MODULO 2 - MUSE - Museo delle Scienze
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I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti Corso di aggiornamento per insegnanti LE ROCCE RACCONTANO I minerali 09 ottobre 2009 Elisabetta Demattio Responsabile attività educative Museo Geologico delle Dolomiti - Predazzo 1 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti I MINERALI Museo Geologico delle Dolomiti - Predazzo - Che cosa sono i minerali? • sono sostanze solide inorganiche • hanno generalmente origine naturale • sono omogenei per proprietà fisiche • presentano composizione chimica tipica e definita (esprimibile mediante una formula) • sono caratterizzati da una regolare e ordinata distribuzione di atomi nello spazio (solidi cristallini) NOTA: eccezioni a queste definizioni di minerale sono presenti in tutti i punti elencati. La definizione ha valore puramente statistico. I minerali sono sostanze solide. Il mercurio, anche se in natura compare allo stato liquido, viene considerato un minerale. I minerali sono sostanze inorganiche e si formano attraverso i processi petrogenetici (di formazione delle rocce) I processi di formazione dei minerali sono di tipo inorganico. I più importanti sono: 1. la cristallizzazione in ambiente magmatico a partire da una massa fusa di tipo silicatico (magma o lava) 2. la precipitazione da una soluzione 3. la trasformazione da altri minerali per variate condizioni di temperatura e di pressione. Tutte le sostanze derivate dalla secrezione di piante o dalla trasformazione e accumulo di organismi non vengono considerate minerali: gli idrocarburi, i sali degli acidi organici, certe paraffine e il carbone. Certi minerali possono avere un’origine in parte organica: molti calcari, rocce costituite essenzialmente da calcite, derivano dall’accumulo di resti scheletrici di organismi marini. Però nonostante questo vengono considerati minerali perché alla loro formazione hanno contribuito profondamente fenomeni geologici inorganici di compressione, dissoluzione e ricristallizzazione (diagenesi). Per alcuni autori certe sostanze organiche come certi idrocarburi pesanti, certi ossalati e l’ambra vengono considerate minerali perché durante la loro formazione vengono consolidate e fossilizzate in tempi lunghi e subiscono la stessa diagenesi della roccia inglobante. (L’ambra è una resina fossile di conifere, è amorfa, di colore da rosso a giallo; spesso presenta inglobati resti di insetti e di vegetali, talvolta visibili in trasparenza.) 2 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti I minerali si formano generalmente mediante processi naturali Sono considerati minerali anche le sostanze solide cristalline inorganiche contenute nelle meteoriti e nei materiali di origine planetaria. Opinione discorde degli autori se le sostanze artificiali solide, inorganiche e cristalline con le stesse caratteristiche dei minerali debbano essere considerate minerali. Per molti autori le sostanze artificiali (derivate dall’attività umana) sintetizzate in laboratorio non vengono considerate minerali fino a quando non si riscontra in natura lo stesso composto e si ha la prova che nella sua formazione non siano intervenuti direttamente né l’uomo, né le piante, né gli animali. Per altri autori le sostanze artificiali ottenute per sintesi nell’industria e nei laboratori e con caratteristiche da minerali, vengono considerate tali. Ad esempio un residuo di fusione. CARATTERISTICHE FISICHE I minerali si presentano omogenei dal punto di vista delle caratteristiche fisiche Le proprietà fisiche rappresentano spesso preziosi indizi per il riconoscimento dei minerali: alcune di esse come il colore, la trasparenza e la lucentezza possono essere valutate direttamente, altre come la densità e la durezza richiedono semplici misure. L’uniformità nelle proprietà fisiche non è però assoluta. Le proprietà fisiche dei minerali si suddividono in due gruppi. Proprietà non direzionali Esse non variano anche se noi variamo la direzione di misura. Sono le proprietà scalari, esprimibili con un numero e con una unità di misura e che non necessitano di specificare la direzione: densità, temperatura di fusione. Ne