MINERALOGIA Corso di Laurea in Scienze Naturali – II Anno I Sem. - 9 CFU – A.A. 2008-2009

Prof. Antonio GIANFAGNADipartimento di Scienze della Terra – Stanza 309, Edificio Mineralogia –

Tel. 06-49914921 – e-mail: antonio.gianfagna@uniroma1.it -Ricevimento studenti: lunedì, giovedì e venerdì, ore 12-13.

NOZIONI GENERALI. La Terra. Rocce eruttive, sedimentarie e metamorfiche. Formazione dei minerali da una fase gassosa e da una fase liquida. Paragenesimineralogiche. Sostanze omogenee ed eterogenee. Isotropia e anisotropia. Statoamorfo, mesomorfo e cristallino. Materia allo stato cristallino. Nucleazione ed accrescimento dei cristalli.

CRISTALLOGRAFIA. I cristalli: abito, morfologia, angoli tra le facce. Legge della costanza dell’angolo diedro. Cristallo modello e sproporzionato. Modello del cristallo. Relazione di Eulero. Assi coordinati e loro scelta: riferimento milleriano e bravaisiano. Il ricoprimento. Forme semplici. Parametri e rapporti parametrici. Rapportoparametrico fondamentale. Indici. Legge di Hauy della razionalità degli indici. Zone. Spigoli. Simbologia per l’indicazione delle facce, forme semplici, zone e spigoli. Tautozonalità. Reticolo di Wulf. Rappresentazione dei cristalli in proiezionestereografica e gnomonica. Simmetria e singonia. Elementi di simmetria: assi, piani e centro. Grado di simmetria. Reticoli cristallini.

CRISTALLOCHIMICA E FASI SOLIDE NATURALI. L’atomo. I legami chimici. Impaccamenti compatti. Sequenza e irregolarità nelle successioni di sequenze. Poliedridi coordinazione. Regole di Pauling. La classificazione strutturale dei silicati. Esempi di strutture cristalline. Polimorfismo ed isomorfismo. La formula cristallochimica. Osservazione e descrizione dei principali caratteri di campioni macroscopici di minerali.

La cella elementare. I parametri reticolari. Tipi di Bravais. Reticoli semplici e composti. La traslazione. Assi di rotoriflessione, di rotoinversione, elicogiri. Slittopiani. La simbologia internazionale. Gruppi puntuali. Gruppi spaziali. Associazioni cristalline e geminati.

CRISTALLOFISICA. Proprietà fisiche dei minerali. Figure di corrosione. Raggi X: proprietà, fenomeni di diffusione e interazione con la materia allo stato cristallino. Equazioni di Laue e di Bragg. Il diffrattometro. Metodi sperimentali di Laue, di Polanyie delle polveri. Diffrattogrammi di campioni di polvere. Lo schedario JCPDS e l’identificazione delle fasi mineralogiche. Propagazione delle onde piane in mezziisotropi e anisotropi. Riflessione, rifrazione e birifrazione. Indici di rifrazione delle ondepiane. Indicatrici ottiche e loro orientazione nei cristalli. Il microscopio polarizzatore. Proprietà ottiche dei minerali in sezione sottile.

Il Globo Terrestre

Area:totale: 510,072 milioni di km2

terra: 148,940 milioni di km2 (29,2%) acqua: 361,132 milioni di km2 (70,8%)

Diametro medio: circa 12742 kmSpessore crosta: circa 40 Km

I “gusci” della Terra

Crosta Mantello

Nucleo

Proprietà chimico-fisiche della geosfera

Composizione media della Terra, ordinata secondo la massa dei costituenti:

• 34.6 % ferro• 29.5% ossigeno• 15.2% silicio• 12.7% magnesio• 2.4% nichel• 1.9% zolfo• 0.05 titanio

Composizione media della crosta terrestre (in ossidi degli elementi):

• 59,5 % SiO2• 15,9 % Al2O3• 7,2 % CaO• 4,5 % FeO• 4,0 % MgO• 3,0 % Na2O• 2,5 % Fe2O3 • 2,4 % K2O• 1,0 % TiO2

La temperatura all'interno della Terra aumenta progressivamente fino a raggiungere i 5270 oK al suo centro. Il calore interno è stato generato in parte durante la formazione del pianeta e da allora ulteriore calore è stato continuamente generato daldecadimento radioattivo di isotopi dell’uranio, del torio e del potassio.

La densità media della Terra è di 5,515 g/cm3, rendendo il pianeta più denso del Sistema Solare. Poiché la densità delle rocce della crosta terrestre varia da 2,6 a 3,5 g/cm3, il materiale del nucleo deve essere molto più denso: circa 5,7 g/cm3.

