Lezione 4 - Cristalli, minerali e loro proprietà

Alfonso Bosellini
I materiali
della Terra solida
Capitolo 2
Atomi, elementi, minerali e rocce
Cristalli, minerali
e loro proprietà
Lezione 4
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2.1
Elementi e composti naturali
Un elemento è una sostanza che
non può essere separata in tipi più semplici di materia
con normali processi chimici.
Otto tra gli elementi presenti in natura
costituiscono da soli il 90% della crosta terrestre.
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2.1
Elementi e composti naturali
Raramente gli elementi si trovano come elementi nativi,
cioè non combinati con altri elementi.
Bismuto nativo
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2.1
Elementi e composti naturali
In genere gli elementi sono combinati chimicamente
in numero di due o più a formare composti.
La PIRITE
è costituita da 2 soli elementi
Fe, S
L’ORNEBLENDA
è costituita da ben 8 elementi:
Na, Ca, Mg, Fe, Al, Si, O, H
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2.1
Elementi e composti naturali
Ogni composto ha una composizione chimica definita
espressa da una specifica formula chimica.
Il salgemma è un minerale
composto di SODIO e CLORO
e ha formula
Il quarzo è un minerale
composto di SILICIO e OSSIGENO
e ha formula
NaCl
SiO2
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2.2
I minerali
La mineralogia è la disciplina che studia
l’origine e la natura dei minerali.
Un minerale è un corpo solido allo stato naturale
che può essere un elemento nativo o un composto.
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2.2
I minerali
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.
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2.3
La struttura cristallina dei minerali
Ogni minerale si presenta come un solido dotato di
una particolare forma geometrica detta abito cristallino.
Quarzo
Feldspato
Mica
Olivina
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2.3
La struttura cristallina dei minerali
Ogni minerale si presenta come un solido dotato di
una particolare forma geometrica detta abito cristallino.
Granato
Diamante
Calcite
Gesso
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2.3
La struttura cristallina dei minerali
L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale
è il risultato della particolare disposizione
degli atomi e delle molecole all’interno dei cristalli.
Questa disposizione interna ordinata
è detta struttura del reticolo cristallino.
RETICOLO
CRISTALLINO
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2.3
La struttura cristallina dei minerali
L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale
è il risultato della particolare disposizione
degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli.
Questa disposizione interna ordinata
è detta struttura del reticolo cristallino.
FILARE
Atomi, ioni e molecole
sono allineati
a una distanza fissa
formando filari
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2.3
La struttura cristallina dei minerali
L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale
è il risultato della particolare disposizione
degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli.
Questa disposizione interna ordinata
è detta struttura del reticolo cristallino.
PIANO
Due filari non paralleli
individuano
un piano reticolare
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2.3
La struttura cristallina dei minerali
L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale
è il risultato della particolare disposizione
degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli.
Questa disposizione interna ordinata
è detta struttura del reticolo cristallino.
MAGLIA
Un piano reticolare
è dato dalla ripetizione
per traslazione
di una maglia
piana elementare
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2.3
La struttura cristallina dei minerali
L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale
è il risultato della particolare disposizione
degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli.
Questa disposizione interna ordinata
è detta struttura del reticolo cristallino.
NODO
Tre filari non giacenti
sullo stesso piano,
incontrandosi
in punti detti nodi
danno origine
al reticolo cristallino
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2.3
La struttura cristallina dei minerali
L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale
è il risultato della particolare disposizione
degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli.
Questa disposizione interna ordinata
è detta struttura del reticolo cristallino.
CELLA
ELEMENTARE
L’unità
strutturale minima
del reticolo cristallino
è detta
cella elementare
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2.3
La struttura cristallina dei minerali
La forma esterna di un minerale può essere assai variabile,
ma la struttura del reticolo cristallino deve essere la stessa
per tutti gli esemplari di una data specie minerale.
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2.3
La struttura cristallina dei minerali
La struttura cristallina del salgemma (NaCl) è data
da una disposizione geometrica e ordinata in una
cella elementare cubica di ioni Na+ e Cl–.
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2.3
La struttura cristallina dei minerali
Non sempre i cristalli hanno forma geometrica regolare.
Se un minerale si accresce in
poco spazio, i cristalli si sviluppano
in modo irregolare adattandosi
allo spazio disponibile.
Se un minerale ha molto spazio
a disposizione, i cristalli possono
svilupparsi in forme regolari e,
talvolta, gigantesche.
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2.3
La struttura cristallina dei minerali
In base al tipo di particelle di cui sono composti
e all’intensità delle forze di attrazione esistenti fra queste,
i cristalli si possono classificare in:
• ionici, costituiti da cationi e anioni che si alternano
nel reticolo;
• covalenti, costituiti da atomi legati covalentemente
fra loro a formare una rete che si estende
in tutte le direzioni del cristallo;
• metallici, costituiti da cationi, che occupano
le varie posizioni del reticolo, circondati da elettroni
di valenza in movimento e diffusi in tutto il solido;
• molecolari, costituiti da atomi o da molecole neutre
tenute insieme da forze deboli.
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2.4
Fattori che influenzano la struttura dei cristalli
In un solido cristallino devono essere rispettati
due requisiti fondamentali:
1. Le dimensioni delle specie chimiche che si
combinano devono essere tali da potere costituire
un’impalcatura cristallina stabile.
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2.4
Fattori che influenzano la struttura dei cristalli
In un solido cristallino devono essere rispettati
due requisiti fondamentali:
2. Le cariche negative e positive
devono bilanciarsi esattamente, affinché
la cella elementare sia elettricamente neutra.