fanno parte anche le proprietà definite su valutazioni sensoriali e difficilmente esprimibili con un valore numerico. Densità = È massa per unità di volume (g/cm3), numericamente uguale al peso specifico (quante volte il corpo pesa più di un eguale volume di acqua). La densità risulta maggiore nei minerali che hanno gli atomi molto vicini (metalli), bassa quando gli atomi risultano più allontanati (composti con legami covalenti). Si misura con bilancia e contenitore di acqua. leggerissimi leggeri pesanti molto pesanti pesantissimi G<2 g/cm3 G= 2÷3 g/cm3 G= 3÷5 g/cm3 G= 5÷10 g/cm3 G> 10 g/cm3 carnallite, borace quarzo, calcite barite, diamante cinabro, scheelite uraninite, oro Esempi: Pirite 5-5,2 g/cm3, Scheelite 5,9-6,1 g/cm3, Galena 7,2-7,6 g/cm3 3 . I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti Proprietà direzionali o vettoriali Si esprimono non solo con un numero ma occorre specificare anche la direzione nella quale si è effettuata la misura. Nei minerali è presente almeno una di queste proprietà vettoriali. Alcune cambiano bruscamente valore variando la direzione; si dice che queste proprietà sono discontinue, perché non variano sempre in maniera graduale. Altre variano in maniera continua, come quelle determinate dall’attraversamento del corpo da una delle varie forme di energia (luce, calore, elettricità). Anisotropia = variazione delle proprietà fisiche con la direzione (deriva dal fatto che gli atomi sono ordinati in successioni regolari lungo direzioni e su piani del minerale). Velocità di accrescimento, durezza, conducibilità elettrica, proprietà ottiche. (Considerando un cubo di legno con 4 facce parallele alla direzione di accrescimento del tronco e le altre due facce perpendicolari si comprende facilmente questa caratteristica di non uniformità). Esempio della durezza per la quale generalmente le differenze non sono mai molto evidenti a seconda della direzione. Una significante eccezione è costituita dalla cianite, i cui cristalli allungati presentano una durezza simile alla fluorite (4-4,5) se la scalfittura è longitudinale, mentre una durezza tra ortoclasio e quarzo (6-7) se la scalfittura è trasversale. La velocità di accrescimento è in diretta relazione con le caratteristiche del reticolo e del tipo di legame e quindi è discontinua. Proprietà coesive Sono anisotrope discontinue legate alle geometrie del reticolo cristallino. Sfaldatura e frattura Costituisce il diverso comportamento di un minerale sottoposto a rottura e frantumazione. Esso potrà rompersi secondo superfici piane (parallele alle facce cristallografiche) e formare aggregati regolari e geometrici. In questo caso si parla di sfaldatura. Si verifica nei minerali che presentano piani contenenti molti legami e direzioni lungo le quali la coesione è minima. Le sfaldature quando presenti sono generalmente distinte e facili su un piano e meno buone secondo uno o più altri piani ad angolo con il primo, in maniera da dare forme simili a primi o a cubi. Nelle classi di elevata simmetria risultano forme di sfaldatura chiuse come ad esempio cubi per la galena e il salgemma, ottaedri per la fluorite e il diamante, romboedri per la calcite, rombododecaedri per la blenda. La possibilità di sfaldatura può variare da perfetta a impossibile. Diagnostico può risultare l’angolo tra i piani di sfaldatura detto appunto angolo di sfaldatura: ad esempio nei pirosseni è di 90° mentre negli anfiboli è di 120°. La frattura invece non forma frammenti regolari: le superfici di rottura possono essere concoidi (quarzo e ossidiana), irregolari (ortoclasio) o scheggiose. Avviene nei minerali con legami distribuiti in modo più o meno uguale in tutte le direzioni. La tenacità È legata alla coesione reticolare ed è il modo in cui un minerale reagisce ad un’azione meccanica, come schiacciamento, allungamento, ecc. 4 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti fragile malleabile duttile settile flessibile elastico si rompe o si sfalda si appiattisce in fogli può essere tirato in fili può essere tagliato con una lama e forma può essere piegato può essere piegato e ritorna come prima diamante, quarzo oro oro trucioli gesso, cerargite biotite mica