1 La Terra: un pianeta a strati La Terra è costituita da tre componenti: una componente solida chiamata geosfera; una componente liquida chiamata idrosfera; una componente aeriforme chiamata atmosfera.

2 La Terra: un pianeta a strati La disposizione dei materiali che formano la Terra è determinata dalla loro densità. La disposizione dei materiali risulta quindi stratificata a sfere concentriche. ATMOSFERAIDROSFERAGEOSFERA

3 I materiali del pianeta Terra L’idrosfera è costituita da acqua e da alcuni sali disciolti. L’atmosfera è formata prevalentemente da azoto (circa l’80%), ossigeno (circa il 20%), e da altri gas (circa l’1%). La geosfera presenta una grande varietà di composizione.

4 I materiali del pianeta Terra Anche i materiali della geosfera sono distribuiti in sfere concentriche basate sulla densità: La stratificazione è avvenuta nella fase iniziale della formazione della Terra,quando i materiali erano ancora allo stato uso. mantello formato da rocce dense; crosta formata da rocce a bassa densità. nucleo centrale di ferro, nichel, zolfo; CROSTAMANTELLONUCLEO

5 Composizione della crosta terrestre Il 90% in massa della intera Terra è formato da quattro elementi: ferro, ossigeno, silicio e magnesio. Ossigeno e silicio rappresentano il 75% della crosta.

6 Composizione della crosta terrestre Quasi la metà della massa della crosta è dovuta all’ossigeno. Nei composti solidi della crosta l’ossigeno si lega con altri elementi per formare ossidi e sali. I sali più frequenti sono i composti costituiti da ossigeno, silicio e uno o più metalli, i silicati.

7 Un elemento è una sostanza che non può essere separata in tipi più semplici di materia con normali processi chimici. Otto tra gli elementi presenti in natura costituiscono da soli più del 90% della crosta terrestre. Elementi e composti naturali

8 Raramente gli elementi si trovano come elementi nativi, cioè non combinati con altri elementi. Bismuto nativo Elementi e composti naturali

9 In genere gli elementi sono combinati chimicamente in numero di due o più a formare composti. La PIRITE è costituita da 2 soli elementi Fe, S L’ORNEBLENDA è costituita da ben 8 elementi: Na, Ca, Mg, Fe, Al, Si, O, H Elementi e composti naturali

10 Elementi e composti naturali Ogni composto ha una composizione chimica definita espressa da una specifica formula chimica. Il salgemma è un minerale composto di SODIO e CLORO e ha formula NaCl Il quarzo è un minerale composto di SILICIO e OSSIGENO e ha formula SiO 2

11 I minerali La mineralogia è la disciplina che studia l’origine e la natura dei minerali. Un minerale è un corpo solido allo stato naturale che può essere un elemento nativo o un composto.

12 Una sostanza può essere definita un minerale quando: allo stato naturale si è formata attraverso un processo generalmente inorganico; la sua composizione si può esprimere mediante una formula chimica; la sostanza, in genere, è un solido cristallino; è caratterizzata da specifiche proprietà fisiche (durezza, densità) che devono avere un valore costante e definito. I minerali

Le sostanze solide che non mostrano una forma geometrica regolare sono i solidi amorfi. L’ordine e la regolarità della disposizione delle particelle determinano la struttura cristallina del minerale. I cristalli si presentano in forme regolari, prismatiche, ben riconoscibili, caratteristiche per ogni minerale. La struttura cristallina dei minerali

14 La struttura cristallina dei minerali Ogni minerale si presenta come un solido dotato di una particolare forma geometrica detta abito cristallino. FeldspatoQuarzoMicaOlivina

15 L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale è il risultato della particolare disposizione degli atomi e delle molecole all’interno dei cristalli. Questa disposizione interna ordinata è detta struttura del reticolo cristallino. RETICOLO CRISTALLINO La struttura cristallina dei minerali

16 L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale è il risultato della particolare disposizione degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli. Questa disposizione interna ordinata è detta struttura del reticolo cristallino. FILARE Atomi, ioni e molecole sono allineati a una distanza fissa formando filari La struttura cristallina dei minerali

17 L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale è il risultato della particolare disposizione degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli. Questa disposizione interna ordinata è detta struttura del reticolo cristallino. PIANO Due filari non paralleli individuano un piano reticolare La struttura cristallina dei minerali

18 L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale è il risultato della particolare disposizione degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli. Questa disposizione interna ordinata è detta struttura del reticolo cristallino. Un piano reticolare è dato dalla ripetizione per traslazione di una maglia piana elementare MAGLIA La struttura cristallina dei minerali

19 Struttura dei cristalli Le maglie dei piani reticolari hanno forme poligonali. Le maglie dei cristalli hanno solo forme che, accostate, possono ricoprire interamente un piano: quadrata, rettangolare (A), rombica (B), triangolare (C) o esagonale (D). Non sono mai pentagonali (E) o ottagonali (F) perché lascerebbero aree scoperte.

