Alfonso Bosellini I materiali della Terra solida Capitolo 2 Atomi, elementi, minerali e rocce Cristalli, minerali e loro proprietà Lezione 4 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 2 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 3 2.1 Elementi e composti naturali Raramente gli elementi si trovano come elementi nativi, cioè non combinati con altri elementi. Bismuto nativo Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 4 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 5 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 6 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 7 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 8 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 9 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 10 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 11 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 12 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 13 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 14 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 15 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 16 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 17 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–. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 18 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 19 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 20 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 21 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 22 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 23 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 24 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 25 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 26 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 27 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 28 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 29 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 30 1. Minerali e rocce La scala della durezza di Mohs Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 32 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 33 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 Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 34 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 35 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 36 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. Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 37
