I MATERIALI DELLA LITOSFERA: I MINERALI E LE ROCCE
Dagli atomi alle rocce
I materiali di cui è fatta la crosta terrestre si sono formati a partire dai differenti tipi di atomi, circa una
novantina, ricevuti in dotazione dalla Terra al momento della sua formazione.
Dalle svariate combinazioni di queste unità costitutive di base derivano le sostanze, tipi di materia che
presentano determinate caratteristiche
ATOMI
fisiche e una precisa composizione chimica.
Una sostanza formata da atomi dello
stesso tipo è un elemento chimico: per
SOSTANZE
esempio, l’ossigeno (O), il ferro (Fe), lo
zolfo (S).
Una sostanza formata da due o più atomi
differenti è un composto: per esempio
ELEMENTI
COMPOSTI
l’acqua, H2O, è formata da due atomi di
idrogeno (H) e uno di ossigeno, il quarzo o
MINERALI
diossido di silicio, SiO2, è formato da un
atomo di silicio (Si) e due atomi di
ossigeno.
ROCCE
Elementi e composti sono i costituenti
della parte superficiale solida della Terra, ove sono presenti come minerali di aspetto generalmente
cristallino, che si aggregano formando le rocce.
Raramente gli elementi chimici si presentano in forma pura, cioè come elementi nativi: è il caso
dell’argento, dell’oro, del platino, del rame, dello zolfo e del carbonio (in forma di diamante e grafite). Nella
maggior parte dei casi gli elementi sono combinati tra loro in composti.
Dall’analisi chimica delle rocce si è scoperto che l’elemento più abbondante nella crosta terrestre è
l’ossigeno, l’elemento più abbondante anche nel corpo umano; seguono nell’ordine: silicio, alluminio, ferro,
calcio, sodio, potassio e magnesio. Nel loro insieme, questi otto elementi costituiscono circa il 98% della
crosta terrestre.
Distribuzione elementi della crosta terrestre
Calcio (Ca) 3,50%
Ferro (Fe)
5%
Altri 2,10%
Sodio (Na) 2,80%
Ossigeno (O)
Magnesio (Mg) 2,10%
Silicio (Si)
Potassio (K) 2,50%
Alluminio (Al)
Alluminio (Al) 8%
Potassio (K)
Ossigeno (O)
46,50%
Magnesio (Mg)
Sodio (Na)
Silicio (Si)
27,50%
Calcio (Ca)
Ferro (Fe)
Altri
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I minerali
Solidi cristallini e solidi amorfi
I minerali,, del cui studio si occupa la mineralogia,, sono sostanze solide caratterizzate da una composizione
chimica definita e costante,, e che in genere hanno forma di cristalli (o come si dice hanno un abito
cristallino): sono perciò definiti solidi cristallini.
cristallini
I cristalli possiedono un aspetto esterno geometrico ben definito che corrisponde idealmente a quello di un
poliedro (cubo, romboedro,
boedro, ottaedro ecc.).
Questo perché i costituenti di un cristallo (atomi, ioni o molecole), all’atto della formazione, si dispongono
in una struttura ordinata, il reticolo cristallino,
cristallino, che si può pensare come il risultato della ripetizione
periodica nello
o spazio di una unità chiamata cella elementare.
Di seguito è riportata la struttura cristallina del salgemma,, costituito da cloruro di sodio proveniente da
depositi minerari; possiamo osservare cristalli simili a quelli della figura 1.a esaminando con una lente del
comune “sale grosso” da cucina. La struttura cristallina è tipica di ogni minerale e può essere utilizzata per
la sua identificazione.
Figura 1.a
Figura 1.b
Figura 1.c
Figura 1.a: cristalli di salgemma (cloruro di sodio, NaCl)
Figura 1.b-1.c: due rappresentazioni della sua struttura cristallina: gli atomi di cloro e di sodio sono in realtà
presenti come ioni Na+ e Cl-.
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Nella figura seguente sono presentati alcuni minerali in cui è ben evidente la forma geometrica dei
rispettivi cristalli.
Pirite
(solfuro di ferro)
Berillo
(silicato di alluminio
e berillio)
Quarzo
(diossido di silicio)
Wulfenite
(molibdato di piombo)
Alcuni elementi, a seconda delle condizioni in cui si formano, possono presentare più di una struttura
cristallina.
Per esempio, la grafite presente nel carbone fossile e il diamante, sono entrambi minerali formati
esclusivamente da carbonio, ma la loro struttura cristallina è molto diversa, perché è diversa la disposizione
spaziale dei loro atomi: questo spiega anche perché il diamante è durissimo e trasparente, mentre la
grafite, usata per esempio nelle mine delle matite, è tenera e assolutamente opaca alla luce.
