I MINERALI Il minerale è un solido cristallino esistente in natura, con composizione chimica definita e costante. Si distinguono l’uno dall’altro per le seguenti caratteristiche fisiche: abito cristallino, lucentezza e la durezza. Differenza tra solidi cristallini e amorfi Solidi cristallini La struttura intera dei cristallini si chiama RETICOLO CRISTALLINO: -distribuzione ordinata di punti la cui unità si chiama CELLA ELEMENTARE la quale si ripete infinite volte nello spazio. La forma esterna (abito) rispecchia la forma della cella elementare. I solidi cristallini fondono a temperatura costante. quarzo Solidi amorfi La struttura del solido amorfo è costituita da particelle distribuiti a caso, come nei liquidi, ma a differenza di essi le particelle in questi solidi sono ferme. I solidi amorfi passano gradualmente dallo stato solido al liquido. Differenza tra calore e temperatura Calore È una forma di energia ; qualcosa che passa da un corpo ad un altro ©laura Condorelli 2009 Temperatura È una proprietà del sistema legata alla velocità di movimento delle particelle. E= 3/2KT Passaggi di stato Calore latente di fusione: Calore assorbito a temperatura costante durante il processo di fusione. Quando il solido diventa liquido assorbe il calore dall’ambiente per fondere. Il calore latente viene restituito quando si passa da stato liquido a solido (quando nevica la temperatura si alza) Calore latente di evaporazione: Calore assorbito da parte del sistema a temperatura costante durante il processo di evaporazione nel passaggio da liquido a gas. Anche in questo caso quando il gas diventa liquido il calore viene restituito all’ambiente. L'abito cristallino L'abito cristallino è una descrizione delle forme e degli aggregati che un determinato minerale può assumere in natura; può avere diverse forme classificate in sistemi sulla base degli assi di simmetria • Cubico a=b=c=90° a=b=c ©laura Condorelli 2009 ESACISOTTAEDRICA o della fluorite ESACISTETRAEDRICA o della blenda ICOSITETRAEDRICA PENTAGONALE DIACISDODECAEDRICA o della pirite PENTAGONODODECAEDRICA-TETRAEDRICA o della pirite • Tetragonale a=b=c=90° a=b=c • Trigonale a=b=c=120° a=b=c • Esagonale a=b=c=120° a=b=c ©laura Condorelli 2009 BIPIRAMIDALE DITETRAGONALE TRAPEZOEDRICA TETRAGONALE BIPIRAMIDALE TETRAGONALE PIRAMIDALE DITETRAGONALE PIRAMIDALE TETRAGONALE SCALENOEDRICA TETRAGONALE TETRAGONALE BISFENOIDALE BIPIRAMIDALE DITRIGONALE SCALENOEDRICA DITRIGONALE o della calcite BIPIRAMIDALE TRIGONALE o del quarzo TRAPEZOEDRICA TRIGONALE ROMBOEDRICA o della dolomite PIRAMIDALE DITRIGONALE PIRAMIDALE TRIGONALE BIPIRAMIDALE DIESAGONALE o del berillo TRAPEZOEDRICA ESAGONALE BIPIRAMIDALE ESAGONALE PIRAMIDALE DIESAGONALE PIRAMIDALE ESAGONALE • Ortorombico a=b=c=90° a=b=c BIPIRAMIDALE ROMBICA BISFENOIDALE ROMBICA PIRAMIDALE ROMBICA • Monoclino a=c=90° a=b=c PRISMATICA DOMATICA SFENOIDALE • Triclino a=b=c=90° a=b=c PINACOIDALE o dell'albite PEDIALE ©laura Condorelli 2009 La durezza E' la resistenza che la superficie liscia di un minerale offre all'abrasione; in base a questa, si dividono i corpi in duri (non scalfibili da punta di acciaio), semiduri (scalfibili da punta di acciaio), teneri (scalfibili da un'unghia). Si determina la durezza osservando per confronto la facilità o la difficoltà con cui un minerale viene graffiato da un altro minerale, scelto lungo la scala di durezza di Mohs, che li classifica dal più tenero al più duro. Lucentezza La lucentezza dei minerali è una caratteristica che dipende da più fattori contemporanei quali l'indice di rifrazione, la dispersione, la densità ottica e la tessitura della