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2.4
Fattori che influenzano la struttura dei cristalli
Spesso la forma dei cristalli è la combinazione di più forme
semplici, che hanno in comune la stessa cella elementare.
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2.5
Formazione dei minerali
I minerali si possono formare per:
• cristallizzazione da soluzioni magmatiche
solidificatesi per raffreddamento;
• cristallizzazione da soluzioni acquose per evaporazione
del solvente, o per raffreddamento della soluzione;
• cristallizzazione per raffreddamento di vapori
o reazioni tra gas;
• cristallizzazione da fasi solide (cristalline) o amorfe,
con trasformazione allo stato solido di minerali presenti;
• attività degli organismi viventi con produzione
di biominerali.
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2.6
Proprietà fisiche dei minerali
I minerali si identificano attraverso
le loro proprietà fisiche:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
colore;
peso specifico;
sfaldatura;
durezza;
lucentezza;
temperatura di fusione;
magnetismo;
birifrangenza;
fluorescenza;
radioattività.
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2.6
Proprietà fisiche dei minerali
Il colore di un minerale dipende dalla presenza
nella sua struttura di certi atomi:
rame = verde, azzurro;
manganese = rosa, arancio;
ferro = giallastro, rosso, marrone, nero.
Talvolta, lo stesso minerale può presentare colori diversi
a causa di impurità presenti nella sua struttura.
Quarzo ialino
Quarzo citrino
Quarzo rosa
Quarzo ametista
Quarzo affumicato
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2.6
Proprietà fisiche dei minerali
Il colore della polvere di un minerale può
essere diverso da quello del campione macroscopico.
Mentre il colore dei cristalli di un minerale può essere
variabile, quello della polvere è abbastanza costante.
L’ematite può essere rossa, nera o marrone,
ma la sua polvere è sempre rossa.
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2.6
Proprietà fisiche dei minerali
Il peso specifico di un minerale è il rapporto tra il suo peso
e il peso di un uguale volume di acqua distillata a 4 °C.
Dipende dal tipo di atomi che costituiscono il minerale
e dal loro addensamento nella struttura cristallina.
CARNALLITE
densità = 1,6 g/cm3
QUARZO
densità = 2,65 g/cm3
GALENA
densità = 7,6 g/cm3
ORO
densità = 19,3 g/cm3
A parità di volume, alcuni minerali sono più pesanti di altri.
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2.6
Proprietà fisiche dei minerali
La sfaldatura è la caratteristica di alcuni minerali
di rompersi lungo piani di minor resistenza
detti piani di sfaldatura.
La mica si sfalda
in lastre sottilissime
La calcite si sfalda
in romboedri
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2.6
Proprietà fisiche dei minerali
La durezza di un minerale è una misura
della sua resistenza a essere scalfito o abraso.
La durezza si determina per confronto
con una scala standard: la scala di Mohs.
TALCO
durezza = 1
GESSO
durezza = 2
CALCITE
durezza = 3
FLUORITE
durezza = 4
APATITE
durezza = 5
ORTOCLASIO
durezza = 6
QUARZO
durezza = 7
TOPAZIO
durezza = 8
CORINDONE
durezza = 9
DIAMANTE
durezza = 10
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1. 
Minerali e rocce
La scala della durezza di Mohs
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Lupi
2.6
Proprietà fisiche dei minerali
La lucentezza è la capacità di un minerale
di riflettere la luce.
TORMALINA
lucentezza vitrea
PIRITE
lucentezza metallica
CERUSSITE
lucentezza adamantina
OPALE
lucentezza grassa
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2.6
Proprietà fisiche dei minerali
Il magnetismo è la capacità di alcuni minerali
di attrarre materiali ferrosi.
La magnetite è un minerale dotato di magnetismo.
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2.7
Polimorfismo
Il polimorfismo è la caratteristica di due o più minerali
che pur avendo la stessa composizione chimica,
presentano diversa struttura del reticolo cristallino.
DIAMANTE
GRAFITE
Il diamante e la grafite sono costituiti entrambi da carbonio
ma hanno diversa struttura del reticolo cristallino
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2.8
Isomorfismo
L’isomorfismo si verifica quando ioni di elementi
chimici diversi (con raggio ionico e cariche simili)
possono sostituirsi a vicenda, all’interno
dello stesso reticolo cristallino.
Questi elementi si definiscono vicarianti
e il fenomeno dell’intercambiabilità è detto vicarianza.
I minerali che presentano isomorfismo danno vere
e proprie soluzioni allo stato solido di due minerali distinti,
dette miscele isomorfe.
Un esempio di miscela isomorfa rinvenibile in tutte le proporzioni è l’olivina.
L’olivina è un silicato costituito da tetraedri di silicato legati a ioni ferro e magnesio;
questi due ioni sono presenti in percentuali variabili a seconda dei cristalli.
La formula del minerale è (Mg,Fe)2SiO4.
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2.9
Solidi amorfi
Non tutti i minerali sono cristallini,
alcuni sono amorfi o vetrosi.
I solidi amorfi hanno struttura disordinata, simile alla
disposizione che le particelle di una massa gassosa o
liquida assumono in ogni istante.
L’opale, che ha la stessa composizione del quarzo, non è cristallino,
ma un idrogel di silice amorfa simile a una gelatina indurita.
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2.9
Solidi amorfi
Le sostanze cristalline sono in genere anisotrope:
cioè in esse grandezze fisiche, come la dilatazione termica
o certe proprietà ottiche, assumono valori diversi
a seconda della direzione considerata.
Le sostanze amorfe sono invece isotrope, cioè presentano
le stesse caratteristiche fisiche in tutte le direzioni.
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