Corso di Laurea in SCIENZE NATURALI
Facoltà di Scienze MM.FF.NN
Mineralogia sistematica
Definizione di minerale
Un minerale e’ un solido naturale con un elevato ordine alla scala atomica ed
una definita (ma non fissa) composizione chimica. Si forma generalmente da
processi inorganici
• Naturale: si vuole distinguere fra sostanze formate da processi naturali e
quelle prodotte in laboratorio
• Solido: si escludono gas e liquidi. H2O come ghiaccio e’ un minerale, come
acqua no
• Escluso anche il mercurio liquido. Queste ultime sostanze saranno
chiamate mineraloidi
• Elevato ordine atomico: i minerali sono solidi cristallini. Sono esclusi i
solidi naturali amorfi, come vetro vulcanico, limonite, minerali metamittici.
Anche questi ultimi saranno classificati come mineraloidi
Composizione chimica definita…… Esiste una formula chimica specifica per un
dato minerale. Es SiO2 ……. ma non fissa
CaMg (CO3)2
Ca(Mg, Fe, Mn) (CO3)2
….. i rapporti atomici rimangono fissi anche se esiste un intervallo di
composizioni…
Definizione di minerale
Si forma da processi inorganici. Generalmente.
Si includono anche composti di origine organica che soddisfano le altre
caratteristiche richieste per essere un minerale. Es carbonato di calcio del guscio di
un mollusco
L’opale (SiO2 amorfo), la magnetite (Fe3O4) la fluorite (CaF2) gli ossidi di Mn, etc…
possono essere precipitati da organismi
L’apatite Ca5(PO4)3(OH) e’ il principale costituente di ossa e denti. Il corpo puo’
produrre calcoli (fosfati di calcio – idrossilapatite, carbonato-apatite, witlokite –
ossalati di calcio e fosfati di Mg
Petrolio e carbone sono combustibili minerali. Benche’ di origine
naturale, non hanno composizione chimica ben definita e struttura
atomica ordinata. L’eccezione e’ la grafite
Alcune sostanze che non rientrano strettamente nella definizione, sono classificate
come mineraloidi (materiali simili ai minerali, ma non dotati di cristallinita’-es. resine
fossili, ecc). I minerali conosciuti ad oggi sono oltre 4.000, della classificazione si
occupa l‘International Mineralogical Association, responsabile dell'approvazione e
della denominazione di nuove specie rinvenute in natura.
Nomenclatura
Classificazione sulla base della presenza di un componente chimico
principale. La descrizione e l’identificazione richiedono la sinergia di piu’
tecniche, quali: analisi chimiche, determinazione di peso specifico e
proprieta’ ottiche, parametri di cella, diffrattogramma, determinazione
strutturale attraverso raggi X. I nomi dei minerali possono essere secondo
diversi criteri (localita’, mineralista famoso, personaggio pubblico, proprieta’
particolari
Es.
Albite – NaAlSi3O8 da albus(bianco)
Cromite – FeCr2O4 per la presenza di abbondante cromo
Magnetite - Fe3O4 per le proprieta’ magnetiche
Sillimanite – Al2SiO5 dal prof. B. Silliman della Yale University
Un nuovo minerale deve essere sottoposto alla Commission on New Minerals
and New Mineral Names della International Mineralogical Association
Ricordiamo che...
I minerali sono strutture periodiche,
costituite da impacchettamento di
ioni (semplici come O2- o
complessi come CO32-)
Raggio ionico e bilancio di caricha
sono fattori fondamentali nel
determinare la struttura del
minerale
Gli anioni (ioni–) sono grandi, i
cationi (ioni+) sono piccoli, quindi
il volume della cella e’ dominato
dagli anioni con i cationi che
occupano gli interstizi
Il rapporto dei raggi ionici
determina il numero di
coordinazione del catione, che puo’
essere 4 (tetraedrica), 6
(ottaedrica), 8 (cubica), or 12
Classificazione dei Minerali
• Basata principalmente sull’anione dominante
• Secondariamente sulla struttura del minerale
Silicati:
Elementi nativi
Nesosilicati
Solfuri (S)
Sorosilicati
Solfosali (AsS)
Ciclosilicati
Ossidi (O)
Inosilicati
Idrossidi(OH)
Fillosilicati
Alogenuri (Cl, F, Br, I)
Tectosilicati
Carbonati (CO3)
Solfati(SO4)
Fosfati (PO4)
Nitrati, Borati, Tungstati, Molybdati, Arsenati, Vanadati...