I cristalli dalle forme perfette sono comunque rari: occorre infatti che il loro processo di formazione si
svolga in condizioni di temperatura e pressione costanti e per un periodo di tempo sufficientemente lungo;
soltanto in questo modo il loro aspetto finale potrà riflettere l’ordinata geometria dei loro reticoli cristallini.
Nella maggior parte dei casi, però, un cristallo cresce in una situazione disturbata, e il suo aspetto finale
sarà imperfetto. Spesso, inoltre, i cristalli rimangono di dimensioni microscopiche.
Non tutti i minerali sono cristallini. Talvolta le condizioni ambientali o la scarsità di tempo disponibile
impediscono che gli atomi possano disporsi nella corretta posizione in un reticolo cristallino: in questi casi si
forma un solido amorfo, nel quale le particelle costituenti sono disposte in modo disordinato e casuale; ne
sono esempi il vetro e le sostanze vetrose minerali come l’ossidiana.
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Come si formano i minerali
I minerali si formano spesso per raffreddamento e solidificazione di masse fuse che costituiscono il magma,
il materiale che proviene dall’interno della Terra. Talvolta il magma risale nei condotti dei vulcani e viene
eruttato come lava; in altri casi rimane intrappolato al di sotto della superficie e si raffredda lentamente: è
in queste condizioni che gli atomi degli elementi chimici hanno modo di aggregarsi in strutture cristalline.
In altri casi i minerali si formano per precipitazione dei sali disciolti, ad esempio nelle acque marine e
lacustri, in seguito all’evaporazione dell’acqua per opera del riscaldamento solare: in questa circostanza la
concentrazione dei sali aumenta fino a superare il limite della quantità di sali che possono rimanere in
soluzione. La quantità in eccesso allora si deposita in forma di solidi cristallini, come avviene per il gesso e il
salgemma; avrete forse anche voi osservato nelle pozze d’acqua sulle scogliere la presenza di cristalli di
sale.
Certi minerali, infine, hanno un’origine idrotermale, in quanti si formano per precipitazione a partire da
acque calde sotterranee ricche di sali in soluzione che invadono fessure e cavità delle rocce.
Le proprietà fisiche dei minerali
I minerali possiedono una serie di proprietà fisiche che possono fornire utili indicazioni per il loro
riconoscimento; di seguito accenniamo ad alcune tra le più importanti.
•
•
Peso specifico. È una delle principali proprietà per il riconoscimento dei minerali, misurata
confrontando il peso del minerale con quello di un uguale volume di acqua. Quasi tutti i minerali
hanno un peso specifico maggiore dell’acqua. Minerali come il quarzo e la calcite hanno peso
specifico uguale circa a 3. I minerali ricchi in elementi metallici pesanti hanno peso specifico uguale o
superiore a 5; per esempio, la galena, contiene, piombo, ha peso specifico superiore a 7, l’oro
maggiore di 19.
Durezza. Rappresenta la resistenza di un minerale a essere scalfito e dipende dalla “forza” dei legami
chimici tra le sue particelle. Alcuni minerali possono essere scalfiti con la punta di un’unghia, altri con
la punta di un coltello di acciaio, altri ancora non si riescono a scalfire né con l’una né con l’altra.
Tenendo conto di questo comportamento, è stata approntata una scala empirica della durezza, detta
scala di Mohs, che permette di determinare per semplice confronto la durezza dei minerali . La scala
di Mohs è composta da 10 minerali scelti come “indici”, disposti in ordine crescente di durezza: il
primo, quello più tenero, è il talco, l’ultimo è il diamante, il minerale più duro esistente in natura.
Ogni minerale considerato nella scala
La scala della durezza di Mohs
scalfisce i precedenti e viene scalfito dai
DUREZZA
MINERALI INDICI
CARATTERISTICHE
1
talco
si scalfiscono facilmente successivi.
2
3
4
5
6
7
8
9
10
gesso
calcite
fluorite
apatite
ortoclasio
quarzo
topazio
corindone
diamante
con l’unghia
si scalfiscono facilmente
con una punta d’acciaio
non si scalfiscono con
una punta d’acciaio
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La durezza di un minerale può essere
stabilita verificando per prima cosa se si
riesce a scalfirlo con l’unghia o con un
coltello di acciaio e quindi provando a
scalfirlo con i minerali della scala che
hanno un comportamento simile: per
esempio, se un minerale viene scalfito dal
quarzo, ma non dall’ortoclasio si può
concludere che durezza tra 6 e 7.
•
•
Sfaldatura. È la tendenza di un minerale a rompersi secondo piani paralleli; è dovuta al fatto che nel
cristallo esistono superfici o direzioni dove i legami sono più deboli, e offrono minore resistenza.
La muscovite, un silicato che è una varietà di mica, si sfalda per esempio in sottili lamine parallele.
La sfaldatura è la proprietà che consente ai tagliatori di pietre preziose di ottenere forme perfette
dalle pietre grezze.
