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La Terra

I minerali

Con il termine minerale si indica una sostanza elementare o un composto inorganico di origine naturale, generalmente allo stato solido cristallino, formato da atomi di uno o più elementi chimici, presenti in proporzioni ben definite, la cui composizione è esprimibile attraverso una formula chimica e caratterizzati da proprietà fisiche ben definite.

Attualmente si conoscono più di 2000 minerali, ma sono meno di una ventina quelli che si possono considerare abbondanti. Altri minerali, invece, non sono particolarmente rari, ma si rinvengono dispersi entro le rocce in concentrazioni assai basse. A seconda del loro interesse economico, può essere conveniente ricercare i luoghi in cui essi, grazie a condizioni favorevoli, si sono concentrati naturalmente (giacimenti), o anche procedere alla loro concentrazione artificiale, separandoli dal resto della roccia. La scienza che si occupa dello studio di questi materiali della crosta terrestre è la mineralogia; la struttura cristallina dei minerali è oggetto di studio della cristallografia.

Il reticolo cristallino

Per la particolare bellezza di alcuni esemplari, i minerali hanno sempre incuriosito l'uomo, stimolandone la fantasia. Per esempio, gli antichi pensavano che il quarzo ialino, trasparente e incolore, minerale composto da silicio e ossigeno (SiO2), fosse formato da ghiaccio così compresso da non poter più essere fuso e trasformato in acqua. In seguito, anche quando si scoprì che in realtà il quarzo è un minerale, il nome "cristallo", che significa "congelato", continuò a essere usato e fu anzi esteso a tutti i solidi naturali le cui particelle elementari hanno una disposizione spaziale ordinata e regolare.

La struttura spaziale ordinata dei costituenti di un cristallo prende il nome di reticolo cristallino. Quest'ultimo può essere pensato come formato dalla ripetizione, sempre uguale nelle tre direzioni dello spazio, di un'unità strutturale detta cella elementare, avente una forma geometrica semplice (per esempio, cubo o parallelepipedo). Ogni cella elementare è caratterizzata dalla lunghezza degli spigoli a, b, e c, paralleli a tre assi di riferimento, x, y e z, e dal valore degli angoli α (alfa), β (beta) e γ (gamma), individuati, coppia a coppia, dai tre spigoli (costanti cristallografiche). In base alla lunghezza degli spigoli e al valore degli angoli, si individuano 14 diversi tipi di celle elementari, che vengono riunite in 3 diversi gruppi, monometrico, dimetrico e trimetrico, suddivisi in sette sistemi cristallini (tab. 7.1).

Proprietà fisiche dei minerali

Tra le numerose proprietà fisiche dei minerali, ne consideriamo alcune utili per la loro identificazione: forma dei cristalli, sfaldatura, frattura, lucentezza, colore, durezza e peso specifico.

Durante la formazione dei cristalli, processo detto cristallizzazione, si verifica il graduale accumularsi di particelle (ioni, atomi o molecole) intorno a raggruppamenti ordinati di dimensioni submicroscopiche, detti nuclei di cristallizzazione.

Nella maggior parte dei casi, i cristalli dei minerali più comuni sono di piccole dimensioni (pochi millimetri) e hanno forme esterne estremamente irregolari, dette grani.

Solo in condizioni particolarmente favorevoli, cioè quando esiste spazio sufficiente perché i singoli individui possano accrescersi liberamente, il cristallo assume la forma geometrica caratteristica, cioè l'abito cristallino.

Spesso, i cristalli di una stessa specie mineralogica non si presentano isolati, ma in associazione di cristalli, che nell'insieme assumono forme particolarmente caratteristiche. Le associazioni più note sono i geminati, in cui si osserva la compenetrazione di due o più individui, e ciò dimostra che essi sono "concresciuti", cioè alcune parti del reticolo cristallino sono in comune ai cristalli (due o più) che formano il geminato.

La sfaldatura è la naturale tendenza di un minerale, quando viene spezzato, a rompersi secondo direzioni preferenziali, in genere superfici piane che corrispondono alle direzioni lungo le quali si trovano i legami più deboli tra ioni o atomi nella struttura del cristallo; le miche (minerali silicatici), per esempio, si sfaldano in sottili lamine piane.

