MINERALOGIA 25-26

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SOLIDO CRISTALLINO

Composto chimico omogeneo con una disposizione regolare e periodica degli atomi
Non vi è distinzione fra origine naturale o artificiale

Es: salgemma (NaCl), quarzo (SiO₂ )

CRISTALLO

Solido (che sia naturale o artificiale) delimitato da facce regolari che suggeriscono un sottostante ordine a scala atomica

Un cristallo viene detto:

• Euedrale, se presenta forme geometriche regolari (macroscopicamente)

• Subedrale, se le presentano solo in parte

• Anedrale, se non la presentano affatto

MINERALE

Solido naturale con un elevato ordinamento tridimensionale a scala atomica ed una definita (ma non fissa) composizione chimica
Quindi caratterizzato da proprietà chimiche e fisiche omogenee
Si forma (generalmente) da processi inorganici

• SOLIDO: Si intende solido alle condizioni ordinarie della superficie terrestre, ossia alla temperatura di 20°C e alla pressione di 1 atm

• NATURALE: I minerali sono esclusivamente naturali, anche se è assolutamente possibile ricreare materiali uguali in laboratorio, essi sono sintetici, per cui non sono minerali

• ORDINATO: Implica l’esistenza della struttura cristallina, quindi disposizione regolare e periodica di atomi

• COMPOSIZIONE DEFINITA: La composizione dei minerali viene espressa in formula chimica, e un minerale può essere un composto puro, come ad esempio la calcite CaCO₃, tuttavia, la composizione di un minerale non è appunto fissa, ma varia tra limiti definiti, ne è un esempio l’olivina che varia tra la forsterite Mg₂SiO₄ e la fayalite Fe₂SiO₄, per cui la formula complessiva dell’olivina è scritta come (Mg,Fe)₂SiO₄, questa scrittura indica che magnesio e ferro possono intercambiarsi nella struttura entro i limiti fissati dalla formula

Proprietà fisiche definibili con osservazione diretta

• Forma cristallina/abito

• Concrescimenti, geminazioni, striature

• Stato di aggregazione

• Lucentezza, colore, colore della polvere (striscio)

• Altre proprietà dipendenti dalla luce

• Sfaldatura

Proprietà fisiche definibili con strumenti semplici:

• Durezza

• Peso specifico

• Magnetismo

• Radioattività

• Solubilità in HCl

La mineralogia si divide in:

Cristallografia: Studia le relazioni geometriche tra le varie parti dei cristalli e il loro ordinamento atomico.
Si divide in:

• Morfologica, forma geometrica esterna del cristallo

• Strutturale, posizione degli atomi nel reticolo cristallino

Cristallochimica: Mette in relazione la posizione degli atomi nel reticolo con le loro proprietà chimiche

Cristallofisica Studia il variare delle proprietà fisiche delle sostanza cristalline, e ne valuta eventuali applicazioni industriali

Minerogenesi Studia le condizioni di formazione delle sostanze cristalline, e lo fa con osservazioni su materiali naturali o ricreandole in laboratorio

SOSTANZE CRISTALLINE vs SOSTANZE AMORFE

Anisotropo descrive una proprietà fisica o meccanica di un materiale che varia a seconda della direzione in cui viene misurata

Isotropo descrive un corpo, materiale o fenomeno che presenta le stesse proprietà fisiche in ogni direzione, senza direzioni privilegiate

ROCCIA

Aggregato di minerali formatosi attraverso diversi processi naturali. I processi ne determinano la classificazione

• Ignee→ Derivanti dalla cristallizzazione di fusi

• Metamorfiche→ Derivanti dalla ricristallizzazione di rocce pre-esistenti

• Sedimentarie→ Derivanti dallo smantellamento, trasporto e ricompattazione, che sia ad opera della gravità o per processi chimici di rocce pre-esistenti

ROCCE IGNEE

Le rocce ignee si dividono in base all’ambiente di formazione:

• Intrusive, solidificano nel sottosuolo, dove il fuso è circondato da rocce che sono cattive conduttrici termiche, che ne impediscono quindi la risalita e consentono una cristallizzazione più lenta e completa→ cristalli macroscopici

• Effusive, solidificano in superficie (in aria o in acqua). A causa della velocità riescono a sviluppare fenocristalli (cristalli visibili), ma rimangono circondati da una massa microcristallina o vetrosa

• Si possono classificare anche in base al contenuto percentuale di SiO₂(silice)→ + silice + acidità (felsiche)

Nella crosta continentale è più facile trovare rocce acide come graniti (intrusivi) e porfidi (effusivi)
In quella oceanica sono più comuni quelle basiche come basalti (effusivi) e gabbri (intrusivi)
Rocce ultrabasiche, come le peridotiti, si trovano anche nella crosta ma sono molto più presenti nel mantello

SERIE DI BOWEN

Descrive il processo di cristallizzazione dei minerali magmatici
Per primi cristallizzano i minerali che hanno la temperatura di fusione maggiore

Bowen scoprì infatti che esistevano due tipi di sequenze comdi cristallizzazione diverse:

· Serie discontinua

· Serie continua

La serie discontinua riguarda la formazione dei silicati, i quali reagiscono progressivamente con il fuso, durante il suo raffreddamento, formando minerali a partire da quelli con strutture più semplici come i nesosilicati fino a quelle più complesse come i tettosilicati
A questo proposito l'olivina è il primo minerale a cristallizzare (poiché ha un'elevata temperatura di fusione), seguita dalla specie dei pirosseni, poi anfiboli e biotite

Nella serie continua i plagioclasi che hanno formula generale (Na,Ca)(Si,Al)₄O₈ iniziano a cristallizzare parallelamente all'olivina ma in modo diverso: per primo cristallizza quello che contiene il calcio e progressivamente si arricchisce di sodio
Continua perché la sua composizione chimica cambia in modo graduale e progressivo al diminuire della temperatura, senza salti bruschi tra fasi diverse

A basse temperature convergono nella formazione dei minerali felsici finali, quali K-feldspato, muscovite e quarzo

ROCCE SEDIMENTARIE

Rocce formate dalla deposizione di sedimenti e Vengono divise in:

• Clastiche→ Derivanti da detriti di rocce pre-esistenti

• Piroclastiche→ Derivanti dall’accumulo di frammenti vulcanici

• Di deposito chimico→ Derivanti dalla deposizione di sostanze in soluzione

• Organogene→ Derivanti dall’accumulo di notevoli quantità di resti organici

ROCCE METAMORFICHE

Queste rocce derivano da altre rocce che vanno incontro a profonde trasformazioni litologiche, in seguito a cambiamenti di temperatura e pressione

Queste trasformazioni coinvolgono sia la struttura che la composizione, ma si parla di metamorfismo se la roccia rimane solida, altrimenti si parla nuovamente di rocce ignee

INTERNO DELLA TERRA

Le perforazioni sono limitate ad un massimo di circa 15 km, vi sono poi gli xenoliti di mantello e possiamo avere dati sul nucleo solo tramite meteoriti, considerazioni di densità e dai profili sismici

Sappiamo che il 99% della Terra è costituita da 4 elementi: Fe, O, Si e Mg

Poi abbiamo Ni, Ca, Al, S, Na, K, Cr, Co, P, Mn e Ti che hanno percentuali variabili tra 0.01% e 1%. Si arriva ad un totale di 99.9%, il resto è trascurabile

ONDE SISMICHE

Ci hanno aiutato a scoprire la struttura a strati della Terra. Si dividono in:

• primarie (P)

• secondarie (S)

Le P hanno vibrazione parallela alla direzione di propagazione (compressione), si propagano a 4-7 km/s, sia in solidi che in liquidi

Le S hanno vibrazione perpendicolare alla propagazione, si propagano solo nei solidi ad una velocità di 2-5 km/s

CROSTA

Spessore: 5-10 km crosta oceanica, 30-70 km crosta continentale

Densità: circa 2,7 g/cm³ , molto inferiore a quella del mantello e del nucleo

Bassa velocità delle onde sismiche, che aumenta alla base della crosta e nella discontinuità di Mohrovicic

Composizione: soprattutto silicati (feldspati e quarzo) ma meno silicati di Fe e Mg

Fredda e fragile

MANTELLO

Nel mantello superiore troviamo: olivina, pirosseni, e plagioclasi (spinelli e granati)

Nella zona di transizione (410 km-670 km) troviamo: l’olivina, e i pirosseni diventano granati

Nel mantello inferiore ci sono perovksite e ossidi

CICLO MINEROGENETICO

La sequenza di eventi che una massa di materiale terrestre (che si trova inizialmente allo stato fuso nel mantello) deve subire per poter tornare alle condizioni partenza
Attraversa trasformazioni reversibili ed irreversibili, sia nella composizione chimica che in quella mineralogica. Vi intervengono:

• Acqua→ erosione, alterazione da weathering e trasporto

• Variazioni di pressione, temperatura e processi chimici

GENESI dei MINERALI

I minerali sono il prodotto di una complessa serie di reazioni chimico-fisiche (cristallizzazione) che portano alla formazione di materia rigorosamente organizzata in modo periodico e omogeneo a partire da atomi disordinati