Diverse sono le proprietà che caratterizzano i minerali e rendono possibile la
loro identificazione.
Identificazione di un minerale attraverso le proprietà fisiche
Proprieta’ osservabili alla scala macroscopica ….. alcune richiedono solo un
esame visuale:
•
•
•
•
•
•
Forma cristallina e abito
Concrescimenti, geminazioni e striature
Stato di aggregazione
Lucentezza, colore e colore della polvere
Altre proprieta’ dipendenti dalla luce
Sfaldatura
……altre richiedono strumenti semplici
• Durezza
• Magnetismo
• Radioattivita’
In alcuni casi questo porta ad un’identificazione sicura, in altri casi si
rende necessario ricorrere ad analisi più approfondite (analisi
chimica, diffrazione ai raggi X).
SFALDATURA
E’ la proprietà di molti minerali di rompersi secondo superfici piane
–parallele a facce del cristalloA seconda della perfezione della superficie generata e della facilità nel
provocarla, viene definita: perfetta o imperfetta
facile, distinta, difficile, incerta, …..
La sfaldatura avviene secondo piani paralleli a facce reali o possibili del
cristallo, cioè secondo piani razionali. Se si ha sfaldatura secondo una faccia
di una forma semplice, la si ha pure secondo tutte le altre facce che
compongono la forma semplice stessa, per cui se la forma semplice è chiusa,
si può ottenere sottoponendo un cristallo a sollecitazioni meccaniche un così
detto solido di sfaldatura, delimitato dalle facce in questione.
La possibilità di sfaldature è spesso rilevabile sui campioni di minerali dalla
presenza sulle facce di serie di incrinature (tracce di sfaldatura), le quali
risultano parallele ai piani secondo cui avviene la rottura. Le tracce di
sfaldatura sono un utile strumento diagnostico per il riconoscimento e la
distinzione di numerosi minerali (ad esempio anfiboli e pirosseni).
FRATTURA
Numerosi minerali, come ad esempio il quarzo e l'opale, non si
sfaldano in nessuna direzione; la maggior parte di essi si spezza
irregolarmente.
I mineralogisti distinguono vari tipi di frattura in dipendenza della
natura delle superfici che si formano:
frattura concoide (da conchiglia, con superfici curve a contorno
irregolare - quarzo)
scagliosa (con superfici formate da particelle lamellari - gesso,
talco)
scheggiosa (con superfici cosparse di schegge o fibre - pectolite)
uncinata (con superfici mostranti punte - metalli)
terrosa (con superfici cosparse di granuli minuti - materiali
argillosi)
concoidale
scheggiosa
TENACITA’
Alla maggiore o minore resistenza alle sollecitazioni
meccaniche si ricollega la definizione di tenacità di un
minerale. Da questo punto di vista i minerali possono
classificarsi in:
fragili, se facilmente fratturabili (galena, quarzo)
settili, se facilmente tagliabili con una lama (gesso, calcosina)
malleabili e duttili, se facilmente riducibili in lamine o fili
(rame, oro)
flessibili, se capaci di deformazioni plastiche (talco)
elastici, se capaci di deformazioni elastiche (miche).
DUREZZA
Per durezza si intende generalmente la resistenza opposta
da un minerale ad essere scalfito e non va confusa con
la fragilità.
I minerali dal punto di vista della durezza furono in un
primo tempo divisi in tre categorie: teneri, semiduri e duri
a seconda che si lasciassero scalfire dall'unghia, da una
punta di acciaio, o nemmeno da questa.
Mohs propose nel 1832 una scala di 10 termini a durezza
crescente. Essa è costituita dai minerali seguenti:
DUREZZA
È la resistenza alla scalfittura (incisione)
durezza
Basandosi su questa scala si dice ad esempio che
un minerale ha durezza 8 1/2 se è capace di
scalfire il topazio, ma è scalfito dal corindone.
La scala di Mohs è una scala empirica, che
tuttavia è tuttora in uso a scopi di riconoscimento
di minerali per la semplicità con la quale può
essere fatta la determinazione, una volta che uno
sia in possesso della serie di dieci minerali sopra
elencata.
