I minerali: caratteristiche e proprietà

I minerali sono  sostanze naturali solide, cristalline, inorganiche e di composizione definita, caratteristica che li distingue dalle rocce.

Queste ultime, infatti, sono dei miscugli più o meno eterogenei, di diversi minerali.  Anche se talvolta in mineralogia si studiano sostanze che non rientrano in questa definizione, essa risulta utile perché menziona le caratteristiche salienti dei minerali. I solidi cristallini sono formati da un aggregato tridimensionale di ioni, atomi o molecole disposti nello spazio così da costituire un reticolo tridimensionale o cristallino.

La disposizione regolare delle particelle nelle tre dimensioni dello spazio determina una forma geometrica caratteristica, il reticolo o habitus, tipico di ogni specie mineralogica. Poiché i minerali hanno composizione definita, ad essi corrisponde una formula specifica. Frequentemente, tuttavia, i minerali inglobano nel proprio reticolo cristallino piccole quantità di elementi estranei.

A causa del fenomeno del polimorfismo (sostanze con identica composizione chimica possono cristallizzare secondo strutture diverse, generando minerali diversi), né la formula, né la nomenclatura chimica possono identificare univocamente un minerale. Per esempio, né la formula FeS₂, né il nome disolfuro di ferro permettono di distinguere la pirite cubica dalla marcassite rombica.

In una sostanza anisotropa le proprietà fisiche dipendono dalla direzione in cui si analizza la sostanza stessa. Di fatto tutti i cristalli risultano anisotropi per almeno una proprietà. Al contrario i corpi amorfi risultano isotropi. L'isotropia è la proprietà di indipendenza di una determinata grandezza fisica dalla direzione dello spazio lungo la quale essa è misurata, all'interno del mezzo considerato. In una sostanza isotropa  le proprietà fisiche non dipendono dalla direzione in cui si analizza la sostanza stessa. Un materiale è isotropo se le sue caratteristiche fisiche o il suo comportamento meccanico sono gli stessi  in tutte le direzioni dello spazio.

Nomi

In mineralogia, l'origine dei nomi è alquanto varia; ecco, ad esempio, l'origine di alcuni nomi di minerali:

azzurrite : per il colore azzurro

tetraedrite: per la forma tetraedrica dei cristalli

vesuvianite : perché trovata per la prima volta sul Vesuvio

berillio: perché è un composto dell'elemento berillio Be₃Al₂Si₆O₁₈

blenda: da un vocabolo tedesco che significa “ingannatrice” perché sovente simile alla galena

haüinite: in omaggio al mineralogista Haüy

Nemmeno per distinguere tra loro le modificazioni polimorfe esiste un criterio fisso.

In qualche caso si specifica il sistema cristallino: per esempio si dice “zolfo rombico” e “zolfo monoclino”. Altre volte si indica con “alfa” la forma stabile a una data temperatura, e con altre lettere greche le forme stabili a temperature più alte: per esempio,”quarzo alfa” e “quarzo beta”. Più spesso i nomi non seguono un criterio comune; per esempio le tre modificazioni polimorfe del biossido di titanio sono denominate rutilo, brookite e anatasio. Il nome rutilo deriva dal latino rutilus, rossiccio, la brookite ha preso il nome dal cristallografo Brooke, mentre anatasio deriva da un vocabolo greco che significa “allungato”.

Usi

Spesso, le proprietà possedute dai singoli minerali ne determinano l'impiego nei settori più vari dell'attività umana. Per esempio, il cinabro è molto usato nella pittura per il suo colore rosso vivo; il corindone viene usato come abrasivo per la sua durezza; il talco trova impiego nell'igiene della pelle perché si lascia ridurre facilmente in polvere finissima; lo smeraldo è usato in gioielleria; il gesso nell'edilizia ecc. caratteristica tipica dei cristalli è l'anisotropia che indica la dipendenza di una determinata grandezza fisica dalla direzione dello spazio lungo la quale essa è misurata, all'interno del mezzo considerato.