I minerali hanno diverse possibili genesi:

• Cristallizzazione da una fase gassosa, liquida o solida (genesi pneumatolitica, magmatica, idrotermale o sedimentaria e metamorfica)

• Reazioni di più fasi solide

• Reazione di un solido con un liquido

• Reazione di un solido con una fase gassosa

La materia allo stato cristallino ha un’energia potenziale più bassa (è più stabile) di quella non cristallina, la materia tende quindi naturalmente a quello stato

La crescita può essere:

• Lenta, 100.000-1.000.000 anni e produce cristalli grandi (quarzo)

• Veloce, giorni-10.000 anni (cristalli di gesso del deserto) e produce cristalli piccoli

E si divide in due fasi:

• Prima fase - Nucleazione, atomi sparsi si associano in modo ordinato, fino a costituire un germe cristallino, che è solitamente composto da pochissime celle elementari

• Seconda fase - Accrescimento, il germe si accresce per deposizione di strati successivi o di filari

GENESI MAGMATICA

Coefficiente di distribuzione KD:

• KD>1→elementi compatibili

• KD<1→elementi incompatibili

Tramite una microsonda elettrica si misura un determinato elemento del minerale, poi si misura lo stesso elemento nel liquido (oramai raffreddato) in equilibrio con quel certo minerale

1. Fase magmatica - In questa fase i minerali più comuni e che si formano per primi sono generalmente olivina, pirosseni e feldspati, eventualmente seguiti da anfiboli, miche, quarzo o altri ancora. I primi non hanno H₂O. Il magma si arricchisce quindi di volatili, con conseguente diminuzione della viscosità e aumento della concentrazione degli elementi che non sono entrati nei minerali precedenti (incompatibili).

2. Fase pegmatitica - Temperature tra 600°C-500°C, fluido a bassa viscosità quindi si formano grandi cristalli, minerali piuttosto rari. Quelli caratteristici sono tormalina, berillo, muscovite. La maggior parte dell’H₂O non viene inclusa nella formazione dei minerali, troviamo inoltre masse gassose ricche di alogenuri metallici che sfuggono dal magma e daranno origine alla deposizione pneumatolitica

3. Fase idrotermale - Cristallizzazione da massa gassosa che si trova in condizioni di P-T differenti e i un altro ambiente chimico, la superficie. Avviene a temperature minori di 500°C e a causa della diminuzione di temperatura e della variazione di pH, e avviene nelle sorgenti termali. I minerali caratteristici sono: alogenuri, quarzo, pirite, fluorite, blenda, ematite, galena e calcite

GENESI SEDIMENTARIA

La cristallizzazione avviene a condizioni ambientali, e con tre modalità:

1. Alterazione → Trasporto → Sedimentazione meccanica Si formano così minerali clastici e detritici, in forma di conglomerati, arenarie e argille.

2. Precipitazione chimica Avviene quando la soluzione è sovrassatura rispetto al determinato minerale, quindi evaporazione del solvente o variazioni del pH.

3. Formazione da attività biologica, si formano depositi organogeni a partire dall’attività di organismi animali e vegetali. Depositi prevalentemente di calcite, aragonite, silice, zolfo e apatite

GENESI METAMORFICA

Avviene quando i minerali che costituiscono una roccia si vengono a trovare in condizioni chimico-fisiche diverse da quelle di formazione, di conseguenza perdono la loro stabilità e possono trasformarsi in nuove fasi

Questo provoca nelle rocce profonde modificazioni nella mineralogia originale (dissoluzione di fasi, crescita di minerali nuove)

E’ un processo che avviene allo stato solido

Si formano in un intervallo intermedio di P e T tra quelle magmatiche e sedimentarie. Il passaggio è graduale e vi sono limiti arbitrari

Il metamorfismo isochimico è molto raro (non vengono aggiunti o sottratti elementi chimici al sistema), mentre quello allochimico è più comune (gli elementi chimici del sistema variano)

• Metamorfismo regionale
  L’aumento di T, P e le deformazioni plastiche provocano il graduale ingrossamento dei grani o il loro allineamento (scistosità) durante i processi di ricristallizzazione

• Metamorfismo di contatto
  Alta T; P e processi di deformazione sono poco importanti. Quindi la ricristallizzatone avviene solo a causa della temperatura
  Minerali anidri comuni nelle rocce di alto metamorfismo: pirosseni, granati, cianite, sillimanite.

FRAZIONAMENTO

Il frazionamento è il processo per cui i cristalli che si formano dal magma in raffreddamento si separano dalla fase liquida

Inizialmente il magma ha una bassa percentuale relative di silice (mafico), e di conseguenza, con la cristallizzazione di componenti mafici, il frazionamento lo renderà sempre più felsico, quindi con una maggiore percentuale relativa di silice

Di fatto le rocce si cristallizzano in questo ordine (si vede anche nella serie di Bowen):

• 1. Ultramafiche, SiO₂<45%

• 2. Mafiche, 45%<SiO₂<55%

• 3. Intermedie, 55%<SiO₂<65%

• 4. Felsiche, SiO₂>65%

Assimilazione magmatica
Si tratta di un processo per il quale il magma fonde e assorbe masse rocciose circostanti, ha carattere termico e chimico. È più diffuso nei magmi basaltici, avendo temperature più alte. avviene nella crosta.

Cristallizzazione e settling
Miscelamento magmatico I cristalli si assestano sulla base di una camera magmatica.

Miscelamento magmatico
Unione di due magmi diversi, provenienti da due camere magmatiche vicine.

METAMORFISMI

Da contatto o termico
Avviene quando una roccia entra in contatto con una fonte di calore, come del magma in risalita, ed è possibile individuare l’aureola di contatto, ossia la zona della roccia che ha subito la modificazione

Idrotermale
Avviene solitamente in zone di dorsali, infatti l’acqua scende nelle fratture del fondale, raccoglie i minerali disciolti e risale a causa del calore, portandoli con sé. Per poi raffreddarsi e depositarli, con conseguente metamorfosi

Dinamotermale o regionale I sedimenti sono materiale incoerente, se sottoposti a forti pressioni e temperature, per esempio per collisione di placche tettoniche, possono compattarsi e metamorfizzare

CRISTALLO CHIMICA

Mette in relazione le proprietà degli elementi e tipi di legami con le strutture dei minerali

Legami chimici e conseguenze sulle proprietà del cristallo:

• Metallico → Elettroni liberi; forza medio-alta (variabile), buona/ottima conducibilità elettrica e termica, opacità , lucentezza metallica, duttilità (scivolamento degli atomi senza rottura) Metalli nativi come oro, rame e argento

• Covalente → Elettroni condivisi; forza elevata, direzionale, trasparenza, alto IR, durezza elevata (diamante)

• Ionico → Elettroni vincolati; polarizzazione, strutture ad elevata simmetria, durezza variabile e fragilità (salgemma, fluorite)

• Van Der Waals → debole, forze residuali, facile sfaldatura, scarsa durezza (grafite, talco)

CRISTALLI ISODESMICI vs ANISODESMICI vs MESODESMICI vs POLIDESMICO

• Isodesmici: tutti i legami catione–anione hanno forza simile, hanno anche la stessa formula chimica di base e la stessa struttura cristallina
  es: NaCl

• Anisodesmici: Legami di forza diversa nella struttura
  es: CaCO₃

• Mesodesmici: Situazione intermedia tra isodesmici e anisodesmici
  es: Silicati a catena

• Polidesmici: la struttura contiene più tipi di legami con forze molto diverse
  es: Miche

ELETTRONEGATIVITÀ

La tendenza di un elemento ad attrarre (o cedere elettroni)

NUMERO DI COORDINAZIONE

Esprime il numero di atomi o anioni che circonda un catione (NC)
Ogni NC ha una suo poliedro:

• Il poliedro di coordinazione descrive la geometria in cui si dispongono gli atomi (PC)
  Questi si basano sul rapporto raggio catione/raggio anione (CA)

COMPOSIZIONE MEDIA DELLA CROSTA TERRESTRE

NUMERO D’OSSIDAZIONE atomi più comuni

IMPACCAMENTI

Abbiamo il sistema cubico ed esagonale, che possono presentare impaccamento compatto, chiamati, rispettivamente CCP e HCP

REGOLE DI PAULING

Descrivono con sufficiente approssimazione il comportamento dei composti ionici

1’Regola: La Geometria del poliedro é in funzione del rapporto raggi catione/anione

2’Regola: Il totale dei legami che raggiungono un anione da tutti i cationi vicini è uguale alla carica dell’anione
Valenza elettrostatica (forza di un legame ionico)=carica/NC

3’Regola: No Condivisione di spigoli e facce
La condivisione di spigoli o facce tra poliedri di coordinazione è poco diffusa perché ridurrebbe notevolmente la stabilità

4’Regola: Cationi con alta carica e basso numero di coordinazione tendono a non condividere elementi del poliedro di coordinazione

5’Regola: Il numero di costituenti principali tende ad essere piccolo (principio della parsimonia)

VARIAZIONI COMPOSIZIONALI DEI MINERALI

Dipendono dalla sostituzione in una determinata struttura, di uno ione o di un gruppo ionico. I termini usati per descrivere questo fenomeno sono:

