2. Le proprietà dei minerali

Quello che dovete sapere (da insegnanti di scienze) sull'argomento

(che ovviamente non coincide con quello che i vostri ragazzi dovranno sapere)

Alcune proprietà fisiche dei minerali, in mancanza di adeguate definizioni o di metodi sperimentali di misura unificati, non sono riportabili a grandezze esprimibili con numeri. Queste proprietà, valutabili quantitativamente in modo approssimato ed esprimibile con opportuni aggettivi, sono, più propriamente, dette caratteri. Ad esempio, sono caratteri dello zolfo il colore giallo citrino intenso (v. foto a destra) e la forte fragilità.Altre proprietà invece, scegliendo opportunamente la definizione e gli strumenti di misura, sono misurabili ed esprimibili con numeri.

Ad alcune di queste proprietà non è associato il concetto di direzione e sono quindi esprimibili con grandezze scalari e le proprietà stesse saranno dette scalari: per es., la densità, la temperatura di fusione, il calore specifico, ecc.

Ad altre proprietà è invece associabile il concetto di direzione (velocità di propagazione della luce, diffrazione dei raggi X, dilatazione termica, ecc.), e queste pertanto verranno dette proprietà direzionali.

Le proprietà ora definite come direzionali, sono frequentemente indicate anche, con dizione non sempre esatta, come vettoriali e spesso si rappresentano con il simbolo grafico con il quale si rappresenta un vettore.

Le proprietà direzionali possono essere isotrope quando, col variare della direzione, il vettore rappresentativo della loro grandezza non varia il proprio modulo.

Saranno invece anisotrope quando assumono valori diversi in direzioni diverse.

Si dicono inoltre continue quando, col variare della direzione, il vettore rappresentativo della loro grandezza varia il proprio modulo con continuità; si dicono discontinue quando per piccole variazioni di direzione assumono valori molto diversi.

L’andamento delle proprietà direzionali continue si rappresenta usualmente con la superficie raccordante tutte le estremità dei vettori, condotti da una origine comune, che danno il valore della grandezza nelle diverse direzioni. Queste superfici, curve e chiuse, sono sferiche per le proprietà isotrope e non sferiche per quelle anisotrope. Per esempio, l'indice di rifrazione è una proprietà direzionale continua. Nei solidi amorfi e nei cristalli con simmetria cubica l'indice di rifrazione non varia con la direzione: la superficie che descrive questa proprietà si chiama indicatrice ottica ed è - in questo caso - una sfera. L'indicatrice ottica nel caso della calcite, invece, è un ellissoide di rotazione.

L'indice di rifrazione è una proprietà ottica direzionale continua, che può essere rappresentata da una superficie come quelle rappresentate in figura.

Le proprietà direzionali discontinue, delle quali oggi ne sono note cinque (vedi tabella seguente), sono tipiche dello stato cristallino, conseguono alla natura reticolare dei cristalli, consentono di definire e riconoscere lo stato cristallino.

Da un punto di vista didattico, vediamo quali sono le proprietà che i ragazzi possono direttamente osservare nei minerali ad occhio nudo o attraverso piccoli strumenti relativamente semplici.

L'abito cristallino

Da un punto di vista morfologico, i singoli cristalli si presentano spesso come caratterizzati da forme poliedriche delimitate da facce piane. Le facce possono talora contenere scalini, striature ecc. Queste forme sono una conseguenza della diversa velocità di accrescimento nelle diverse direzioni (proprietà direzionale discontinua): se tale velocità fosse uguale in tutte le direzioni i cristalli sarebbero sferici.

Potete leggere questo articolo didattico sull'argomento:

Rubbo Marco (2004): Perché i cristalli hanno un abito poliedrico? Nuova Secondaria, XXII, 34-37

Esercizio 1

La disposizione delle facce nei cristalli è “simmetrica”: per esempio, si possono ottenere le sei facce di un cubo di pirite facendone ruotare una intorno a particolari direzioni (assi di simmetria). Se volete verificare la posizione degli assi di simmetria di un cubo potete costruirne uno (per esempio con la spugna per i fiori) e infilzarlo con qualche spiedino di legno:

Esercizio 2

Provate ad associare le forme dei cristalli naturali in questa pagina con la figura del poliedro che le descrive.

Esercizio 3

Costruire uno strumento che ci consenta di misurare gli angoli tra le facce dei cristalli ('100 modi di usare un piatto di carta', seconda puntata...)

Lucentezza

La lucentezza (luster in inglese) descrive una qualità della superficie dei minerali visti in luce riflessa.Dipende dall’indice di rifrazione medio e dalla riflettanza, cioè dalla percentuale di luce, incidente ortogonalmente sulla superficie del minerale, che ne viene riflessa (v. grafico).