superficie (che può essere la faccia di un cristallino od una superficie di frattura). Non è quindi possibile misurare la lucentezza. Essa si può comunque distinguere in metallica (riflette la luce), opaca (tipica delle sostanze che assorbono completamente la luce) e non metallica (tipica dei corpi più o meno trasparenti). Ad indici di rifrazione maggiori corrispondono maggiori quantità di luce riflessa e quindi maggiore lucentezza; si può ottenere una scala di lucentezza, in funzione dell'indice di rifrazione, dove i termini che la caratterizzano sono: Metallica: riflette completamente la luce Adamantina: assai brillante, simile a quella del (alluminio) diamante (diamante, sfalerite, cassiterite) Subadamantina Vitrea: simile al vetro ©laura Condorelli 2009 Resinosa: simula la lucentezza della resina Perlacea: lucentezza simile all'iridescenza della perla Sericea: è giallognola, sembra seta ed è tipica dei minerali di aspetto fibroso Minerali caratteristici Diamante (C ) abito ottaedrico, lucentezza adamantina Zolfo (S) abito bi piramidale rombico, lucentezza sericea Gesso (CaSO4) abito geminato a coda di rondine. Lucentezza traslucida ©laura Condorelli 2009 Gesso geminato a ferro di lancia Salgemma (NaCl) abito cubico, lucentezza traslucida Quarzo (SiO2) abito piramidale trigonale (in realtà sembra esagonale per essere un geminato). Lucentezza traslucida Bauxite (Al2O3) lucentezza opaca Il colore Il colore di un cristallo è una proprietà ottica molto evidente, ma non sempre è diagnostica. I minerali sono generalmente colorati e ben pochi sono quelli incolori. I minerali colorati si distinguono in: • Idiocromatici: dotati di colore proprio connesso alla loro natura chimica. Si riconoscono perché la loro polvere ha lo stesso colore del minerale in massa anche se più chiaro. • Allocromatici: minerali che hanno colore improprio prodotto da sostanze accidentalmente incluse. La loro polvere è biancastra e possono variare di colore per riscaldamento, irradiazione con raggi x. La classificazione dei minerali La classificazione dei minerali si divide in 9 classi ed è fondata su criteri “cristallochimici” in quanto tiene conto sia della composizione chimica dei minerali sia del loro abito cristallino. 1. ELEMENTI NATIVI: il gruppo degli elementi nativi include metalli (Au, oro; Ag, argento; Cu, rame), alcuni composti intermetallici, semi-metalli e non metalli (antimonio, bismuto, graffite, zolfo). Questo gruppo comprende anche alcune leghe naturali come l'elettro (lega di oro ed argento), fosfuri, siliciuri, nitriti e carburi ( i quali si trovano in natura solo in alcune rare meteoriti). Generalmente sono elementi chimici reperibili in natura senza essere legati con altre sostanze. 2. SOLFURI: i solfuri sono composti dello zolfo con elementi metallici fra cui rame, piombo, zinco, mercurio,argento, ferro, molibdeno, cobalto, nichel. Alcuni esempi: pirite (FeS2, solfuro di ferro), galena (PbS, solfuro di piombo), cinabro (HgS, solfuro di mercurio), blenda o sfalerite (ZnS, solfuro di zinco), calcopirite (CuFeS2, solfuro di rame e ferro), pirrotina (FeS, solfuro di ferro) e covellina (CuS, solfuro di rame). 3. ALOGENURI: gli alogenuri sono il gruppo di minerali che formano i sali naturali e comprendono la fluorite, il salgemma (NaCl) ed il sale di ammonio (cloruro di ammonio). 4. OSSIDI: appartengono a questa classe i composti formati dai metalli con l'ossigeno o con lo ione ossidrile. Sono in genere prodotti dall'alterazione di minerali preesistenti, tra cui i più importanti: quarzo (ossido di silicio), magnetite (Fe3O4, ossido ferrico), corindone (Al2O3, ossido di alluminio) di cui sono note le varietà di rubino e zaffiro, ematite (Fe2O3, ossido ferrico), ghiaccio (ossido di idrogeno). IDROSSIDI: hanno nella loro struttura un atomo di ossigeno legato ad un atomo di idrogeno (OH ione ossidrile). 