Proprietà meccaniche

La durezza indica la resistenza di un minerale alla scalfitura e per tale determinazione si usa la scala di Mohs. Riguardo alla durezza tutti i minerali sono anisotropi, anche se di solito, le differenze riscontrabili tra le varie direzioni sono piccole. Un caso eccezionale è rappresentato dalla cianite che forma cristalli allungati di colore azzurro: essa presenta durezza 5 nel senso della lunghezza del cristallo, mentre presenta durezza 7 nel senso trasversale. Per questa sua particolarità, la cianite è denominata anche distene ( doppia durezza).

La sfaldatura è la caratteristica che hanno molti minerali di rompersi formando pezzi con superfici regolari. Rispetto alla sfaldatura, tutti i minerali sono anisotropi, cioè si dividono lungo superfici preferenziali. La sfaldatura avviene infatti più facilmente tra gli strati di particelle che sono legati tra loro più debolmente. Ad esempio, per la grafite, si può prevedere una facile separazione tra strati orizzontali tra i quali esistono deboli forze di van der Waals, ma una difficile sfaldatura verticale che richiede la rottura di legami covalenti.

Proprietà termiche

Ciascun minerale ha un punto di fusione, il cui valore assume particolare importanza perché è indice della capacità del solido di resistere al riscaldamento. Conoscere  la fusibilità dei minerali è utile per determinati usi, ad esempio quando occorre che un minerale fonda facilmente, oppure, al contrario, che resiste a temperature molto alte. I minerali vengono suddivisi in sette classi di fusibilità, secondo una scala, proposta da Kobell, che prende come riferimento sette minerali a punto di fusione crescente:

In seguito a riscaldamento i minerali si dilatano. La dilatazione termica indica l'aumento di volume in relazione all'aumento di temperatura.

Proprietà elettriche

I minerali metallici, contenenti ad esempio rame, oro, argento, hanno elevata conducibilità elettrica. Un interessante fenomeno di trasformazione di energia meccanica in energia elettrica è la piezoelettricità: se si esercita una pressione, lungo una opportuna direzione, su un cristallo di quarzo o di tormalina, si produce una separazione di cariche elettriche, positive da una parte e negative dall'altra.

Questo fenomeno è sfruttato, ad esempio, negli accendini piezoelettrici, dove la pressione è esercitata da un martelletto, e il risultato è una scintilla. Esiste anche il fenomeno inverso: l'applicazione di una tensione elettrica produce deformazioni meccaniche nel cristallo. Questo fenomeno è alla base del funzionamento degli orologi al quarzo.

Proprietà ottiche

Il colore dei minerali dipende da diversi fattori. Alcuni minerali si presentano sempre dello stesso colore. Per esempio lo zolfo è giallo, la malachite è verde, la magnetite è nera. In molti casi, invece, il colore è dovuto alla presenza di sostanze estranee, che possono essere diverse secondo le circostanze di formazione dei cristalli.

Per esempio, il corindone, Al₂O₃ allo stato puro è incolore, ma impurezze di metalli gli conferiscono colorazioni diverse. Per il riconoscimento dei minerali, è più significativo il colore della polvere, che si può osservare sfregando il minerale su porcellana ruvida. Tre comuni minerali del ferro, ematite, magnetite e goethite, si possono presentare come cristalli neri: il colore della polvere permette di distinguerli, poiché in questo stato l'ematite è rosso-bruna, la magnetite è nera e la goethite è giallo-bruna.

L'indice di rifrazione di un minerale è una proprietà che dipende dalla deviazione che un raggio di luce subisce nel passaggio dall'aria a un minerale. La deviazione è dovuta al fatto che la velocità della luce diminuisce quando passa dall'aria al solido come si può vedere in figura:

La determinazione dell'indice di rifrazione viene condotta su minerali non opachi. Alcuni tipi di cristalli presentano un unico indice di rifrazione, in quanto la velocità con la quale vengono attraversati da un raggio di luce non dipende dalla direzione e pertanto sono cristalli isotropi. Altri tipi di cristalli che esibiscono anisotropia danno il fenomeno della birifrangenza

Un raggio di luce, penetrando in un cristallo, si sdoppia in un raggio detto ordinario e in un raggio straordinario.

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