Durezza

Corso di laurea triennale in Chimica
a.a. 2011-2012
Proprietà fisiche dei minerali
Le proprietà fisiche dei minerali sono l’espressione delle relazioni esistenti fra
la struttura cristallina del minerale e la sua composizione chimica.
Docente: Ernesto Mesto
e-mail: [email protected]
Website: www.geo.uniba.it/mesto.html
Classificazione dei Minerali
Diverse sono le proprietà che caratterizzano i minerali e rendono possibile la loro
identificazione.
Chimica:
Strutturale:
Classificazione strutturale dei silicati
Silicati:
Elementi nativi
Nesosilicati
Solfuri (S)
Sorosilicati
Solfosali (AsS)
Ciclosilicati
Ossidi (O)
Inosilicati
Idrossidi(OH)
Fillosilicati
Alogenuri (Cl, F, Br, I)
Tectosilicati
Carbonati (CO3)
Solfati(SO4)
Fosfati (PO4)
Nitrati, Borati,Tungstati, Molybdati, Arsenati,Vanadati...
Identificazione di un minerale attraverso le proprietà fisiche
Proprieta’ osservabili alla scala macroscopica ….. alcune richiedono solo un esame visuale:






Forma cristallina e abito
Concrescimenti, geminazioni e striature
Stato di aggregazione
Lucentezza, colore e colore della polvere
Altre proprieta’ dipendenti dalla luce
Sfaldatura
Microspopio petrografico
……altre richiedono strumenti semplici
• Durezza
• Magnetismo
• Radioattività
Schema di un contatore
Geiger per la misura
della radioattività
In alcuni casi questo porta ad un’identificazione sicura, in altri casi si rende necessario
ricorrere ad analisi più approfondite (analisi chimica, diffrazione ai raggi X).
Forma cristallina e abito
Comunemente per forma si intende l'aspetto
esterno di qualcosa, mentre in cristallografia
l'aspetto esterno viene indicato con il termine
abito. La forma cristallina è un gruppo di facce di
un cristallo, ciascuna delle quali ha la stessa
relazione con gli elementi di simmetria (intrinseci
al cristallo). Abito cristallino invece indica
l'aspetto complessivo di un cristallo, compresi gli
abiti dovuti all'irregolarità della crescita.
Forme distorte del cubo e dell'ottaedro
Le celle cubiche del cloruro di sodio, halite, si
impacchettano in forme cubiche, ottaedriche e
intermedie.
La vera simmetria spesso non è evidente e le
forme delle facce equivalenti sono spesso
disuguali perciò la forma del cristallo appare
distorta.
Concrescimenti e geminazioni
Il concrescimento di più cristalli può essere casuale o geometricamente definito, se è
geometricamente definito possiamo avere concrescimenti paralleli e geminati.
Concrescimento parallelo: aggregato di cristalli della stessa specie minerale con gli assi
cristallografici e le facce parallele.
Concrescimento geminato: aggregato simmetrico di due (o più) cristalli della stessa sostanza;
i due o più individui sono legati tra loro da un elemento di simmetria (in genere un piano di
simmetria o un asse di rotazione) assente nel cristallo non geminato.
Geminati per contatto (Quarzo)
Geminati per compenetrazione (Ortoclasio)
Lucentezza
Indica l'aspetto della superficie di un minerale in luce riflessa. I due tipi di lucentezza sono metallica e nonmetallica, ma non esiste una netta separazione tra i due. La lucentezza metallica è quella dei minerali che
non si lasciano attraversare dalla luce neanche in spessori sottili come il rame, l'oro ecc.; se i minerali si
lasciano attraversare dalla luce abbiamo una lucentezza non-metallica. I minerali con lucentezza intermedia
sono detti submetallici. Per i minerali con lucentezza non-metallica abbiamo le seguenti distinzioni:
Vitrea: tipica di un frammento di vetro. E' comune nel quarzo e in molti minerali non-metallici.
Resinosa o cerosa: lucentezza di un pezzo di resina. Comune nei campioni di blenda.
Perlacea: iridescente come quella delle perle.
Grassa: appare come se la superficie fosse coperta di un sottile velo di olio. Deriva dalla diffusione della luce
sulla superficie microscopicamente ruvida.
Serica: descrive la lucentezza di una matassa di seta. Un esempio è la varietà fibrosa del gesso detta sericolite.