Ricordiamoci che l'indice di rifrazione del nostro minerale è il rapporto tra la velocità c della luce nel vuoto e la velocità media v della luce che viaggia attraverso il cristallo (R.I. = c/v). La luce rallenta all'interno dei cristalli, così che l'indice di rifrazione è un numero maggiore di 1. Un indice di rifrazione molto alto è una proprietà desiderabile per le gemme (perché? proviamo ad ipotizzare una risposta sulla base di quanto sappiamo).

Per esempio, il diamante ha R.I. = 2.42, che significa che la luce viaggia 2.42 volte più lentamente nel diamante che nel vuoto.

La lucentezza si distingue innanzitutto in metallica (tipica dei minerali opachi: pirite, galena, magnetite, ... ) e non-metallica, più comune nei minerali trasparenti. Per questi ultimi si usa poi una serie di aggettivi più specifici:

lucentezza vitrea: per esempio, il quarzo
resinosa: blenda
perlacea: talco
grassa: vene di quarzo
sericea: crisotilo
adamantina: diamante

Colore e colore della polvere

Alcuni minerali presentano sempre lo stesso colore. La galena è sempre grigio piombo, l'azzurrite ha sempre una tonalità blu (a volte così scura da apparire nera). In questi minerali il colore può essere una proprietà diagnostica.

Invece minerali come quarzo, corindone, berillo, calcite e fluorite, sono ben noti per la grande varietà di colori che dispiegano (nell'immagine seguente: varietà colorate di quarzo).

Questi colori sono spesso il risultato della presenza in tracce di alcuni elementi. Oltre che dalla composizione chimica, il colore del minerale è influenzato dalla natura e dalla posizione di questi elementi in traccia. Per esempio, il ferro che occupa i canali strutturali del berillo crea il colore blu del berillo varietà acquamarina, ma lo stesso ferro che sostituisce l'alluminio nella struttura del berillo è responsabile del colore giallo del berillo varietà eliodoro.

In molti casi il colore può dare qualche informazione sulla composizione chimica dei minerali. Alcuni esempi di agenti coloranti nei minerali includono:

Cr (verde) in berillo varietà smeraldo, uvarovite, tormalina; Cr (rosso) nel corindone varietà rubino; Cr (viola) nella clorite; Mn (rosa e rosso) in piemontite, rhodonite, rhodochrosite; Fe (da verde a marrone a quasi nero) in olivina, pirosseni, epidoti; Fe (blu) nel berillo varietà acquamarina; Fe (giallo) nel berillo varietà eliodoro e nel quarzo citrino; Co (lillà) in erythrite; Ni (verde) in annabergite; Cu (blu e verde) in malachite, azzurrite, turchese; U (gialli e verdi fluorescenti) in carnotite, autunite.

(Il colore può dipendere anche da numerose altre cause. Un articolo divulgativo sul colore si trova qui. Chi fosse curioso di sapere la causa specifica del colore di un minerale particolare può cercare qui)

La striscia è il colore del minerale polverizzato, che può essere diverso dal colore del cristallo integro. Mentre il colore del minerale può cambiare (per esempio, come abbiamo visto, a causa di impurezze), la striscia è di solito costante e così può essere considerata una proprietà diagnostica. Dal momento che la maggior parte dei minerali è più tenera della porcellana (v. durezza), la loro polvere viene osservata “strisciando” il minerale su un pezzo di questo materiale (streak plate).

I minerali trasparenti, compresi quelli colorati, anche intensamente, hanno in genere polvere bianca o biancastra.

I minerali opachi hanno polvere colorata che a volte ha un colore diverso da quello del minerale. Per esempio, l’ematite nera ha polvere rossa e la pirite giallo-oro ha polvere nera.

Densità

E' evidente che alcuni minerali sono più 'pesanti' di altri, a parità di volume. Per descrivere questa caratteristica si utilizza la grandezza densità, cioè la massa del minerale per unità di volume, d = massa/volume. Per esempio, la densità del quarzo è 2.65 g/cm3.

La densità dei minerali è variabile in un intervallo piuttosto ampio. Il ghiaccio (che è un minerale, sulla base della definizione che abbiamo dato) ha densità 0.92 g/cm3; gli altri minerali hanno densità comprese tra valori minimi intorno a 1.5 g/cm3 (minerali con elevati contenuti di molecole di acqua) e circa 20 g/cm3 per oro e platino nativi. Quindi un decimetro cubo di oro ha una massa di quasi 20 chilogrammi (19,3 per la precisione), più o meno come un bambino di 5 o 6 anni. Particolare che forse è sfuggito a questi sceneggiatori :-)

L’intervallo di variazione per i silicati, cioè i minerali più comuni delle rocce, è molto più ristretto, da circa 2.5 a circa 4 g/cm3.

