MINERALI COSMOOS
Minerali
I minerali (dal latino medievale minerale, derivato del francese antico minière, “miniera”) sono corpi inorganici e naturali, caratterizzati da un elevato ordinamento a scala atomica ed una composizione chimica ben definita (ma non fissa) o variabile in un campo ristretto; essi costituiscono la crosta terrestre e altri corpi celesti. Sono tutti solidi (eccetto il mercurio nativo).
Descrizione
Hanno proprietà fisiche e chimiche costanti, che permettono di identificarli e distinguerli gli uni dagli altri. In ambito storico, con l’espressione regno minerale si indicava l’insieme degli oggetti inanimati, prevalentemente minerali e rocce, in base al Systema Naturae di Linneo.
Il termine odierno, inteso correttamente in senso scientifico, è più restrittivo e indica composti chimici presenti naturalmente, ossia corpi che presentano una composizione chimica definita o variabile entro i limiti ben precisi imposti dalla stechiometria; essi si presentano quasi sempre sotto forma cristallina, sono solidi a temperatura ambiente (con l’eccezione del mercurio nativo e del ghiaccio) e per lo più inorganici.
I minerali si distinguono in base a varie proprietà chimiche e fisiche. Le differenze nella composizione chimica e nella struttura chimica distinguono le varie specie, che furono determinate dall’ambiente geologico del minerale quando si formò. I cambiamenti nella temperatura, nella pressione o nella composizione complessiva di una massa rocciosa possono causare cambiamenti nei suoi minerali. All’interno di una specie minerale ci possono essere variazioni delle proprietà fisiche o quantità minori di impurità che sono riconosciute dai mineralogisti o da un pubblico più ampio come una varietà minerale, ad esempio l’ametista, una varietà purpurea della specie minerale quarzo.
Per quanto riguarda la classificazione dei minerali in base alle loro varie proprietà fisiche, queste sono legate alla loro struttura e composizione chimica. Caratteristiche distintive comuni includono la struttura e l’abito cristallino, la durezza, la lucentezza, la diafanità, il colore, lo striscio, la tenacità, sfaldatura, frattura, fissilità, gravità specifica, magnetismo, odore o gusto, radioattività e reazione agli acidi.
Dal punto di vista chimico, i minerali sono classificati in base ai principali costituenti; i due sistemi dominanti sono la classificazione Dana e la classificazione Strunz. Poiché il silicio e l’ossigeno costituiscono approssimativamente il 75% della crosta terrestre, sulla Terra vi è una netta predominanza dei minerali silicati, che compongono oltre il 90% della crosta terrestre.
Un minerale può essere costituito da un solo elemento chimico, come l’oro (Au), oppure da uno o più elementi legati assieme in un composto chimico semplice, come ad esempio il quarzo (SiO2), da molecole di formula complessa, spesso comprensiva di molecole di acqua di cristallizzazione, come l’idrobasalluminite Al4(SO4)(OH)10·12-36(H2O), o più complessa ancora. Il termine minerale implica non soltanto la composizione chimica, ma anche la struttura cristallina del materiale.
La composizione dei minerali varia quindi dai semplici elementi chimici a sali fino ad arrivare a silicati molto complessi, mentre la maggior parte dei composti organici sono solitamente esclusi, ed enumera migliaia di forme conosciute. Lo studio dei minerali è detto mineralogia.
Possono essere di molte varietà di colore dall’opaco al vitreo da unicolore a pluricolore e sono consigliati in ambito scolastico o di collezionismo.
Definizione
La definizione di minerale segue alcuni criteri molto precisi.[5] Il minerale è un corpo cristallino, con composizione chimica definita o variabile in campo ristretto. Sono caratterizzati dall’avere una ben precisa struttura cristallina. A livello atomico i minerali cristallini possiedono un reticolo cristallino formato dalla ripetizione di una struttura geometrica detta cella elementare.
Un cristallo è un corpo solido a facce piane riconducibile a una determinata figura geometrica. La struttura si riferisce alla disposizione spaziale ordinata a lungo raggio degli atomi nella loro struttura molecolare.
