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