Introduzione alla Mineralogia

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Cos'è la Mineralogia

Per approfondire questo argomento, consulta la pagina w:Mineralogia#Storia.

La Mineralogia è la scienza che studia i minerali in relazione alle loro proprietà chimiche e fisiche.

È una scienza di grande importanza dato che tutta la parte solida dell'universo è costituita in prevalenza da minerali.

Le proprietà chimico-fisiche vengono studiate per molti e diversi scopi, ad esempio:

• fini economici: estrazione di materie utili;
• fini scientifici: ricostruzione degli ambienti genetici nella evoluzione della crosta terrestre;
• fini tecnologici: uso di minerali con particolari proprietà fisiche o chimiche.

Cosa è un minerale?

Esistono varie definizioni: "È un solido naturale con un elevato ordinamento a scala atomica ed una ben definita (ma non fissa) composizione chimica. Si forma generalmente da processi inorganici."

Nella definizione più accettata, un minerale è un solido (con un'eccezione nel mercurio) cristallino omogeneo chimicamente e fisicamente, generalmente inorganico, formatosi in condizioni naturali, con una formula chimica ben definita ed un ordinato arrangiamento delle particelle (atomi, ioni, ecc.). Approfondiamo questi aspetti:

• Condizioni naturali: un materiale è considerato minerale se e solo se esso è una sostanza consolidata prodottasi in Natura per processi del tutto naturali, ossia processi nei quali non vi sia alcun intervento dell'attività umana. Il termine Natura non si riferisce al solo ambiente terrestre ma si estende a tutto l'Universo. Pertanto, si formano minerali anche negli spazi fuori dalla Terra. Ne sono testimonianza diretta i minerali delle meteoriti. Occorre distinguere fra processi che avvengono in Natura e "processi naturali". Anche una sostanza prodotta in laboratorio con una reazione chimica è il risultato di un processo naturale: le reazioni chimiche sono espressioni di leggi intrinseche della Natura; tuttavia, dato che la reazione è innescata e/o controllata dall'uomo, il processo non è soltanto naturale. I materiali cristallini prodotti dall'uomo sono detti materiali sintetici: possono produrre minerali quando, reagendo con l'ambiente che li circonda, formano un nuovo composto cristallino (esempio: una moneta romana rimasta sepolta a lungo mostra incrostazioni di azzurrite; questo mostra come, nei fatti, vi siano veri e propri casi limite).
• Solido: per essere un minerale una sostanza deve essere allo stato solido. Ci sono però minerali che a temperatura ambiente sono liquidi, trattasi del caso del mercurio. Il ghiaccio naturale è considerato un minerale, mentre l'acqua non allo stato solido non lo è considerato.
• Omogeneo: per solido omogeneo si intende una singola sostanza solida (fase) che non può essere fisicamente separata in composti più semplici. Una fase è un sistema chimicamente omogeneo al suo interno, distinto e meccanicamente separabile dal resto del sistema in cui è immerso. Le rocce (anche se monomineraliche) non sono minerali perché costituite da più fasi diverse che fisicamente separabili una dall'altra.
• Inorganico: un composto organico formatosi per azione di organismi viventi non è generalmente considerato un minerale. Il carbonato conchiliare viene considerato un minerale perché identico a composti formatisi per processi puramente inorganici. L'ambra rientra tra i minerali perché seppur è una sostanza di origine organica si è formata per processi puramente inorganici. Esiste però una categoria di minerali organici a cui appartiene la whewellite.
• Formula chimica definita: un minerale è un singolo elemento chimico o composto la cui composizione può essere espressa da una formula chimica (es. Au, $SiO{}_{2}$). La composizione di un minerale non è necessariamente fissa (es. Olivine con composizione variabile da $Mg{}_{2}SiO{}_{4}$ a $Fe{}_{2}SiO{}_{4}$). Nonostante ciò, la variazione deve avvenire entro certi limiti (dettati dall'organizzazione strutturale) e poter essere espressa mediante una formula chimica stechiometrica o non stechiometrica (per esempio, $(Mg,Fe){}_{2}SiO{}_{4}$).
• Ordinato arrangiamento delle particelle: è lo stato cristallino della materia. Questa è la proprietà fondamentale dei minerali. Qualsiasi composto chimico omogeneo, naturale, ed esprimibile mediante una formula chimica non può essere considerato un minerale se non ha il requisito fondamentale dell'ordinamento interno, cioè della cristallinità. Esistono tuttavia vari materiali di formazione del tutto naturale la cui struttura interna non possiede il requisito fondamentale della cristallinità. Tali sostanze non vengono considerati minerali, ma si parla di mineraloidi. Varie “scuole di pensiero” considerano come mineraloidi l'opale, le resine e le ambre. I mineraloidi possono trasformarsi in minerali quando, nel corso del tempo, gli atomi che li costituiscono si dispongono secondo lo schema spaziale di una struttura cristallina.

Polimorfismo

Nota:
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Una definizione abbreviata di minerale è quindi “Una fase cristallina naturale” ed ogni minerale, per essere correttamente definito, necessita della definizione della sua composizione chimica (natura delle particelle che lo compongono) e del modo con cui le particelle sono organizzate nello spazio tridimensionale (ordinamento interno).

Sia la natura chimica delle particelle che il loro ordinamento sono condizioni necessarie, ma da sole non sufficienti per la definizione di minerale.

Riprendendo l'esempio fatto precedentemente per la forsterite ($Mg{}_{2}SiO{}_{4}$) e la fayalite ($Fe{}_{2}SiO{}_{4}$), tali minerali differiscono tra di loro solo per la presenza nei due membri di due elementi diversi (Mg+ e Fe+) che hanno stessa valenza e raggio ionico. Tali elementi possono sostituirsi tra loro in tutte le proporzioni senza variazione della struttura interna del minerale, dando luogo, nella serie delle olivine, ad una “soluzione solida” tra i due end members. Le fasi intermedie manterranno in questo caso lo stesso ordinamento interno dei due end members e la serie può essere chiamata Serie Isomorfa.

Può accadere inoltre che lo stesso composto esista con differenti organizzazioni strutturali. Ognuna delle diverse organizzazioni strutturali rappresenta quindi un minerale distinto, in genere stabile in determinate e proprie condizioni di Pressione e Temperatura. Ogni minerale che presenta stessa composizione chimica ma diversa struttura cristallografica (polimorfismo) è detto polimorfo.

Esempi di polimorfismo:

• C (carbonio) : diamante, grafite
• $SiO{}_{2}$ (silice): quarzo, tridimite, cristobalite, coesite, e stishovite

Questo argomento verrà approfondito in seguito.

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