La crosta terrestre - I minerali

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LA CROSTA TERRESTRE: PRIMI DATI
La crosta terrestre è la parte più esterna del nostro pianeta, ovvero un involucro solido di modesto spessore che ricopre in modo continuo il resto dell’interno della Terra, diverso per la natura e lo stato fisico dei materiali che vi compaiono. Questo involucro sottile è composto da una grande varietà di materiali, diversi non solo da zona a zona, ma anche con la profondità. I materiali che costituiscono la crosta li possiamo osservare sotto forma di minerali e rocce.

INSIEMI DI ATOMI: ELEMENTI, COMPOSTI E MISCELE
Le sostanze sono divise in elementi e composti:
- un elemento è una sostanza formata di atomi tutti uguali, cioè tutti con lo stesso numero atomico; in natura sono stati riconosciuti elementi con numero atomico da 1 a 92, ma molti altri ne sono stati prodotti artificialmente, da 93 fino a 109 (tranne 108, non ancora riconosciuto)
- un composto si forma quando due o più atomi diversi reagiscono, cioè si legano insieme (esempio: l’acqua). Gli atomi in un composto sono presenti in un rapporto ben preciso, ogni composto ha una composizione definita e invariabile
La più piccola particella di una sostanza che ne conserva tutte le caratteristiche è la molecola; una molecola può essere formata da un solo atomo o da più atomi, fino a parecchie centinaia (macromolecole).
In natura difficilmente si trovano sostanze pure; più spesso si trovano miscele, cioè materia di composizione variabile, formata da due o più sostanze che conservano ognuna le proprie caratteristiche. Esse si possono distinguere in miscugli e soluzioni.
- il miscuglio è una miscela eterogenea, in cui le singole sostanze componenti rimangono separate, anche se vengono accuratamente mescolate; abbiamo miscugli solido – solido, liquido – liquido (emulsioni) e liquido – solido (sospensioni)
- le soluzioni sono miscele omogenee, in cui le singole sostanze componenti non si distinguono più e che presentano le stesse caratteristiche in ogni loro parte; non sono tuttavia sostanze pure, perché la loro composizione può variare entro limiti anche ampi, come quando si fa sciogliere del sale nell’acqua. Accanto alle soluzioni liquide, ne abbiamo anche di solide e gassose
STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA
La materia si presenta secondo tre diversi modi di essere, definiti stati di aggregazione: solido (rocce), liquido (acqua) e gassoso (aria).
- i materiali allo stato solido hanno forma e volume proprio, le molecole sono reciprocamente legate da forze così intense che esse finiscono per occupare posizioni mediamente fisse una rispetto all’altra (tranne nello stato amorfo; condizione necessaria affinché ciò avvenga è che le molecole possano crescere liberamente)
- i materiali allo stato liquido hanno anch’essi volume proprio, ma assumono la forma del recipiente che li contiene; le molecole di cui sono costituiti sono legate da forze meno intense, per cui sono libere di scorrere l’una contro l’altra
- i materiali allo stato gassoso non hanno volume proprio e, liberi da ostacoli, tendono ad espandersi occupando tutto lo spazio disponibile, essendo esigue le forze di attrazione tra le singole molecole
Lo stato di aggregazione non è una caratteristica fissa di una sostanza: l’acqua può assumere lo stato solido, liquido o gassoso; ogni sostanza può cambiare stato assorbendo o liberando energia sotto forma di calore.
Il passaggio da:
- solido a liquido ⇒ fusione, assorbe energia
- liquido a solido ⇒ solidificazione, libera energia (calore latente di fusione)
- solido a gassoso ⇒ sublimazione
- liquido a gas ⇒ evaporazione, assorbe energia
- gas a liquido ⇒ condensazione o liquefazione, libera energia
- gas a solido ⇒ sbrinamento
vapore: sostanza aeriforme che si liquefa per solo aumento della pressione.

I MINERALI
Un minerale è una sostanza naturale solida con:
- composizione chimica ben definita (o variabile entro ambiti ristretti)
- disposizione ordinata e regolare degli atomi
I minerali sono di origine inorganica, ma vengono compresi tra essi anche sostanza come i carboni, gli idrocarburi e l’ambra, la cui formazione passa attraverso processi biologici; anche il mercurio è considerato un minerale.