Soluzione solida
I fattori che influenzano la soluzione solida sono i seguenti:

• Dimensioni relative degli atomi
  per differenze <15% si hanno facilmente s.s.; per differenze comprese fra 15-30% si hanno s.s. limitate; per differenze nel R.I. > 30% non si hanno s.s.
  Quindi in generale, poca differenza dimensionale tra gli atomi

• Cariche degli ioni coinvolti
  Devono essere molto simili

• Temperature a cui avviene il fenomeno

• Disponibilità di ioni

Le soluzioni possono essere:

• Complete, se i due componenti sono completamente miscibili l’uno nell’altro, sia allo stato solido che a quello liquido Le troviamo in tutti i silicati

• Parziale, se appunto lo sono solo parzialmente Si possono osservare pertiti nel minerale

Esistono soluzioni solide sostituzionali, interstiziali e omissionali

CELLE ELEMENTARI

Sono l'unità di base, che ripetendosi, formano il reticolo cristallino
Sono caratterizzate da tre parametri:

• Numero di atomi per ogni cella (NA)

• Numero di coordinazione → numero di atomi con cui ogni atomo è a contatto

• Fattore di impacchettamento (FI): rapporto tra volume occupato dagli atomi in una cella (VA) e il volume di una cella (VC)
  FI =(NA∗VA)/VC

DIFETTI NEI SOLIDI CRISTALLINI: Difetti Puntuali:

• Vacanza: assenza di uno o più atomi dalla posizione reticolare

• Atomi auto-interstiziali: atomi di metallo che occupano una posizione non reticolare

• Atomi sostituzionali: atomi di altri elementi che occupano normali posizioni reticolari

• Atomi interstiziali: atomi di elementi diversi che occupano posizioni non reticolari

Generano localmente sollecitazioni al reticolo, di compressione, nel caso di atomi in eccesso, e di trazione, nel caso di atomi in difetto

DIFETTI NEI SOLIDI CRISTALLINI: Difetti Lineari:

Dislocazione a Spigolo
Dislocazione a Vito

PROPRIETÀ FISICHE DEI MINERALI

Abbiamo una distinzione tra qualitative e quantitative, queste ultime esprimibili numericamente

Possiamo inoltre distinguerle tra quelle osservabili direttamente e/o con una strumentazione molto semplice, e quelle che necessitano di una strumentazione analitica per essere osservate

Un’altra divisione le distingue in scalari (non direzionali) e vettoriali, che sono direzionali, legate quindi all’ordine cristallino

L’esistenza di una struttura cristallina implica l’esistenza di una proprietà direzionale (anisotropa) quindi, per definizione, un minerale ha almeno una proprietà di questo tipo

Le vettoriali possono essere continue o discontinue, in base alla variazione continua o brusca, in seguito ad un cambio, anche lieve, della direzione

Alcune di quelle osservabili direttamente o con strumenti semplici sono:

• Lucentezza, diafanità (trasparenza/opacità)

• Colore, colore della polvere (striscio)

• Luminescenza, “giochi di colore”

• Forma/abito dei cristalli

• Stato di aggregazione

• Durezza

• Sfaldatura, parting, frattura

• Peso specifico

• Solubilità in H₂O e HCl

• Odore e sapore

• Magnetismo

• Radioattività

In particolare queste sono importanti:

• Colore

• Magnetismo

• Piezoelettricità

• Crescita dei cristalli

• Difetti strutturali

• Geminazione

COLORE

Prima distinzione:

• Idiocromatici, hanno colore proprio, dovuto alla presenza di uno ione cromoforo (metallo di transizione +U e Ce) che ne è il costituente fondamentale (cinabro-malachite-azzurrite)

• Allocromatici, non hanno un colore costante, in quanto è dato da impurità, come metalli di transizione in soluzione solide, inclusioni o difetti strutturali (fluorite-quarzo)

Striscio: viene prodotto sfregando energicamente il campione su una tavoletta di ceramica bianca di durezza 7
Un minerale con durezza minore, lascerà una traccia sulla tavoletta
Negli idiocromatici la polvere avrà lo stesso colore dei minerali, mentre negli allocromatici la polvere sarà sempre bianca

CAUSA DEL COLORE: Processi elettronici

Il colore nei minerali dipende da diversi fenomeni fisici piuttosto complessi
Processi elettronici: campo cristallino, trasferimento di carica e centri di colore

• Campo cristallino: descrive le transizioni elettroniche tra gli orbitali 3d (parzialmente riempiti) degli elementi di transizione
  Questi orbitali sono circondati da anioni e questo porta alla scissione del campo cristallino, in due livelli energetici ed il passaggio tra questi richiede una specifica lunghezza d’onda, noi vediamo quindi il colore complementare
  Sono più frequenti in minerali che contengono Metalli di Transizione come: Ti, Cr, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu.
  Il Fe è il più abbondante ed è quindi causa dominante del colore

• Trasferimento di carica (orbitali molecolari):
  Genera il colore a partire dall’interazione di elettroni condivisi, che vengono eccitati dall’interazione con la luce, e passano quindi da un atomo all’altro, assorbono l’energia da solo una parte dello spettro Avviene con atomi con numero di ossidazione variabile
  Ne è un esempio lo zaffiro (altra varietà del corindone, questa volta blu) che contiene piccole quantità di Fe e Ti, e il trasferimento di carica Fe 2+ 4+ 2+ 3+ →Ti e O →Fe ne determina il colore blu
  Siccome richiede molta più energia rispetto al campo cristallino il colore ‘‘generato’’ sarà più intenso

• Centri di colore
  Difetti strutturali in cui un posto vacante nella struttura cristallina è occupato da uno o più elettroni spaiati (o impurità, quindi elementi non di transizione), i quali assorbono onde elettromagnetiche, determinando quindi i colori

COLORE: EFFETTI FISICI/OTTICI

Minerali trasparenti, traslucidi e opachi, che sono rispettivamente permeabili, semipermeabili e impermeabili alla luce visibile

• Dispersione: le onde vengono indirizzate in diverse direzioni in modo omogeneo

• Giochi di colore: sono fenomeni di interferenza della luce, sia sulla superficie che all’interno del minerale; possono produrre una varietà di colori in funzione della variazione dell’angolo di incidenza
  Tra questi troviamo l’opalescenza, l’iridescenza o labradorescenza

• Gatteggiamento e asterismo: Aspetto setoso dovuto alla presenza di fibre parallele strettamente impaccate o alla disposizione parallela di minuscole inclusioni o cavità (gesso sericolitico, quarzo var.occhio di tigre, crisoberillo var. occhio di gatto)
  In alcuni minerali le inclusioni possono essere disposte a 120° e assumere un triplo gatteggiamento, detto asterismo

• Fluorescenza: luminescenza di alcuni minerali se irradiati da raggi UV (luce ultravioletta) es. fluorite

COLORE: ARGOMENTO A PIACERE

Prima distinzione:

• Idiocromatici, hanno colore proprio, dovuto alla presenza di uno ione cromoforo (metallo di transizione +U e Ce) che ne è il costituente fondamentale (cinabro-malachite-azzurrite)

• Allocromatici, non hanno un colore costante, in quanto è dato da impurità, come metalli di transizione in soluzione solide, inclusioni o difetti strutturali (fluorite-quarzo)

Striscio: viene prodotto sfregando energicamente il campione su una tavoletta di ceramica bianca di durezza 7
Un minerale con durezza minore, lascerà una traccia sulla tavoletta
Negli idiocromatici la polvere avrà lo stesso colore dei minerali, mentre negli allocromatici la polvere sarà sempre bianca

CAUSA DEL COLORE:

Il colore nei minerali dipende da diversi fenomeni fisici piuttosto complessi
Processi elettronici: campo cristallino, trasferimento di carica e centri di colore

• Campo cristallino: descrive le transizioni elettroniche tra gli orbitali 3d (parzialmente riempiti) degli elementi di transizione
  Questi orbitali sono circondati da anioni e questo porta alla scissione del campo cristallino, in due livelli energetici ed il passaggio tra questi richiede una specifica lunghezza d’onda, noi vediamo quindi il colore complementare
  Sono più frequenti in minerali che contengono Metalli di Transizione come: Ti, Cr, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu.
  Il Fe è il più abbondante ed è quindi causa dominante del colore
  ES: Almandino

• Trasferimento di carica (orbitali molecolari):
  Genera il colore a partire dall’interazione di elettroni condivisi, che vengono eccitati dall’interazione con la luce, e passano quindi da un atomo all’altro, assorbono l’energia da solo una parte dello spettro Avviene con atomi con numero di ossidazione variabile
  Ne è un esempio lo zaffiro (altra varietà del corindone, questa volta blu) che contiene piccole quantità di Fe e Ti, e il trasferimento di carica Fe 2+ 4+ 2+ 3+ →Ti e O →Fe ne determina il colore blu
  Siccome richiede molta più energia rispetto al campo cristallino il colore ‘‘generato’’ sarà più intenso
  ES: Zaffiro

• Centri di colore
  Difetti strutturali in cui un posto vacante nella struttura cristallina è occupato da uno o più elettroni spaiati (o impurità, quindi elementi non di transizione), i quali assorbono onde elettromagnetiche, determinando quindi i colori
  ES: Quarzo Ametista

EFFETI FISICI:

• Interferenza: dovuta a doppie superfici → Iridescenza e Labradorescenza

• Diffrazione: della luce causati da strutture sub‑microscopiche periodiche all’interno del minerale Opalescenza

• Dispersione: le onde vengono indirizzate in diverse direzioni in modo omogeneo

• Gatteggiamento: Aspetto setoso dovuto alla presenza di fibre parallele strettamente impaccate, dato dalla diffusione

• Asterismo: Triplo gattegiamento, raro effetto ottico che crea una stella luminosa sulla superficie di una gemma, causato dalla riflessione della luce su inclusioni aghiformi (come il rutilo) disposte regolarmente all'interno

• Fluorescenza: luminescenza di alcuni minerali se irradiati da raggi UV (luce ultravioletta) es. fluorite

• Avventurescenza, Adularescenza: in felspati e quarzo

Birifrangenza?