E’ interessante notare che la densità media della crosta terrestre è circa 2.7 g/cm3, mentre la densità media della Terra calcolata è circa 5.5 g/cm3 (esercizio 1: come è stato ottenuto questo dato? calcolare massa e volume della Terra: come si fa? Esercizio 2: che implicazioni ha questa informazione sul nostro modello dell'interno della Terra? Ipotesi? Da verificare come?)

Possiamo fare una valutazione qualitativa della densità di certi minerali, per confronto con materiali noti. Per esempio l'halite (2.1 g/cm3, densità bassa), il quarzo (2.65 g/cm3, media), la barite (4.5 g/cm3, alta), e la galena (7.6 g/cm3, molto alta).

Misura della densità:

1) per immersione in un liquido (vantaggi/svantaggi)

2) cilindro graduato e bilancia (vantaggi/svantaggi)

Durezza

Come durezza dei minerali si intende usualmente la loro resistenza ad essere scalfiti.

Attenzione: nel linguaggio quotidiano la parola "durezza" ha di solito un altro significato. E' duro quello che non si rompe, o quello che ci fa male quando ci sbattiamo contro: se un oggetto resiste ad una martellata è durissimo. Nel linguaggio scientifico, invece, questa proprietà non si chiama durezza ma tenacità. Un materiale può essere duro e fragile (il diamante, le gemme in generale), oppure tenero e tenace (il piombo, altri metalli...). Una buona occasione per riflettere sul significato dei vocaboli nei vari contesti.

Una scalfittura è in realtà un solco prodotto da microfratture sulla superficie del minerale; richiede la rottura di legami e/o la dislocazione di atomi (per esempio nei minerali con legame metallico). Un minerale può essere scalfito soltanto da una sostanza più dura. Un minerale duro potrà scalfire un minerale più tenero, ma un minerale tenero non potrà mai scalfire un minerale più duro, per quanti sforzi si facciano. Quindi, è possibile stabilire una scala relativa di durezza semplicemente individuando quale minerale ne scalfisce un altro. Questo è esattamente quanto propose il mineralogista Friedrich Mohs, circa 200 anni fa. La Scala di Durezza di Mohs, che parte con il talco a 1 e termina con il diamante a 10, è universalmente usata in tutto il mondo come un metodo per distinguere i minerali.

Per usare questa scala è necessario avere un campione dei 10 minerali della scala. Per testare un minerale ignoto, si può partire con un comune campione di apatite e vedere se il minerale ignoto riesce a scalfire l’apatite. In questo caso, esso avrà durezza > 5, altrimenti avrà durezza minore di 5. Se i due campioni possono scalfirsi l’un l’altro, la durezza sarà circa 5. Saranno necessari altri test per restringere ulteriormente il campo della durezza. Se il minerale ignoto è più tenero dell’apatite, provate con la calcite ecc…, finché non si è raggiunto un sufficiente grado di approssimazione.

Ovviamente, è buona regola non scalfire facce cristalline ben formate, per non danneggiare campioni potenzialmente “da collezione”.

Scala di Mohs

Ad ogni minerale si assegna una durezza che coincide con il numero d’ordine di un termine della scala quando il minerale scalfisce ed è scalfito da quel dato termine; si assegna invece un valore intermedio (1.5, 2.5, ....) quando scalfisce un dato termine dal quale non viene scalfito ed è scalfito dal termine superiore che non riesce a scalfire.

In ognuna delle classi di minerali si osservano valori di durezza abbastanza variabili. Tuttavia, in generale, i silicati hanno durezze abbastanza elevate; i solfuri durezze mediamente più basse, con eccezione della pirite; gli ossidi hanno durezze alte o molto alte; i carbonati, solfati, alogenuri, ecc, hanno durezze generalmente basse.

Come riferimenti pratici: l’unghia della mano scalfisce il gesso (durezza 2); una lama di acciaio scalfisce l’apatite (durezza 5); il quarzo scalfisce il vetro ordinario (durezza 5 – 5.5); il vidia (carburo di tungsteno) riga il topazio (durezza 8).

La durezza è una buona proprietà identificativa, poiché non varia (molto) da campione a campione. Generalmente, infatti,si ottengono valori consistenti per diversi campioni dello stesso minerale. Inconsistenze possono presentarsi se il campione non è puro, oppure se è poco cristallizzato, o anche se si tratta di un aggregato piuttosto che di un singolo individuo cristallino.