Proprietà magnetiche. Alcuni minerali tra cui quelli di ferro, cromo, platino e manganese sono
attratti da una calamita (sono detti minerali paramagnetici), ma non sono in grado di attrarre pezzi di
ferro. Questa proprietà è posseduta solo dai minerali detti ferromagnetici, tra cui la magnetite, un
ossido di ferro, che sono calamite naturali.
La classificazione dei minerali
In base alla loro composizione chimica, i minerali sono riuniti in alcuni gruppi. Il gruppo di gran lunga più
importante è quello dei silicati, che da soli rappresentano
Principali gruppi di minerali in
circa il 90% in volume della crosta terrestre: tra questi
base alla composizione
predominano nettamente i feldspati, ai quali appartiene per
chimica
esempio l’ortoclasio.
ELEMENTI NATIVI
Degli oltre 4000 minerali che sono stati identificati i più diffusi
sono appena una trentina e corrispondono a quelli che
SOLFURI
compaiono più frequentemente nelle rocce.
CLORURI
OSSIDI
CARBONATI
I minerali, insieme alle rocce, rappresentano le risorse
geominerarie del pianeta, su cui si basa gran parte
dell’economia mondiale.
SOLFATI
SILICATI
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I principali gruppi di minerali
ELEMENTI NATIVI
SOLFURI
CLORURI
OSSIDI
CARBONATI
SOLFATI
SILICATI
Sono formati da atomi di un solo elemento chimico.
Comprendono metalli come l’oro, l’argento, il platino, il rame e non metalli come lo
zolfo, il carbonio che, come abbiamo visto, si presenta in forma di diamante e grafite.
Sono Sali che contengono zolfo combinato con un metallo. Hanno grande importanza
economica perché sono minerali da cui si estraggono molti metalli quali il piombo
(dalla galena o solfuro di piomSbo, PbS), lo zinco (dalla blenda o solfuro di zinco, ZnS),
il ferro (dalla pirite o disolfuro di ferro, FeS2), il mercurio (dal cinabro o solfuro di
mercurio, MgS).
Sono Sali formati da cloro combinato con un elemento metallico. Il più noto è il
salgemma costituito da cloruro di sodio (NaCl); un altro importante cloruro è la silvite
o cloruro di potassio (KCl).
Contengono ossigeno combinato con elementi metallici . Comprendono il quarzo o
biossido di silicio (SiO2), uno dei minerali più diffusi, l’ematite, importante per
l’estrazione del ferro, la cassiterite (SnO2), da cui si ricava lo stagno, la bauxite che è
un ossido idrato di alluminio, fondamentale per l’estrazione di questo metallo.
Sono Sali dell’acido carbonico; contengono carbonio e ossigeno che formano un
gruppo, carbonato, che si unisce a elementi metallici. I carbonati comprendono
numerosi minerali come la calcite, formata da carbonato di calcio (CaCO3), costituente
delle rocce calcaree, e la dolomite, carbonato di calcio e magnesio, costituente delle
rocce dolomitiche.
Sono Sali dell’acido solforico contenenti zolfo e ossigeno, che formano un gruppo,
solfato, che si unisce a elementi metallici. Il più noto è il gesso, solfato di calcio
biidrato, cioè contenente due molecole di acqua (CaSo4 · 2H2O).
Sono Sali dell’acido silicico, contenenti silicio, ossigeno e uno o più elementi metallici
differenti. Comprendono minerali come i pirosseni, gli anfiboli, le miche e i feldspati.
Le rocce: aspetti generali
Le rocce sono i materiali di base della crosta terrestre e della litosfera nel suo complesso, formate da
minerali in genere aggregati tra loro in miscugli. Campioni di rocce li abbiamo quotidianamente sotto gli
occhi: dai comuni sassi, che sono frammenti arrotondati dal “lavoro” dei fiumi e del mare, alle pietre da
costruzione, come i marmi usati per fare colonne, pavimenti, rivestimenti di edifici, statue. Anche il
cemento e i mattoni che servono a costruire le nostre case vengono ricavati da rocce.
Le rocce, che hanno in comune l’origine e la collocazione nella litosfera, possono disporsi in formazioni più
o meno estese, dai vasti altipiani alle imponenti catene montuose che formano l’ossatura del paesaggio
delle terre emerse.
I materiali solidi della Terra si organizzano perciò in vari livelli, che iniziano dagli atomi degli elementi e
proseguono nelle ordinate impalcature cristalline dei minerali, quindi nelle rocce e infine nelle grandi
formazioni rocciose della crosta terrestre.
Le caratteristiche essenziali delle rocce
Le rocce sono in genere miscugli eterogenei di minerali diversi, di norma tre o quattro; solo in certi casi le
rocce sono formate da un unico tipo di minerale. In alcune rocce possono essere presenti resti fossili di
organismi viventi.