PROPRIETÀ MAGNETICHE

Il magnetismo è la capacità di registrare la direzione del campo magnetico dell’ambiente. Vi sono diversi tipi di magnetismo nei minerali:

• Diamagnetismo (Quarzo SiO ) minerali che non posseggono un momento di dipolo magnetico proprio e rispondono alla presenza di un campo magnetico esterno esclusivamente per moto elettronico

• Paramagnetismo (Fe-olivina Fe SiO ) Minerali che si magnetizzano debolmente nel verso del campo magnetizzante

• Ferromagnetismo (Ferro) Minerali che si magnetizzano intensamente nel verso del campo magnetizzante e rimangono a lungo magnetizzati, diventando magneti

• Ferrimagnetismo (Magnetite Fe O ) Minerali con momenti magnetici antiparalleli ma con diverso modulo, risulta quindi un momento non nullo, che consente una moderata magnetizzazione

• Antiferromagnetismo (Ilmenite FeTiO ) minerali con momenti antiparalleli e con configurazione a minima energia, quindi non si magnetizzano e vengono repulsi dal campo

PROPRIETÀ ELETTRICHE

• Piezoelettricità proprietà di alcuni materiali cristallini di polarizzarsi generando una differenza di potenziale elettrico quando sono soggetti a una deformazione meccanica (effetto piezoelettrico diretto) e al tempo stesso di deformarsi in maniera elastica quando sono sottoposti ad una tensione elettrica (effetto piezoelettrico inverso)

• Conducibilità I minerali, come altri corpi cristallini, se sottoposti ad una tensione elettrica possono risultare conduttori, semiconduttori o non conduttori (dielettrici)

• Piroelettricità Per molti versi analoga alla piezoelettricità, solo che il manifestarsi di cariche elettriche superficiali è indotto da variazioni di temperatura (che siano riscaldamento o raffreddamento)

DIFETTI

I difetti e le dislocazioni sono estremamente importanti poiché consentono la migrazione di ioni e la propagazione di deformazioni in solidi altrimenti rigidi

• Difetto di Schottky: Vacanza cationica + vacanza anionica

• Difetto di Frenkel: Vacanza cationica + catione interstiziale

Disclocazione: slittamento del piano cristallino

Epitassia: è il concrescimento di una fase su un’altra

FORMA CRISTALLINA e ABITO

I cristalli sono delimitati da superfici piane e lisce, dette facce, ed assumono forme geometriche regolari

Forma o tratto: insieme di tutte le forme semplici, comunque sviluppate, in un cristallo (cubo+ottaedro+…)

Abito: aspetto caratteristico di un cristallo che deriva dalla predominanza di una delle sue forme rispetto alle altre (maggiore estensione)
Un abito può essere in generale:

• Equidimensionale

• Tabulare

• Lamellare

• Allungato

• Aciculare

• Capillare (molto sottile, simil capelli)

Cristallo euedrale: cristallo completamente delimitato da facce, la cui crescita non è stata limitata o disturbata da cristalli o granuli adiacenti
Cristallo subedrale: cristallo delimitato da facce o superfici di contatto con altri minerali
Cristallo anedrale: cristallo privo di facce

RAPPORTO TRA VELOCITÀ DI ACCRESCIMENTO e LA FORMA ESTERNA

La grandezza di una faccia relativamente ad un’altra presente è inversamente proporzionale alla sua velocità di crescita (proprietà variabile in modo discontinuo con la direzione)
Più una faccia cresce velocemente, più velocemente scomparirà, quindi diventerà più piccola

STATO DI AGGREGAZIONE: ASSOCIAZIONI SUBREGOLARI o AGGREGATI

Associazioni di cristalli della stessa specie

• Aggregato spatico: aggregato di cristalli di dimensioni notevoli e con facile sfaldabilità (degli esempi sono la calcite, il gesso e la baritina)

• Aggregato granulare o saccaroide: aggregato di cristalli a grana media o minuta (ad esempio il marmo di carrara)

• Aggregato aciculare, bacillare, fibroso: aggregato di individui con abito prismatico raccolti in gruppi subparalleli

• Aggregato fibroso raggiato: es. marcasite, baritina

• Aggregato dendritico: ad esempio argento, rame, ossidi di manganese Geode di calcedonio

• Aggregato lamellare

• Aggregati a drusa e a geode: i cristalli sono raggruppati su una matrice restando liberi ad una estremità Druse di quarzo

• Aggregato a rosetta

• Aggregato selliformi

• Aggregato corralloide: aggregati fibroso raggiati di CaCO₃ (calcite - aragonite)

• Aggregato mammellonare, zonato-concentrico e stalattitico: si formano per successive deposizioni da soluzioni

• Aggregato oolitico o pisolitico: unione di sferule che hanno struttura fibroso raggiata concentrica

STATO DI AGGREGAZIONE: ASSOCIAZIONI PARALLELE o REGOLARI

• Concrescimenti paralleli: i cristalli si mantengono paralleli su uno stesso substrato con altezze diverse

• Accrescimenti paralleli: i cristalli di dimensione e forma diverse, ma aventi simmetria uguale, sono disposti in sequenza

GEMINATI

Sono concrescimenti di due o più cristalli (gemelli) della stessa specie che si originano secondo leggi ben definite e caratteristiche

I due (o più) individui in un geminato sono legati tra di loro da un elemento di simmetria assente nel cristallo originale

Elementi di simmetria del geminato:

• Asse di geminazione (AG) Emitropia: asse intorno al quale si ruota un gemello per portarlo in posizione di ricoprimento con l’altro (operazione: rotazione di solito di 180°)

• Piano di geminazione (PG) Riflessione : piano di simmetria del geminato (operazione: riflessione)

• Inversione intorno al centro di geminazione: operazione di inversione rispetto ad un punto
  

L’elemento di simmetria del geminato, non lo è del singolo cristallo
Assi e piani di geminazione sono paralleli a facce e spigoli reali o possibili del singolo cristallo
Asse e piano di geminazione coesistono e sono tra di loro perpendicolari in cristalli appartenenti a classi centrosimmetriche
Nei cristalli acentrici esiste o piano o asse
La descrizione di una legge di geminazione consiste nell’elencare l’orientazione degli elementi di simmetria asse o piano
Nei cristalli appartenenti a classi centrosimmetriche è indifferente esprimere la legge secondo il piano o secondo l’asse
Elementi morfologici del geminato:
-Piano di contatto (PC): piano di unione degli individui geminati

GEMINATI: TIPI di GEMINATO

• Geminati per contatto: I due cristalli sono uniti lungo un piano di geminazione ben definito, la superficie di contatto è piana, spesso i due individui appaiono come immagini speculari

• Geminati per Compenetrazione: cristalli si interpenetrano senza un piano di separazione evidente

• Geminati per emitropia normale La rotazione di 180° avviene attorno a un asse perpendicolare al piano di geminazione

• Geminati per emitropia parallela La rotazione di 180° avviene attorno a un asse giacente nel piano di geminazione

• Geminati polisintetici Formati da molti individui geminati ripetuti in modo regolare

• Geminati complessi Combinazione di leggi per emitropia normale e per emitropia parallela

• Geminati per mimesia Il geminato simula una simmetria cristallina che il minerale non possiede

ORIGINE DELLA GEMINAZIONE

Geminati per accrescimento o primari
Ha origine per un interruzione o un cambiamento del reticolo cristallino durante la formazione del cristallo, dovuta per esempio a una deformazione per la sostituzione di uno ione di dimensioni maggiori

Geminati per trasformazione o secondari Ha origine in un cambiamento del sistema cristallino durante il raffreddamento, quando una forma diventa instabile quindi la struttura cristallina si riorganizza in una forma più stabile rispetto alle nuove condizioni

Geminati per scivolamento Ha origine da uno stress imposto al cristallo dopo la sua formazione

ORIGINE DELLA GEMINAZIONE: ESEMPIO

• Gesso (sistema monoclino)
  1. Gesso geminato per contatto e per emitropia normale → a coda di rondine
  2. Gesso geminato per compenetrazione e per emitropia parallela → a ferro di lancia

LUCENTEZZA

La lucentezza dipende da come la superficie di un minerale diffonde la luce
Si può ad esempio parlare di lucentezza metallica e non metallica
La lucentezza non metallica può essere poi descritta ulteriormente come: adamantina, sericea, vitrea, satinata, resinosa, perlacea, porcellanea, terrosa

ODORE e SAPORE

Ad esempio zolfo, e in generale i solfuri, hanno odore acre
Il salgemma ha gusto salato, mentre la salvite KCl ha un gusto amarognolo

PESO SPECIFICO

è definito come il peso (m x g) di un campione di materiale diviso per il suo volume. Indica quanto pesa in newton (N) l'unità di volume (1m³) di una sostanza.