La scala di Mohs è solo relativa. Questo significa che dire “la durezza della fluorite è 4” non significa affermare che la fluorite abbia una durezza doppia rispetto al gesso, con durezza 2. Né che la differenza in durezza tra la calcite e la fluorite sia uguale alla differenza che c’è tra corindone e diamante.

La durezza è una proprietà molto importante per le gemme. La maggior parte delle gemme ha durezza 7 o maggiore. Minerali con alta durezza sono usati anche come abrasivi e nei processi di lucidatura.

Ecco alcuni suggerimenti per utilizzare la durezza nell’identificazione di un minerale:

Ricordare che la maggior parte dei minerali presenterà piccole variazioni del valore di durezza a seconda della direzione e dell’orientazione della scalfittura e che alcuni minerali, come la cianite ed il diamante, presenteranno una marcata variazione della durezza rispetto a questi fattori.
Un campione massivo sarà probabilmente più tenero del corrispondente cristallo singolo; se possibile, la durezza andrebbe verificata solo su cristalli singoli
Alcuni minerali presenteranno un certo intervallo di durezza, a causa di impurità o sostituzione di certi ioni.
Non farsi ingannare da una traccia di polvere su un minerale, “scalfito” da un minerale più tenero. In realtà è il minerale più tenero che ha lasciato una traccia della sua polvere sulla superficie resistente del minerale più duro. Soffiare via la polvere e controllare bene se esiste effettivamente la scalfittura.
Un altro fattore da considerare è la facilità con cui un minerale scalfisce o viene scalfito (sia il diamante che il quarzo scalfiscono il vetro, ma il diamante scalfisce il vetro “come un coltello nel burro”).

Sfaldatura

Un corpo solido, sottoposto ad una forza esterna, risponde deformandosi sino a che, superata una soglia di resistenza, il corpo si rompe.

Se la resistenza alla rottura (coesione) del corpo è uguale in tutte le direzioni, la superficie di rottura ha in generale un andamento irregolare quale si può verificare, ad esempio, nei frammenti di un vetro rotto in più parti.

La qualità della superficie di rottura si descrive con aggettivi: concoide, scabra, . . .

La coesione è tuttavia una proprietà fisica direzionale discontinua. In alcuni minerali la discontinuità si manifesta in modo assai rilevante avendosi che essa assume, per una o più direzioni differenti, perpendicolari ad uno o più piani differentemente orientati, valori molto più bassi che in tutte le altre direzioni dello spazio.

Un corpo con questa particolarità si romperà soltanto secondo il o i piani perpendicolari alle direzioni di minimo di coesione: questo fenomeno si chiama sfaldatura; è presente in molti, anche se non in tutti, i minerali; è proprio, caratteristico, identificativo dello stato solido cristallino.

La sfaldatura è quindi la proprietà che alcuni minerali manifestano di rompersi secondo superfici piane. La qualità della sfaldatura si descrive con aggettivi: perfetta, buona, discreta, . . .

In alcuni minerali la sfaldatura si manifesta secondo una sola orientazione del piano, e si indicherà come sfaldatura lamellare: per esempio sfaldatura perfetta delle miche (talmente tipica che si indica anche come sfaldatura micacea).

In altri minerali la sfaldatura si può manifestare, con uguale qualità di perfezione, secondo due o più piani diversamente orientati nello spazio.

L’esistenza di più piani di sfaldatura genera, per rottura, solidi limitati (parzialmente o totalmente) da facce piane che sviluppano una delle forme cristalline precedentemente citate:

- due piani: sfaldatura prismatica (per es.: pirosseni e anfiboli)
- tre piani: sfaldatura romboedrica (p.e: calcite), cubica (p.e.: galena), . . .
- quattro piani: sfaldatura ottaedrica (p.e.: fluorite)

Infine in uno stesso minerale si possono sviluppare due o più piani di sfaldatura diversamente orientati e di non uguale qualità: per esempio l’ortoclasio presenta due sfaldature tra loro ortogonali, delle quali una perfetta ed una buona, ed una terza sfaldatura, prismatica e imperfetta, inclinata rispetto alle precedenti.

Altre proprietà

Ci sono alcune proprietà caratteristiche di alcuni tipi di minerali. Per esempio, i carbonati reagiscono con un acido liberando CO2 (bollicine che possono essere molto appariscenti)

Quindi, per esempio, questi sono i caratteri diagnostici della calcite:

Produce CO2 ("effervescenza") per reazione con acidi