Ha tuttavia il difetto di considerare la durezza
come una proprietà scalare, mentre in realtà la
durezza è una proprietà fisica vettoriale, anche se
la sua variazione con la direzione non è in genere
eccessiva per lo meno se il minerale non presenta
nette sfaldature.
La durezza (H) e’ una proprieta’ vettoriale
In generale
1. I mineral idrati sono teneri (H<5)
2. Alogenuri, carbonati e fosfati sono teneri
(H< 51/2)
3. I solfuri sono teneri (H<5) con l’eccezione
della pirite (H<6-61/2)
4. Gli ossidi anidri ed i silicati sono
generalmente duri (H>5)
Kyanite
Al2OSiO4
NaCl
Riepilogando…
Durezza
– Resistenza alla incisione
– Scala relativa a 10 minerali comuni: scala Mohs <
2-2.5 = tenero (rigato dall’unghia)
– < 5-5.5 = semiduro (rigato dal coltello)
– > 5 = duro (riga il vetro)
– > 7 = durissimo (riga la porcellana)
Frattura
– Rottura su superficie irregolare in seguito a
sollecitazione meccanica
– concoide, irregolare, scheggiosa, ruvida, terrosa,
pian
Sfaldatura
– Rottura su superficie regolare in seguito a
sollecitazione meccanica
– perfetta/facile, buona/evidente, difficile
29.11.2004
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Talco
Gesso
Calcite
Fluorite
Apatite
Ortoclasio
Quarzo
Topazio
Corindone
Diamante
18
PROPRIETA’ ELETTRICHE
Alle proprietà elettriche si ricollegano i fenomeni di
piezoelettricità e di piroelettricità.
Per piezoelettricità indichiamo la generazione di cariche
elettriche sulla superficie di un cristallo sottoposto a
sollecitazione meccanica (compressione, torsione). Cariche
elettriche di segno opposto si determinano alle due estremità di
un asse polare. Il fenomeno è reciproco nel senso che posto in un
campo elettrico, il cristallo si deforma (elettrostrizione). Ad
esempio, cristalli di quarzo (gruppo puntuale 32) se tagliati
normalmente ad a, producono questo effetto.
Perché il fenomeno avvenga è tuttavia necessario che fra
gli elementi di simmetria del cristallo sia assente il centro di
si,mmetria, altrimenti la deformazione indurrebbe tanti
dipoli orientati in un senso quanti orientati in senso opposto
e l'effetto sarebbe nullo. Il fenomeno è quindi confinato ai
minerali appartenenti a quelle delle 32 classi cristalline che
non sono centrosimmetriche.
1, 2, 3, 4, 6
m, mm2, 3m, -4, 4mm, -42m, -6,
6mm, -62m, -43m
222, 32, 422, 622, 23, 432
L’alta simmetria intrinseca
della classe praticamente
inibisce l’effetto degli assi
polari.
La direzione di pressione o tensione è una direzione polare. Gli assi polari sono
quelli la cui inversione porta a cambiamento di proprietà fisiche (direzioni parallele
ed antiparallele possiedono proprietà differenti).
PIEZOELETTRICITA’ NEI CRISTALLI
NATURALI - IL QUARZO
Alcuni cristalli naturali con proprietà piezoelettriche sono il
quarzo, la tormalina (ciclosilicato) e i sali di Rochelle
(tartrato di sodio e potassio).
Il quarzo è un monocristallo di biossido di silicio con una
cella elementare costituita da tre molecole di SiO2,
posizionate in modo da costituire un cristallo di forma
esagonale.
Morfologia cristalli di quarzo
Assi polari
Assi polari
Si consideri una sezione del
cristallo normale all’asse
ottico. In esso saranno
presenti i seguenti assi di
rotazione:
a)
b)
c)
un asse z detto asse
ottico, di simmetria
ternaria, il quale
attraversa il cristallo in
tutta la sua lunghezza; la
sezione normale all’asse
z è un esagono;
tre assi meccanici Y di
simmetria binaria,
normali all’asse z e
normali, ciascuno, a due
facce laterali opposte del
cristallo(non sono assi
congruenti con la
simetria ternaria) ;
tre assi elettrici X di
simmetria binaria,
normali ognuno all’asse
z e ad un asse y.