La durezza La durezza è una delle proprietà diagnostiche più importanti: è definita come la resistenza che un minerale oppone all’abrasione e alla scalfittura. Dipende dalla coesione ma in maniera diversa dalla tenacità: ad esempio il diamante che è il minerale più duro è anche fragile. La scala più utilizzata è quella empirica di Mohs, basata su dieci minerali presi come termini di paragone: il talco è il più tenero, mentre il minerale di durezza massima è il diamante. Per valutare la durezza di un minerale si possono effettuare dei saggi rigandone la superficie con la punta di un minerale di durezza nota. Se il minerale in esame viene rigato ha una durezza a esso inferiore, se questo non avviene presenta una durezza maggiore. Da notare che nella scala di Mohs la differenza di durezza di termini consecutivi non è proporzionale. Scala di Mohs 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. talco gesso calcite fluorite apatite ortoclasio quarzo topazio corindone diamante Per il saggio della durezza vengono anche utilizzate in modo più pratico delle serie di matite di alluminio con la punta formata da un piccolo frammento di minerale di durezza nota. Si possono utilizzare anche oggetti di uso comune. Si deve avere l’accortezza di incidere una superficie fresca e pulita, possibilmente un piano di sfaldatura e tracciare sempre linee parallele. tenerissimi teneri semiduri duri durissimi rigabili con un’unghia rigabili con un filo di rame rigabili con un temperino difficilmente rigabili con un temperino rigabili con un frammento di vetro non rigabili con una lama di acciaio durezza durezza durezza durezza durezza durezza 1÷2 2÷3 3½÷4½ 5÷6½ 6÷7 =>7 La durezza può cambiare notevolmente con la direzione, soprattutto in alcuni minerali in cui i legami hanno una disposizione decisamente orientata. La cianite risulta durissima in direzione perpendicolare all’allungamento e semidura parallelamente all’allungamento. 5 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti Proprietà elettriche La conducibilità elettrica varia con il tipo di legame, oltre che con la direzione. buoni conduttori mediocri conduttori pessimi conduttori, isolanti elementi metallici, certi solfuri e pochi ossidi la maggior parte degli ossidi quasi tutti i minerali con legami ionici o covalenti Tra i minerali non conduttori ve ne sono alcuni che sviluppano una differenza di potenziale se sottoposti a compressione, trazione o torsione (piezoelettrici) o se sottoposti a riscaldamento (piroelettrici). Quarzo, tormalina, emimorfite. Utilizzati per applicazioni industriali (orologi al quarzo). Proprietà magnetiche Nei cristalli il moto degli elettroni può generare non solo un flusso di corrente elettrica ma anche un campo magnetico. Se poniamo i minerali in un campo magnetico generato dall’esterno (magnete) essi possono avere un comportamento diverso e si indicano come: ferromagnetici paramagnetici diamagnetici magnetopolare = = = = se ne sono fortemente attratti; magnetite e pirrotina se ne sono debolmente attratti se ne sono respinti se sono in grado di mantenere a lungo il magnetismo indotto (diventano calamite); magnetite e in minor misura altri minerali metallici contenenti Fe come biotite, orneblenda, schörlite. Proprietà radioattive Alcuni minerali contengono uranio oppure elementi affini all’uranio (torio, radio) che sono radioattivi ed emettono particelle trasformandosi in altri isotopi o altri elementi: autunite, carnotite, monazite, torbernite, pechblenda, zircone, ecc. 6 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti Proprietà ottiche Il colore Il colore dei minerali, pur essendo un carattere importante, è spesso poco diagnostico se usato da solo. Infatti alcuni minerali presentano tonalità o addirittura colori diversi: ad esempio la fluorite può essere incolore, bianca, rosa, gialla, bruna, verde, azzurra, violetta. In alcuni minerali si è scelta la caratteristica del colore per distinguere le varietà: ad esempio per il quarzo: cristallo di rocca (incolore), quarzo morione (nero), quarzo ametista (violetto). Nei minerali idiocromatici il colore è una proprietà specifica del minerale e può essere utile nella classificazione. Può