Adamantina: "con la lucentezza del diamante" . E' mostrata da alcuni minerali che hanno un elevato indice
di rifrazione.
A: Tipica lucentezza metallica del minerale pirite (un
solfuro di ferro), dal caratteristico colore gialloottone; è perfettamente riconoscibile anche l’abito
cristallino (un solido con dodici facce pentagonali).
B: Un esempio di lucentezza non metallica (di tipo vitreo) in una delle
numerose varietà cromatiche del quarzo, un tipico minerale
allocromatico: ametista, dallo Stato del Guerrero (Messico); grandezza
naturale.
Colore
E' caratteristico per alcuni minerali e serve come proprietà
diagnostica.Tuttavia in molti minerali il colore è una delle
proprietà diagnostiche più mutevoli e meno affidabili.
Nell'identificazione di minerali con lucentezza metallica è
importante avere una superficie di frattura fresca con cui
confrontare una superficie più ossidata (ad es. la galena,
PbS, appena fratturata ha un colore brillante grigio piombo
buastro ma diventa opaco ossidandosi all'aria). La maggior
parte dei minerali con lucentezza non-metallica varia
ampiamente di colore. Solo alcuni hanno un colore costante
come la malachite, Cu2(CO3)(OH)2 (verde); l'azzurrite,
Cu3(CO3)2(OH)2 (blu); la turchese,
CuAl6(PO4)4(OH)8·4H2O, (blu verdastro). I minerali usati
come gemme quali corindone, berillo, quarzo e molti altri
hanno molti colori.
Azzurite
Turchese
Malachite
La reazione dei minerali alla luce ultravioletta
a onde lunghe (366nm), in particolare risalta
il colore rosato della calcite (CaCO3) e il
colore arancione del pezzo centrale: wernerite
[Ca4(Si, Al)12O24(CO3,SO4)]. Anche gli altri
minerali cambiano colore
Striscio
Lo striscio consiste nello strusciare il minerale su un piastrella di porcellana bianca
ruvida chiamata tavoletta da striscio e quindi si osserva il colore della polvere formata.
La durezza della tavoletta è circa 7 per cui i minerali più duri non avranno striscio.Tale
osservazione è particolarmente utile nello studio dei minerali metallici.
L’ematite (nera), Fe2O3, con lucentezza argentea
ha uno striscio rosso.
La maggior parte dei minerali non-metallici ha
uno striscio biancastro (anche se i minerali
dovessero presentarsi colorati).
Sfaldature
E’ la proprietà di molti minerali di rompersi
secondo superfici piane (parallele a facce del
cristallo).
A seconda della perfezione della superficie
generata e della facilità nel provocarla, viene
definita: perfetta o imperfetta, facile, distinta,
difficile, incerta, …..
a)cubica - b)ottaedrica - c)dodecaedrica d)romboedrica - e)prismatica e pinacoidale f)pinacoidale
La sfaldatura avviene secondo piani paralleli a facce reali o possibili del cristallo, cioè
secondo piani razionali. Se si ha sfaldatura secondo una faccia di una forma semplice,
la si ha pure secondo tutte le altre facce che compongono la forma semplice stessa, per
cui se la forma semplice è chiusa, si può ottenere sottoponendo un cristallo a
sollecitazioni meccaniche un così detto solido di sfaldatura, delimitato dalle facce in
questione.
La possibilità di sfaldature è spesso rilevabile sui campioni di minerali dalla presenza
sulle facce di serie di incrinature (tracce di sfaldatura), le quali risultano parallele ai
piani secondo cui avviene la rottura. Le tracce di sfaldatura sono un utile strumento
diagnostico per il riconoscimento e la distinzione di numerosi minerali (ad esempio
anfiboli e pirosseni).
Frattura
Numerosi minerali, come ad esempio il quarzo e l'opale, non si sfaldano in
nessuna direzione; la maggior parte di essi si spezza irregolarmente.
I mineralogisti distinguono vari tipi di frattura in dipendenza della natura delle
superfici che si formano:
frattura concoide (da conchiglia, con superfici curve a contorno irregolare quarzo)
scagliosa (con superfici formate da particelle lamellari - gesso, talco)
scheggiosa (con superfici cosparse di schegge o fibre - pectolite)
uncinata (con superfici mostranti punte - metalli)
terrosa (con superfici cosparse di granuli minuti - materiali argillosi)
concoidale
scheggiosa
Tenacità
Alla maggiore o minore resistenza alle sollecitazioni meccaniche si ricollega la
definizione di tenacità di un minerale. Da questo punto di vista i minerali possono
classificarsi in:
fragili, se facilmente fratturabili (galena, quarzo)
settili, se facilmente tagliabili con una lama (gesso, calcosina)
malleabili e duttili, se facilmente riducibili in lamine o fili (rame, oro)
flessibili, se capaci di deformazioni plastiche (talco)
elastici, se capaci di deformazioni elastiche (miche).