Nel caso la determinazione è eseguita a 4°C, peso specifico e densità hanno valore numericamente uguale
Il peso specifico è importante per il riconoscimento dei minerali
Varia da valori inferiori a 1 per sostanze inorganiche a 22.48 per l’osmio metallico
Vi sono vari metodi per misurarlo:

• Metodo del Picnometro: Il picnometro è, nella sua forma più semplice, una boccetta di vetro a pareti sottili, della capacità di 10-30-50 cm3, a bocca larga, chiusa da un tappo di vetro smerigliato al quale è fissato un termometro; lateralmente il picnometro porta un tubo capillare sul quale è segnata una tacca di livello
  La determinazione del peso specifico è eseguita con tre pesate consecutive.

• Metodo dei Liquidi pesanti: E' particolarmente usato quando si disponga di un unico piccolo frammento di minerale
  Il frammento viene introdotto in una provetta riempita con un liquido, agitato fortemente e poi lasciato in riposo; in base al principio di Archimede, il minerale galleggerà sul liquido o vi affonderà a seconda che il suo peso specifico sia inferiore o superiore a quello del liquido, mentre resterà in equilibrio indifferente a qualsiasi livello della provetta se il peso specifico del liquido e quello del minerale sono identici

FRATTURA e SFALDATURA

Sono entrambi elementi diagnostici importanti.

Frattura
Rottura irregolare che può essere di varie tipologie in base al tipo di superfici che si formano:

• Concoide - viene da conchiglia, con superfici curve a contorno irregolare (quarzo)

• Scagliosa - con superfici formate da particelle lamellari (gesso, talco)

• Scheggiosa o fibrosa - con superfici cosparse di schegge o fibre (pectolite)

• Uncinata - con superfici mostranti punte (metalli)

• Terrosa - con superfici cosparse di granuli minuti (materiali argillosi)

Sfaldatura
Avviene secondo piani paralleli a facce reali o possibili del cristallo, quindi secondo i piani reticolari
La sfaldatura si descrive in modo qualitativo, usando due criteri principali:

• Numero di direzioni di sfaldatura

  Indica in quante direzioni il minerale si sfalda:
  . 1 direzione → es. miche (sfaldatura basale)
  . 2 direzioni → es. feldspati
  . 3 direzioni → es. halite (cubica), calcite (romboedrica)
  . 4 o più direzioni → es. fluorite (ottaedrica)

• Qualità della sfaldatura
  Descrive quanto la sfaldatura è netta e continua:
  . Perfetta → superfici molto lisce e continue
  . Buona
  . Distinta
  . Indistinta / imperfetta
  . Assente

Esempio:

• Muscovite: 1 direzione, perfetta

• Calcite: 3 direzioni, perfette

• Quarzo: assenza di sfaldatura (presenta frattura concoide)

DUREZZA

Si intende generalmente la resistenza opposta da un minerale ad essere scalfito e non va confusa con la fragilità
Secondo la scala di Mohs si misura secondo una scala di 10 termini a durezza crescente, ognuno corrispondente a un minerale

Questa è una scala empirica, ancora oggi utilizzata per la sua semplicità. Ha però il difetto di considerare la durezza come una proprietà scalare, nonostante sia vettoriale, anche se le sue variazioni con la direzione non sono eccessive generalmente

La durezza ha anche altre interpretazioni: resistenza alla levigazione, resistenza alla trivellazione con una punta di trapano o resistenza alla penetrazione con una punta di diamante (Vickers)

DUREZZA: TEST DI DUREZZA

• Vickers
  Simile al test di Knoop, in cui però l’indentatore è una punta di diamante piramidale a 136 gradi, forzato a penetrare nel materiale da un carico definito
  Adatto a controlli di laboratorio
  Si presta particolarmente adatto per misurare la durezza di aree piccole e per materiali molto duri
  Se si mettono in relazione Mohs (M) e Vickers (HV), si ottiene una curva logaritmica: M=logHV

• Knoop
  Metodo di prova di microindentazione, per cui un carico viene applicato su un indentatore, ossia un diamante a forma romboidale allungata
  Adatto a controlli di laboratorio di strati sottili o fragili
  Poi si misura la lunghezza della diagonale dell’indentazione risultante. Il numero di durezza risulta (kg/mm²) Il denominatore corrisponde all’area di indentazione
  KHN= L/l² Cp
  L= carico applicato, l= lunghezza diagonale maggiore, Cp= costante che mette in relazione l e la proiezione dell’area di indentazione

• Rockwell Si tratta di un metodo rapido, con indentatore metallico a forma di sfera o cono, viene misurata la profondità dell’indentazione
  Adatto a Controllo industriale
  Possono variare le dimensioni dell’indentatore e la massa del carico, ogni combinazione ha una scala differente

SOLUBILITÀ

è la capacità di una sostanza di sciogliersi in un'altra detta solvente

Reattività a HCl (acido cloridico) + Calcite (CaCO₃) → produce cloruro di calcio CaCl₂, acqua H₂O e anidride carbonica CO₂
Solfuri rilasciano H₂S e odore sgradevole
Reattività a HF → Silicati solubili con questo e formano un composto volatile

FUSIBILITÀ

Temperatura di fusione

DILATABILITÀ TERMICA

Esprime il cambiamento delle dimensioni di un solido con la temperatura

Si tratta di una proprietà vettoriale

TENACITÀ e RESISTENZA

Resistenza alla frattura → fragile, fissile, malleabile, duttile, scissile, flessibile, resistente
Indice della quantità di energia necessaria per la frattura

Resilienza è la resistenza alla deformazione permanente

TATTO

Freddo=legato a elevata conducibilità termica
Saponaceo o grasso, ruvido, liscio, ecc…

DUTTILITÀ e MALLEABILITÀ

Duttilità - Attitudine a essere ridotto in fili quando sottoposto a trazione

Malleabilità - Attitudine ad essere martellata o rullata in fogli sottili senza rottura

CRISTALLOGRAFIA

Descrive come è Morfologicamente e Strutturalmente un minerale

Si distingue in morfologica e strutturale

• Morfologica: Forme esterne dei cristalli
  Angolo interfacciale
  Spigolo
  Faccia
  Vertice

• Strutturale: Disposizione interna degli atomi → reticoli: disposizione regolare periodica in uno spazio tridimensionale, in cui ogni punto è equivalente agli altri

La posizione dei punti è regolata da operazioni di simmetria:

• Inversione - rispetto a un punto

• Traslazione - ripetizione ordinata uni-dimensionale di un motivo

• Riflessione - su una superficie

• Rotazione - attorno a una direzione

Vengono effettuate rispetto a:

• Un’asse di rotazione, che è perpendicolare al piano

• Piano di riflessione

• Centro di inversione
  Combinando riflessione e traslazione si ottiene uno slittopiano

CRISTALLOGRAFIA: RETICOLI di BRAVAIS

Il reticolo di Bravais è un modello geometrico che descrive la disposizione periodica dei punti in un cristallo

I punti non rappresentano in generale atomi, ma piuttosto “nodi” attorno ai quali si ripetono gruppi di atomi o unità strutturali complesse

Viene descritta attraverso 7 sistemi cristallini:

• Triclino (lati e angoli diversi)

• Monoclino (lati diversi - 2 angoli a 90°)

• Ortorombico (lati diversi - angoli a 90°)

• Tetragonale (2 lati uguali - angoli a 90°)

• Esagonale (2 lati uguali - 2 angoli a 90° e uno a 120°)

• Romboedrico (lati uguali - angoli uguali e diverso da 90°)

• Cubico (lati e angoli uguali)

Ogni sistema poi, può avere un tipo di centrazione diversa delle cella elementari, cioè si indica dove si trovano i punti reticolari all’interno della cella, andando a formare un totale di 14 sistemi possibili di reticoli

Cella:

• primitivo P (nessun punto oltre i vertici della cella)

• centrato C (un punto al centro di due facce con stessa direzione)

• centrato F (un punto al centro di ogni faccia)

• centrato I (un punto al centro del corpo)

• romboedrico R (sarebbe il sistema trigonale, estensione di quello esagonale)

Celle elementari hanno tre caratteristiche principali: -

• numero di coordinazione

• numero atomi per cella elementare

• fattore di impaccamento (rapporto tra volume occupato dagli atomi e il volume della cella)

GRUPPI PUNTUALI vs GRUPPI SPAZIALI

Gruppi Puntuali:

• Descrivono le simmetrie che operano su un punto fisso all'interno del cristallo

• Combinazioni di operatori di simmetria (rotazioni di un angolo, riflesso rispetto ad un punto, inversione rispetto ad un punto), che non includono la traslazione, che si intersecano in un punto (baricentro del cristallo), che rimane quindi invariato.