derivare da un particolare ione che entra nella composizione chimica del minerale (elemento quindi essenziale) oppure derivare dal gioco della luce che può essere riflessa o assorbita in maniera diversa. Azzurrite, lapislazzulo, malachite (dallo ione Cu2+), eritrite (dallo ione Co2+), olivina, almandino (dallo ione Fe2+), rodocrosite (dallo ione Mn2+). Il colore dei minerali opachi (non trasparenti) deriva dalla riflessione di una particolare banda di colore: pirite (giallo oro), calcopirite (giallo ottone), rame (rosso), pirrotina (bronzea), oro, argento, galena. Il colore dei minerali trasparenti deriva dall’assorbimento di una particolare parte della luce e della trasmissione del colore complementare rispetto alla lunghezza d’onda assorbita: gesso, zolfo (giallo). Nei minerali allocromatici il colore deriva da impurezze (elementi non essenziali, contenuti in traccia chiamati ioni cromofori, generalmente metalli di transizione) oppure da difetti nel reticolo cristallino (centri di colore), oppure da impurità fisiche (piccolissime inclusioni o bolle d’aria che deviano la luce). Lo stesso minerale può avere allora colorazioni diverse ma generalmente se puro risulta incolore. Il colore della polvere Il colore della polvere può rivelarsi di notevole aiuto nel riconoscimento in particolare per distinguere tra minerali idiocromatici (a colore proprio) e allocromatici (a colore variabile, non proprio). Lo striscio si ottiene in maniera semplice sfregando il minerale con la superficie ruvida di una scheggia di porcellana. Il colore della polvere dei minerali con colorazione propria (idiocromatici) è normalmente lo stesso del minerale salvo una tonalità più chiara: azzurrite: colore azzurro - polvere blu chiara; lazurite (lapislazzuli): colore blu scuro - polvere blu chiara; crisocolla: colore verde, da verde-blu a blu - polvere verde chiara; atacamite: colore verde, verde scuro, verde nerastro - polvere verde mela; zolfo: colore giallo - polvere giallina o bianca; grafite: colore grigio scuro, nero - polvere grigia metallica scura e brillante; minio: colore da rosso chiaro a bruno rossastro - polvere giallo arancio. 7 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti Talvolta invece i due colori sono diversi, come spesso avviene nei minerali allocromatici i quali sono caratterizzati da una striscia di polvere bianca. pirite: colore giallo, giallo ottone - polvere nero verdastra; ematite: colore nero, grigio-nero, rosso bruno) - polvere rosso ciliegia; galena: colore grigio piombo chiaro o scuro - polvere grigio-nera bluastra; cassiterite: colore bruno, nero, giallo, grigio - polvere bianca, gialla, bruno chiara fluorite: colore vario – polvere bianca A volte ci può aiutare per distinguere minerali simili: magnetite e cromite sono distinguibili perché la polvere della striscia è nera per la magnetite e giallo-bruna o bruna per la cromite. La lucentezza È la capacità dei cristalli di riflettere la luce (dipende dall’indice di rifrazione ma anche dalla perfezione delle facce e dall’assorbimento dei colori). Non è misurabile ma può essere definita tramite il confronto con oggetti conosciuti. Vengono utilizzati i seguenti aggettivi per descriverla: metallica non metallica tipica delle sostanze opache tipica delle sostanze trasparenti (anche submetallica). adamantina vitrea resinosa grassa madreperlacea sericea umida cerea terrosa zircone, cassiterite, blenda quarzo (facce di cristallo) gen. alto indice di rifrazione e colore giallo zolfo, blenda nefelina e quarzo (sulle superfici di frattura) (un po’ iridescente) miche e talco minerali fibrosi; gesso, amianto minerali poco riflettenti che messi in acqua non si vedono più; fluorite calcedonio non riflettenti perché con superficie rugosa. Può rivelarsi molto utile nella classificazione del minerale. Per determinarla occorre osservare il campione ben illuminato e da più lati perché la lucentezza può dipendere dall’angolazione. La superficie deve essere fresca, pulita e senza tracce di alterazione. Birifrazione Fenomeno per il quale un raggio di luce nei cristalli (ad eccezione dei minerali monometrici) si scinde in due raggi di luce (polarizzata linearmente) che vibrano in piani tra loro ortogonali e che si propagano con velocità diverse. È particolarmente evidente nei romboedri di sfaldatura della calcite. Qualsiasi immagine vista attraverso la calcite risulta sdoppiata. Un raggio viene deviato e l’altro no e ruotando il romboedro il raggio straordinario (deviato) ruota attorno all’ordinario (non deviato). 