La frattura indica la tendenza dei minerali a spezzarsi irregolarmente, in modo casuale. Se la superficie di frattura appare liscia e incurvata, si parla di frattura concoide, tipica dell'opale e di alcune rocce di origine vulcanica (ossidiana), ma la maggior parte dei minerali possiede un tipo di fatturazione irregolare.

La lucentezza indica lo splendore superficiale del minerale e dipende dal modo in cui la sua superficie riflette la luce. Si distingue in lucentezza metallica, simile a quella offerta da una superficie di un metallo lucidato, e non metallica, quando può essere descritta facendo riferimento ad altre sostanze: si parla, per esempio, di lucentezza vitrea, adamantina, perlacea, sericea o resinosa; i minerali che non manifestano alcuna lucentezza si dicono terrosi.

Il colore è una caratteristica molto evidente, ma non altrettanto indicativa per il riconoscimento. È dovuto alla composizione chimica; tuttavia, spesso lo stesso minerale può presentarsi con colorazioni anche molto diverse in funzione della presenza o assenza di impurità, cioè altri elementi chimici, presenti, per esempio, in forma di inclusioni gassose o liquide.

Si definisce durezza la resistenza che un minerale oppone a essere scalfito; si tratta di una proprietà legata alle forze di coesione che "tengono unite" tra loro le particelle del cristallo: maggiore è l'intensità di questa forza, più elevato è il grado di durezza del minerale. È una proprietà relativa, che viene determinata empiricamente scalfendo un minerale di durezza sconosciuta con uno di durezza nota. La scala di Mohs, ideata dal mineralogista viennese F. Mohs (1773-1830), indica la durezza di un minerale con un numero compreso tra 1 (minerale più tenero) e 10 (minerale più duro). In essa, un minerale di una certa durezza viene scalfito da quello di durezza superiore e a sua volta scalfisce tutti quelli di durezza inferiore. Si dicono teneri i minerali con durezza 1 (come il talco) e 2 (come il gesso), che sono scalfibili con un'unghia; semiduri quelli con durezza compresa tra 3 e 5, che sono scalfibili con una punta d'acciaio; duri quelli con durezze comprese tra 6 e 10, non scalfibili da una punta d'acciaio (tab. 7.2). La durezza dei minerali non è la stessa su tutte le facce del cristallo; di solito, però, la variazione risulta molto bassa e quindi trascurabile.

Il peso specifico esprime il rapporto fra il peso di un dato volume del minerale e il peso di un uguale volume di acqua distillata a 4 °C. Il peso specifico dei minerali varia da 1 a 23, ma per la gran parte di essi il valore oscilla tra 2,6-2,7; alcuni minerali metallici possiedono peso specifico 2 o 3 volte maggiore.

Tab. 7.2: Scala delle durezze di Mohs

Scala delle durezze di Mohs
DUREZZA MINERALE
1 talco
2 gesso
3 calcite
4 fluorite
5 apatite
6 ortoclasio
7 quarzo
8 topazio
9 corindone
10 diamante

Tab. 7.1: Gruppi e sistemi cristallini

Gruppi e sistemi cristallini
GRUPPO SISTEMA COSTANTI CRISTALLOGRAFICHE RETICOLO
monometrico
a = b = c
cubico a = b = c
α = β = γ = 90°
tetragonale a = b ≠ c
α = β = γ = 90°
dimetrico
a = b ≠ c
trigonale o romboedrico a = b ≠ c
α = β = γ ≠ 90°
esagonale a = b ≠ c
α = β = 90°
γ = 120°
rombico a ≠ b ≠ c
α = β = γ = 90°
trimetrico
a ≠ b ≠ c
monoclino a ≠ b ≠ c
α = γ = 90°
β ≠ 90°
triclino a ≠ b ≠ c
α ≠ β ≠ γ ≠ 90°
Le 14 celle elementari e multiple a cui si rifanno i corpi solidi cristallini vengono raggruppate in 3 gruppi suddivisi in 7 sistemi, che si differenziano in base alla lunghezza a, b, c dei tre spigoli fondamentali α, β, γ che essi formano tra loro.

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