• sono 32

Gruppi Spaziali:

• Combinazioni di operazioni di simmetria che includono la traslazione e quindi non passano tutti per un punto.

• descrivendo l'intera simmetria periodica del reticolo cristallino, che combina simmetria puntuale e traslazioni, portando a 230 gruppi spaziali totali

• Rappresenta i vari modi in cui i motivi possono essere disposti nello spazio secondo una disposizione ordinata e periodica

CRISTALLOGRAFIA: INDICE di MILLER

Sistema di notazione usato per descrivere i diversi piani cristallini e le loro direzioni all’interno di un reticolo di Bravais

Vengono descritti da 3 numeri interi H,K,L e ciascuno indice corrisponde ad un piano ortogonale

LEGGE DI HAUY

Afferma che le facce dei cristalli intercettano gli assi cristallografici secondo rapporti semplici di numeri interi, riflettendo l’ordine del reticolo cristallino

OTTICA

Studia l’interazione tra le radiazioni elettromagnetiche e i minerali

Parametri fondamentali:

• Velocità - V (c nel vuoto), f * λ

• Lunghezza d’onda - λ

• Frequenza - f, V/λ

• Ampiezza - A

OTTICA: RIFRAZIONE

Avviene quando un’onda passa da un mezzo ad un altro, venendo deviata e cambiando velocità

n è l’indice di rifrazione del materiale, il quale quantifica la diminuzione della velocità dell’onda e si calcola n=c/v, c = velocità della luce nel vuoto e v = la velocità della luce nel mezzo

Altri parametri:
Angolo di incidenza (i) misurato rispetto alla normale alla superficie
Angolo di rifrazione (r) con la luce che devia verso la normale alla superficie

Dispersione: avviene perché ai vari colori della luce corrispondono varie lunghezze d’onda, dalle quali dipende l’indice di rifrazione, e dalle quali dipende a sua volta l’angolo di rifrazione
Angolo ← indice di rifrazione ← colore (lunghezza d’onda) (← = dipende da)

OTTICA: LEGGE DI SNELL

Descrive quanto la direzione di propagazione viene deviata nel passaggio da un mezzo a un altro in termini angolari

OTTICA: DISPERSIONE

Avviene perché ai vari colori della luce corrispondono varie lunghezze d’onda, dalle quali dipende l’indice di rifrazione, e dal quale dipende a sua volta l’angolo di rifrazione
Angolo di rifrazione ← indice di rifrazione ← colore (lunghezza d’onda) (← = dipende da)

OTTICA: POLARIZZAZIONE

Normalmente la luce viaggia orientandosi in diverse direzioni, in seguito all’interazione con un polarizzatore però, è solo la parte orientata nel verso del polarizzatore che riesce a passare, mentre il resto viene assorbito o riflesso

MICROSCOPIO OTTICO

Osservare e riconoscere i minerali e studiare la Birifrangenza e i colori d’Interferenza

Muovendoci dalla base verso la cima, è composto da:

• Sorgente di luce - solitamente posizionata alla base del microscopio e può essere regolata

• Polarizzatore inferiore - solitamente orientato in direzione E-O (est-ovest), ma è possibile ruotarlo secondo un’altra orientazione

• Condensatore

• Diaframma e lente convergente inseribile
  L’altezza di questo gruppo ottico può essere regolata attraverso una ghiera

• Piattino rotante - subito sopra al gruppo ottico, può anche essere bloccato, la possibilità di ruotarlo è importante per osservare i campioni (30 micron) a diverse angolazioni della luce incidente

• Obiettivi - solitamente 2x, 10x e 40x, a volte 100x, è possibile ruotarli per ottenere l’ingrandimento desiderato

• Polarizzatore superiore o analizzatore - è posto sopra gli obiettivi ed ha piano di polarizzazione orientato perpendicolarmente rispetto a quello inferiore, quindi N-S

• Oculare - da dove si osserva il campione, ha di solito un ingrandimento di 8x, 10x o 12x, l’ingrandimento totale si ottiene moltiplicando quello dell’oculare per quello dell’obiettivo utilizzato

MICROSCOPIO OTTICO: RILIEVO e LINEA DI BECKE

Il rilievo indica quanto un minerale “spicca” rispetto al mezzo che lo circonda
Dipende dalla differenza di indice di rifrazione tra il minerale e il mezzo circostante.

• Rilievo alto → il minerale appare con contorni molto netti

• Rilievo basso → il minerale si confonde con il contorno

• Rilievo nullo → il minerale quasi scompare

Più l’indice di rifrazione del minerale è diverso da quello del mezzo, più alto è il rilievo

La linea di Becke è una linea luminosa che si forma al contatto tra due materiali con diverso indice di rifrazione e serve a determinare quale dei due possiede l’indice di rifrazione maggiore osservando il suo spostamento durante la defocalizzazione
La linea luminosa si sposta verso il materiale con indice di rifrazione maggiore

MICROSCOPIO OTTICO: ANISOTROPI vs ISOTROPI

Anisotropi:

• Hanno proprietà ottiche diverse lungo direzioni diverse

• La velocità della luce varia in funzione della direzione

• Presentano doppia rifrazione

• Appaiono colori di interferenza (birifrangenza)

• Non vediamo nero perché varia l'orientamento dell’onda elettromagnetica e quindi il secondo polarizzatore non assorbe tutta la luce

Minerali isotropi

• Hanno proprietà ottiche identiche in tutte le direzioni

• La velocità della luce non cambia al variare della direzione nel cristallo

• Non presentano doppia rifrazione

• Appaiono nero tra polarizzatori incrociati

POLARIZZATORE PER ASSORBIMENTO SELETTIVO vs RIFLESSIONE

Assorbimento Selettivo, solo la luce parallela all’asse del polarizzatore viene trasmessa, l’altra viene assorbita:

• Tormalina: 2 Lenti ad angolo retto

• Polaroid: allineamento di cristalli organici

Riflessione: Polarizza la luce riflessa dalla superficie del campione

MICROSCOPIO OTTICO: MINERALI ANISOTROPI

Minerale anisotropo → la luce si divide in due

• Due onde: fast (veloce) e slow (lenta)

• Arrivano sfasate al polarizzatore

• Lo sfasamento crea interferenza

• L’interferenza genera i colori

La luce che entra in un minerale anisotropo è costretta a vibrare secondo due piani reciprocamente perpendicolari, la luce che percorre uno dei due piani ha velocità maggiore rispetto a quella che percorre l’altro piano
I due piani sono indicati come fast e slow

Quindi la luce polarizzata E-O si scompone nelle due componenti che oscillano nei piani di vibrazione del cristallo (fast e slow)
Le ampiezze delle due onde generate a partire dall’onda polarizzata E-O saranno minori di quella di quest’ultima

Quando queste onde arrivano al polarizzatore superiore (N-S), verranno trasmesse solo le componenti di fast e slow che giacciono sul piano N-S. Però, una cresta che ha percorso il piano fast arriva al polarizzatore leggermente in anticipo rispetto alla stessa cresta che ha percorso il piano slow
Questo comporta che, quando il polarizzatore le combina in una singola onda N-S, sono leggermente sfasate, e questo crea un’interferenza (costruttiva o non) e genera i colori d’interferenza

È possibile quantificare lo sfasamento, attraverso il ritardo, il quale è in funzione della differenza di velocità tra le due onde e dello spessore del minerale

BIRIFRANGENZA

è un fenomeno fisico che consiste nella scomposizione di un raggio di luce in due raggi e che avviene quando esso attraversa particolari mezzi anisotropi

Indice di Birifrangenza si calcola come la differenza tra l'indice di rifrazione massimo (𝑛𝑒) e minimo (𝑛𝑜)
𝐵=𝑛𝑒−𝑛𝑜

MINERALI ANISOTROPI: COLORI di INTERFERENZA (C.I)

I colori di interferenza (C.I.) dipendono dal ritardo

Esempi:

• 100 nm di ritardo → C.I. grigio

• 300 nm → C.I. giallo

• 550 nm → C.I. rosso

Questo rosso viene detto rosso di primo (I) ordine, e tutti i colori prodotti da ritardi tra 0 nm e 550 nm sono detti di primo ordine
Oltre i 550 nm il colore diventa un blu di secondo (II) ordine
I colori del secondo ordine aumentano e passano da verde a giallo, fino al rosso di secondo ordine a 1100 nm
La stessa sequenza si ripete anche per gli ordini di interferenza più elevati, in cui ognuno dei rossi successivi multiplo di 550 nm
I colori degli ordini superiore al terzo sono in generale un po’ meno intensi

MICROSCOPIO OTTICO: INDICATRICI OTTICHE

Un’indicatrice ottica indica le direzioni in cui si propaga la luce

L’indicatrice ottica dei minerali uniassici è un ellissoide di rotazione con un solo asse ottico, mentre nei minerali biassici è un ellissoide triaxiale con due assi ottici, responsabili delle differenti figure di interferenza