8 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti I minerali hanno composizione chimica tipica e definita Ogni minerale presenta una composizione chimica tipica, esprimibile mediante una formula. Ad esempio: quarzo SiO2. Oro Au Fluorite CaF2 Gesso CaSO42H2O Calcopirite CuFeS2 Ortoclasio KALSi3O8 Augite (Ca,Mg,Fe’’,Fe’’’,Ti,Al)2[(Si,Al)2O6] Heulandite (Na, K, Ca, Sr, Ba)5(Al9Si27)O7226H2O Solo poche specie hanno composizione pressoché fisse (quarzo, rutilo, ecc.). La maggior parte dei minerali ha infatti composizione variabile e intermedia tra estremi (cristalli misti). Esiste inoltre sempre la possibilità che alcuni elementi siano presenti in tracce; tale diffuso fenomeno può dare origine a varietà di colore. Le ROCCE al contrario sono aggregati naturali di minerali per lo più diversi (talvolta anche di sostanze vetrose o sostanze di origine organica) tenuti assieme da forze di coesione e aderenza. Costituiscono sulla Terra masse geologicamente indipendenti e cartografabili. eterogenee omogenee costituite da diversi minerali costituite da un solo minerale, monomineraliche Il granito rosa di Predazzo, per esempio, è una roccia magmatica intrusiva, derivata dal lento raffreddamento di un magma iniettatosi in altre rocce in seguito al collasso del vulcano di Predazzo. I cristalli dei diversi minerali sono riconoscibili a occhio nudo: essi sono essenzialmente k-feldspato (ortoclasio), quarzo e biotite. Il marmo è invece una roccia metamorfica monomineralica costituita quasi completamente da calcite. 9 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti I minerali presentano una regolare e ordinata distribuzione di atomi nello spazio (solidi cristallini) - Il reticolo cristallino Nei minerali gli atomi si ripetono secondo tre direzioni collocandosi tra loro a distanze uguali e tipiche per ogni direzione (operazione di traslazione). Questa ripetizione di atomi nello spazio costituisce il reticolo cristallino. All’interno del reticolo i vari tipi di atomi sono presenti nel medesimo rapporto quantitativo e in posizioni reciproche identiche (ogni posizione occupata dallo stesso tipo di atomo risulta equivalente). Nel modello del reticolo cristallino del cloruro di sodio NaCl (sale da cucina) la posizione degli atomi di sodio è rappresentata da sferette grigie e quella degli atomi di cloro da sferette rosse. In questo caso il reticolo cristallino è doppio, risultando dallo sviluppo di due celle cubiche a facce centrate, una degli atomi di sodio e una degli atomi di cloro. Non tutte le sostanze cristalline sono dei minerali! Anche molte sostanze organiche, come lo zucchero, si presentano in cristalli. L’ordine atomico interno come si manifesta esteriormente? Possiamo averne percezione? Il potere risolutore dell’occhio umano non ci permette naturalmente di vedere gli atomi né le celle che derivano dai loro legami. Il reticolo cristallino però si riflette e si manifesta nel cristallo, un solido omogeneo, che di norma si automodella almeno in parte in una forma poliedrica regolare dotata di facce, spigoli e vertici, seguendo rigidi criteri geometrici dettati dalle caratteristiche del reticolo stesso. Le facce sono: le superfici piane gli spigoli: le linee di intersezione di due facce i vertici: i punti di intersezione di tre o più spigoli gli angoli diedri: gli angoli che le facce formano tra di loro 10 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti Cristalli perfetti, irregolari e sproporzionati Partendo dall’osservazione di un campione di quarzo, viene introdotto l’argomento che solo in condizioni eccezionalmente favorevoli i cristalli possono crescere liberamente nello spazio assumendo forme geometriche perfette dotate di facce regolari su ogni lato e uguali a quelle del solido ideale di cui ricalcano la simmetria. In natura infatti essi vengono ostacolati nella