20 L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale è il risultato della particolare disposizione degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli. Questa disposizione interna ordinata è detta struttura del reticolo cristallino. NODO Tre filari non giacenti sullo stesso piano, incontrandosi in punti detti nodi danno origine al reticolo cristallino La struttura cristallina dei minerali

21 L’aspetto dell’abito cristallino di un minerale è il risultato della particolare disposizione degli atomi delle molecole all’interno dei cristalli. Questa disposizione interna ordinata è detta struttura del reticolo cristallino. L’unità strutturale minima del reticolo cristallino è detta cella elementare CELLA ELEMENTARE La struttura cristallina dei minerali

22 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 dei minerali

Per definire il reticolo cristallino si indicano: 3 paramenti lineari (a, b, c) 3 parametri angolari (α, β, γ) Wikipedia La struttura cristallina dei minerali

La simmetria dei cristalli e la loro classificazione Per essere definito cristallino un solido deve permettere almeno un’operazione di simmetria La struttura cristallina dei minerali

Un sistema cristallino riunisce classi di simmetria con caratteristiche simili: minerali che presentano una cella elementare della stessa forma. In totale sono stati individuati 7 sistemi cristallini La struttura cristallina dei minerali

I diversi sistemi cristallini sono stati distinti in tre gruppi cristallini: monometrico: in cui i tre parametri sono uguali (a=b=c) dimetrico: in cui vi sono due parametri uguali (a=b≠c) trimetrico: in cui tutti e tre i parametri sono diversi tra loro (a≠b≠c) La struttura cristallina dei minerali

Qualsiasi distribuzione omogenea periodica di una cella elementare può essere ricondotta ad uno dei 14 reticoli di Bravais. La struttura cristallina dei minerali

28 La struttura cristallina del salgemma (NaCl) è data da una disposizione geometrica e ordinata in una cella elementare cubica di ioni Na + e Cl –. La struttura cristallina dei minerali

29 Non sempre i cristalli hanno forma geometrica regolare. Se un minerale ha molto spazio a disposizione, i cristalli possono svilupparsi in forme regolari e, talvolta, gigantesche. Se un minerale si accresce in poco spazio, i cristalli si sviluppano in modo irregolare adattandosi allo spazio disponibile. La struttura cristallina dei minerali

30 In base al tipo di particelle di cui sono composti e all’intensità delle forze di attrazione esistenti fra queste, i cristalli si possono classificare in: ionici, costituiti da cationi e anioni che si alternano nel reticolo; covalenti, costituiti da atomi legati covalentemente fra loro a formare una rete che si estende in tutte le direzioni del cristallo; metallici, costituiti da cationi, che occupano le varie posizioni del reticolo, circondati da elettroni di valenza in movimento e diffusi in tutto il solido; molecolari, costituiti da atomi o da molecole neutre tenute insieme da forze deboli. La struttura cristallina dei minerali

31 Fattori che influenzano la struttura dei cristalli In un solido cristallino devono essere rispettati due requisiti fondamentali: 1. Le dimensioni delle specie chimiche che si combinano devono essere tali da potere costituire un’impalcatura cristallina stabile.

32 Fattori che influenzano la struttura dei cristalli In un solido cristallino devono essere rispettati due requisiti fondamentali: 2. Le cariche negative e positive devono bilanciarsi esattamente, affinché la cella elementare sia elettricamente neutra.

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

34 Formazione dei minerali I minerali si possono formare per: cristallizzazione da soluzioni magmatiche solidificatesi per raffreddamento; cristallizzazione da soluzioni acquose per evaporazione del solvente, o per raffreddamento della soluzione; cristallizzazione per raffreddamento di vapori o reazioni tra gas; cristallizzazione da fasi solide (cristalline) o amorfe, con trasformazione allo stato solido di minerali presenti; attività degli organismi viventi con produzione di biominerali.

35 Proprietà fisiche dei minerali I minerali si identificano attraverso le loro proprietà fisiche: colore; peso specifico; sfaldatura; durezza; lucentezza; temperatura di fusione; magnetismo; birifrangenza; fluorescenza; radioattività.

36 Proprietà fisiche dei minerali Il colore di un minerale dipende dalla presenza nella sua struttura di certi atomi: Talvolta, lo stesso minerale può presentare colori diversi a causa di impurità presenti nella sua struttura. Quarzo affumicatoQuarzo ametistaQuarzo citrinoQuarzo ialinoQuarzo rosa rame = verde, azzurro; manganese = rosa, arancio; ferro = giallastro, rosso, marrone, nero.

37 Proprietà fisiche dei minerali Il colore della polvere di un minerale può essere 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.

38 Proprietà fisiche dei minerali Il peso specifico di un minerale è il rapporto tra il suo peso e il peso di un uguale volume di acqua distillata a 4 °C. Dipende dal tipo di atomi che costituiscono il minerale e dal loro addensamento nella struttura cristallina. GALENA densità = 7,6 g/cm 3 CARNALLITE densità = 1,6 g/cm 3 QUARZO densità = 2,65 g/cm 3 ORO densità = 19,3 g/cm 3 A parità di volume, alcuni minerali sono più pesanti di altri.