Durezza
Per durezza si intende generalmente la
resistenza opposta da un minerale ad essere
scalfito e non va confusa con la fragilità.
I minerali dal punto di vista della durezza
furono in un primo tempo divisi in tre categorie:
teneri, semiduri e duri a seconda che si
lasciassero scalfire dall'unghia, da una punta di
acciaio, o nemmeno da questa.
Mohs propose nel 1832 una scala di 10 termini a durezza crescente.
Essa è costituita dai minerali seguenti:
Scala di Mohs
È la resistenza alla scalfittura (incisione)
durezza
Scala di Mohs
Basandosi su questa scala si dice ad esempio che un minerale ha durezza 8 1/2 se
è capace di scalfire il topazio, ma è scalfito dal corindone.
La scala di Mohs è una scala empirica, che tuttavia è tuttora in uso a scopi di
riconoscimento di minerali per la semplicità con la quale può essere fatta la
determinazione, una volta che uno sia in possesso della serie di dieci minerali
sopra elencata.
Ha tuttavia il difetto di considerare la
durezza come una proprietà scalare, mentre
in realtà la durezza è una proprietà fisica
vettoriale, anche se la sua variazione con la
direzione non è in genere eccessiva per lo
meno se il minerale non presenta nette
sfaldature.
Kyanite , Al2OSiO4
Halite, NaCl
Scala di Mohs
La durezza (H) e’ una proprieta’ vettoriale
In generale:
Argilla costituita principalmente da allumino-silicati
idrati appartenenti alla classe dei fillosilicati. Le
1. I mineral idrati sono teneri (H<5)
scogliere di Gay Head nell'isola di Martha's Vineyard
2. Alogenuri, carbonati e fosfati sono teneri (H< 5½) sono composte interamente di argille
3. I solfuri sono teneri (H<5) con l’eccezione della pirite (H<6-6½)
4. Gli ossidi anidri ed i silicati sono generalmente duri (H>5)
La stannite, Cu2FeSnS4, è un minerale
(solfuro di rame ferro e stagno), conosciuta
anche come volfsonite
Il rutilo è un minerale, spesso in forma
cristallina, di ossido di Titanio,TiO2.
Il termine granato, X3Y2(SiO4)3, designa un gruppo
di minerali nesosilicati, di cui alcuni in uso fin
dall’età del bronzo come gemme, trovati nei gioielli
degli antichi egiziani, greci e romani.
Durezza assoluta
La durezza di questi minerali campione può essere determinata anche con tecniche più precise di
una semplice scalfittura e questo definisce una scala assoluta di durezze:
La scala di Rosiwal (sviluppata nel 1896
dall'austriaco August Rosiwal) è un'evoluzione della
scala di Mohs che viene utilizzata per identificare la
durezza assoluta di un minerale.
In questa scala viene attribuito il valore di 1000 alla
durezza del corindone e la durezza degli altri
minerali viene determinata con prove di laboratorio
che misurano la loro resistenza all'abrasione.
La seguente tabella fornisce la durezza misurata nella
scala di Rosiwal dei minerali di riferimento della
scala di Mohs.
Confronto fra la scala di durezze relative di Mohs e misure assolute della durezza
Proprietà meccaniche
Riepilogando…
Durezza
 Resistenza alla incisione
 Scala relativa a 10 minerali comuni: scala Mohs < 2-2.5 =
tenero (rigato dall’unghia)
 < 5-5.5 = semiduro (rigato dal coltello)
 > 5 = duro (riga il vetro)
 > 7 = durissimo (riga la porcellana)
Frattura
 Rottura su superficie irregolare in seguito a sollecitazione
meccanica
 concoide, irregolare, scheggiosa, ruvida, terrosa, pian
Sfaldatura
 Rottura su superficie regolare in seguito a sollecitazione
meccanica
 perfetta/facile, buona/evidente, difficile
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Talco
Gesso
Calcite
Fluorite
Apatite
Ortoclasio
Quarzo
Topazio
Corindone
Diamante
PROPRIETA’ ELETTRICHE
Conduzione elettrica: per migrazione di elttroni o ioni.