Se si taglia una piastrina
rettangolare di quarzo, in modo
tale che le facce maggiori della
piastrina risultino perpendicolari
ad un asse elettrico, e si
sottopongono le due facce
maggiori ad una compressione
meccanica, su di esse si
manifestano cariche elettriche di
segno opposto e la quantità di
carica (s) presente è proporzionale
alla forza applicata (p).
σ = kp;
(k = coefficiente piezoelettrico)
X1
Y2
Y2
X1
Se la forza applicata è di
trazione la polarità delle cariche
elettriche si inverte.
Qualora venga applicata
alla piastrina una forza
meccanica in direzione
dell’asse
meccanico
(quindi
in
direzione
normale
alla
precedente), sulle facce
perpendicolari all’asse
elettrico si generano
ancora delle cariche
elettriche, con la
differenza
che
una
compressione
lungo
l’asse
elettrico
corrisponde
ad
una
trazione lungo l’asse
meccanico.
Questi
comportamenti hanno il
nome
di
effetto
piezoelettrico diretto.
Se la sollecitazione avviene
nella direzione dell’asse
ottico, non si produce
alcuna polarizzazione
elettrica. Se, invece, si
sottopone la piastrina di
quarzo ad un campo
elettrico avente la direzione
dell’asse elettrico, si
verifica una dilatazione in
questa direzione (oppure
una contrazione, in
funzione del segno della
polarizzazione)
proporzionale all’intensità
del campo. A questo effetto
longitudinale se ne associa
uno trasversale di
contrazione (o dilatazione)
lungo la direzione dell’asse
meccanico, indicato come
effetto trasversale. Si tratta
dell’effetto piezoelettrico
inverso.
Piroelettricità
E' la capacità di un cristallo di modificare cariche opposte su facce opposte se
scaldato. Esempio: Tormalina (3m).
I cristalli piroelettrici hanno necessariamente un dipolo permanente.
Esistono due tipi di piroelettricità:
•la piroelettricità primaria che si ottiene riscaldando il cristallo impedendone
però la dilatazione termica
•la piroelettricità secondaria che si ottiene riscaldando il cristallo senza
impedirne la dilatazione termica
Esiste anche una piroelettricità inversa quando ad un cristallo si applica una
differenza di potenziale si avrà una variazione di temperatura del cristallo
stesso.
Tutti i cristalli che sono piroelettrici sono anche piezoelettrici, e alcuni sono
ferroelettrici
Ferroelettricità
Le ceramiche piezoelettriche sono materiali dielettrici dotati di una struttura
policristallina ed elevata costante dielettrica. Esse sono intrinsecamente costituite da
microdomini, cioè zone di piccole dimensioni, in cui momenti di dipolo elettrici sono
orientati casualmente e quindi la loro risultante è nulla, impedendo così il verificarsi
dell’effetto piezoelettrico. La direzione dei momenti di dipolo può essere variata sotto
opportune condizioni e con particolari tecniche. La possibilità di variare la direzione dei
dipoli è nota con il nome di “ferroelettricità” ed è dovuta a mutue interazioni di tipo
elettrico fra le molecole del materiale che tendono ad allinearsi secondo precise
direzioni. Si definisce ferroelettricità la capacità di un cristallo polare di rovesciare il
proprio dipolo elettrico sotto l’applicazione di un campo elettrico di intensità opportuna
(processo di polarizzazione).
+
Campo eletttrico
Prima della
polarizzazione
Alto
potenziale
Durante la polarizzazione
Dopo la
polarizzazione
L’effetto piroelettrico e ferroelettrico sono possibili solamente in quei gruppi puntuali le cui operazioni di
simmetria non alterano la direzione del dipolo, ovvero i gruppi 2, 3, 4 e 6; mm2, 3m, 4mm e 6mm (il
dipolo giace lungo l’asse unico) e i gruppi 1 ed m (il momento di dipolo può giacere in infinite posizioni).
Classificazione dei Minerali
1) gli elementi nativi, elementi che si ritrovano in natura allo stato nativo, cioè
non combinati.