I cristalli appartenenti ai sistemi esagonale e trigonale hanno indici di rifrazione minimi e massimi, mentre quelli appartenenti ai sistemi ortorombico , monoclino e triclino hanno minimi, intermedi e massimi

Risulta conveniente rappresentare queste variazioni di n con la direzione tramite un ellissoide detto indicatrice ottica

Il vettore che va dal centro dell’ellissoide alla sua superficie fornisce il valore dell’indice di rifrazione per la luce che vibra in quella direzione

MICROSCOPIO OTTICO: MINERALI UNIASSICI vs BIASSICI

Minerali Uniassici:

• Possiedono un solo asse ottico

• La luce che viaggia lungo quell’asse non viene sdoppiata

• Possiedono 2 indici di rifrazione

• Sistemi cristallini

  • Tetragonale

  • Esagonale

  • Trigonale

• Birifrangenza:

  Δn=nε−nω

• Segno ottico:

  • uniassico positivo → nε > nω

  • uniassico negativo → nε < nω

• Figure di interferenza

  • Croce nera fissa

  • Anelli concentrici colorati

  • La croce non si divide ruotando il tavolino

• Esempi

  • Quarzo (uniassico +)

  • Calcite (uniassico −)

  • Apatite

  • Corindone

Minerali Biassici:

• Possiedono due assi ottici

• Presentano tre indici di rifrazione

• Sistemi cristallini

  • Ortorombico

  • Monoclino

  • Triclino

• Birifrangenza:

  Δn=nγ−nα

• Segno ottico:

  • biassico positivo → nγ − nβ > nβ − nα

  • biassico negativo → nγ − nβ < nβ − nα

• Figure di interferenza

  • Due melatopi

  • Le isogire si separano ruotando il tavolino

  • Angolo tra gli assi ottici: 2V

• Esempi

  • Olivina

  • Pirosseni

  • Anfiboli

  • Feldspati

  • Mica

MICROSCOPIO OTTICO: LUCE CONVERGENTE (uniassici)

Le osservazioni in luce convergente si utilizzano per :

• determinare numero di assi ottici

• riconoscere minerali uniassici vs biassici

• stabilire il segno ottico (+ / −)

Come si fa?

• Metto il max ingrandimento

• polarizzatori incrociati

• inserisco la lente convergente + altra lente

I raggi di luce vengono rifratti dalla lente convergente

Le figure d’interferenza sono utili per determinare il segno ottico del cristallo

MICROSCOPIO OTTICO: CONDENSATORE

È un sistema di lenti posto sotto il campione che concentra e controlla il fascio di luce diretto verso la sezione sottile

Modifica la fase della luce che attraversa il campione correggenfdo così le aberrazioni ottiche e migliorando la qualità dell’immagine

Grazie al diaframma del condensatore permette di ottenere:

• Luce parallela → osservazioni in luce polarizzata piana (PPL)

• Luce convergente → osservazioni in luce convergente (figure di interferenza)

MICROSCOPIO OTTICO: FIGURE D’INTERFERENZA nei MINERALI UNIASSICI

Si osservano in luce convergente, usando:

• polarizzatori incrociati

• condensatore alzato

• diaframma aperto

• obiettivo ad alto ingrandimento

• osservazione nel piano focale posteriore

È composta da:

• croce nera fissa → isogire (è la croce nera e indica la direzione di estinzione)

• anelli concentrici colorati → isochromi (linee/colori di uguale birifrangenza)

• centro = melatopo (punto in cui passa l’asse ottico)

Comportamento alla rotazione

• Ruotando il tavolino:

  • la croce resta fissa

  • non si divide

• Questo indica la presenza di un solo asse ottico

Determinazione del segno ottico:

• è possibile grazie a variazioni che subiscono le Isocrome (si spostano) e le Isogire (aumentano verso il rosso)

• Si ottiene una figura d’interferenza
  . quando ho il giallo lungo il compensatore è un +
  . quando ho il blu lungo il compensatore è un -

MICROSCOPIO OTTICO: FIGURE D’INTERFERENZA nei MINERALI BIASSICI

Le figure d’interferenza biassiche si osservano in:

• luce convergente

• polarizzatori incrociati

• condensatore alzato

• diaframma aperto

• obiettivo ad alto ingrandimento

• osservazione nel piano focale posteriore

Elementi principali

• Due melatopi → direzioni degli assi ottici

• Isogire → bande nere curve

• Isochromi → colori di interferenza

Comportamento ruotando il tavolino

• Le isogire:

  • si separano

  • si muovono con la rotazione

• Questo è il criterio diagnostico fondamentale dei biassici

• Questo indica la presenza di un solo asse ottico

Angolo ottico 2V

• Angolo tra i due assi ottici

• Si stima dalla distanza tra i melatopi

• Può essere:

  • piccolo (assi quasi paralleli)

  • grande (assi molto separati)

Determinazione del segno ottico: Posizione migliore per l determinazione del segno ottico dei minerali biassici. Una volta posizionata correttamente l'isogira si inserisce il compensatore e si osserva il cambiamento di colore nella parte concava e convessa dell'isogira.

MICROSCOPIO OTTICO: PLEOCROISMO

Cambiamento nei colori di assorbimento osservati con il solo polarizzatore ruotando il piatto (è associato un colore a ciascuna direzione ottica principale)

DIFFRATTOMETRI

La diffrazione è diversa dalla rifrazione

• La rifrazione è la deviazione di un'onda quando passa da un mezzo ad un altro (con indice di rifrazione diversa) (es. da aria a acqua), causandone un cambio di velocità e direzione

• La diffrazione, invece, è la dispersione di un'onda quando incontra un ostacolo o una fenditura, piegando il suo percorso all'interno dello stesso mezzo e creando bordi sfumati

La diffrazione a raggi X è un’analisi strutturale massiva di sostanze organiche e inorganiche e serve per individuare i minerali in una roccia o in un suolo

Si ottengono informazioni chimiche indirette, petrografiche e fisiche parziali, ma non si ottengono informazioni morfologiche, dato che il campione viene polverizzato per eseguire questo tipo di analisi

Raggi X
Lunghezza d’onda = 10-¹⁰ m

Si tratta di una lunghezza d’onda che è confrontabile con le dimensioni interatomiche

Una singola particella colpita da RX diffonde il fascio in tutte le direzioni in modo uniforme, in un materiale cristallino colpito da RX i fasci successivamente diffusi si combinano costruttivamente in varie direzioni

I RX vengono riflessi solo a determinati angoli, a causa della struttura atomica dei cristalli Sono infatti usati per la risoluzione della struttura cristallina, in quanto si riesce ad identificare la distanza tra i piani reticolari

LEGGE DI BRAGG

Saperla anche disegnare

Lawrence Bragg e suo padre scoprirono che la diffrazione può essere trattata come una riflessione nel caso di utilizzo di una radiazione X monocromatica (una sola lunghezza d’onda)

La legge di Bragg descrive la condizione per cui un’onda (raggi X), venga diffratta in modo costruttivo da un cristallo e permette di ricavare le distanze interplanari necessarie allo studio e all’identificazione dei materiali cristallini
Un cristallo può essere visto come un insieme di piani atomici paralleli, distanziati di una distanza d
Quando un fascio di raggi X incide sul cristallo con un certo angolo θ, le onde riflesse da piani successivi interferiscono costruttivamente

Questa condizione è espressa dalla legge di Bragg:

nλ = 2dsin⁡θ

dove n è un intero, λ è la lunghezza d’onda della radiazione incidente, d è la distanza tra i piani cristallini e θ è l’angolo di incidenza.

La legge di Bragg è fondamentale perché permette di determinare la struttura cristallina dei materiali a partire dagli angoli di diffrazione osservati, ed è alla base della diffrazione a raggi X.