5. NITRATI: formati da composti dove lo ione di nitrato (NO3-) si lega con quasi tutti gli ioni metallici. CARBONATI: sono quei minerali contenenti l'anione (CO3)2- ed includono calcite ed aragonite (entrambi carbonato di calcio), dolomite (carbonato di magnesio e calcio) e siderite (carbonato di ferro). I carbonati sono formati per lo più dalle conchiglie del plancton depositatesi sul fondo marino, ovvero il calcare (CaCO3) ha la caratteristica di essere insolubile, solo l'acido lo può sciogliere. BORATI: formati da composti dove lo ione di borato (BO3) si lega con quasi tutti gli ioni metallici. 6. SOLFATI E CROMATI: contengono l'anione solfato (SO4)2-. I solfati si formano negli ambienti sottoposti a forte evaporazione dove acque molto saline evaporano lentamente permettendo la formazione di solfati e alogenuri sulla superficie dei sedimenti. I solfati più comuni sono l'anidrite (solfato di calcio), il gesso (solfato di calcio idrato) gesso e la barite. 7. FOSFATI, ARSENIATI E VANADATI: Il gruppo dei fosfati include minerali con l'unità tetraedrica AO4 dove A può essere fosforo (PO4), antimonio, arsenico o vanadio. Alcuni fosfati comuni sono: l'apatite e la vanadinite. ©laura Condorelli 2009 8. SILICATI: sono composti da silicio ed ossigeno con l'aggiunta di ioni come magnesio, ferro e calcio. Alcuni importanti silicati, che entrano anche nella composizione di molte rocce, sono: feldspati, quarzo, olivine, pirosseni, granati e miche. L'unità fondamentale del reticolo cristallino è il tetraedro (SiO4)4- in cui il silicio è al centro e i quattro atomi di ossigeno ai vertici. I vari tetraedri possono essere isolati o uniti fra loro; la classificazione dei silicati si basa proprio sui diversi modi in cui sono legate fra loro le varie unità tetraedriche. I silicati si suddividono in altre classi: nesosilicati (olivina, staurolite); sorosilicati (vesuviana); ciclosilicati (berillo, tormalina); inosilicati (augite, glaucofane); filosilicati (apofillite, muscovite, crisolito) e tettosilicati (leucite, ortoclasio, albite). Nei silicati il legame con determinati ioni positivi possono determinare una colorazione chiara o scura del minerale: • colorazione chiara: minerali leucocrati Na+(plagioclasi, albite), K+(K-feldspato, quando è bianco non si distinguere dagli altri plagioclasi), Ca++(anortite), Al+++; • colorazione scura: minerali leucocrati Fe++, Mg++: piroseni, anfiboli (sono lunghi e neri), olivina (è verde), mica biotite; Silicati che possono essere di diverso colore si riconoscono perché si sfaldano a lamelle. 9. COMPOSTI ORGANICI: in questa classe sono compresi i pochi minerali organici reperibili in natura, assimilabili a resine fossili come l'ambra che hanno perso gran parte dei componenti volatili dopo milioni di anni di seppellimento. Oltre all'ambra (ricca di acido succinico), sono compresi in questa classe alcuni minerali rinvenuti in giacimenti carboniferi e lignitiferi . ©laura Condorelli 2009 LE ROCCE Le rocce sono aggregati di più minerali che costituisco masse distinguibili geologicamente della crosta terrestre. I caratteri che contraddistinguono un determinato tipo di roccia sono numerosi e vanno dalla composizione chimica, alla struttura mineralogica, alla genesi, alla storia deformativa, al rapporto con altre rocce. Tutte le rocce che si possono osservare sulla Terra sono il risultato di diversi