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Didattica e Laboratorio di Mineralogia e Litologia
I minerali e la classificazione dei silicatiI minerali e la classificazione dei silicati
Prof. IoppoloBorzì Anna Maria - VIII CICLO SISSIS 2007/2008 CLASSE A059
Anno terzo: 10h di didattica + 4 ore di laboratorio
PREREQUISITI
• Conoscenza della struttura atomica , atomi e molecole
• Conoscenza dei legami chimici e delle principali caratteristiche della tavola periodica degli elementi
• Conoscenza dei solidi geometrici
OBIETTIVI:Acquisire i concetti di: • Minerali
• Proprietà chimiche e fisiche dei minerali
• Struttura cristallina e amorfa
UNITA’ DIDATTICA
CONTENUTI::
•I minerali: struttura cristallina e proprieta’ chimico - fisiche
•La cella unitaria dei silicati e la classificazione dei silicati in funzione della struttura
•Descrizione dei minerali più significativi
LA STRUTTURA DEI SOLIDI
I minerali sono sostanze naturali allo stato solido, omogenee (uguali in ogni loro parte) e di origine
inorganica (si sono formate senza l’intervento di esseri viventi). Hanno spesso struttura cristallina;
hanno composizione chimica ben definita e particolari proprietà fisiche. .La struttra dei cristalli
dipende dalla disposizione geometrica regolare nello spazio dei loro atomi, organizzati in un reticolo
cristallino, formato da tante unità tutte uguali, le celle. Un cristallo è composto da unità base semplici
dette celle elementari che ripetute nello spazio formano l’intero reticolo
Struttura regolare interna di un cristallo di sale da cucina e la sua forma esterna.
LA STRUTTURA DEI MINERALII cristalli hanno la forma di solidi geometrici regolari, come cubo, ottaedro, prisma, o anche di una
combinazione di più solidi.
La crescita di un cristallo è molto lenta, perciò la maggior parte dei cristalli è piccola, visibile a volte solo
con la lente o il microscopio. I cristalli molto grossi sono abbastanza rari e molto pregiati. Alcuni minerali
possono formarsi in condizioni che non ne permettono una cristallizzazione e hanno quindi una
disposizione disordinata delle molecole: sono amorfi. E’ il caso del biossido di silicio (SiO2), che si può
trovare sotto forma di cristalli regolari, quarzo, oppure in forma amorfa, opale.
Molti minerali sono utilizzati nell’industria per estrarne i componenti; così l’alluminio si ricava dal suo
ossido, la bauxite.
Per la loro bellezza, i minerali sono anche oggetto di collezione; i più belli e rari costituiscono le gemme o
pietre preziose, utilizzate in gioielleria.
Tutti i cristalli che si trovano in natura possiedono una struttura reticolare attualmente studiata da mineralogisti
e cristallografi grazie all’uso dei raggi X. Ogni minerale ha uno spettro caratteristico dovuto alla sua
struttura e alla forma della cella elementare.
Nel 1912 il fisico tedesco Max von Laue sottopose un cristallo di solfato di rame ai raggi X e
ottenne su una lastra fotografica posta dietro al cristallo uno spettro di diffrazione che
mostrava il reticolo del cristallo.
LA DIFFRAZIONE AI RAGGI X E LA STRUTTURA RETICOLARE
LA SIMMETRIA NEI CRISTALLI. GRUPPI, SISTEMI, CLASSI
La disposizione regolare delle particelle nelle tre dimensioni dello spazio determina una forma
geometrica caratteristica, il reticolo o habitus, tipico di ogni specie mineralogica. Per
classificare i cristalli in base alla loro forma geometrica si fa riferimento agli elementi di
simmetria (piano, asse, centro) che definiscono il grado di simmetria. I cristalli di una stessa
specie hanno sempre lo stesso grado di simmetria. In base al grado di simmetria i cristalli
vengono poi ordinati in 7 sistemi cristallini, basati sul valore degli angoli fra gli assi. I sistemi
a loro volta si dividono in 32 classi. Se come elementi di riferimento si prendono i parametri
delle facce si ottengono tre gruppi cristallini: MONOMETRICO, DIMETRICO,
TRIMETRICO come indicato nella figura.
MONOMETRICOa = b= c DIMETRICO
a= b ≠ cTRIMETRICO
a ≠ b≠ c
Per il riconoscimento dei minerali quando l’habitus cristallino non è facilmente identificabile si utilizzano le proprietà fisiche e chimiche.
Ogni minerale ha una sua densità o peso specifico, che dipende dagli elementi che lo compongono e che in un certo senso la sua carta d’identità.
La maggior parte dei minerali ha un certo tipo di lucentezza.
