di un minerale quando viene colpito dalla luce; la lucentezza può essere metallica o non metallica. I minerali con lucentezza metallica sono opachi e non si lasciano attraversare dalla luce, i minerali con lucentezza non metallica si lasciano attraversare dalla luce.
3. Diafinità – Rappresenta la qualità di trasmissione della luce, un minerale può essere trasparente, traslucido o opaco. È trasparente quando si fa attraversare completamente dalla luce, traslucido quando trasmette la luce ma non è trasparente e opaco se non trasmette la luce.
4. Colore – Il colore è la risposta dell’occhio alla parte visibile dello spettro elettromagnetico. Quando la luce colpisce un minerale, può essere assorbita, riflessa, rifratta, trasmessa. Se un minerale assorbe determinate lunghezze d’onda e altre le riflette, ai nostri occhi appare colorato. Un minerale per quanto riguarda il colore può essere idiocromatico o allocromatico. È idiocromatico se il colore è dato da qualcosa della loro struttura chimica, come ad esempio l’azzurrite. Un minerale è allocromatico se il colore è dato da un elemento esterno, ovvero si possono formare dei buchi nella struttura del minerale e questi vengono riempiti con atomi colorati che fungono da centri di colore. Un esempio è il quarzo.
5. Colore della polvere – I minerali opachi hanno una polvere scura (ematite), i minerali trasparenti hanno una polvere bianca.
6. Durezza – La durezza è la resistenza del minerale a una sollecitazione meccanica esterna applicata secondo una direzione. La durezza viene quantificata secondo la scala di Mohs che è una scala logaritmica, partendo dai minerali che hanno una durezza minore si ha:
• Talco
• Gesso
• Calcite
• Fluorite
• Apatite
• Ortoclasio
• Quarzo
• Topazio
• Corindone
• Diamante
7. Frattura – Si ha quando i minerali si rompono in modo casuale e ciò è dovuto al fatto che la forza di legame è uguale in tutte le direzioni.
8. Sfaldatura – I minerali si rompono secondo superfici parallele ai piani cristallografici.
9. Dilatabilità termica – I minerali cambiano sotto l’azione della temperatura, quando la temperatura aumenta i minerali si dilatano.
10. Proprietà elettriche – I minerali, se sottoposti a una tensione elettrica, possono risultare conduttori, semiconduttori o non conduttori di elettricità.

Proprietà elettriche speciali

• Piezoelettricità—se si generano cariche elettriche sulla superficie di un cristallo sottoposto a sollecitazione meccanica (quarzo).
• Piroelettricità—il manifestarsi di cariche elettriche è dovuto a variazioni di temperatura.

Raggi X

I raggi X sono 1000 volte più penetranti della radiazione luminosa. Vengono prodotti in un tubo a raggi X. Posso individuare lo spettro continuo e lo spettro caratteristico.

Lo spettro continuo parte da un valore minimo di lunghezza d’onda e dipende solo dalla tensione del tubo. È la radiazione emessa dal frenamento degli elettroni che impattano sull’anodo, il frenamento produce raggi X con lunghezza d’onda diversa; maggiore è l’energia ceduta, minore è la lunghezza d’onda. Lo spettro caratteristico è costituito da un numero di picchi presenti a lunghezze d’onda diverse dipendente dalle proprietà del metallo come anodo. L’esistenza dei picchi è conseguente alla collisione di un elettrone molto energetico con un elettrone interno dell’atomo; questa collisione comporta l’espulsione dell’elettrone dell’atomo, gli elettroni rimanenti colmano la lacuna emettendo fotoni con energia pari alla differenza tra i livelli.

Gli elettroni colpiti da raggi X diventano centro di diffusione di una radiazione X avente la stessa lunghezza d’onda della radiazione incidente; quando la radiazione viene diffusa in tutte le direzioni, si parla di diffusione sferica.

Una radiazione X che investe una sostanza cristallina non viene diffusa sfericamente ma si propaga solo lungo alcune direzioni; si parla di diffrazione dei raggi X. Un reticolo cristallino è un reticolo di diffrazione per una radiazione X perché le distanze interatomiche sono dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda di una radiazione X. Facendo incidere un’opportuna onda elettromagnetica su di un cristallo si osservano fenomeni di interferenza causati dalla riflessione di onde da parte di piani cristallini diversi ma paralleli. Questo fenomeno si può descrivere con la legge di Bragg. Metodo delle polveri.

Genesi dei minerali

Termodinamicamente si forma un minerale perché ha energia libera più bassa. I processi di formazione dei minerali sono generati da cambiamenti delle variabili chimico-fisiche del sistema, durante la crescita cristallina un minerale è in equilibrio chimico fisico con l’ambiente di formazione. Cambiamenti improvvisi delle condizioni del sistema possono:

• Interrompere la crescita
• Provocare fenomeni di dissoluzione
• Provocare cambiamenti interni a livello reticolare

La cristallizzazione può essere lenta o molto rapida e si riconoscono due fasi, la fase di nucleazione e la fase di accrescimento. Nella fase di nucleazione gli atomi si associano in modo disordinato fino a costruire un germe cristallino. Nella fase di accrescimento il germe cristallino si ingrossa a partire dalle sue superfici con deposizione di strati successivi di materia o per aggiunta di filiari a partire da irregolarità.

La genesi dei minerali può essere

1. Magmatica: I minerali possono cristallizzare in profondità o in superficie. Si possono definire tre fasi della cristallizzazione del magma:
   • Magmatica
   • Pegmatitica
   • Idrotermale

Nella fase magmatica il magma raffredda e dà origine a una cristallizzazione separata delle diverse fasi mineralogiche; il primo minerale che cristallizza è l’olivina. Nella fase pegmatitica il magma è arricchito di molti elementi e acqua, si formano minerali con elementi rari (boro). Nella fase idrotermale si ha una elevata quantità di acqua; si ha cristallizzazione da una massa gassosa che viene a trovarsi in nuove condizioni di temperatura e pressione e in un altro ambiente chimico.

2. Sedimentaria: I minerali si formano per deposizione di molecole derivati dalla combinazione di ioni disciolti in acqua o per alterazione di minerali preesistenti.
3. Metamorfica: I minerali si formano per riorganizzazione di minerali preesistenti a causa di cambiamenti di temperatura e pressione. È un processo che avviene allo stato solido e provoca profonde modificazioni nella mineralogia originale. Questo processo è un processo isochimico.