processi di formazione che si possono riassumere in tre grandi processi chimico fisici fondamentali: • Rocce magmatiche (processo magmatico o igneo) cristallizzazione da un fuso magmatico: esse derivano dal processo di consolidamento del magma: massa allo stato fuso composta da un misto di composti chimici (principalmente silicati) ricca di elementi volatili (perdita dei gas). Il magma può derivare dalla fusione del mantello o dalla fusione delle porzioni più profonde della crosta terrestre (rocce preesistenti). Nel movimento del magma verso la superficie si cristallizzano diversi tipi di minerali al variare delle condizioni di pressione e temperatura seguendo delle serie chimiche ben note. A seconda del momento in cui il processo di cristallizzazione viene interrotto si possono formare diversi tipi di rocce magmatiche. • Rocce intrusive: (per esempio il granito) si sono cristallizzate lentamente ed in profondità quindi durante la solidificazione non emergono mai, per cui i vari minerali componenti sono cristalli ben evidenti, perché con un raffreddamento più lento i singoli minerali hanno il tempo di accrescersi. Le rocce intrusive hanno una struttura olocristallina. • Rocce ipoabissali: (per esempio il porfido) si sono cristallizzate a profondità intermedie ma più velocemente, in corpi di dimensioni limitate. • Rocce effusive: (per esempio il basalto e la pomice) si sono cristallizzate in superficie con un raffreddamento rapidissimo, in modo che i minerali cristallizzano in dimensioni microscopiche o non cristallizzano affatto, perché non hanno il tempo di accrescersi. Le rocce effusive hanno una struttura microcristallina. ©laura Condorelli 2009 • Quando il raffreddamento del magma è molto rapido (la lava si solidifica all'istante prima di toccare terra) si può vedere nelle rocce una struttura bollosa o vescicolare, cioè con i buchi come la pomice o vetrosa, cioè un solido amorfo come l'ossidiana. Le rocce magmatiche, inoltre, si classificano anche in base all’acidità. Nelle rocce acide (famiglia dei graniti) prevalgono i colori chiari (minerali leucocrati come quarzo, plagioclasi, K felispato, mentre come unico minerale scuro è resente la mica biotite), in quelle basaltiche, al contrario, prevalgono i colori scuri (minerali melanocrati come anbiboli, pirosseni, olivina e come unici minerali chiari sono in genere presenti i plagioclasi). Rocce sedimentarie (processo sedimentario) precipitazione chimico-fisica da una soluzione: si formano in seguito a un accumulo di sedimenti provenienti dal disfacimento di altre rocce in seguito ai processi di erosione, trasporto, accumulo e litificazione; derivanti dall'azione di organismi viventi o da processi chimici, all'interno di un ambiente fluido. • Quando l'azione di accumulo avviene per processi essenzialmente fisici si parla di processo sedimentario clastico o detritiche: si formano in seguito all'erosione per conto degli agenti atmosferici e anche grazie al trasporto attraverso essi, accumulo e litificazione (soluzione cementante) di detriti. Queste rocce (per esempio arenarie) sono costituite da frammenti di differenti dimensioni di rocce di ogni tipo; vengono classificate in relazione alla dimensione dei clasti e alla composizione chimico mineralogica. • Clasti maggiori di 2 cm -> conglomerati • Clasti compresi tra 2 mmm e 2 cm -> arenarie • Clasti minori di 2 mm-> argilliti ©laura Condorelli 2009 • Quando in un bacino si ha una forte evaporazione può verificarsi la precipitazione diretta dei sali disciolti nell'acqua, questo processo è detto chimico: (per esempio la formazione dei gessi) il deposito di