Esistono 32 disposizioni di base degli atomi nelle tre dimensioni e tutti i cristalli conosciuti rientrano in una di queste 32 disposizioni. Alcuni minerali possedevano in origine una struttura cristallina che in seguito è stata distrutta dalle radiazioni, questi ultimi sono detti minerali metamittici.
Alcuni minerali inoltre presentano il fenomeno dell’isomorfismo, cioè può verificarsi che due o più minerali presentino identica struttura atomica e diversa composizione chimica. Sia la composizione chimica che la struttura cristallina concorrono a definire un minerale. Due o più minerali possono avere la stessa composizione ma differente struttura cristallina (sono detti polimorfi). Per esempio, la pirite e la marcasite sono entrambi solfuri di ferro. Analogamente, alcuni minerali hanno differente composizione chimica ma stessa struttura cristallina (sono detti isomorfi): halite (composta da sodio e cloro), galena (solfuro di piombo – composta da piombo e zolfo) e periclasio (composto da magnesio ed ossigeno) hanno tutti la stessa struttura cristallina cubica.
La struttura cristallina influenza notevolmente le proprietà fisiche di un minerale. Per esempio, diamante e grafite hanno la medesima composizione chimica ma le loro differenti strutture cristalline rendono la grafite molto tenera ed il diamante molto duro (è il materiale più duro conosciuto).
Per essere classificata come minerale, una sostanza dev’essere solida ed avere una struttura cristallina. Dev’essere anche un corpo solido omogeneo di origine naturale con una composizione chimica ben definita. Alcune sostanze che non rientrano strettamente nella definizione, sono classificate come mineraloidi. Esempi classici di eccezioni a questa regola includono il mercurio nativo, che cristallizza a −39 °C, e il ghiaccio acqueo, che è solido solo sotto 0 °C; poiché questi due minerali furono descritti prima del 1959, essi furono adottati dall’Associazione Mineralogica Internazionale (IMA).
A marzo del 2018, vi sono più di 5.500 specie minerali conosciute; 5.312 di queste sono state approvate dall’Associazione Mineralogica Internazionale (International Mineralogical Association, IMA), responsabile dell’approvazione e della denominazione di nuove specie rinvenute in natura.
Nelle Scienze della Terra tra i minerali vengono anche inclusi dei composti naturali, presenti nella crosta terrestre, che hanno struttura amorfa, quindi non possiedono una struttura cristallina come il già citato mercurio nativo che si rinviene in natura sotto forma di gocce liquide e altri, come l’opale, con composizione chimica definitiva ma privi di un definito reticolo cristallino.
Lo scisto è una roccia metamorfica caratterizzata da un’abbondanza di minerali di platino. In questo esempio, la roccia ha importanti porfiroblasti di sillimanite larghi 3 cm
Minerale e roccia sono termini che indicano materiali ben distinti fra loro.
Un minerale è un composto chimico che si trova in natura, che ha una ben determinata composizione ed una struttura cristallina ben definita. Un cristallo è un corpo solido a facce piane riconducibile a una determinata figura geometrica. Come ricordato sopra, a marzo del 2018 sono noti oltre 5.500 tipi di minerali (ogni anno se ne scoprono circa 50 grazie al progresso tecnologico), classificati in 3 gruppi a loro volta suddivisi in 7 sistemi comprendenti ciascuno 32 classi.
Una roccia è un miscuglio di una (raramente) o più specie minerali e di altre sostanze non cristalline (mineraloidi) in diverse proporzioni e pertanto, diversamente da un minerale, la composizione chimica di una roccia non è esprimibile con una formula chimica. Alcune rocce, come il calcare o la quarzite, sono composte principalmente da un solo minerale, calcite o aragonite nel caso del calcare, e quarzo nel secondo caso. Altre rocce possono esse definite dalle abbondanze relative dei minerali chiave (essenziali); un granito è definito dalle proporzioni di quarzo, feldspato alcalino e feldspato plagioclasico.
La diffusione dei minerali è molto varia: un certo numero di specie minerali (come il quarzo, la mica e l’ortoclasio) sono alla base della composizione di numerose rocce e, pertanto, estremamente diffusi nella crosta terrestre. Gran parte dei minerali sono silicati. Nel complesso, circa 150 minerali sono considerati particolarmente importanti, sia in termini della loro abbondanza o valore estetico in termini di collezionismo.
