Minerali

Minerali

Il mondo dell’ordine cristallino

Le qualità esterne dei minerali, peso, forma, colore, trasparenza, durezza, hanno interessato l’uomo fin dalla preistoria. I progressi della scienza hanno consentito alla mineralogia di scoprire che queste caratteristiche sono determinate dalla struttura regolare in cui gli atomi sono disposti nei reticoli cristallini. I minerali possono essere costituiti da uno o più elementi. Nell’ordine del proprio reticolo, ogni minerale porta con sé la storia della sua formazione: il processo di cristallizzazione infatti avviene con modalità che dipendono dalla temperatura, dalla pressione e dalla concentrazione degli elementi chimici

Miliardi di atomi organizzati

Di un cristallo apprezziamo il colore, la lucentezza e la forma geometrica regolare. Ma la forma poliedrica di un cristallo è soltanto la manifestazione macroscopica di una struttura tridimensionale regolare e ordinata infinitamente più piccola, quella tipica del minerale caratterizzato da una certa composizione chimica. Nei minerali, sostanze solide naturali, gli atomi occupano posizioni fisse in un ideale reticolo. Le specie atomiche di cui è composto un minerale e le posizioni reciproche occupate dagli atomi costituiscono una cella elementare di dimensioni pari a frazioni di miliardesimo di metro; nel minerale gli atomi si susseguono ripetendo miliardi di volte questa unità fondamentale. Se durante il processo di formazione un minerale trova le condizioni per accrescersi senza ostacoli, si sviluppa un cristallo con le sue apprezzate simmetrie.

I minerali possono essere originati da un solo elemento chimico, come per esempio l’oro e l’argento, o più frequentemente da più elementi. Le forze di legame tra gli elementi variano secondo le caratteristiche chimiche dei componenti e la composizione del minerale. A volte, una stessa composizione chimica corrisponde a minerali differenti che possono manifestarsi con cristalli anche molto difformi (polimorfismo). È il caso, per esempio, del diamante e della grafite. Entrambi questi minerali sono formati esclusivamente da atomi di carbonio, i quali però assumono nelle due forme disposizioni reciproche diverse. Nel diamante infatti ogni atomo di carbonio forma quattro legami equivalenti con altrettanti atomi di carbonio a formare una struttura tetraedrica, dando luogo a una configurazione particolarmente stabile, da cui derivano le eccezionali proprietà di questo minerale (pietre preziose). Nella grafite, invece, gli atomi di carbonio si organizzano in sottilissimi piani stratificati di spessore atomico; mentre nel singolo piano si mantengono legami forti tra gli atomi, anche se un po’ diversi da quelli del diamante, tra piano e piano agiscono forze più deboli, di natura elettrostatica, che determinano la caratteristica sfaldatura planare della grafite.

La lunga storia della mineralogia

Il rapporto dell’uomo con i minerali si perde nella notte dei tempi e i criteri per classificarli erano spesso legati a credenze magiche e rituali; nella valle dell’Indo sono stati ritrovati lapislazzuli lavorati risalenti a circa 9.000 anni fa. Fino all’Ottocento le classificazioni dei minerali prendevano in considerazione le loro caratteristiche esterne: per esempio, il grande mineralogista tedesco Georg Agricola (nome latinizzato di Bauer) nel Cinquecento tra le altre qualità considerava peso, durezza e sfaldatura.

I progressi della scienza e della tecnologia consentono oggi di studiare i minerali con grande dettaglio. Nel Settecento, René-Just Hauy aveva stabilito leggi geometriche per distinguere sistemi cristallini, migliorando i tentavi analoghi di Niccolò Stenone e Giovanni Keplero risalenti al Seicento. Studi matematici in cristallografia della fine dell’Ottocento anticipano le scoperte che verranno fatte un secolo dopo grazie allo sviluppo delle metodiche sperimentali. Così nel Novecento la struttura dei reticoli cristallini è investigata fino al livello del singolo atomo costituente. Raggi X, elettroni, neutroni, radiazioni prodotte nei dispositivi sperimentali che accelerano gli elettroni (radiazioni di sincrotrone) sono utilizzati per sondare i campioni. Queste sofisticate analisi hanno permesso di confermare che gli atomi hanno soltanto 230 modi diversi (gruppi spaziali) per ordinarsi nello spazio generando altrettante simmetrie.