2) i solfuri, costituiti dalla combinazione di differenti metalli con zolfo e
comprendenti minerali come la galena o la sfalerite;
3) i sali solforati, minerali costituiti da piombo, rame o argento combinati con
zolfo e uno o più elementi tra antimonio, arsenico e bismuto;
4) gli ossidi, minerali composti in generale dalla combinazione di un metallo
con l'ossigeno, come ad esempio l'ematite, Fe2O3;
5) gli alogenuri, tra i quali il più importante è il cloruro di sodio, NaCl, che
sono costituiti da metalli in combinazione con cloro, fluoro, bromo o iodio;
6) i carbonati, come la calcite, CaCO3, contenenti un gruppo carbonato;
7) i fosfati, come l'apatite, Ca5(PO4)3(F,Cl), che contengono un gruppo
fosfato;
8) i solfati, come la barite, BaSO4, in cui è presente un gruppo solfato;
9) e infine i silicati, che sono la più vasta classe di minerali: contengono vari
elementi combinati con silicio e ossigeno, e comprendono feldspato,
mica, pirosseni, quarzo e le famiglie delle zeoliti e degli anfiboli.
Elementi Nativi
Con l’eccezione dei gas presenti nell’atmosfera, sono solo 20 gli elementi
che si trovano in natura allo stato nativo.
Metalli
S.G.
Gruppo dell’oro
Semimetalli
S. G.
Non-metalli
S.G.
Gruppo dell’arsenico
Oro (Au)
Fm3m
Arsenico (As)
R3m
Zolfo (S)
Fddd
Argento (Ag)
Fm3m
Bismuto (Bi)
R3m
Diamante (C)
Fd3m
Rume (Cu)
Fm3m
Antimonio (Sb) R3m
Grafite (C)
P63mc
Grupp del Platino
Platino (Pt)
Fm3m
Iridio (Ir)
Gruppo del Ferro
Hematite (Fe)
Im3m
Camacite (Fe-Ni) Im3m
Taenite (Fe-Ni)
Fm3m
Metalli Nativi
• Legame metallico
• Alta densita’, impacchettamento compatto
• teneri, malleabili, duttili, settili, buoni conduttori di calore ed
elettricita’
• Punti di fusione variabili
Au
Ag
Cu
Pt
Legame metallico
Tra i modelli che descrivono il legame metallico vi è il "modello a nube elettronica"
di P.Drude (1863- 1906).
Possiamo quindi immaginare un cristallo metallico
come costituito da un reticolo di ioni positivi
immersi in un mare di elettroni che ne
costituiscono l'elemento legante.
I metalli sono buoni conduttori infatti gli
elettroni sono liberi di muoversi all'interno del
reticolo cristallino; sono duttili, cioè possono
essere trasformati in fili sottili e
sono malleabili (cioè possono essere ridotti in
lamine) infatti gli elettroni mobili permettono agli
ioni positivi delmetallo di "scivolare" gli uni sugli
altri, senza compromettere la compattezza della
struttura.
In un metallo gli atomi perdono i loro
elettroni di valenza trasformandosi in
cationi (ioni positivi). Gli ioni si
dispongono in modo da
impacchettarsi nel miglior modo
possibile (massimo impaccamento),
creando così strutture geometriche
ben definite. Gli elettroni di valenza
non appartengono più ai singoli atomi,
ma sono liberi di muoversi (elettroni
delocalizzati) tra i vari cationi.
Il comportamento dei metalli è opposto a
quello dei solidi ionici.
Metalli nativi – gruppo dell’oro
Gli elementi del gruppo dell’oro
appartengono allo stesso
gruppo della tavola periodica,
quindi hanno proprietà
abbastanza simili.
La loro struttura si
basa su un reticolo
cubico
a
facce
centrate
con
gli
atomi
in
coordinazione 12.
Modello di impaccamento cubico compatto
(ABCABC) di sfere equidimensionali. Gle
strati a impaccamento compatto sono
parallelli a {111} .
Au e Ag hanno raggio ionico
1,44 Å simile, quindi formano
soluzione solide continue. Il Cu
ha raggio ionico 1,28 Å forma
soluzione solide limitate.
Metalli nativi – gruppo del Pt
• Oltre al Pt, questo gruppo cpmprende
anche i più rari minerali del Pd e le leghe
di Pt-Ir e Ir-Os (gruppo spaziale P63/mmc)
• I minerali del gruppo del Pt sono più duri e
hanno punti di fusione più alti rispetto a
quelli del gruppo dell’oro.