Molte specie minerali sono viceversa accessorie, ossia non necessariamente presenti nelle rocce che tipicamente li ospitano. Queste specie sono pertanto meno frequenti delle prime (se non decisamente rare).
Oltre a questo, numerose specie minerali sono presenti solo occasionalmente e, in certi casi, di talune specie sono stati rinvenuti pochi campioni e di dimensioni ridotte.
I minerali e le rocce di valore commerciale sono denominati minerali industriali. Ad esempio, la muscovite, una mica bianca, si può usare come materiale per finestre (a volte chiamato isinglass), come riempitivo o come isolante.[16] I minerali grezzi sono minerali che hanno un’alta concentrazione di un certo elemento, tipicamente un metallo. Esempi sono il cinabro (HgS), un minerale grezzo del mercurio, la sfalerite (ZnS), un minerale grezzo dello zinco, o la cassiterite (SnO2), un minerale grezzo dello stagno. Le gemme sono minerali con un valore ornamentale, e si distinguono dalle non gemme per la loro bellezza, durabilità e, solitamente, rarità. Ci sono circa 20 specie minerali che si qualificano come minerali gemme, che costituiscono circa il 35% delle gemme comuni. I minerali gemme sono spesso presenti in parecchie varietà, e così un unico minerale può dare luogo a diverse gemme; per esempio, rubino e zaffiro sono entrambi corindone, Al2O3.
Per solidificazione in seguito a raffreddamento di materiali puri, come nel caso del magma o lava;
Per precipitazione e evaporazione da sostanze disciolte in acqua, per sovrasaturazione (raffreddamento) ad es. stalattiti/stalagmiti o per evaporazione del solvente (riscaldamento) ad es. saline;
Per brinamento (da gas a solido) da vapori ad es. vapori di zolfo;
Per sublimazione da vapori caldi;
Per attività biologica;
Per trasformazioni solido – solido determinate dal mutare delle condizioni fisiche di equilibrio (pressione e temperatura principalmente) in cui un minerale si trova (es. pirosseno – granato).
Tipica frattura concoide di un cristallo di quarzo ialino
La classificazione di una specie minerale fra le circa 5.500 conosciute, può essere molto semplice (per circa 300 specie) ma può anche essere molto difficoltosa per le specie più rare. Un minerale può essere identificato mediante alcune proprietà fisiche e chimiche, alcune di esse possono essere sufficienti per arrivare ad un’identificazione sicura, in altri casi si rende necessario ricorrere ad analisi più approfondite (analisi chimica, diffrazione ai raggi X) costose e col rischio di danneggiare l’esemplare.
Le proprietà fisiche più utilizzate per l’identificazione sono:
Durezza: la durezza di un minerale è misurata dalla capacità di un minerale di scalfire o essere scalfito da altri minerali e si misura solitamente secondo la scala di Mohs di durezza dei minerali, con valori crescenti da 1 (talco) a 10 (diamante).
Lucentezza: indica il modo in cui la superficie del minerale interagisce con la luce e può variare da opaca a vetrosa. Si divide in lucentezza metallica (tipica delle sostanze che assorbono totalmente la luce e risultano opache) e lucentezza non metallica (tipica dei corpi più o meno trasparenti).
Colore: indica l’aspetto del minerale in luce riflessa (ciò che vede l’occhio nudo). Il colore di un minerale può dipendere esclusivamente dalla sua composizione chimica (come nel caso dei minerali idiocromatici), oppure dalla presenza di impurità (come nel caso dei minerali allocromatici). Il colore, facile da individuare, in molti casi non è diagnostico per il riconoscimento poiché la stessa specie mineralogica può presentare differenti colorazioni.
Peso specifico dei minerali: quasi tutti i minerali hanno peso specifico superiore a 1 (quello dell’acqua). I minerali più comuni come quarzo, calcite e feldspato hanno un peso specifico variabile fra 2,65 e 2,76. I minerali ricchi in elementi metallici hanno peso specifico uguale o superiore a 5. La galena ha peso specifico superiore a 7 e l’oro puro maggiore di 19.
Birifrangenza: proprietà ottica, evidenziabile in luce trasmessa, ossia interponendo il minerale tra la fonte luminosa e l’osservatore. Attraverso un cristallo con proprietà birifrangenti è possibile osservare gli oggetti con contorni sdoppiati (classico esempio è la calcite).