Elementi per la classificazione

In natura si conoscono oltre 3.500 minerali diversi, che sono ordinati in classi definite in base al gruppo atomico caratteristico del reticolo cristallino. Nel caso degli elementi nativi (per esempio il rame e i già citati oro, argento e diamante) si tratta della singola specie atomica; nelle classi dei solfuri, degli ossidi e degli alogenuri il gruppo caratteristico è un atomo con carica negativa (anione); oppure nei carbonati (calcare), nei solfati, nei nitrati e nei silicati (silicio) è un complesso di atomi coordinati. Tutte queste classi ospitano minerali di notevole interesse economico (materie prime).

Il gruppo più importante dal punto di vista dell’abbondanza sulla superficie terrestre è però quello dei silicati, che costituiscono circa l’80% dei minerali affioranti. La straordinaria varietà di questi minerali è determinata dalla versatilità del loro elemento strutturale fondamentale, il gruppo silicatico, un anione formato da un atomo di silicio legato a quattro atomi di ossigeno in una configurazione tetraedrica. Questa unità elementare è dotata di una grande capacità di assemblaggio, nel senso che si adatta a essere compattata e a formare complesse e varie strutture tridimensionali. Ai suoi vertici, infatti, gli atomi di ossigeno possono legarsi sia ad altri atomi di silicio, realizzando catene, piani o gemmazioni di gruppi tetraedrici, sia ad altre specie atomiche (cationi sodio, potassio, magnesio, calcio, ferro, e simili).

La formazione di minerali

Il processo di formazione di un minerale (minerogenesi) è legato al passaggio da una fase disordinata, in cui gli atomi non sono vincolati in una struttura, a una fase ordinata (cristallizzazione). La cristallizzazione avviene attraverso una serie di reazioni chimico-fisiche controllate dalla pressione e dalla temperatura, il cui risultato è l’organizzazione del reticolo atomico. Ogni minerale è pertanto frutto delle specifiche condizioni dell’ambiente in cui si forma, compresa la concentrazione degli elementi chimici.

La cristallizzazione da un magma o da una lava, attraverso cui si formano i minerali delle rocce ignee, è uno dei processi di minerogenesi principali. Durante il raffreddamento del materiale fuso, si separano progressivamente i diversi minerali, secondo le condizioni di temperatura e pressione. La composizione del fuso magmatico cambia per la perdita selettiva delle specie chimiche che formano i minerali: ciò condiziona la tipologia dei minerali che si formano successivamente. L’ordine di segregazione, detto cristallizzazione frazionata (rocce), segue regole precise e corrisponde al passaggio da configurazioni cristalline di alta temperatura a configurazioni stabili a temperatura più bassa.

Altri importanti processi di formazione dei minerali sono: la precipitazione da soluzioni acquose calde e il passaggio diretto da vapore a solido tipico degli ambienti di fuoriuscita delle esalazioni vulcaniche, detto sublimazione vulcanica; l’evaporazione delle acque, principalmente quelle dei mari, con la conseguente cristallizzazione del contenuto salino; l’azione degli organismi viventi che conduce alla costruzione di gusci e scheletri minerali; le trasformazioni chimico-fisiche di minerali già esistenti che avvengono nella crosta terrestre (metamorfismo) o in superficie a causa degli agenti meteorici.

Le strutture dei silicati

Studiare le strutture dei silicati, il più numeroso gruppo di minerali, è un po’ come giocare con le costruzioni. L’elemento cristallino comune di questo gruppo è il singolo tetraedro, con al centro un catione di silicio e gli anioni di ossigeno collocati ai vertici: è la forma minima elementare con cui si costruiscono i reticoli delle specie di silicati note. Infatti il tetraedro è la più semplice delle forme geometriche solide (è formato da 4 facce costituite da altrettanti triangoli equilateri).

Nei nesosilicati, di cui il più celebre minerale è l’olivina, i tetraedri rimangono isolati. Negli inosilicati si realizzano lunghissime catene tetraedriche, singole (pirosseni) o doppie (anfiboli). Nei fillosicati, specie alla quale appartengono i minerali delle miche, i tetraedri si ripetono lungo piani indefiniti e ogni tetraedro condivide tre dei suoi quattro atomi di ossigeno con tetraedri adiacenti e complanari. Nei tectosilicati infine, tra cui ricadono per esempio il quarzo e i feldspati, le unità tetraedriche si legano attraverso gli atomi di ossigeno al vertice e la gabbia silicatica ha uno sviluppo tridimensionale.