crescita dalla carenza di spazi e appaiono di conseguenza solo parzialmente delimitati da superfici piane e talvolta possono presentarsi quasi completamente informi. Ricordiamo comunque che la condizione cristallina si manifesta necessariamente solo nell’intima disposizione regolare e ordinata degli atomi e non necessariamente nella forma esteriore! L’ambiente di formazione dei minerali può influenzare non solo la presenza di elementi del cristallo ma anche il reciproco sviluppo di essi, in particolar modo delle facce. Infatti solo molto raramente i minerali presentano forme perfettamente armoniche: ad esempio quarzo con abito prismatico regolare. Spesso sono sproporzionati con le facce sviluppate in maniera diversa. L’aspetto essenziale che rimane comunque costante è il valore dei vari angoli tra le facce. Idealmente è infatti possibile formare l’immagine di un cristallo regolare a partire da uno sproporzionato solamente spostando le facce parallelamente a se stesse e avvicinandole al centro. Legge sulla costanza dell’angolo diedro (Nicola Stenone, 1667): in tutti i cristalli di una stessa sostanza, a parità di temperatura e di pressione, gli angoli diedri che le stesse facce fanno tra di loro, sono sempre uguali. Dimensioni dei cristalli Se le condizioni ambientali lo permettono (presenza di spazio sufficiente e disponibilità di ioni costituenti) i cristalli possono raggiungere dimensioni enormi e peso di svariati quintali. I più famosi in assoluto sono sicuramente i cristalli giganti del Brasile. Generalmente questo non accade ed essi presentano dimensioni molto variabili. Alcuni sono così piccoli da essere riconoscibili solo al microscopio: sostanze microcristalline (calcedonio, agata); altri ancora sono riconoscibili solo utilizzando strumentazioni particolari come i raggi X o il microscopio elettronico: sostanze criptocristalline (minerali argillosi). 11 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti L’ordinamento degli atomi La distribuzione regolare e ordinata degli atomi si realizza solamente secondo 14 diverse celle elementari, i più piccoli raggruppamenti geometrici di atomi che ripetendosi nello spazio formano i reticoli cristallini di tutti i minerali. Nei modelli delle celle elementari le sferette rappresentano le posizioni degli atomi. Combinando opportunamente gli elementi di simmetria spaziale (24) con i reticoli elementari (14) si ottengono 230 distribuzioni di punti nello spazio limitate da celle elementari, tutte le possibili distribuzioni che gli atomi possono assumere nei minerali. Ecco la lista delle 14 celle elementari e alcuni minerali che le rappresentano: 1. cubica primitiva: 2. cubica a corpo centrato: 3. cubica a facce centrate: 4. tetragonale primitiva: 5. tetragonale a corpo centrato: 6. rombica primitiva: 7. rombica a corpo centrato: 8. rombica a basi centrate: 9. rombica a facce centrate: 10. monoclina primitiva: 11. monoclina a basi centrate: 12. triclina: 13. esagonale: 14. romboedrica: granato almandino fluorite, blenda, rame, galena, salgemma vesuvianite, gehlenite wulfenite, calcopirite, scheelite cerussite, barite, aragonite dawsonite anidrite natrolite azzurrite diopside, epidoto, gesso, biotite, ortoclasio albite berillo, apatite, zinco, molibdenite rodocrosite, dioptasio, tormalina, dolomite, calcite, ematite. 12 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti Forma esterna dei cristalli, celle elementari e reticoli cristallini I minerali spesso non riflettono nella forma esterna quella della loro cella elementare: un cristallo con cella cubica può non presentare la forma esterna di un cubo: le celle cubiche del suo reticolo si possono infatti organizzare le une sulle altre per formare un ottaedro oppure un tetraedro, senza mancare ai principi geometrici caratteristici. Quali caratteristiche accomunano allora i cristalli e le loro celle elementari? Quello che un cristallo esprime della propria cella elementare è la simmetria. Essa è definita come la ripetizione regolare di parti geometricamente identiche del cristallo come facce, spigoli e vertici. Cristalli cubici di fluorite CaF2 di colore violetto e un unico cristallo ottaedrico anch’esso di fluorite (forma di sfaldatura). Modelli: il modello della cella elementare cubica a facce centrate, caratteristica della fluorite, dove le sferette rappresentano le posizioni degli atomi di calcio; il modello del reticolo cristallino della fluorite, dove le sferette grigie rappresentano la posizione degli atomi di calcio (riconoscibile quindi la cella elementare cubica a facce centrate all’interno del reticolo) e le sferette rosse rappresentano le posizioni degli atomi di fluoro. Le sostanze vetrose A differenza dei minerali esse non presentano composizione chimica definita, non sono omogenee per proprietà fisiche e chimiche e soprattutto sono amorfe, termine che indica la mancanza di una regolare disposizione tridimensionale degli atomi (mancanza di reticolo cristallino). Alcune di queste sostanze hanno origine naturale come i vetri vulcanici ossidiana e pomice, rocce costituite prevalentemente da sostanze amorfe. L’ossidiana si origina sulla superficie terrestre quando una lava fluida povera di gas si solidifica così rapidamente da impedire agli atomi costituenti di organizzarsi nello spazio secondo un ordine stabilito. Quando si rompe si staccano schegge aventi superfici arrotondate: è la tipica frattura concoide dei vetri. Pseudomorfosi Questo fenomeno avviene quando un minerale conserva la propria forma cristallina originaria pur venendo sostituito da uno o più specie diverse. Le pseudomorfosi si riconoscono spesso per avere proprietà fisiche diverse da quelle del minerale di partenza: ad esempio la pseudomorfosi di talco su spinello è facilmente riconoscibile per il diverso colore e per la differente durezza, essendo il talco molto più tenero. Sono relativamente comuni per i minerali della Valle di Fassa. pseudomorfosi di vesuvianite su gehlenite pseudomorfosi di quarzo su analcime pseudomorfosi di anfibolo su pirosseno (Uralite) psmf. di talco (var.steatite) su spinello 13 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti Polimorfismo In relazione alle condizioni ambientali di formazione una stessa sostanza di composizione chimica definita può organizzarsi secondo differenti reticoli cristallini e presentarsi sotto forme distinte, ciascuna stabile per determinate condizioni di temperatura e pressione. Tali strutture vengono chiamate polimorfi o modificazioni polimorfe e presentano proprietà fisiche e grado di simmetria diversi. Ad esempio il carbonato di calcio CaCO3 può formare due tipi di minerali: l’aragonite e la calcite. Nei modelli dei rispettivi reticoli le sferette grigie rappresentano gli atomi di calcio, le nere di carbonio e le rosse di ossigeno. Un caso particolare di polimorfismo è quello assai raro che presenta due forme dotate di due tipi diversi di legame, come avviene per il carbonio con i suoi due polimorfi: il diamante, che si origina in ambiente di alta temperatura e di alta pressione e che per questo presenta struttura molto compatta e la grafite di bassa pressione e bassa temperatura, molto tenera. Isomorfismo Due o più sostanze a composizione chimica completamente diversa possono tuttavia avere una caratteristica in comune: esse possono presentare una formula chimica simile (per le proporzioni tra i loro atomi costituenti: ad esempio secondo la formula generica XY, come NaCl salgemma=cloruro di sodio e PbS galena=solfuro di piombo) e possono inoltre cristallizzare formando lo stesso tipo di reticolo cristallino, dando vita a forme esterne pressoché identiche. Di conseguenza vengono chiamati minerali isomorfi i minerali che pur avendo una composizione chimica diversa presentano forme cristalline molto simili. Serie isomorfe Il fenomeno delle serie isomorfe (della stessa forma) può esistere quando due sostanze sono molto simili nella formula chimica e presentano lo stesso reticolo cristallino. Quando due sostanze isomorfe A e B presentano ognuno almeno un tipo di atomo molto simile a quello dell’altro (per dimensioni e per carica elettrostatica), alcuni atomi tipici per il minerale A potranno entrare nella formazione del reticolo di B e viceversa, senza che né il reticolo né la forma cristallina vengano ad assumere sostanziali differenze (fenomeno della vicarianza). Come conseguenza