I MINERALI (prima parte)

LA LEZIONEPremessaIl termine minerale viene generalmente riferito a pietre preziose o a metalli rari. I minerali invece sono molto più comuni di quanto si pensi, la sabbia di una spiaggia o il suolo di un prato costituiscono degli esempi di materiali composti principalmente da minerali. Fin dall'antichità l’uomo ha dimostrato notevole interesse verso i minerali utilizzandoli come armi per la caccia, come ornamento o decorazione pittorica, o ancora per l’estrazione di metalli o per la cosmesi. Alcune epoche devono il loro nome all’utilizzo di particolari minerali o elementi, come il rame, il piombo e il ferro. Nel corso della storia, la disponibilità di risorse minerarie di un paese ha ricoperto un ruolo sostanziale condizionandone lo sviluppo e la crescita economica. Basti pensare ai Maya o gli Incas, alle guerre combattute per le miniere diamantifere del centro Africa o, più di recente, all’utilizzo del silicio come elemento fondamentale delle componenti elettroniche. La wolframite, ad esempio, con l’invenzione della lampadina, era divenuto un minerale determinante per l’economia mondiale; successivamente con l’avvento delle lampade alogene, è tornato ad essere una specie mineralogica minore. Nella società moderna i minerali hanno un ruolo fondamentale essendo impiegati in settori nevralgici quali edilizia, elettronica come già accennato, chimica, farmaceutica, telecomunicazioni, etc.. In figura 1 è visibile la mappa mondiale che riporta la produzione di minerali strategici per l’economia europea.

Fig.1 Distribuzione della disponibilità dei minerali considerati strategici per l'Unione

Europea e impiegati nelle nuove tecnologie

Infine è essenziale ricordare che i minerali non sono importanti solo dal punto di vista economico ma anche rappresentano degli indicatori presi in considerazione nello studio dei fenomeni geologici. La mineralogia è la scienza che studia le proprietà morfologiche, fisiche, chimiche e strutturali dei minerali, oltre la loro genesi. Lo studio dei minerali è fondamentale per comprendere l’evoluzione della Terra e del sistema Solare e per comprendere fenomeni dinamici quali ad esempio le eruzioni vulcaniche o l’erosione della superficie terrestre.

Ma cos’è un minerale?

Un minerale è un solido naturale che si caratterizza per un elevato ordine su scala atomica e per avere una definita composizione chimica che però può essere anche non fissa. Può esser costituito da un solo elemento chimico o anche da un composto e,

generalmente, si forma da processi inorganici.

Esaminiamo una parte di questo enunciato: “Un minerale è un solido”. Da tale definizione possiamo dedurre che vengono esclusi dalla categoria dei minerali, i gas e i liquidi. Il mercurio liquido, erroneamente definito minerale, ricade nel dominio della mineralogia ma è definito un mineraloide. Il vetro vulcanico, pur essendo un solido, non è anch’esso considerato un minerale, in quanto, come vedremo, non soddisfa pienamente la definizione di minerale.

Passiamo al termine “naturale”: questo aggettivo implica il fatto che un minerale derivi da processi naturali, non sia cioè il risultato di processi sintetici ottenuti in laboratorio. Un esempio è costituito dal diamante sintetico utilizzato nell’industria o dalle pietre preziose di sintesi (smeraldo e rubino) che, proprio per tale definizione, non fanno parte dei minerali ma vanno a costituire la categoria degli equivalenti sintetici.

Un minerale deve essere caratterizzato da “un elevato ordine su scala atomica”, ovvero deve possedere una struttura cristallina definita (reticolo cristallino). Il reticolo cristallino è disposto secondo un modello geometrico regolare. Il vetro vulcanico precedentemente citato, non è contraddistinto da tale ordinamento pertanto è considerato un solido 'amorfo'. Un minerale è rappresentato da “una definita, ma non fissa” composizione chimica. Tale definizione implica una composizione chimica, che varia entro limiti ben precisi, espressa da una specifica formula. Il quarzo (SiO2), ad

esempio, è una sostanza pura ed ha una composizione fissa. La dolomite, invece, è un carbonato di calcio e magnesio con formula ideale CaMg(CaCO3)2 e può contenere al

suo interno piccole quantità di ferro e manganese in sostituzione del magnesio; la dolomite è, pertanto, un minerale caratterizzato da una composizione definita ma non fissa, ovvero una composizione che varia entro determinati limiti. Il vetro vulcanico, a causa della presenza di una variabilità chimica molto elevata, non rientra nella definizione di minerale.