Elementi Nativi
Oro (Au, cubico)– Rarissimo in cristalli, comune in granuli, dendriti, ecc. colore
giallo oro anche per la polvere. Caratteristica distintiva è il colore unito al suo alto
pesi specifico (19.3) e alla malleabilità. Si trova in vene idrotermali quarzifere
insieme con pirite e altri solfuri e in deposi alluvionali. Contiene
quasi sempre argento, con cui forma una soluzione solida completa.
Argento (Ag, cubico) – Molto raro in cristalli, si trova in dendriti, filamenti,
laminette, ecc. Si distingue per il colore, la malleabilità e il peso specifico (10.5).
Colore bianco argento anche per la polvere. Si rinviene in depositi idrotermali
ricchi in solfuri e arseniuri. Comunemente associato a rame nativo
Rame (Cu, cubico)– Raro in cristalli è comune in masse compatte, spugnose
in dendriti e in filamenti. Colore rosso rame anche per la polvere scurisce anche
più dell’argento con l’alterazione. E’ dal colore, la malleabilità e peso specifico
(8.9).Si trova in depositi idrotermali poveri di solfuri. Si ofrma per ossidezione di
solfuri di Cu
Platino (Pt, cubico)– Si presenta come l’oro ed ha un colore bianco argento
come la polvere. Si distingueper la malleabilità e l’altissimo peso specifico (21.5).
Si trova in rocce basiche e ultrabasiche e in depositialluvionali.
Metalli nativi – gruppo del Fe
Comprendo il Fe puro (raro) e più
diffusi camcite e taenite (leghe FeNi).
Il Ni e il Fe hanno praticamente lo
stesso raggio anionico 1.25 Å e
1.26 Å rispettivamente. Quindi
formano soluzioni solide estese.
La camcite ha un contenuto di
Ni sino al 5.5%.
La taenite ha un contenuto di
Ni dal 27% al 65%.
Entrambi i minerali sono
caratteristici delle meteoriti e si
ritiene che il nucleo terrestre
sia costutuito in gran parte da
leghe Ni-Fe.
Elementi Nativi
Ferro (Fe, cubico) – Quasi introvabile come ferro
terrestre, e’ associato a rocce eruttive basiche (basalti).
Quando il magma viene a contatto con un giacimento
di carbone fossile FeO si riduce e forma ferro metallico.
Il Ferro è costituente fondamentale di alcune meteoriti
(sideroliti) in associazione con il nichel (kamacite e
taenite). E’ ferromagnetico, e’ la sua più importante
caratteristica diagnostica, e ha un colore grigio acciaio
come la polvere.
Elementi semimetallici –Vengono raggruppati gli
elementi del V gruppo (As, Sb, Bi) perché hanno
proprietà fisiche simili, anche se l’unico semimetallo è
l’antimonio, in quanto l’arsenico è un non metallo e il
bismuto un metallo. Sono fragili con un forte potere
riflettente e legame metallico e covalente. Sono tutti e tre
trigonali con perfetta sfaldatura basale e si trovano in
vene idrotermali associati a minerali di Ag, Co, Ni, ecc. I
cristalli, pseudocubici, sono rarissimi, generalmente si
trovano in masse granulari, stalattitiche, arborescenti,
ecc. La durezza va da 2 (Bi) a 3.5 per gli altri due; il peso
specifico è 5.6 (As), 6.6 (Sb), 9.8 (Bi); il colore è bianco,
con sfumature rosa per il bismuto, che annerisce con
l’alterazione superficiale. Sono opachi
Non-metalli Nativi
Zolfo
Diamante
Grafite
Forti legami
covalenti
anelli S8
Legati da deboli
legami di
van der Waals
Anelli molecolari
C6 legati da
deboli forze di
van der Waals;
buon conduttore
elettrico
Diamanti sintetici (industriali)
Struttura dello Zolfo
α-S (rombico)↔(95.5°C ) β-S (monoclino) →
→(119°C) fusione
La cella elementare
contiene 128 atomi di S
Piccole quantità di Se (raggio ionico 1.16 Å)
possono sostituire lo S (raggio ionico 1.04 Å)
Cella elementare dello
ortorombico che mostra
disposizione degli anellii S8
S
la
Gli strati {111} sono piani di
massimo popolamento atomico
La grande
separazione
tra gli strati e il
debole legame
sono
all’origene
della sfaldatura
basale perfetta
e rendono
possibie un
facile
scivolamento
tra gli strati
La presenza di strati di atomi di C
spaziati piuttosto ampiemente e
paralleli alla direzione {111} giustifica la
buona sfaldatura ottaedrica del
diamante
Tre degli elettroni di valenza sono
bloccati in legami covalenti, il
quarto è libero di muoversi sopra
la superficie dello strato.