Le rocce: contenitori di minerali

Rocce metamorfiche: trasformazione di altre rocce

Rocce sedimentarie: disgregazione di altre rocce

Rocce ignee: cristallizzazione magmatica

I MINERALI

I minerali sono i materiali di base della Terra e il loro studio occuperàsempre una posizione centrale nelle Scienze della Terra (Frank C. Hawthorne, 1993).La scienza dei minerali (chiamata tradizionalmente Mineralogia) è lo studio delle sostanze solide naturali che costituiscono la porzione solida dell’Universo. I minerali sono il prodotto di complessi processi terrestri e planetariche avvengono in un ampio intervallo di pressioni e temperature e, come tali, essi ci offrono una chiave per comprendere l’origine e l’evoluzione della Terra e dei pianeti. I minerali sono inoltre le materie prime di base sulle quali si basa molto dello sviluppo tecnologico e della produttività economica della nostra società. I minerali e la materia organica sono i principali costituenti dei suoli. I minerali ornamentali e le pietre preziose tagliate da essi sono di straordinaria bellezza ed esempi estremamente rappresentativi del mondo minerale. (C. Klein, pag. 1)

DEFINIZIONE DI MINERALE

Un minerale è:un solido naturale, con un elevato ordinamento a scala atomica ed una definita (ma non fissa) composizione chimica. Si forma generalmente da processi inorganici.

Principi della Cristallografia

Una buona conoscenza della geometria cristallinadovrebbe fare parte del bagaglio culturale di chiunque si occupi dello stato cristallino o che desideri leggere in maniera proficua qualunque pubblicazione si occupi della materia cristallina.

L’aspetto fondamentale della geometria cristallina è che essa ha a che fare con ripetizioni ordinate.

In effetti, la geometria dei cristalli è la geometria dell’ordine.

Concetti fondamentali della geometria cristallina:

Morfologia = forma esterna del cristallo

Struttura cristallina = disposizione interna degli atomi

Simmetria = ripetizione ordinata di atomi, ioni e molecole; si può dedurre dalla forma esterna del cristallo.

Esistono 32 combinazioni diverse di simmetrie:

32 gruppi puntuali (o 32 classi cristalline)

distribuite tra i 7 (6) sistemi cristallini:

- Triclino

- Monoclino

- Rombico

- Esagonale (compreso il Trigonale)

- Tetragonale

- Cubico

I 7 sistemi cristallini

ELEMENTI DI SIMMETRIA

- Assi di rotazione

- Piani di riflessione

- Centro di simmetria

- Assi di rotoinversione

Assi di rotazione

Asse

Piano

Centro

1

A 1, 2, 3, 4, 6

P, m

C, 1

Centro di inversione

C m 3 + C 3/m

Simmetria rotazionale

P

n = 5 (non possibile)

n = 6

Pentagono regolare

Esagono regolare

Forme cristalline

Esempio: Diamante

Forme Semplici

Morfologie particolari dei minerali

Modello strutturale cubico

(Na+Cl-)

Le simmetrie dei sistemi cristallini

pediale

pinacoidale

sfenoidale

domatica

prismatica

bisfenoidale

piramidale

bipiram.

Cristalli regolari e Cristalli sproporzionati

Costanza dell’angolo diedro (Stenone, 1638-1686)

Legge di Eulero: in un cristallo, il numero delle Facce (F) più il numero dei Vertici (V) è uguale al numero degli Spigoli (S) + 2

F + V = S + 2

Goniometro a contatto

cristallo

Misura degli angoli tra le facce

Goniometro a riflessione

N

S

EO

Proiezione sferica

Proiezione gnonomica

P’P’

Proiezione stereografica

Proiezione sferica

Dalla proiezione sferica a quella stereografica

•

INDICIZZAZIONE DELLE FACCE DI UN CRISTALLO

Parametri: a, b, c

Giacitura di una faccia

Calcolo del rapporto parametrico a:b:c

:y

ON = normale alla faccia

= :

Indici “hkl” della faccia fondamentale

“Legge della razionalità degli indici”(Hauy, 1874)

Doppio rapporto parametrico

Indicizzazione di tutte le altre facce:

Modello di cristallo di Zolfo (rombico)

Calcolo indici hkl del modello zolfo

VesuvianiteCa10(Mg,Fe)2Al(SiO4)5(Si2O7)2(OH)4

^

^^

^ ‘‘‘

m

m‘

MgHPO4.3H2O

Strutture cristalline

SalgemmaNaCl

DiamanteC

CalciteCaCO3

QuarzoSiO2

Impilamento regolare e sistematico di celle cubiche

ordinamento tridimensionale

Ordinamento bidimensionale

Disposizione ordinata

Disposizione disordinata

Componenti di traslazione

Bidimensionale

Tridimensionale

Filari

Filari di oggetti con varie spaziature b lungo l’asse y

Disposizione ordinata di motivi

I cinque reticoli piani possibili

Esempi dei cinque reticoli piani

Primitiva obliqua

Rettangolare centrata

Cella a diamante(o a rombo)

Celle oblique multiple

Possibili reticoli bidimensionali

Possibile scelta fra due celle elementari piane

I 10 gruppi puntuali di simmetrie planari

Riflessioni e Slittopiani (linee discivolamento)

Riflessione e linee di scivolamento

I 17 gruppi puntuali planari

Reticolo tridimensionale

Parametri dellacella elementare

I 14 reticoli tridimensionali possibili

segue

I 14 reticoli di Bravais

I 14 reticoli di Bravais

Elicogira

Elicogire

I 230 gruppispaziali