ELEMENTI CHIMICI E MINERALI
I minerali sono formati dalla combinazione degli stessi elementi chimici che si ritrovano nella composizione di tutto l’Universo. Alcuni minerali sono formati da un solo tipo di elemento, ma la maggior parte sono il risultato della combinazione di due o più elementi, legati tra loro in un composto chimico (ossidi o sali).
Non tutti gli elementi chimici noti in natura hanno però la stessa importanza nella composizione della crosta terrestre: il 98% in peso della crosta è formato da soli 8 elementi, con netta prevalenza dell’ossigeno e del silicio che, da soli, arrivano al 75%; il riferimento è alla crosta continentale, cioè la parte di crosta che corrisponde alle terre emerse e alla loro prosecuzione sotto il mare fino alla scarpata continentale. Il resto della crosta terrestre, che si estende sotto gli oceani e che viene definita per questo oceanica, ha una composizione media qualitativa in elementi molto simili; se ne differenzia, invece, per la composizione quantitativa.
LA STRUTTURA CRISTALLINA DEI MINERALI
Quasi tutti i minerali hanno una struttura cristallina, cioè un’impalcatura interna, molto regolare e ordinata, invisibile perché a livello atomico, dalla quale prende origine la forma esterna del minerale, altrettanto regolare, chiamato abito cristallino o semplicemente cristallo. Un cristallo è una forma poliedrica, cioè un solido geometrico con facce, spigoli e vertici che si originano per un regolare accrescimento a partire da una struttura tridimensionale elementare di dimensioni infinitesime. Un minerale che può accrescersi senza ostacoli si sviluppa in cristalli singoli; se invece la crescita è ostacolata per lo sviluppo contemporaneo di altri cristalli, ne risulta una massa di individui fittamente aggregati, nei quali diventa impossibile riconoscere l’abito cristallino senza l’impiego di opportuni strumenti.
La struttura interna di un cristallo è caratterizzata da una disposizione degli atomi nello spazio tale che una stessa configurazione di atomi si ripete a intervalli regolari lungo più direzioni; tale struttura tridimensionale è chiamata reticolo; lungo i filari (allineamenti lineari di atomi) atomi della stessa natura o di natura diversa si susseguono a distanze fisse e sono separati da spazi vuoti (esempio il minerale salgemma corrisponde al composto chimico cloruro di sodio; in questo caso i filari sono orientati secondo 3 direzioni tra loro ortogonali).
Nel caso esaminato quelli che occupano gli spazi del reticolo sono ioni (atomi che hanno acquistato = anioni o perso = cationi elettroni) e possiedono una carica elettrica; è proprio la forza dovuta all’attrazione elettrostatica tra particelle di carica opposta che tiene legati tra loro gli ioni.
L’esistenza di atomi diversi per dimensioni e struttura elettronica da origine a reticoli cristallini diversi⇒ molteplici forme degli abiti cristallini, ma tutte rispondono a precise leggi di simmetria. La Cristallografia si occupa appunto delle possibili distribuzioni nello spazio. I tipi di cristalli possibili sono suddivisi in 32 classi, ognuna delle quali è caratterizzata da una o più forme cristalline semplici. (esempio una classe è chiamata oloedrica, gli atomi possono ripartirsi lungo filari tra loro ortogonali in modo tale da formare celle a forma di cubo, di tetraedro, di rombododecaedro e poche altre). In una medesima classe, forme semplici possono risultare combinate in numerose forme composte.
PROPRIETà FISICHE DEI MINERALI
Composizione chimica e abito cristallino sono le caratteristiche fondamentali di un minerale, alle quali si associano anche alcune proprietà fisiche:
- la durezza è la proprietà di resistere all’abrasione o alla scalfittura e dipende dalla forza dei legami reticolari; viene misurata in base alla scala di Mohs, una successione determinata empiricamente di 10 minerali, ciascuno dei quali può scalfire le facce del minerale che lo precede ma viene scalfito dal minerale che lo segue.
- La sfaldatura è la tendenza di un minerale a rompersi per urto secondo superfici piane, parallele a una o più facce dell’abito cristallino; essa dipende dalla diversa forza dei legami tra gli atomi nelle diverse direzioni entro il cristallo.
