Alfonso Bosellini I materiali della Terra solida.

Alfonso BoselliniAlfonso Bosellini

I materialidella Terra solidaI materialidella Terra solida

Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012

Capitolo 2 Atomi, elementi, minerali e rocceCapitolo 2 Atomi, elementi, minerali e rocce

Lezione 4 Cristalli, mineralie loro proprietà

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Un elemento è una sostanza chenon può essere separata in tipi più semplici di materia

con normali processi chimici.

Otto tra gli elementi presenti in naturacostituiscono da soli il 90% della crosta terrestre.

2.1 Elementi e composti naturali


Raramente gli elementi si trovano come elementi nativi,cioè non combinati con altri elementi.

Bismuto nativo



In genere gli elementi sono combinati chimicamentein numero di due o più a formare composti.

La PIRITEè costituita da 2 soli elementi

Fe, S

L’ORNEBLENDAè costituita da ben 8 elementi:Na, Ca, Mg, Fe, Al, Si, O, H




Ogni composto ha una composizione chimica definitaespressa da una specifica formula chimica.

Il salgemma è un mineralecomposto di SODIO e CLORO

e ha formula

NaCl

Il quarzo è un mineralecomposto di SILICIO e OSSIGENO

e ha formula

SiO2


2.2 I minerali

La mineralogia è la disciplina che studial’origine e la natura dei minerali.

Un minerale è un corpo solido allo stato naturaleche può essere un elemento nativo o un composto.


Una sostanza può essere definita un minerale quando:

• allo stato naturale si è formata attraversoun processo generalmente inorganico;

• la sua composizione si può esprimeremediante una formula chimica;

• la sostanza è un solido cristallino;

• è caratterizzata da specifiche proprietà fisiche(durezza, densità) che devono avereun valore costante e definito.

2.2 I minerali


2.3 La struttura cristallina dei minerali

Ogni minerale si presenta come un solido dotato diuna particolare forma geometrica detta abito cristallino.

FeldspatoQuarzo Mica Olivina


Ogni minerale si presenta come un solido dotato diuna particolare forma geometrica detta abito cristallino.

Calcite GessoGranato Diamante



L’aspetto dell’abito cristallino di un mineraleè il risultato della particolare disposizione

degli atomi e delle molecole all’interno dei cristalli.

Questa disposizione interna ordinataè detta struttura del reticolo cristallino.

RETICOLOCRISTALLINO

RETICOLOCRISTALLINO




degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli.


FILAREFILARE

Atomi, ioni e molecole sono allineati

a una distanza fissaformando filari






PIANOPIANO

Due filari non paralleliindividuano

un piano reticolare






Un piano reticolareè dato dalla ripetizione

per traslazionedi una maglia

piana elementare

MAGLIAMAGLIA






NODONODOTre filari non giacenti sullo stesso piano,

incontrandosiin punti detti nodi

danno origineal reticolo cristallino






L’unitàstrutturale minima

del reticolo cristallinoè detta

cella elementare

CELLAELEMENTARE

CELLAELEMENTARE



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.



La struttura cristallina del salgemma (NaCl) è datada una disposizione geometrica e ordinata in una

cella elementare cubica di ioni Na+ e Cl–.



Non sempre i cristalli hanno forma geometrica regolare.

Se un minerale ha molto spazioa disposizione, i cristalli possono

svilupparsi in forme regolari e, talvolta, gigantesche.

Se un minerale si accresce inpoco spazio, i cristalli si sviluppano

in modo irregolare adattandosiallo spazio disponibile.



In base al tipo di particelle di cui sono compostie all’intensità delle forze di attrazione esistenti fra queste,

i cristalli si possono classificare in:

• ionici, costituiti da cationi e anioni che si alternanonel reticolo;

• covalenti, costituiti da atomi legati covalentementefra loro a formare una rete che si estendein tutte le direzioni del cristallo;

• metallici, costituiti da cationi, che occupanole varie posizioni del reticolo, circondati da elettronidi valenza in movimento e diffusi in tutto il solido;

• molecolari, costituiti da atomi o da molecole neutretenute insieme da forze deboli.



2.4 Fattori che influenzano la struttura dei cristalli

In un solido cristallino devono essere rispettatidue requisiti fondamentali:

1. Le dimensioni delle specie chimiche che si combinano devono essere tali da potere costituire

un’impalcatura cristallina stabile.



