Corso di laurea triennale in Chimica a.a. 2011-2012 Proprietà fisiche dei minerali Le proprietà fisiche dei minerali sono l’espressione delle relazioni esistenti fra la struttura cristallina del minerale e la sua composizione chimica. Docente: Ernesto Mesto e-mail: [email protected] Website: www.geo.uniba.it/mesto.html Classificazione dei Minerali Diverse sono le proprietà che caratterizzano i minerali e rendono possibile la loro identificazione. Chimica: Strutturale: Classificazione strutturale dei silicati 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... 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 Microspopio petrografico ……altre richiedono strumenti semplici • Durezza • Magnetismo • Radioattività Schema di un contatore Geiger per la misura della radioattività 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). Forma cristallina e abito Comunemente per forma si intende l'aspetto esterno di qualcosa, mentre in cristallografia l'aspetto esterno viene indicato con il termine abito. La forma cristallina è un gruppo di facce di un cristallo, ciascuna delle quali ha la stessa relazione con gli elementi di simmetria (intrinseci al cristallo). Abito cristallino invece indica l'aspetto complessivo di un cristallo, compresi gli abiti dovuti all'irregolarità della crescita. Forme distorte del cubo e dell'ottaedro Le celle cubiche del cloruro di sodio, halite, si impacchettano in forme cubiche, ottaedriche e intermedie. La vera simmetria spesso non è evidente e le forme delle facce equivalenti sono spesso disuguali perciò la forma del cristallo appare distorta. Concrescimenti e geminazioni Il concrescimento di più cristalli può essere casuale o geometricamente definito, se è geometricamente definito possiamo avere concrescimenti paralleli e geminati. Concrescimento parallelo: aggregato di cristalli della stessa specie minerale con gli assi cristallografici e le facce parallele. Concrescimento geminato: aggregato simmetrico di due (o più) cristalli della stessa sostanza; i due o più individui sono legati tra loro da un elemento di simmetria (in genere un piano di simmetria o un asse di rotazione) assente nel cristallo non geminato. Geminati per contatto (Quarzo) Geminati per compenetrazione (Ortoclasio) Lucentezza Indica l'aspetto della superficie di un minerale in luce riflessa. I due tipi di lucentezza sono metallica e nonmetallica, ma non esiste una netta separazione tra i due. La lucentezza metallica è quella dei minerali che non si lasciano attraversare dalla luce neanche in spessori sottili come il rame, l'oro ecc.; se i minerali si lasciano attraversare dalla luce abbiamo una lucentezza non-metallica. I minerali con lucentezza intermedia sono detti submetallici. Per i minerali con lucentezza non-metallica abbiamo le seguenti distinzioni: Vitrea: tipica di un frammento di vetro. E' comune nel quarzo e in molti minerali non-metallici. Resinosa o cerosa: lucentezza di un pezzo di resina. Comune nei campioni di blenda. Perlacea: iridescente come quella delle perle. Grassa: appare come se la superficie fosse coperta di un sottile velo di olio. Deriva dalla diffusione della luce sulla superficie microscopicamente ruvida. Serica: descrive la lucentezza di una matassa di seta. Un esempio è la varietà fibrosa del gesso detta sericolite. Adamantina: "con la lucentezza del diamante" . E' mostrata da alcuni minerali che hanno un elevato indice di rifrazione. A: Tipica lucentezza metallica del minerale pirite (un solfuro di ferro), dal caratteristico colore gialloottone; è perfettamente riconoscibile anche l’abito cristallino (un solido con dodici facce pentagonali). B: Un esempio di lucentezza non metallica (di tipo vitreo) in una delle numerose varietà cromatiche del quarzo, un tipico minerale allocromatico: ametista, dallo Stato del Guerrero (Messico); grandezza naturale. Colore E' caratteristico per alcuni minerali e serve come proprietà diagnostica.Tuttavia in molti minerali il colore è una delle proprietà diagnostiche più mutevoli e meno affidabili. Nell'identificazione di minerali con lucentezza metallica è importante avere una superficie di frattura fresca con cui confrontare una superficie più ossidata (ad es. la galena, PbS, appena fratturata ha un colore brillante grigio piombo buastro ma diventa opaco ossidandosi all'aria). La maggior parte dei minerali con lucentezza non-metallica varia ampiamente di colore. Solo alcuni hanno un colore costante come la malachite, Cu2(CO3)(OH)2 (verde); l'azzurrite, Cu3(CO3)2(OH)2 (blu); la turchese, CuAl6(PO4)4(OH)8·4H2O, (blu verdastro). I minerali usati come gemme quali corindone, berillo, quarzo e molti altri hanno molti colori. Azzurite Turchese Malachite La reazione dei minerali alla luce ultravioletta a onde lunghe (366nm), in particolare risalta il colore rosato della calcite (CaCO3) e il colore arancione del pezzo centrale: wernerite [Ca4(Si, Al)12O24(CO3,SO4)]. Anche gli altri minerali cambiano colore Striscio Lo striscio consiste nello strusciare il minerale su un piastrella di porcellana bianca ruvida chiamata tavoletta da striscio e quindi si osserva il colore della polvere formata. La durezza