Le due principali caratteristiche di una roccia che permettono di dedurne le modalità di formazione sono la
composizione mineralogica e la struttura.
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La composizione mineralogica di una roccia è determinata dal tipo e dalle proporzioni relative dei minerali
che la compongono. Sono detti minerali fondamentali quelli che costituiscono la parte prevalente della
roccia e che sono utili per la sua identificazione, minerali accessori, quelli che sono presenti in quantità
relativamente modeste.
In una roccia come il granito, per esempio, i minerali fondamentali sono tre: quarzo, feldspato e mica.
La struttura di una roccia è data dall’insieme della forma, delle dimensioni e della disposizione dei minerali
che la costituiscono e viene studiata con appositi microscopi.
I tipi di rocce
Sulla base del processo che ha portato alla loro formazione, le rocce sono classificate in tre gruppi:
•
•
•
Le rocce magmatiche o ignee; derivano dalla solidificazione del magma, una massa fusa ad altissima
temperatura e contenente gas, che proviene da regioni profonde della Terra (65%);
Le rocce sedimentarie; si originano in seguito al deposito e all’accumulo di materiali di composizione
e natura diverse, come per esempio i detriti provenienti dalla disgregazione di altre rocce (8%);
Le rocce metamorfiche; derivano dalla trasformazione di rocce precedentemente formate per
l’azione di elevate temperature e pressioni (27%).
Le rocce magmatiche sono di gran lunga le più abbondanti nella crosta terrestre, seguite dalle rocce
metamorfiche e da quelle sedimentarie.
RISPONDI ALLE SEGUENTI DOMANDE SUL TUO QUADERNO
1.
Quali sono i cinque elementi più abbondanti della crosta terrestre?
2.
Qual è la loro percentuale in peso complessivo nella crosta terrestre?
3.
Come si può definire un minerale?
4.
Qual è la caratteristica dei cristalli e a che cosa è dovuta?
5.
Che cos’è un solido amorfo?
6.
In che modo si formano principalmente i minerali?
7.
In base a quale criterio possono essere classificati i minerali?
8.
Che cosa sono gli elementi nativi?
9.
A quale gruppo appartiene il salgemma?
10.
Come si può definire una roccia?
11.
Quali sono le due principali caratteristiche di una roccia?
12.
Che cosa si intende per struttura di una roccia?
13.
Come si classificano da un punto di vista generale le rocce?
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VERIFICA DELLE CONOSCENZE
1.
Scegli il completamento corretto.
a.
b.
c.
d.
e.
f.
2.
Scrivi il termine corretto che corrisponde alle seguenti definizioni.
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
3.
È l’elemento che costituisce oltre il 40% della crosta terrestre
Alluminio
Silicio
Ossigeno
Azoto
Non è un elemento nativo
Zolfo
Diossido di silicio
Grafite
Diamante
La bauxite è il principale minerale da cui si estrae
Rame
Stagno
Ferro
Alluminio
Il minerale calcite fa parte del gruppo
Dei solfati
Degli ossidi
Dei carbonati
Dei silicati
Una roccia…
È un composto chimico
È un miscuglio di minerali
Ha una composizione chimica definita
È un materiale solido omogeneo
Rispetto a tutte le rocce della crosta terrestre, la percentuale in volume delle rocce magmatiche è di circa il:
50%
65%
55%
40%
Solido in genere cristallino con composizione chimica ben definita .....................................................................................
Solido che non possiede struttura cristallina ........................................................................................................................
Struttura spaziale ordinata in cui si dispongono le particelle componenti di un cristallo.....................................................
Resistenza che un materiale oppone quando viene scalfito .................................................................................................
Capacità di un minerale di rompersi secondo determinati piani ..........................................................................................
Costituiscono nel loro insieme il più importante gruppo di minerali ....................................................................................
Rocce che si formano per accumulo di detriti provenienti dalla disgregazione di altre rocce
...............................................................................................................................................................................................
Rocce che derivano dalla trasformazione di rocce preesistenti ............................................................................................
Indica i due completamenti corretti.
a.
b.
c.
d.
La scala di Mohs
Considera il talco come il minerale più tenero
Fa riferimento a 8 differenti minerali
Considera il topazio come il minerale più duro
Fa riferimento a 10 minerali differenti
Il corindone
Scalfisce il diamante
Ha durezza 9 nella scala di Mohs
È scalfito dal diamante
È scalfito dal gesso
Caratteristiche fondamentali delle rocce sono:
La struttura
Il numero di minerali costituenti
La composizione mineralogica
La composizione chimica
Le rocce sono solitamente costituite da:
Due minerali
Più di due minerali associati in proporzioni non definite
Più di due minerali associati in proporzioni definite
Meno di cinque minerali
8