Pirite: metallica Diamante: adamantina Quarzo: vitrea Mica: perlacea
La struttura del reticolo cristallino determina la conducibilità, cioè la capacità di condurre la corrente elettrica. La grafite e i metalli nativi sono conduttori, il quarzo e le miche sono isolanti.
La magnetite, ossido di ferro (Fe2O3) che contiene più del 70% di ferro, ha proprietà magnetiche.
PROPRIETA’ CHIMICHE E FISICHE NEI CRISTALLI
Un’altra proprietà che caratterizza i minerali è la durezza , ovvero la resistenza che oppongono
alla scalfitura. Il geologo austriaco friedrich Mohs (1773 – 1839) propose di classificare i
minerali in una scala di 10 gradi secondo la loro durezza, prendendo come riferimento alcuni
minerali, dal meno duro (il talco) al più duro (il diamante). I minerali di un certo grado di
durezza rigano quelli con durezza inferiore e vengono rigati da quelli con durezza superiore.
PROPRIETA’ CHIMICHE E FISICHE NEI CRISTALLI
Scala di Mohs
Talco
Diamante
In genere i materiali duri sono anche fragili, cioè si rompono facilmente in pezzi più piccoli, i
materiali molli invece, sottoposti all’azione di una forza si deformano, quindi si rompono meno
facilmente; si dicono tenaci.
Alcuni minerali, come le miche, si sfaldano in modo regolare, secondo piani netti, paralleli alle facce
dei cristalli; altri, come il quarzo, si rompono con frattura concoide, arrotondata come il guscio di
una conchiglia, altri ancora senza alcuna regolarità.
PROPRIETA’ CHIMICHE E FISICHE NEI CRISTALLI
Scala di Mohs
Talco Teneri: si scaliscono con l’unghia
Gesso
Calcite Semiduri: si scalfiscono con una punta di acciaio
Fluorite
Apatite
Ortoclasio
Duri: non scalfiti da una punta di acciaio
Quarzo
Topazio
Corindine
Diamante
Il colore di un minerale dipende dagli elementi di cui è formato. Alcuni possono essere incolori,
come il quarzo, ma avere anche varietà colorate, per la presenza di “impurità”, cioè di piccole
quantità di qualche elemento diverso nel reticolo cristallino. Le impurità non tolgono bellezza o
pregio ai minerali: il corindone puro, ossido di alluminio, è incolore ma, se presenta impurità di
ferro o titanio e assume una colorazione blu, è il preziosissimo zaffiro, se invece contiene
impurità di ossido di cromo e assume un bel colore rosso, è l’ancora più prezioso rubino.
PROPRIETA’ CHIMICHE E FISICHE NEI CRISTALLI
Corindone: Al2O3
Rubino: Al2O3 ( Cr) Zaffiro: Al2O3 ( Fe o Ti)
LA STRUTTURA BASE DEI SILICATI E LA LORO CLASSIFICAZIONE
Più del 90% dei minerali che compongono la crosta terrestre
contiene silicio. Il silicio appartiene allo stesso gruppo del
carbonio, con quattro elettroni nello strato più esterno. Può
unirsi con altri atomi di silicio a formare lunghe catene, dando
origine a una grandissima varietà di composti. Se il carbonio è “l’
elemento della vita”, perché tutti i composti organici, derivati
dagli esseri viventi, contengono carbonio, possiamo dire che il
silicio, per la sua abbondanza nella crosta terrestre, è
“l’elemento delle Terra”. I minerali che contengono Silicio si
chiamano SILICATI, sono composti di Silicio e Ossigeno e tutti,
tranne il Quarzo (SiO2) contengono uno o più elementi in forma
ionica (Al - Fe - Mg - K - Na - Ca.).
Nonostante abbiano caratteristiche diverse, in tutti è presente la
stessa struttura di base (SiO4)4-, nei quali 1’atomo di Silicio è
legato a 4 atomi di Ossigeno, ciascuno dei quali ha una carica
negativa ai vertici del tetraedro; le valenze residue sono saturate
dai Cationi. I tetraedri isolati non sono stabili e possono legarsi
tra loro in diverso modo, condividendo alcuni o tutti gli atomi di
Ossigeno.
BIOSSIDO DI SILICIO: SiO2
I minerali del silicio sono il biossido di Silicio, questo di presenta in diverse forme;
della forma cristallina fanno parte le varietà di quarzo a grandi cristalli e di
calcedonio, ammassi globulari di microcristalli, di cui le più note sono l’agata e
l’onice. Alla forma amorfa appartengono le diverse varietà di opale.