39 Proprietà fisiche dei minerali La sfaldatura è la caratteristica di alcuni minerali di rompersi lungo piani di minor resistenza detti piani di sfaldatura. La calcite si sfalda in romboedri La mica si sfalda in lastre sottilissime

40 Proprietà fisiche dei minerali La durezza di un minerale è una misura della sua resistenza a essere scalfito o abraso. La durezza si determina per confronto con una scala standard: la scala di Mohs. TALCO durezza = 1 CALCITE durezza = 3 APATITE durezza = 5 ORTOCLASIO durezza = 6 TOPAZIO durezza = 8 QUARZO durezza = 7 FLUORITE durezza = 4 GESSO durezza = 2 CORINDONE durezza = 9 DIAMANTE durezza = 10

Lupi a Palm ieri, Paro tto, Oss ervar e e capir e la Terra © Zani chelli edito re 2010 Minerali e rocce La scala della durezza di Mohs

42 Proprietà fisiche dei minerali La lucentezza è la capacità di un minerale di riflettere la luce. Metallica: la luce è totalmente assorbita, quindi le superfici risultano opache Non metallica: tipica dei corpi trasparenti. Adamantina: brillante, tipica del diamante Vitrea: la più diffusa, caratteristica del quarzo Madreperlacea: tipica delle miche e dei minerali con strati cangianti Resinosa: tipica di minerali con aspetto resinoso, come lo zolfo Grassa: deve il nome al fatto che la superficie appare untuosa, come nel talco Sericea: è tipica dei minerali fibrosi, come il crisotilo Terrosa: si tratta dell’assenza di lucentezza, come nel caso dell’argillite

43 Proprietà fisiche dei minerali La lucentezza è la capacità di un minerale di riflettere la luce. CERUSSITE lucentezza adamantina TORMALINA lucentezza vitrea PIRITE lucentezza metallica OPALE lucentezza grassa

44 Proprietà fisiche dei minerali Il magnetismo è la capacità di alcuni minerali di attrarre materiali ferrosi. La magnetite è un minerale dotato di magnetismo.

45 Polimorfismo Il polimorfismo è la caratteristica di due o più minerali che pur avendo la stessa composizione chimica, presentano diversa struttura del reticolo cristallino. Il diamante e la grafite sono costituiti entrambi da carbonio ma hanno diversa struttura del reticolo cristallino DIAMANTEGRAFITE

46 Isomorfismo L’isomorfismo si verifica quando ioni di elementi chimici diversi (con raggio ionico e cariche simili) possono sostituirsi a vicenda, all’interno dello stesso reticolo cristallino. Questi elementi si definiscono vicarianti e il fenomeno dell’intercambiabilità è detto vicarianza. I minerali che presentano isomorfismo danno vere e 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) 2 SiO 4.

47 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.

48 Solidi amorfi Le sostanze cristalline sono in genere anisotrope: cioè in esse grandezze fisiche, come la dilatazione termica o certe proprietà ottiche, assumono valori diversi a seconda della direzione considerata. Le sostanze amorfe sono invece isotrope, cioè presentano le stesse caratteristiche fisiche in tutte le direzioni.

49 Classificazione dei minerali La classificazione dei minerali si basa sugli elementi chimici di cui sono costituiti. I minerali sono raggruppati in classi sulla base dell’anione presente. Le classi più importanti sono: elementi nativi, solfuri, solfati e alogenuri, ossidi e ossidi idrati, carbonati, silicati.

50 Classificazione dei minerali Gli elementi nativi sono minerali costituiti da un unico elemento chimico (metallo o non-metallo), che si rinviene in natura allo stato elementare. Oro Au Diamante C Zolfo S

51 Classificazione dei minerali I solfati sono minerali caratterizzati dalla presenza dell’anione SO 4 2–. Gesso CaSO 4 ·2H 2 O Anidrite CaSO 4 Barite BaSO 4

52 Classificazione dei minerali Gli alogenuri comprendono i minerali che hanno come anione un alogenuro. Salgemma NaCl Fluorite CaF 2 Silvite KCl

53 Classificazione dei minerali I solfuri sono composti dello zolfo con i metalli. Pirite FeS 2 Galena PbS Cinabro HgS

54 Classificazione dei minerali Ossidi e ossidi idrati sono composti dell’ossigeno, contenenti a volte anche molecole d’acqua. Magnetite FeO·Fe 2 O 3 Corindone Al 2 O 3 Limonite FeO(OH)·nH 2 O

55 Classificazione dei minerali I carbonati sono minerali che contengono l’anione CO 3 2–. Calcite CaCO 3 Dolomite CaMg(CO 3 ) 2 Malachite Cu 2 (CO 3 )(OH) 2

La struttura base di tutti i silicati è il tetraedro formato da un atomo di silicio e quattro di ossigeno, con un eccesso di 4 cariche negative Le cariche negative vengono spesso neutralizzate da cationi metallo. Classificazione dei minerali

57 Classificazione dei minerali I silicati sono minerali che contengono l’anione SiO 4 4–.

Classificazione dei minerali