Un minerale può esser costituito da un elemento puro, come nel caso degli elementi nativi (Au, Ag, Cu) oppure da un composto, come nel caso dei carbonati o dei silicati. Infine, un minerale si origina “generalmente da processi inorganici”; il termine “generalmente” implica la presenza di minerali formatisi in seguito a processi organici, che però soddisfano tutte le caratteristiche precedenti. Minerali quali la calcite, lo zolfo e la silice possono originarsi da processi biologici. La calcite, ad esempio, può derivare dall’accumulo di scheletri di organismi marini animali e vegetali, tale calcite viene considerata un minerale a tutti gli effetti. L’ambra è una resina fossile originata dalla secrezione di piante ad alto fusto (Gimnospèrme) appartenenti a specie oggi estinte. Sebbene l’ambra sia spesso menzionata come minerale, la International Mineralogical Association (IMA) non la classifica fra le specie minerali. L’ambra, infatti, è una sostanza amorfa, priva di ordinamento strutturale e come tale non può essere considerata un minerale.

I minerali, così come siamo abituati a vederli nei musei, sono capaci di colpire ognuno di noi grazie alla loro perfezione e armonia (Fig. 2), tuttavia un osservatore attento è in grado di riconoscerli anche in natura, notando oggetti simili a solidi geometrici, grandi o piccoli, singoli o aggregati. Questi solidi, piacevoli alla vista, forniscono schemi di simmetrie che vengono ammirati a partire dalla forma esterna fino alla intima disposizione atomica. Il primo carattere ad essere esaminato è la forma esterna che, come vedremo in seguito, costituisce un primo carattere identificativo.

Fig.2 Grotta dei cristalli di gesso scoperta a 304 metri di profondità sotto Naica, in Messico

I cristalli possono essere delimitati da superfici piane lisce e assumere forme geometriche regolari. La forma esterna dei cristalli è l’espressione della loro disposizione atomica interna ordinata, ovvero la disposizione di ioni e molecole secondo un ben definito reticolo cristallino.

In mineralogia è necessario fare una distinzione fra abito e forma cristallina. In cristallografia l’abito cristallino rappresenta l’aspetto complessivo di un cristallo, compresi gli abiti dovuti ad irregolarità di crescita, mentre la forma è l’insieme di facce di un cristallo ciascuna delle quali ha la stessa relazione con gli elementi di simmetria caratteristici del cristallo. In questa lezione ci limiteremo a parlare di abito cristallino.

E’ importante notare che un cristallo reale potrebbe essere sproporzionato e che una o più facce della medesima forma potrebbero mancare. Per esprimere la “perfezione” di un abito cristallino si usano i termini euedrale, subedrale e anedrale. Il termine euedrale descrive un cristallo completamente delimitato da facce la cui crescita non è stata disturbata da cristalli o granuli adiacenti; subedrale descrive un cristallo delimitato in parte da facce e in parte da superfici di contatto con cristalli preesistenti; anedrale descrive un cristallo privo di facce cristalline.

Un minerale assume un determinato abito in funzione della simmetria del reticolo cristallino degli elementi che lo compongono e delle variabili presenti durante la crescita, quali: temperatura, pressione, tempo, disponibilità di elementi chimici e spazio. Pertanto, un abito ben sviluppato sarà indice di condizioni geologiche favorevoli, mentre un abito non perfettamente sviluppato potrebbe avere avuto limitazioni nello spazio di crescita per la presenza di altri minerali. Quando i minerali mostrano un abito ben sviluppato, vengono usati i seguenti termini per descrivere il loro aspetto esterno: prismatico (cristallo con una direzione di sviluppo prevalente alle altre due), romboedrico ( con la forma esterna di un romboedro), cubico (con la forma esterna di un cubo), ottaedrico (con la forma esterna di un ottaedro), pinacoidale (con lo sviluppo pronunciato di una o più forme a due facce).

Come possiamo identificare i minerali?

Come abbiamo visto ogni minerale possiede una struttura interna, ovvero una disposizione ordinata di atomi, e una composizione chimica ben precisa. Tuttavia il riconoscimento dei differenti minerali non è determinabile se non attraverso una strumentazione sofisticata quale la microsonda elettronica per la determinazione della composizione chimica e il diffrattometro a cristallo singolo o per polveri per individuare la struttura interna.