Agata
Onice
Opale
Diversa struttura
VARIETA’ DI QUARZO A CRISTALLIZZAZIONE EVIDENTE
Cristallo di rocca o quarzo ialino o incoloreAmetista: colore viola più o meno intenso
STESSA STRUTTURA C
RISTALLIN
A- PRESENZA D
I IMPUREZZE
Quarzo citrino: Colore più o meno giallo per inclusioni di idrossido di ferro.
Quarzo rosa: di colore rosa, si ritrova in piccoli ammassi piuttosto che in cristalli distinti.
VARIETA’ DI QUARZO A CRISTALLIZZAZIONE EVIDENTE
Quarzo affumicato colore bruno fumo
STESSA STRUTTURA CRISTALLINA- PRESENZA DI IMPUREZZE
PROPRIETA’ CHIMICHE E FISICHE
DENSITA’ 2.65 g/cm2
DUREZZA 7 (scala di MOHS)
SFALDATURA assente
FRATTURA concoide
COLORE Incolore (allocromatico)
LUCENTEZZA Da trasparente a vitrea
PROPRIETA’ FISICHE DEL QUARZO E LORO SFRUTTAMENTO
Alcune proprietà fisiche dei cristalli di quarzo
sono la piezoelettricità e la piroelettricità (ovvero
la capacità di polarizzare elettricamente le facce
opposte del cristallo, in seguito ad una
deformazione meccanica come la compressione
o dopo riscaldamento).
Tali proprietà sono sfruttate dagli oscillatori, utilizzati in moltissime
apparecchiature elettroniche fra le quali gli orologi al quarzo, le radio e
praticamente tutti gli apparecchi digitali.
Per le sue proprietà fisico-meccaniche il quarzo è ampiamente utilizzato
nell'industria dei rivestimenti, pavimentazioni, piani da lavoro sotto forma di
agglomerato in lastre di spessore variabile.
Per le sue caratteristiche ottiche di elevata trasmissibilità nel visibile e
soprattutto nell'ultravioletto, il quarzo viene usato per realizzare parti ottiche per
usi scientifici.
Sono silicati a strati di tetraedri .
Si presentano in grossi cristalli esagonali, la cui
caratteristica è la facile sfaldatura in piani paralleli,
lungo i piani di tetraedri.
Ai fillosilicati appartengono numerosi minerali di
grande importanza. Tra questi ricordiamo il TALCO e il
SERPENTINO (forma fibrosa che può essere tessuta)
detto anche AMIANTO. Sono fillosilicati anche i minerali
argillosi, che si formano sotto forma di masse porose
(Caolinite).Hanno in genere struttura microcristallina o
amorfa, costituita da particelle piccole, osservabili solo
al microscopio elettronico
CLASSIFICAZIONE DEI SILICATI: FILLOSILICATI
Amianto
Talco
Sono Silicati a tetraedri isolati e vi appartengono lo Zircone e il Topazio. Gli ioni di ossigeno
non vengono condivisi tra i diversi tetraedri e la formula risulta SiO4.
CLASSIFICAZIONE DEI SILICATI: NESOSILICATI
Zircone
Topazio
Olivina
Zircone
Sono silicati ad anelli di tetraedri, sono costituiti
da anelli di 3,4,6 tetraedri, in cui gli atomi di
ossigeno condivisi sono 2. Appartengono a
questa classe di silicati il BERILLO e le sue
varietà SMERALDO e ACQUAMARINA
CLASSIFICAZIONE DEI SILICATI: CICLOSILICATI
Berillo
Acquamarina
Smeraldo
STRUTTURE CRISTALLINE DEI SILICATI
Quarzo
TalcoAmianto
Berillo
Orneblenda
Olivina
LA STRUTTURA CRISTALLINA DETERMINA LE PROPRIETA’ FISICHE DEI M
INERALI
VERIFICA
1) Controlla la tua conoscenza degli argomenti (VERO / FALSO)
•Tutti i minerali si presentano sotto forma di grossi cristalli.
•Tutti i minerali sono composti da almeno due elementi
•Alcuni minerali conducono l’elettricità
•La scala di Mohs misura la lucentezza dei minerali
•Il carbonio è l’elemento più importante nella crosta terrestre.
2) Descrivi le proprietà fisiche dei minerali
3) OSSERVA il minerale della figura qui a fianco
Secondo te :
Si è formato per raffreddamento veloce di sostanza allo stato fuso
Ha struttura fibrosa
Si è formato lentamente e in modo regolare
È amorfo
Ha struttura cristallina
Segna la risposta o le risposte che ritieni corrette
BIBBLIOGRAFIA
M.L. Bozzi, A. Pietra, L. Altomani – Corso di scienze – LATTES
M. Filippi, L. Bignami – La riscoperta della terra e dell’universo- Minerva Italica