Conduttività specifica: σ (ohm-1cm-1): conduttività di un cristallo per unità di area e
unità di lunghezza
𝝈 = � 𝒏𝒊𝒆𝒊𝝁𝒊
Dove n: numero di portatori di carica; e: carica del portatore; m: mobilità del portatore.
Per elettroni e = 1.6 x 19-19 C.
La conduttività ionica p favorita dalle alte temperature.
Conduttività in cristalli ionici
Nel NaCl, dipende dal numero di
vacanze cationiche prodotte per
riscaldamento (intrinseche) o
introduzioni di impurezze
(estrinseche) es. Mn2+.
Migrazione catione-lacuna nel NaCl
che permette la conduzione elettrica
Difetti di Schottky. Sia il catione che l‘anione risultano
assenti dal reticolo. L'assenza di uno solo degli ioni
causerebbe uno squilibrio nelle cariche elettriche.
Nell'esempio del cloruro di sodio, l'assenza dello ione
negativo (Cl-) è compensata elettronicamente
dall'assenza del catione o ione positivo (Na+) non
mostrato.
Per un solido MX il difetto di Schottky è dato daVM eVX;
per un solido MX2 è dato daVM e 2VX (per rispettare
l'elettroneutralità).
Conduttività in cristalli ionici
Conduttività ionici in AgCl:
Difetti di Frenkel
Migrazione interstiziale Ag+.
Migrazione interstiziale di Ag+ per diretta
(1) e indiretta (2).
Percorsi di migrazione
interstiziale per lo ione Ag+.
Difetti di Frenkel. Uno ione (in genere un
catione) si sposta da una posizione regolare
ad una interstiziale. Questi difetti hanno
minore probabilità di formarsi in quanto
hanno una maggiore energia di formazione
rispetto ai difetti di Schottky.
PROPRIETA’ ELETTRICHE
Alle proprietà elettriche si ricollegano i fenomeni di piezoelettricità e di
piroelettricità.
Per piezoelettricità indichiamo la generazione di cariche elettriche sulla
superficie di un cristallo sottoposto a sollecitazione meccanica (compressione,
torsione). Cariche elettriche di segno opposto si determinano alle due estremità di
un asse polare. Il fenomeno è reciproco nel senso che posto in un campo elettrico, il
cristallo si deforma (elettrostrizione). Ad esempio, cristalli di quarzo (gruppo
puntuale 32) se tagliati normalmente ad a, producono questo effetto.
Piezoelettricità
Perché il fenomeno avvenga è tuttavia necessario che fra gli elementi di
simmetria del cristallo sia assente il centro di simmetria, altrimenti la
deformazione indurrebbe tanti dipoli orientati in un senso quanti orientati in
senso opposto e l'effetto sarebbe nullo. Il fenomeno è quindi confinato ai minerali
appartenenti a quelle delle 32 classi cristalline che non sono centrosimmetriche.
1, 2, 3, 4, 6
m, mm2, 3m, 𝟒, 4mm, 𝟒2m, 𝟔,
6mm, 𝟔 2m, 𝟒3m
222, 32, 422, 622, 23, 432
L’alta simmetria intrinseca della classe
praticamente inibisce l’effetto degli
assi polari.
La direzione di pressione o tensione è una direzione polare. Gli assi polari sono quelli la cui
inversione porta a cambiamento di proprietà fisiche (direzioni parallele ed antiparallele
possiedono proprietà differenti).
PIEZOELETTRICITA’ NEI CRISTALLI NATURALI - IL
QUARZO
Alcuni cristalli naturali con proprietà piezoelettriche sono il quarzo, la
tormalina (ciclosilicato) e i sali di Rochelle (tartrato di sodio e potassio).
Il quarzo è un monocristallo di
biossido di silicio con una cella
elementare costituita da tre
molecole di SiO2, posizionate in
modo da costituire un cristallo di
forma esagonale.
Si
O
La cella elementare del quarzo
rappresentata con un modello "ball
and stick" proiettata su (001).
Quarzo dall’Ungheria
Morfologia dei cristalli di quarzo
Assi polari
Assi polari
Si consideri una sezione del
cristallo normale all’asse ottico.