In un solido cristallino devono essere rispettatidue requisiti fondamentali:

2. Le cariche negative e positivedevono bilanciarsi esattamente, affinché

la cella elementare sia elettricamente neutra.



Spesso la forma dei cristalli è la combinazione di più forme semplici, che hanno in comune la stessa cella elementare.


2.5 Formazione dei minerali

I minerali si possono formare per:

• cristallizzazione da soluzioni magmatiche solidificatesi per raffreddamento;

• cristallizzazione da soluzioni acquose per evaporazionedel solvente, o per raffreddamento della soluzione;

• cristallizzazione per raffreddamento di vaporio reazioni tra gas;

• cristallizzazione da fasi solide (cristalline) o amorfe,con trasformazione allo stato solido di minerali presenti;

• attività degli organismi viventi con produzionedi biominerali.


2.6 Proprietà fisiche dei minerali

I minerali si identificano attraversole loro proprietà fisiche:

• colore;• peso specifico;• sfaldatura;• durezza;• lucentezza;• temperatura di fusione;• magnetismo;• birifrangenza;• fluorescenza;• radioattività.



Il colore di un minerale dipende dalla presenzanella sua struttura di certi atomi:

Talvolta, lo stesso minerale può presentare colori diversia causa di impurità presenti nella sua struttura.

Quarzo affumicatoQuarzo ametistaQuarzo citrinoQuarzo ialino Quarzo rosa

rame = verde, azzurro;manganese = rosa, arancio;

ferro = giallastro, rosso, marrone, nero.



Il colore della polvere di un minerale puòessere 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.



Il peso specifico di un minerale è il rapporto tra il suo pesoe il peso di un uguale volume di acqua distillata a 4 °C.

Dipende dal tipo di atomi che costituiscono il mineralee dal loro addensamento nella struttura cristallina.

GALENAdensità = 7,6 g/cm3

CARNALLITEdensità = 1,6 g/cm3

QUARZOdensità = 2,65 g/cm3

OROdensità = 19,3 g/cm3

A parità di volume, alcuni minerali sono più pesanti di altri.



La sfaldatura è la caratteristica di alcuni mineralidi rompersi lungo piani di minor resistenza

detti piani di sfaldatura.

La calcite si sfaldain romboedri

La mica si sfaldain lastre sottilissime



La durezza di un minerale è una misuradella sua resistenza a essere scalfito o abraso.

La durezza si determina per confrontocon una scala standard: la scala di Mohs.

TALCOdurezza = 1

CALCITEdurezza = 3

APATITEdurezza = 5

ORTOCLASIOdurezza = 6

TOPAZIOdurezza = 8

QUARZOdurezza = 7

FLUORITEdurezza = 4

GESSOdurezza = 2

CORINDONEdurezza = 9

DIAMANTEdurezza = 10

Alfonso Bosellini – I materiali della Terra solida - © Italo Bovolenta editore 2012 Lupia

Palmieri, Parotto, Osservare e

capire la Terra © Zanichelli edito

re 2010

1. Minerali e rocce

La scala della durezza di Mohs



La lucentezza è la capacità di un mineraledi riflettere la luce.

CERUSSITElucentezza adamantina

TORMALINAlucentezza vitrea

PIRITElucentezza metallica

OPALElucentezza grassa



Il magnetismo è la capacità di alcuni mineralidi attrarre materiali ferrosi.

La magnetite è un minerale dotato di magnetismo.


2.7 Polimorfismo

Il polimorfismo è la caratteristica di due o più mineraliche pur avendo la stessa composizione chimica,

presentano diversa struttura del reticolo cristallino.

Il diamante e la grafite sono costituiti entrambi da carbonioma hanno diversa struttura del reticolo cristallino

DIAMANTE GRAFITE


2.8 Isomorfismo

L’isomorfismo si verifica quando ioni di elementichimici diversi (con raggio ionico e cariche simili)

possono sostituirsi a vicenda, all’internodello stesso reticolo cristallino.

Questi elementi si definiscono vicariantie il fenomeno dell’intercambiabilità è detto vicarianza.

I minerali che presentano isomorfismo danno veree 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.


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.


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 diversia seconda della direzione considerata.

Le sostanze amorfe sono invece isotrope, cioè presentano le stesse caratteristiche fisiche in tutte le direzioni.

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