Elementi Nativi
Zolfo (S, rombico)–Si trova in cristalli bipiramidali , ma spesso in masse
sferoidali, mammellonati, in incrostazioni, ecc. Colore giallo (con tonalità dal
verde al rosso per presenza di impurità), trasparente o traslucido è fragile con
frattura concoide. Si distingue per il colore e per la sua infiammabilità. Genesi:
sedimentaria (evaporiti) associato a gesso, celestina, anidrite, ecc.; connessa
con le ultime fasi di attività vulcanica (sublimati) o come prodotto di sublimazione
di vulcani attivi; alterazione di depositi solfuri per azione di solfobatteri, ecc.
Diamante (cubico) e Grafite (esagonale), C–Sono le due modificazioni
polimorfe del carbonio. Il diamante si forma in condizioni di pressione e
temperatura elevatissime, all'interno del mantello terrestre e viene portato in
superficie attraverso dei condotti (camini kimberlitici) grazie alla risalita di magmi
ultrabasici. La grafite ha una facile sfaldatura basale colore grigio acciaio o nero
elucentezza metallica. La grafite, in natura, rappresenta un prodotto di
trasformazione metamorfica a temperature elevate costituente il risultato finale
della carbonizzazione di sostanze organiche preesistenti. Grafite si ottiene, in
forma primaria, anche dall'azione magmatica (in rocce di tipo pegmatitico) o
idrotermale.
Solfuri e Solfosali
• E’ un’importante classe di minerali, perché quasi tutti sono minerali
utili. La maggioranza ha un colore e un colore della polvere
caratteristici; sono quasi tutti opachi e quelli non opachi hanno,
generalmente,un alto indice di rifrazione e sono trasparenti solo in
sezione sottile.
• I solfuri, che hanno un impaccamento compatto di atomi di zolfo tra i
quali si distribuiscono i metalli, possono essere suddivisi in piccoli
gruppi sulla base delle strutture, ma una classificazione di tipo
cristallografico non va molto bene. La suddivisione, quindi, è in base
al rapporto metallo/zolfo (X/S). All’interno di questa teniamo conto del
tipo di coordinazione: coordinazione regolaretetraedrica (sfalerite),
ottaedrica (galena), in poliedri distorti come nei solfuri più complessi.
• XmSn
• As puo’ sostituire S e cosi’ si formano i solfarseniuri e arseniuri
• X= Fe, Cu, Zn, Pb, Ni, Co, Hg, Mo
• La genesi principale è di tipo idrotermale;. si hanno anche solfuri
formatisi per sublimazione dafumarole, per alterazione di giacimenti
metalliferi (cappellacci) e per azione biochimica.
• Nei solfosali, As, Sb, Bi sostituiscono i metalli (X)
Solfuri e Solfosali
Formula generale XmSn; X = elemento metallico
Possono essere divisi in piccoli gruppi con struttura simile, ma
è difficile fare delle generalizzazioni
X/S>1
Acantite Ag2S, monoclina
Calcosina Cu2S, rombica
X/S=1
Sfalerite, ZnS
Calcopirite CuFeS2, tetragonale
Galena, PbS, cubica
Pirrotina Fe1-xS, monoclina <300°C, > esagonale
Covellina, CuS, esagonale
X/S<1
Pirite FeS2, cubica
Arsenopirite, FeAsS, monoclina
Strutture della blenda e derivate
Figura Tetraedrite
Blenda (ZnS)
Le coordinazioni regolari di tipo
ottaedrico e tetraedrico si trovano in
molti solfuri semplici come la blenda
(ZnS).
Calcopirite (CuFeS2)
Ione
omesso
Nei solfuri più complessi così come
nei solfosali si trova una certa
frequenza di poliedri distorti, come
ad esempio nella teraedrite.
Tetraedrite (Cu12Sb4S13)
Covellina, CuS
Chimica molto semplice, ma
struttura complessa.