Le proprietà fisiche dei minerali rappresentano un valido aiuto per la loro identificazione macroscopica. Nella maggior parte dei casi ciascun individuo sarà in grado di identificare i minerali utilizzando i propri sensi; la vista, il tatto, l’olfatto e più raramente il gusto, saranno gli strumenti principali per tale scopo.

Abito cristallino. L’aspetto esterno di un cristallo viene indicato con il termine abito, ed è l’espressione esterna della loro disposizione atomica interna ordinata. Generalmente si è portati a pensare ad un cristallo come a qualcosa di raro, in realtà la maggior parte dei minerali possiede un abito. Per esprimere la “perfezione” di un abito cristallino si usano i termini euedrale, subedrale e anedrale; mentre per descrivere l’abito si usano termini tipo: prismatico (Figg. 3 a e 3d), romboedrico, cubico, tabulare (Fig. 3b), ottaedrico (Fig. 3c), ecc.

Fig.3a Quarzo con abito prismatico esagonale terminato con una piramide. Fig.3b gesso con abito

tabulare

Fig.3c Fluorite con abito ottaedrico. Fig.3d Berillo con abito prismatico esagonale con terminazioni

pinacoidali

Stato di aggregazione. l’abito a volte può esser celato o non facilmente individuabile nei diversi cristalli e ciò può esser dovuto a una mancanza di spazio durante la crescita. Il risultato è rappresentato da una massa di cristalli aggregati, nessuno dei quali mostra il proprio abito cristallino. In questo caso si definirà uno stato di aggregazione utilizzando i seguenti termini: dendritico (crescita tipo albero; Fig.4a), geode (cavità di roccia parzialmente rivestita da minerali; Fig.4b), a bande (minerali con bande sottili e parallele), concentrico (bande disposte una sull’altra), aciculare-fibroso (cristalli aghiformi paralleli; Fig.4c), concrezionato (concrezioni sferiche attorno ad un centro, Fig.4d), oolitico (piccoli corpi accrezionari arrotondati), mammellonare (protuberanze ampie e arrotondate), botroidale (a grappolo d’uva), globulare (superficie costituita da piccole sferette), reniforme (a forma di rene), stalattitico (forme coniche o cilindriche).

Fig.4a Campione di rame nativo dendritico. Fig.4b Geode di amestista

Fig.4c Cristalli aciculari di rutilo. Fig.4d Campione concrezionato di malachite

Lucentezza. Il termine lucentezza indica l’aspetto della superficie di un minerale in luce riflessa. I minerali, indipendentemente dal loro colore, possono avere lucentezza metallica o non metallica. La lucentezza metallica si manifesta, come dice il termine stesso, nei metalli, minerali opachi alla luce (Fig.5a). La lucentezza non metallica è, in genere, mostrata dai minerali che si lasciano attraversare dalla luce. Per descrivere la lucentezza non metallica si utilizzano i seguenti termini: vitrea, resinosa o cerosa, perlacea, grassa, serica o setosa, adamantina. Il minerale che possiede la massima lucentezza è il diamante, dal cui nome deriva il termine adamantino (Fig.5b).

Fig.5a Lucentezza metallica mostrata dalla pirite. Fig.5b Lucentezza adamantina mostrata dal

diamante

Colore. Il colore è la caratteristica più evidente in un minerale, ma non sempre rappresenta un elemento diagnostico. Se in alcuni minerali, come ad esempio lo zolfo, il colore rappresenta in effetti un ottimo elemento diagnostico, in questo caso il colore

sarà definito idiocromatico, ovvero colore proprio del minerale. Se invece questa proprietà rappresenta un carattere molto ingannevole, in quanto può variare anche all’interno della stessa specie mineralogica, allora in questo secondo caso il colore è definito allocromatico, ovvero colore non proprio. Tale variazione si presenta solitamente nei minerali con lucentezza non metallica. Piccole impurità nel quarzo, ad esempio, possono dar origine a una grande varietà di colori (Figg. 6a, 6b, 6c) come il rosa, il viola (quarzo ametista), il bianco (quarzo ialino), il grigio (quarzo fumè) il giallo (quarzo citrino) etc. Un ulteriore esempio è rappresentato dal corindone che mostra un’ampia varietà di colori molto apprezzati nel settore delle pietre preziose; nella varietà rubino si presenta di colore rosso, mentre nella varietà zaffiro si presenta di colore blu o giallo.

Fig.6 Esempi di variazione di colore nel quarzo: ialino(a), rosa (b), fumè (c)