Sfaldatura: descrive il modo in cui alcuni minerali si sfaldano. Nella sfaldatura un minerale si frammenta in parti più piccole, lungo alcuni piani preferenziali di cristallizzazione, mantenendo costanti i valori angolari tra le diverse facce dei frammenti, in altri termini l’aspetto esterno cristallino si mantiene anche nei frammenti più minuti. Nelle sezioni sottili, la sfaldatura è visibile sotto forma di famiglie di linee sottili, parallele entro la singola famiglia, ed intersecantisi ad angoli costanti, attraverso il minerale.
Frattura: descrive il modo in cui alcuni minerali si rompono senza seguire i piani di sfaldatura. Solitamente le superfici di fratturazione non sono piane, ma hanno una morfologia irregolare, presentandosi a forma concoidale, irregolare, fibrosa.
Lo stesso argomento in dettaglio: Classificazione dei minerali.
I minerali sono classificati per varietà, specie, serie e gruppo, in ordine di generalità crescente. Il livello basilare di definizione è quello delle specie minerali, ciascuna delle quali si distingue dalle altre in base a proprietà chimiche e fisiche uniche. Ad esempio, il quarzo è definito dalla sua formula, SiO2, e da una specifica struttura cristallina che lo distingue da altri minerali con la stessa formula chimica (denominati polimorfi). Quando esiste un intervallo di composizione tra due specie minerali, si definisce una serie di minerali. Per esempio, la serie della biotite è rappresentata da quantità variabili dei termini estremi flogopite, siderofillite, annite ed eastonite. In contrasto, un gruppo di minerali è un raggruppamento di specie minerali con alcune proprietà chimiche comuni, che condividono una struttura cristallina. Il gruppo dei pirosseni ha una formula comune di XY(Si,Al)2O6, dove X e Y sono entrambi cationi, con X tipicamente più grande di Y; i pirosseni sono silicati a catena singola che cristallizzano o nel sistema cristallino ortorombico o in quello monoclino. Infine, una varietà di minerali è un tipo specifico di specie minerali che differisce per alcune caratteristiche fisiche, come il colore o l’abito cistallino.
Qui di seguito, i minerali sono suddivisi in gruppi, e quindi secondo la composizione chimica; i gruppi sono poi ordinati in base alla loro abbondanza nella crosta terrestre. Poiché la composizione di quest’ultima è dominata da silicio e ossigeno, come già ricordato nella parte introduttiva della presente voce, gli elementi silicati sono di lunga la più importante classe di minerali, costituendo più del 95% delle rocce e oltre il 90% della crosta terrestre. Del resto, oltre a silicio e ossigeno, gli altri elementi comuni nei minerali silicati sono anch’essi assai diffusi nella crosta terrestre, come alluminio, magnesio, ferro, calcio, sodio e potassio.
Tuttavia, i minerali non silicati sono di grande importanza economica, specialmente come minerali grezzi. Essi sono suddivisi in varie altre classi dalla loro chimica dominante, che include, elementi nativi, solfuri, alogenuri, ossidi e idrossidi, carbonati e nitrati, borati, solfati, fosfati e composti organici. La maggior parte delle specie minerali non silicate sono rare (costituendo in totale l’8% della crosta terrestre), sebbene alcune siano relativamente comuni, come calcite, pirite, magnetite ed ematite. Ci sono due stili strutturali prevalenti osservati nei non silicati: impacchettamento compatto e tetraedri con legame simili ai silicati. Le strutture a impacchettamento compatto, che è un modo per impacchettare densamente gli atomi pur minimizzando lo spazio interstiziale. L’impacchettamento compatto esagonale comporta l’impilamento di strati in cui ogni altro strato è lo stesso (“ababab”), mentre l’impacchettamento compatto cubico comporta l’impilamento di gruppi di tre strati (“abcabcabc”). Gli analoghi dei tetraedri con i legami di silice includono SO4 (solfato), PO4 (fosfato), AsO4 (arsenato) e VO4 (vanadato). I non silicati hanno grande importanza economica, in quanto concentrano elementi più di quanto facciano i minerali silicati.
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