Una parte del rame è coordinato
tetraedricamente da quattro atomi di
S, un’altra parte è coordinata da tre
atomi di S a dare una coordinazione
triangolare.
Legami covalenti S-S
Solfuri
di
Cu-Fe
Le linee (linee connodali o tielines) nel diagramma ternario collegano coppie di
minerali che si trovano comunenmente associati. I triangoli indicano la coesistenza
delle tre fasi esistenti.
Py
Cv
Po
Dg
Cc
Bn
Cp
Drenaggio acido: FeS2 + 7/2O2 + H2O → Fe2+ + 2SO42- + 2H+
[acquae solfatche acide ricche in metalli]
Pirite (FeS2)
Struttura cubica (tipo NaCl).
Fe occupa la posizione del Na nel NaCl.
Coppie di ioni S2 uniti da legami covalenti
in posizione equivalente a quella del Cl
nel NaCl.
Rinvenute anche come minerale di
genesi magmatica (alta T)
Marcasite (FeS2)
Struttura Ortorombica
Contine coppie di ioni S2 molto vicini
Non è chiaro il campo di stabilità dei due
polimorfi.
Generalmente rinvenuta in ambieti
genetici di bassa e mediat T.
Altri Solfuri comuni
Galena
Zn
• Galena PbS – alta densita’, sfaldatura
cubica, lucentezza metallica, colore grigio
piombo
Zn>>Fe
• Sfalerite (Zn,Fe)S – lucentezza da
resinosa a submetallica, dipendente dalla
quantita’ di Fe. Si trova sia massiva che in
cristalli cubici, tetraedrici, rombo-dod.
Zn>Fe
Pt
• Pentlandite (Fe,Ni)9S8 – giallo-bronzo; w/
Cp and Po in magmatic ores
• Cinabro HgS – colore rosso vermiglio,
alta densita’
•
Molibdenite MoS2 – fogli argentati,
lucentezza metallica
SFALERITE
La sfalerite e la wurtzite
I nomi di queste strutture
derivano da due diverse
forme minerali del solfuro di
Zn (ZnS). Si tratta di due
polimorfi.
La struttura della sfalerite o
zincoblenda si basa su un
reticolo anionico fcc; i cationi
occupano un solo tipo di
cavità tetraedrica, cioè una
metà, essendo queste 2N in
tutto (N vertice in su, N
vertice in giù). Coordinazione
- (4,4). Se tutti gli atomi
fossero C avremmo la
struttura del diamante
WURTZITE
La wurtzite differisce
strutturalmente
dalla
sfalerite
in
quanto
deriva
da
una
disposizione hcp di
anioni, anziché da una
disposizione fcc.
Come nella sfalerite i
cationi occupano un
solo tipo di cavità
tetraedriche. Coordinaz
ione - (4,4)
S
Zn
Se confrontiamo i networks di tetraedri della sfalerite e della
wurtzite vediamo che sono molto simili. Nella sfalerite (Fig. a
destra) strati di tetraedri si sovrappongono in una sequenza
ABC... e l’orientazione dei tetraedri in ogni strato è identica.
Nella wurtzite (Fig. a sinistra) gli strati formano una sequenza
AB... e gli strati alterni sono ruotati di 180° attorno a c l’uno
rispetto all’altro.
Wurtzite
Sfalerite
Arsenosolfuri, Arseniuri e Solfosali
Cobaltite (Co,Fe)AsS – Colore bianco argento,
lucentezza metallica
Arsenopirite FeAsS – colore bianco
argento,lucentezza metallica
Realgar AsS
(rosso)
- Orpimento As2S3
(giallo)
Skutterudite (Co,Ni)As3 cubi grigio-argento
Stibnite Sb2S3 prismi grigio-argento
Enargite Cu3AsS4 – aggregati colonanri striati
e lame – e’ un solfosale
Arseniosolfuri e solfosali
Arseniosolfuro:
• Arsenopirite (FeAsS)
• L’As sostituisce lo S
nella coordinazione
del Fe
Solfosale
• Enargite (Cu3AsS4 =
3Cu2S·As2S5)
• L’As entra al posto
del metallo (Cu)
Testi/Bibliografia
• Per la parte generale e sistematica è
consigliato il seguente testo:
C. KLEIN - Mineralogia, Zanichelli 2004.