i minerali

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I MINERALI
Molti associano il termine minerale ai soli metalli rari e alle sole pietre preziose.
In realtà un minerale è un qualunque solido inorganico naturale costituito da un insieme finito di identiche molecole aggregate fra loro secondo geometrie ordinate e periodiche. Le molecole a loro volta sono formate da un insieme di atomi, la più piccola porzione di materia che conserva tutte le caratteristiche di un unico elemento.
Ogni atomo (vedi figura a lato) ha una regione centrale, il nucleo che è costituito da particelle ad alta densità caricate positivamente, i protoni, e da particelle con carica neutra chiamate appunto neutroni. Per mantenere la neutralità della carica il nucleo è circondato da particelle caricate negativamente chiamate elettroni che ruotano a velocità elevatissime intorno al nucleo stesso. Quest'ultime particelle sono inoltre molto più piccole di dimensioni rispetto ai protoni e ai neutroni, e la distanza a cui ruotano dal nucleo è enorme rispetto alle dimensioni delle particelle; per farvi capire se il sole, nel nostro sistema solare, fosse il nucleo di un atomo, gli elettroni vi ruoterebbero intorno ad un distanza maggiore di quella del pianeta Plutone, il pianeta più esterno del Sistema Solare. L'atomo quindi è prevalentemente vuoto e questo spiega come sia possibile che certi raggi siano in grado di attraversare i nostri corpi, che sono costituiti da atomi (es. raggi X e raggi cosmici).

Il numero dei protoni nel nucleo costituisce il numero atomico e caratterizza l'elemento, quindi ad esempio tutti gli atomi con 6 protoni sono tutti atomi di carbonio (C), tutti quelli con 8 protoni sono atomi di ossigeno (O) ecc...Il numero dei protoni ci dice anche il numero di elettroni che circonda il nucleo poiché questi devono essere uguali per mantenere una carica elettrica neutrale.
La presenza di queste cariche sta alla base di tutti i tipi di legami chimici che permettono agli atomi di aggregarsi in molecole.

Molecole che sono in grado di aggregarsi formando una struttura geometrica ben definita: la cosiddetta cella elementare che da sola rappresenta il minerale (vedi le pietre dure). Questa cella elementare, struttura geometrica ai cui vertici (chiamati nodi) sono posizionati gli atomi delle molecole costituenti la cella stessa, si ripete periodicamente dando vita al reticolo cristallino caratteristico di quel minerale. In figura sotto si pụ vedere il reticolo cristallino del cloruro di sodio, il comune "sale da cucina" e la foto del cristallo di cloruro di sodio e uno di calcite (notare i diversi angoli che formano le facce dei cristalli: nel primo caso i piani formano angoli di 90 gradi con l'orizzontale, nel secondo di 75 gradi).

Nei reticoli cristallini di alcuni minerali si può avere una sostituzione di alcuni elementi con altri che hanno le stesse caratteristiche di quello sostituito (e se i legami sono della stessa natura, vedi i legami chimici). Questa proprietà prende il nome di vicarianza. Ad esempio l'alluminio puuò sostituire il silicio, il calcio si può sostituire al sodio, il ferro può sostituire il magnesio ecc...
Le strutture dei minerali, cioè le dimensioni e le simmetrie delle celle elementari, si ricavano oggi con l'analisi ai raggi X. Questa importante applicazione dei raggi X si deve a Max von Laue che, nel 1912, mise in evidenza che facendo attraversare un cristallo da un fascio di raggi X, in poche parole facendogli una radiografia, si puọ̀ ottenere su una lastra un'immagine che ne riflette in maniera quasi inquisibile il tipo di struttura. I raggi X infatti hanno una lunghezza d'onda dello stesso ordine di grandezza delle dimensioni degli atomi e pertanto, attraversando il minerale, subiscono una deviazione (detta diffrazione). Dallo studio di queste "fotografie" è possibile risalire alle caratteristiche delle celle elementari.
In figura accanto lo schema della diffrazione ai raggi X che rileva la struttura di un cristallo di cloruro di sodio.

Le sostanze non cristalline sono dette vetrose e in esse gli atomi sono distribuiti in maniera disordinata e casuale.

Dal momento che l'ossigeno e il silicio sono gli elementi più abbondanti della crosta terrestre (vedi struttura della Terra), gran parte dei minerali sono silicati. Cioè minerali la cui composizione è dominata dalle svariate unioni di questi due elementi. Il biossido di Silicio (SiO2), chiamato silice, è per inciso il composto più abbondante del pianeta. Nella struttura mineralogica questi biossidi si coordinano nel tetraedro di silicio e ossigeno.
Questo è composto da 4 atomi di ossigeno che racchiudono un atomo di silicio. In alcuni silicati i tetraedri formano catene, in altri formano dei piani, in altri formano degli anelli ecc.. In figura accanto i vari tipi di legami tra tetraedri nei silicati.
Un professore all'università mi disse che non si cammina solo sui silicati, ma capita spesso di camminare anche sui carbonati.
Questo per sottolineare che in seconda posizione di abbondanza troviamo i carbonati. Hanno una certa importanza anche: gli elementi nativi come l'oro, argento ecc..,gli alogenuri, ossidi ed idrossidi, fosfati e altri ancora.
Sebbene siano state scoperte circa 2000 specie di minerali, solo circa 20 di esse sono comuni e meno di 10 costituiscono circa il 90% di tutte le rocce.
Per l'identificazione dei minerali si pụ procedere a vari livelli: possiamo esaminare le proprietà fisiche cioè : il colore (che deve essere osservato su un esemplare inalterato, poiché l'alterazione,dovuta agli agenti atmosferici, lo pụ modificare. Molto spesso si fa riferimento al colore che assume la polvere di quel determinato minerale), lucentezza (è il modo in cui il minerale riflette la luce e pụ essere metallica, non metallica,vitrea, sericea, madreperlacea, ecc..), la sfaldatura (cioè se vi sono delle direzioni preferenziali di rottura del minerale), la durezza (vedi scala di Mohs), il peso specifico, la forma cristallina (detto habitus sono state individuate 7 sistemi di cristallizzazione e 32 classi), fluorescenza, solubilità, magnetismo e radioattività. Senza entrare nei dettagli è ovvio che alcune di queste proprietà si possono rilevare direttamente in campagna.
Molto spesso individui di una stessa specie cristallina si presentano geminati ossia associati secondo regole ben definite di simmetria ("leggi di geminazione").
Importanti sono le analisi ottiche sulle sezioni sottili (cioè il minerale viene affettato in fette talmente sottili che la luce le pụ attraversare in modo da poter essere studiate al microscopio (vedi le serie magmatiche). Si pụ infatti risalire alla natura e genesi dei minerali dall'osservazione di come essi appaiono. Sotto il tipico esempio di sfaldatura, in questo caso parallela al piano orizzontale, comune nelle miche. Accanto cristalli di quarzo che mostrano il loro tipico "habitus" di cristallizzazione.

Esempio