- La lucentezza misura il grado in cui la luce viene riflessa dalle facce di un cristallo e si distingue in metallica, tipica di sostanze che assorbono totalmente la luce e che risultano opache, e non metallica, tipica dei corpi più o meno trasparenti
- Il colore; mentre alcuni minerali presentano sempre lo stesso colore (minerali idiocromatici come il lapislazzuli che è turchino), molti altri presentano colori diversi a seconda di impurità chimiche rimaste incluse nel reticolo durante la sua formazione (ioni diversi da quelli che caratterizzano quel minerale) o per particolari “difetti” in alcuni punti del reticolo (minerali allo cromatici, come il quarzo)
- La densità o massa volumica (massa per unità di volume, misurata in kg/m3), dipende direttamente dall’addensamento di atomi nel reticolo, per cui il suo valore è significativo anche per l’identificazione dei minerali; la densità dipende anche dalla pressione: variazioni di pressione influiscono sul modo in cui nei minerali e nelle rocce si propagano le onde elastiche.
I MINERALI DELLE ROCCE
Esistono oltre 2000 specie di minerali, per classificarli si tiene conto delle caratteristiche fondamentali dei minerali: struttura del reticolo cristallino e composizione chimica. Le unità di base di questa classificazione, con criterio cristallochimica, sono le specie minerali, ognuna delle quali comprende tutti gli individui minerali che hanno lo stesso tipo di reticolo strutturale e composizione chimica uguale (o variabile entro limiti ben precisi).
I minerali sono distribuiti in 8 classi:
- la prima classe comprende gli elementi nativi (esempio oro e argento che formano cristalli con un solo tipo di elemento)
- tutte le altre raccolgono ossidi e sali costruiti intorno a una serie di anioni
Le varie specie di minerali oggi note hanno diversa importanza nella composizione della crosta terrestre; quelle veramente abbondanti sono una ventina ed è dalla loro combinazione che prendono origine le rocce.
Ossigeno e silicio sono i due elementi chimici più abbondanti nella crosta che si combinano tra loro per formare le basi dei silicati, il gruppo più diffuso di minerali: costituiscono l’80% dei materiali che affiorano sulla superficie terrestre. I minerali non silicati comprendono molti minerali di rilevante importanza economica.
- i minerali silicati comprendono una varietà di strutture; la chiave di tale varietà è nel modo in cui il silicio attrae a se (coordina) l’ossigeno: ogni ione silicio coordina 4 ioni ossigeno, e il gruppo silicato [SiO4]4- che ne risulta ha la forma tridimensionale di un tetraedro. I tetraedri possono legarsi direttamente tra loro, attaccandosi per i vertici: alcuni atomi di ossigeno dividono la loro carica con due atomi di silicio. Si possono originare così catene di tetraedri, singole (pirosseni) o doppie (anfiboli) [inosilicati], oppure lamine e reticoli tridimensionali ancora più complessi, secondo un processo detto di polimerizzazione.
In tali strutture una parte degli ossigeni (ossigeni – ponte) mantiene i collegamenti tra i tetraedri, mentre gli altri ossigeni (ossigeni di legame) si uniscono a cationi diversi dal silicio.
I cationi che più frequentemente si legano alle strutture silicatiche sono il sodio (Na+), il potassio (K+), il calcio (Ca2+), il magnesio (Mg2+), il ferro ferroso (Fe2+) e ferrico (Fe3+) e l’alluminio (Al3+). Ioni che hanno dimensioni simili possono liberamente sostituirsi l’uno all’altro, come è il caso del ferro con il magnesio o del sodio con il calcio; l’alluminio è l’unico catione che può sostituire il silicio nei tetraedri, originando così gli alluminosi – silicati, che comprendono i feldspati, il gruppo più numeroso dei minerali della crosta terrestre.
Il diverso modo di legarsi dei silicati consente di suddividerli in 4 gruppi
- i minerali non silicati sono subordinati per abbondanza ai silicati. Molti di essi hanno importanza per le attività umane, come alcuni ossidi, solfuri, solfati, ma nella costituzione di rocce, i soli di una certa importanza sono i minerali cartonatici, formati dall’anione (CO3)2- legato a uno o più cationi. I minerali più comuni sono la calcite, CaCO3, e la dolomite, CaMg(CO3)2, che sono i componenti essenziali delle rocce sedimentarie carbonatiche (calcari e dolomie). Abbastanza frequenti sono anche il salgemma, NaCl e il gesso CaSO4 * H2O (solfato di calcio idrato); si formano per precipitazione chimica a seguito dell’evaporazione di acqua salata, come quella del mare.

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