In esso saranno presenti i
seguenti assi di rotazione:
a)
b)
c)
un asse z detto asse ottico,
di simmetria ternaria, il
quale attraversa il cristallo
in tutta la sua lunghezza;
la sezione normale all’asse
z è un esagono;
tre assi meccanici Y di
simmetria binaria, normali
all’asse z e normali,
ciascuno, a due facce
laterali opposte del
cristallo(non sono assi
congruenti con la simetria
ternaria) ;
tre assi elettrici X di
simmetria binaria, normali
ognuno all’asse z e ad un
asse y.
Se si taglia una piastrina rettangolare
di quarzo, in modo tale che le facce
maggiori della piastrina risultino
perpendicolari ad un asse elettrico, e si
sottopongono le due facce maggiori ad
una compressione meccanica, su di
esse si manifestano cariche elettriche
di segno opposto e la quantità di
carica (σ) presente è proporzionale
alla forza applicata (p).
σ = kp;
(k = coefficiente piezoelettrico)
X1
Y2
Y2
X1
Se la forza applicata è di trazione la
polarità delle cariche elettriche si
inverte.
Qualora venga applicata alla
piastrina
una
forza
meccanica
in
direzione
dell’asse meccanico (quindi in
direzione
normale
alla
precedente),
sulle
facce
perpendicolari
all’asse
elettrico si generano ancora
delle cariche elettriche, con la
differenza
che
una
compressione lungo l’asse
elettrico corrisponde ad una
trazione lungo l’asse
meccanico.
Questi
comportamenti hanno il nome
di
effetto
piezoelettrico
diretto.
Se la sollecitazione avviene nella
direzione dell’asse ottico, non si
produce alcuna polarizzazione
elettrica. Se, invece, si sottopone la
piastrina di quarzo ad un campo
elettrico avente la direzione
dell’asse elettrico, si verifica una
dilatazione in questa direzione
(oppure una contrazione, in
funzione del segno della
polarizzazione) proporzionale
all’intensità del campo.. A questo
effetto longitudinale se ne associa
uno trasversale di contrazione (o
dilatazione) lungo la direzione
dell’asse meccanico, indicato come
effetto trasversale. Si tratta
dell’effetto piezoelettrico inverso.
Piroelettricità
E' la capacità di un cristallo di modificare cariche opposte su facce opposte se scaldato. Esempio:
Tormalina (3m).
I cristalli piroelettrici hanno necessariamente un dipolo permanente.
Esistono due tipi di piroelettricità:
•la piroelettricità primaria che si ottiene riscaldando il cristallo impedendone però la
dilatazione termica.
•la piroelettricità secondaria che si ottiene riscaldando il cristallo senza impedirne la
dilatazione termica.
Esiste anche una piroelettricità inversa quando ad un cristallo si applica una differenza
di potenziale si avrà una variazione di temperatura del cristallo stesso.
Tutti i cristalli che sono piroelettrici sono anche piezoelettrici, e alcuni sono
ferroelettrici
Ferroelettricità
Le ceramiche piezoelettriche sono materiali dielettrici dotati di una struttura policristallina ed elevata costante
dielettrica. Esse sono intrinsecamente costituite da microdomini, cioè zone di piccole dimensioni, in cui momenti di
dipolo elettrici sono orientati casualmente e quindi la loro risultante è nulla, impedendo così il verificarsi dell’effetto
piezoelettrico. La direzione dei momenti di dipolo può essere variata sotto opportune condizioni e con particolari
tecniche. La possibilità di variare la direzione dei dipoli è nota con il nome di “ferroelettricità” ed è dovuta a mutue
interazioni di tipo elettrico fra le molecole del materiale che tendono ad allinearsi secondo precise direzioni. Si definisce
ferroelettricità la capacità di un cristallo polare di rovesciare il proprio dipolo elettrico sotto l’applicazione di un campo
elettrico di intensità opportuna (processo di polarizzazione).
+
Campo eletttrico
Alto
potenziale
Dopo la polarizzazione
Prima della
polarizzazione
Durante la polarizzazione
L’effetto piroelettrico e ferroelettrico sono possibili solamente in quei gruppi puntuali le cui operazioni di simmetria non
alterano la direzione del dipolo, ovvero i gruppi 2, 3, 4 e 6; mm2, 3m, 4mm e 6mm (il dipolo giace lungo l’asse unico) e i
gruppi 1 ed m (il momento di dipolo può giacere in infinite posizioni).