potranno esistere in natura i due minerali A e B, detti termini puri o estremi (in realtà abbastanza rari) ma anche tutta una serie di minerali detti termini intermedi o soluzioni solide (con composizione variabile nella percentuale degli atomi vicarianti e che sono in definitiva una mescolanza dei termini estremi). Un esempio semplice riuscirà a chiarire il fenomeno: la serie isomorfa delle olivine, dove gli atomi vicarianti sono quelli di magnesio e di ferro, con carica elettrostatica uguale (2+) e con raggio ionico comparabile: dal termine estremo ricco di Mg e privo di Fe, la forsterite Mg2SiO4, si passa attraverso i termini intermedi indicati da un tipo particolare di formula che esprime la vicarianza di Mg e di Fe cioè (Mg, Fe)2SiO4, fino ad arrivare all’altro termine estremo, quello ricco di Fe e privo di Mg, la fayalite Fe2SiO4. ⇔ (Mg, Fe)2SiO4 ⇔ Fe2SiO4. Mg2SiO4 forsterite termini intermedi fayalite Il fenomeno della vicarianza e quindi della possibilità di termini intermedi e di miscele isomorfe è presente nei gruppi di minerali più diffusi come pirosseni, anfiboli, miche e feldspati. Un esempio è la serie isomorfa di un gruppo di pirosseni che presenta come termini estremi il diopside e l’hedenbergite e alcuni termini intermedi come l’augite diopsidica, l’augite e una varietà di augite, la fassaite. 14 I MINERALI - Demattio Elisabetta - Museo Tridentino - Museo Geologico delle Dolomiti Forma, tratto e abito cristallino Per riconoscere un minerale a volte è sufficiente l’attenta osservazione di caratteristiche visibili ad occhio nudo come le caratteristiche fisiche e la forma dei cristalli. La forma nei minerali significa l’insieme delle facce fisicamente equivalenti: vale a dire l’insieme originato dagli elementi di simmetria ripetendo una faccia particolare. Alcune forme sono chiuse come il cubo, altre sono aperte come il prisma e il pinacoide. Si definisce tratto del cristallo la combinazione di tutte le sue forme (derivanti dalle facce presenti). Un esempio è il prisma tetragonale con pinacoide basale. Tratto: prisma tetragonale con pinacoide basale Abito prismatico Abito tabulare Abito aciculare L’abito del cristallo è l’aspetto che viene determinato dallo sviluppo relativo delle facce e dalla prevalenza di una o più forme sulle altre. Geode e drusa Con questi termini sono indicate cavità naturali delle rocce che vengono riempite secondariamente e in modo incompleto di minerali (il centro della cavità rimane beante). Il termine geode si riferisce a un tipo di cavità grossomodo rotondeggiante od ovoidale, particolarmente comune nelle rocce di tipo magmatico effusivo (nelle lave), dove si origina da una bolla di gas intrappolata dalla massa fusa che si sta solidificando in roccia. Essa viene riempita secondariamente da cristalli, molto spesso di quarzo, che si accrescono dalla superficie interna verso il suo centro. La geode di quarzo esposta si presenta quasi perfettamente sferica, quella vicina si presenta ovoidale e per le piccole dimensioni potrebbe rivelarsi completamente riempita di cristalli. Una drusa è invece una cavità di forma allungata e appiattita che si origina per fessurazione della roccia in seguito al raffreddamento nel caso di rocce magmatiche oppure in seguito a movimenti tettonici. Al suo interno i minerali si dispongono per lo più parallelamente gli uni agli altri e perpendicolarmente alla parete della cavità. L’aggregato parallelo esposto costituiva parte di una drusa di quarzo. L’accrescimento Cristalli isolati caratterizzati da facce cristalline regolari su ogni lato sono molto rari. Si possono formare ad esempio su rocce molto tenere, come i cristalli di gesso nelle argille. Vengono chiamati biterminati perché non sono cresciuti appoggiati ad una base. Generalmente i cristalli si accrescono almeno appoggiati su una superficie e quindi solo una parte delle facce si può formare completamente. NOTA: in questa guida si è scelto volutamente di non utilizzare il termine “ioni”, ma semplicemente parlare anche se in modo non scientificamente corretto di “atomi” o di “particelle”, con lo scopo di non rendere ulteriormente pesanti gli argomenti trattati e di non generare confusioni. 15