sedimenti viene poi trasformato in roccia a seguito di processi di compattazione e cementazione. La maggior parte di queste rocce sono calcaree. Quelle di origine marina sono calcari oolitici, mentre il travertino è la tipica forma continentale e si forma nei pressi delle cascate. • Se l'accumulo avviene grazie all'azione di organismi che fissano i sali nell'acqua, ad esempio nei loro gusci, il processo è detto organogeno. Le rocce organogene: (per esempio i calcari) sono classificate in base alla composizione chimica ma anche in relazione a caratteri ambientali e fattori legati al tipo di organismo costruttore. Si tratta perlopiù di calcari, proprio perché la maggior parte degli organismi viventi si costruisce la conchiglia con Calcare a foramminiferi materiale insolubile (calcare) Ammonitico rosso Carboni fossili. Sono usati come materiale combustibile ( bruciando con l’ossigeno producono energia), si riconoscono 4 stadi di carboni fossili, in cui si manifesta un progressivo arricchimento in carbonio (le rocce più ricche sono ovviamente quelle più vecchie e hanno un maggior potere calorifico). Torba: si riconoscono i vegetali (ghiacciai quaternari, pianura Padana, Torba. Si riconoscono ancora i rami vegetali torbiere dell’Europa settentrionale) Lignite: maggior arricchimento Litantrace: è già un buon combustibile Antracite: lucida, dura e nera, combustibile di pregio, produce 8000 cal/kg (rocce paleozoiche (monti Appalachi, Europa centrale, Ruhr, in ©laura Condorelli 2009 Antracite: l’arricchimento in carbonio è praticamente completo seguito a ciclotema). • Rocce metamorfiche (processo metamorfico) ricristallizzazione allo stato solido: si formano dalla trasformazione di minerali preesistenti per effetto di un aumento della temperatura o della pressione che ne modificano l'originaria composizione e struttura. Ad esempio alcuni processi metamorfici portano alla formazione del diamante dalla grafite. Da questo processo se ne distinguono egli altri: • Metamorfismo da contatto: con le camere magmatiche (per esempio gli hornfless e il marmo) dovute alla risalita di masse molto calde dal profondo che causano aumenti di temperatura. Nel marmo si riconoscono il colore chiaro del calcare e la struttura saccaroide • Metamorfismo di carico o regionale: (per esempio filladi, micacisti e gneiss) è dovuto all'alta pressione dovuta allo sprofondamento o alla presenza di spinte tettoniche o ad aumenti di temperatura. La fillade e i micascisti sono scistosi (i minerali si orientano secondo piani preferenziali), ma i micascisti si riconoscono perché in genere sono associati a granati. Nello gneiss manca la scistosità, poiché l’elevato grado di metamorfismo ha prodotto una parziale fusione della roccia, portandola ad una struttura intermedia tra metamorfica e magmatica. Filladi micascisti e gneiss derivano dal metamorfismo di basso, medio, alto grado di rocce granitiche o arenarie Alcune curiosità sui minerali Il diamante si forma ad altissime temperature ed elevate pressioni, quindi non si può che trovare nel camino vulcanico, si possono trovare soprattutto in Africa e nel Golfo del Gabona. La grafite viene usata come elettrodo a livello industriale nel campo dell'elettrochimica. Il salgemma (sale da cucina) aveva nel medioevo lo stesso valore del diamante, perché ha una lucentezza simile ad esso. Lo zolfo lo possiamo trovare più comunemente nei cerini, negli esplosivi. La calcite è più comunemente chiamata calcare e si può ritrovare nel marmo, ad esempio il colosseo è fatto di marmo, come le case dei crostacei nel mare sono fatte di calcare. ©laura Condorelli 2009