Relazione tra l’angolo d’incidenza dei raggi x e la distanza tra i piani cristallini indica quale minerale stiamo osservando (ogni minerale ha un angolo di riflesso in cui il segnale è più forte)

nλ = 2dsinθ

• n = ordine di rifrazione (generalmente 1,2 o 3)

• λ = lunghezza d’onda (lambda)

• d = distanza tra i piani reticolari

• θ = angolo d’incidenza (teta)

• nλ = differenza di cammino

CD = BC = AC x sinθ

DIFFRATTOMETRO

• Tubo RX - tubo a vuoto con un catodo (costituito da un filamento, solitamente in tungsteno, attraversato da corrente) e un anodo (bersaglio degli elettroni proveniente dal catodo, può essere fatto in diversi materiali)

• Produzione raggi x - Degli elettroni, accelerati per grande differenza di potenziale, colpiscono una placca metallica
  Un’accelerazione abbastanza intensa può spostare gli elettroni dai livelli interni degli atomi che costituiscono il bersaglio, essi vengono espulsi e sostituiti da elettroni di livelli successivi
  La trasmissione di elettroni dai livelli più esterni a quelli più interni genera emissione di specifiche lunghezze d’onda, a seconda del materiale bersaglio

Lo spettro prodotto ha una riga di emissione Kα molto intensa e un picco Kβ meno intenso. Kα è formato a sua volta da due picchi molto vicini per intensità, ed è quello usato per irraggiare la polvere

• Rame - migliore per la maggior parte dei materiali inorganici

• Cromo - risoluzioni molto alte per le distanze interplanari

• Ferro - utile in materiali ricchi di quest’elemento con fluorescenza legata ad esso

• Molibdeno - produce onde corte, adatte a celle di minor dimensione

Secondo la legge di Bragg, ogni λ di un fascio policromatico di radiazione diretto ad un singolo cristallo con orientazione e d interplanare nota, sarà diffratto per un determinato angolo θ

Come detto, la legge di Bragg può essere applicata nel caso di radiazioni monocromatiche, per ottenerle esistono vari mezzi: filtro β, detector proporzionale, detector allo stadio solido Si(Li) e monocromatore

DIFFRATTOMETRO: MONOCROMATORE

Si può usare un filtro kbeta

Utilizzano la legge di Bragg per rimuovere selettivamente le radiazioni al di fuori di un determinato range di energia e far passare solo quelle d’interesse
Si sceglie un cristallo con d tale da far passare soltanto Kα ed eliminare tutto il resto, il monocromatore più usato è il cristallo curvo di grafite pirolitica

DIFFRATTOMETRO: PATTERN DIFFRAZIONE

Caratteristiche :

• Background: Interferenza tra RX e aria, strumento etc. e può essere eliminato per eseguire l’interpretazione e la quantificazione.

• Picco: E’ la massima intensità di RX raccolti dal detector e indica la presenza di un piano cristallino (o famiglia di piani)

• Angolo theta: consente di calcolare la distanza interplanare secondo la legge di Bragg e quindi identificare il minerale.

• Intensità picco: E’ (in prima approssimazione) proporzionale della concentrazione di quel determinato minerale, sebbene influenzato da numerosi parametri.

• Broadening: E’ l’allargamento del picco e fornisce informazioni cristallografiche (dimensioni cristalliti, deformazione cristalliti)

DIFFRATTOMETRO: RISULTATI

• analisi qualitative: identificazione delle fasi, controllo qualità, polimorfismo, isomorfismo

• analisi quantitative: determinazione parametri del reticolo, composizione dei sistemi plurifasici, raffinamento strutturale

• analisi della forma del picco: dimensione dei cristalliti, grado di cristallinità, microstrain nel campione

• investigazioni in situ: trasformazione di fase al variare dei valori termodinamici (temp, press, umidità) Posso anche sapere quanto ho deformato il minerale in base a quanto si abbassa e si allarga il picco Tuttavia non basta l’analisi chimica per distinguere i minerali gli uni dagli altri

• Polimorfismi Stessi elementi chimici con diversa struttura cristallina, ad esempio calcite e aragonite, entrambi con formula CaCO₃

• Isomorfismi In questo caso si ha invece stessa struttura cristallina con una diversa formula chimica, questo perchè l’elemento presente può essere sostituito con un altro specifico elemento, in quanto sono entrambi compatibili con quella struttura

Al variare dell’angolo per alcuni valori di esso si ha diffrazione (i picchi rossi, rappresentano l’intensità della diffrazione ottenuta) e per altri valori no
La posizione dei picchi indica la distanza tra i piani atomici del minerale (perché conoscendo l’angolo con la legge di Bragg si può calcolare la distanza tra piani), l’intensità dei picchi indica quali atomi sono presenti e dove sul piano atomico (è proporzionale alla concentrazione di quel minerale

SEM - MICROSCOPIO ELETTRONICO a SCANSIONE

Sorgente:

• Emissione Termo-Elettronica: Filamento riscaldato genera elettroni

• Emissione di Campo: forte campo elettrico estae elettroni dalla punta del catodo

Fa uso di un fascio di elettroni in movimento sul campione, l’impatto del fascio di elettroni determina vari tipi di segnali:

• e- secondari (SE) (-energia) alta risoluzione, contrasto topografico

• e- retro-diffusi (BSE): utili per contrasti di composizione (elementi più pesanti riflettono di più).

• raggi X (EDS/EDX): permettono analisi chimica degli elementi presenti

Elettrone non può viaggiare nell’aria perché interagisce con le altre molecole, quindi serve creare il vuoto

VANTAGGI:

• Alta risoluzione

• Alti ingrandimenti

• Alta profondità di campo

SVANTAGGI:

• Campioni devo tollerare il vuoto

• Campioni Idratati devono essere disidratati

• Mat.Isolanti sono ricoperti da un materiale conduttore (oro)

• Superficie campione deve avere collegamento a terra

• Campioni troppo sottili vengono trapassati

ESEM: ENVIROMENTAL SCANNING ELECTRON MICROSCOPE

Principio di base

• Stesso fascio di elettroni del SEM

• Ma la camera non è in alto vuoto

• Viene introdotto un gas (di solito vapore acqueo) a pressione controllata

Condizioni operative

• Pressione variabile (fino a qualche decina di mbar)

• Presenza di gas tra campione e rivelatori

• Il gas:

  • neutralizza la carica elettrica

  • permette l’osservazione di campioni non conduttivi

Perché funziona senza metallizzazione?

• Gli elettroni ionizzano il gas

• Gli ioni positivi neutralizzano l’accumulo di carica sulla superficie del campione

A differenza del SEM:

• i campioni non devono tollerare il vuoto

• la superficie non necessita un collegamento a terra

• i campioni possono essere solidi, idrati, liquidi

• i campioni possono essere conduttori, semiconduttori o isolanti

• gli esperimenti possono essere … in situ

XRD - X-RAY DIFRACTION

alla base della diagnostica mineralogica ma anche di altri materiali

Diffrazione: è la dispersione di un'onda quando incontra un ostacolo o una fenditura, piegando il suo percorso all'interno dello stesso mezzo e creando onde sferiche che si propagano in più direzioni

Permette di identificare:

• La distanza tra i piani reticolari di un cristallo

• grado di cristallinità

• polimorfismo

• difetti

Il risultato dell'analisi Diffrattometrica è un grafico dello spettro di diffrazione che contiene la posizione angolare e l'intensità dei picchi relativi ai piani del reticolo cristallino

Tubo R-X genera i raggi x:
filamento di tungsteno riscaldato genera elettroni che colpiscono un materiale metallico che genera i raggi x

TEM - MICROSOPIA ELETTRONICA a TRASMISSIONE

La microscopia elettronica a trasmissione utilizza un fascio di elettroni accelerati che attraversa un campione molto sottile; l’interazione tra elettroni e materia genera un’immagine ad altissima risoluzione che consente di determinare aspetti strutturali del materiale fino alla scala atomica

risoluzione 0,1 nm

TECNICHE di ANALISI CHIMICA

Un campione di minerale preparato per l’analisi chimica idealmente è costituita da una sola fase

• FAA spettroscopia di assorbimento atomico in fiamma
  spettrometro misura assorbimento luce da parte della fiamma che brucia il campione polverizzato

• EMPA microsonda elettronica
  simile a XRF ma vengono usati elettroni (e non raggi x) come nella sem gli elettroni collidono ad alta velocità e penetrano

• SIMS spettrometria di massa a ioni secondaria
  fascio di ioni che collidono ed induce la fuga di atomi presenti vicino alla superficie a causa dell’impatto del fascio ionico
  consente di determinata i rapporti isotropici per determinazione dell'età

XRF - FLUORESCENZA a RAGGI X

Analisi chimica che permette di identificare e quantificare gli elementi presenti in un materiale

Fa uso di Raggi X per eccitare gli atomi
L'assorbimento di raggi x determina l’espulsione di elettroni da un livello energetico (che vengono rimpiazzati con quelli di un livello diverso)
Gli Atomi eccitati emettono energia sotto forma di raggi x secondari, ovvero la fluorescenza raggi x

Gli elementi emettono una specifica lunghezza d’onda, che poi viene confrontata con degli standard

il campione deve essere macinato finemente e poi pressato per formare un disco

DIFFERENZA FLUORESCENZA vs DIFFRAZIONE

due tecniche per studiare i campioni di minerali

• XRF
  .determina quali elementi chimici sono presenti in un campione e in quali quantità
  .Funzionamento:
  -Un fascio di raggi X eccita gli atomi nel campione.
  -Gli atomi emettono raggi X “fluorescenti” caratteristici di ogni elemento.
  -Il rivelatore misura energia e intensità di questi raggi X emessi per identificare e quantificare gli elementi
  .Ottieni: Composizione elementare

• XRD
  .analizza la struttura cristallina del materiale, quindi identifica i minerali specifici presenti
  .Funzionamento:
  -Un fascio di raggi X interagisce con i piani reticolari del cristallo.
  -A certe condizioni (legge di Bragg), si producono picchi di diffrazione.
  -La posizione e l’intensità di questi picchi indicano:
  . quali fasi cristalline esistono nel campione
  . la struttura reticolare e i parametri cristallografici
  .Ottieni:
  -Identificazione dei minerali
  -Informazioni sulla struttura cristallina e fasi