della tavoletta è circa 7 per cui i minerali più duri non avranno striscio.Tale osservazione è particolarmente utile nello studio dei minerali metallici. L’ematite (nera), Fe2O3, con lucentezza argentea ha uno striscio rosso. La maggior parte dei minerali non-metallici ha uno striscio biancastro (anche se i minerali dovessero presentarsi colorati). Sfaldature E’ la proprietà di molti minerali di rompersi secondo superfici piane (parallele a facce del cristallo). A seconda della perfezione della superficie generata e della facilità nel provocarla, viene definita: perfetta o imperfetta, facile, distinta, difficile, incerta, ….. a)cubica - b)ottaedrica - c)dodecaedrica d)romboedrica - e)prismatica e pinacoidale f)pinacoidale 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 Tenacità 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: Scala di Mohs È la resistenza alla scalfittura (incisione) durezza Scala di Mohs 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. Kyanite , Al2OSiO4 Halite, NaCl Scala di Mohs La durezza (H) e’ una proprieta’ vettoriale In generale: Argilla costituita principalmente da allumino-silicati idrati appartenenti alla classe dei fillosilicati. Le 1. I mineral idrati sono teneri (H<5) scogliere di Gay Head nell'isola di Martha's Vineyard 2. Alogenuri, carbonati e fosfati sono teneri (H< 5½) sono composte interamente di argille 3. I solfuri sono teneri (H<5) con l’eccezione della pirite (H<6-6½) 4. Gli ossidi anidri ed i silicati sono generalmente duri (H>5) La stannite, Cu2FeSnS4, è un minerale (solfuro di rame ferro e stagno), conosciuta anche come volfsonite Il rutilo è un minerale, spesso in forma cristallina, di ossido di Titanio,TiO2. Il termine granato, X3Y2(SiO4)3, designa un gruppo di minerali nesosilicati, di cui alcuni in uso fin dall’età del bronzo come gemme, trovati nei gioielli degli antichi egiziani, greci e romani. Durezza assoluta La durezza di questi minerali campione può essere determinata anche con tecniche più precise di una semplice scalfittura e questo definisce una scala assoluta di durezze: La scala di Rosiwal (sviluppata nel 1896 dall'austriaco August Rosiwal) è un'evoluzione della scala di Mohs che viene utilizzata per identificare la durezza assoluta di un minerale. In questa scala viene attribuito il valore di 1000 alla durezza del corindone e la durezza degli altri minerali viene determinata con prove di laboratorio che misurano la loro resistenza all'abrasione. La seguente tabella fornisce la durezza misurata nella scala di Rosiwal dei minerali di riferimento della scala di Mohs. Confronto fra la scala di durezze relative di Mohs e misure assolute della durezza Proprietà meccaniche 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 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Talco Gesso Calcite Fluorite Apatite Ortoclasio Quarzo Topazio Corindone Diamante PROPRIETA’ ELETTRICHE Conduzione elettrica: per migrazione di elttroni o ioni. Conduttività specifica: σ (ohm-1cm-1): conduttività di un cristallo per unità di area e unità di lunghezza 𝝈 = � 𝒏𝒊𝒆𝒊𝝁𝒊 Dove n: numero di portatori di carica; e: carica del portatore; m: mobilità del portatore. Per elettroni e = 1.6 x 19-19 C. La conduttività ionica p favorita dalle alte temperature. Conduttività in cristalli ionici Nel NaCl, dipende dal numero di vacanze cationiche prodotte per riscaldamento (intrinseche) o introduzioni di impurezze (estrinseche) es. Mn2+. Migrazione catione-lacuna nel NaCl che permette la conduzione elettrica Difetti di Schottky. Sia il catione che l‘anione risultano assenti dal reticolo. L'assenza di uno solo degli ioni causerebbe uno squilibrio nelle cariche elettriche. Nell'esempio del cloruro di sodio, l'assenza dello ione negativo (Cl-) è compensata elettronicamente dall'assenza del catione o ione positivo (Na+) non mostrato. Per un solido MX il difetto di Schottky è dato daVM eVX; per un solido MX2 è dato daVM e 2VX (per rispettare l'elettroneutralità). Conduttività in cristalli ionici Conduttività ionici in AgCl: Difetti di Frenkel Migrazione interstiziale Ag+. Migrazione interstiziale di Ag+ per diretta (1) e indiretta (2). Percorsi di migrazione interstiziale per lo ione Ag+. Difetti di Frenkel. Uno ione (in genere un catione) si sposta da una posizione regolare ad una interstiziale. Questi difetti hanno minore probabilità di formarsi in quanto hanno una maggiore energia di formazione rispetto ai difetti di Schottky. 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. Piezoelettricità Perché il fenomeno avvenga è tuttavia necessario che fra gli elementi di simmetria del cristallo sia assente il centro di simmetria, 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, 𝟔 2m, 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. Si O La cella elementare del quarzo rappresentata con un modello "ball and stick" proiettata su (001). Quarzo dall’Ungheria Morfologia dei 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 (σ) 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 Alto potenziale Dopo la polarizzazione Prima della polarizzazione Durante 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).