minerale

Ogni sostanza organica o inorganica, solida o fluida, chimicamente e fisicamente omogenea, con una composizione chimica ben individuabile, facente parte della litosfera terrestre, ma anche degli altri corpi solidi planetari.

Caratteri generali

In origine non si facevano rientrare tra i m. i composti organici; successivamente, pur essendo i m. nella grandissima maggioranza inorganici, si devono comprendere tra essi sia certi composti organici definiti (per es., la fichtelite, la mellite ecc.) sia certi composti inorganici (calcite, silice, zolfo, dolomite ecc.) formatisi in seguito a determinati processi biologici.

La genesi dei m., che sono per la massima parte sostanze allo stato solido, amorfe o cristalline (fa eccezione il mercurio metallico il quale non si trova in natura allo stato solido), è legata principalmente a processi di consolidazione di masse fuse, deposizione da soluzioni acquose, sublimazione, trasformazione da una fase solida in un’altra della stessa composizione o di composizione diversa. I m. che prendono origine a opera dei primi tre processi si definiscono primari, mentre quelli la cui genesi è in relazione all’ultimo processo vengono indicati come secondari.

Un m. può essere riconosciuto in maniera definitiva sia al microscopio, attraverso la determinazione delle caratteristiche ottiche, sia analizzando lo spettro delle polveri ai raggi X. Tuttavia anche un’analisi visiva può dare dei buoni risultati se si prendono in considerazione alcune caratteristiche principali dei m., come per es. l’abito cristallino, il colore, il riflesso, la fratturazione, la sfaldatura, la durezza e il colore della polvere; a questi può aggiungersi anche un altro carattere, come l’eventuale ferromagnetismo, che è facilmente rilevabile mediante un piccolo magnete.

I m. potrebbero essere classificati utilizzando diversi criteri: quello chimico, quello giaciturale, quello riguardante la distribuzione geografica, oppure il contenuto di elementi di interesse economico; tuttavia è comunemente accettata la classificazione di H. Strunz la quale, tenendo conto sia del criterio chimico sia di quello strutturale, riunisce nella stessa classe i m. aventi lo stesso anione e quindi anche una struttura simile. Alcuni autori hanno lievemente modificato questa classificazione portando a singola classe i borati (da Strunz riuniti insieme ai carbonati e ai nitrati) i quali presentano delle caratteristiche cristallochimiche particolari. Le classi così proposte sono le seguenti: a) elementi e leghe, carburi, nitruri e fosfuri; b) solfuri, seleniuri, arseniuri, tellururi e solfosali; c) alogenuri e alogenosali; d) ossidi e idrossidi; e) carbonati, nitrati, arseniti, seleniti, telluriti e iodati; f) borati; g) solfati, tellurati, cromati, molibdati e wolframati; h) fosfati, arseniati e vanadati; i) silicati; l) composti organici. L’uso di questa classificazione non può prescindere dall’individuazione di quella che è considerata l’unità base della classificazione stessa: la specie mineralogica, cioè quel m. che ha le stesse proprietà, la stessa composizione chimica e la stessa struttura cristallina.

Minerogenesi

I processi di formazione dei m. costituiscono la minerogenesi. In base a osservazioni sui prodotti naturali, allo studio degli equilibri chimici e grazie anche a ricerche chimico-fisiche, è stato stabilito che i m. possono originarsi: a) per consolidazione dei magmi (m. di origine magmatica: silicati vari, ossidi di ferro, silicotitanati, uranati, apatite, cassiterite, tormalina, berillo, spodumene, wolframite); b) per evaporazione o per fissazione a opera di organismi animali e vegetali da soluzioni acquose (m. di origine sedimentaria: salgemma, silvite, epsomite o sale amaro, allumi, calcite, gesso, opale ecc.); c) per sublimazione o per reazione in fase gassosa (prodotti delle fumarole: realgar, solfoselenio, clorammonio, zolfo, sassolite, ematite ecc.); d) per trasformazione, ricristallizzazione o sostituzione di m. preesistenti che, per fenomeni di metamorfismo regionale o di contatto, vengono a essere trasferiti in ambienti chimico-fisici diversi da quello in cui si sono formati (m. metamorfici: epidoti, granati, cloriti, serpentino, talco, miche ecc.); e) per alterazione di m. preesistenti nella parte superiore della crosta terrestre, per azione degli agenti atmosferici (m. di alterazione: limonite, cerussite, smithsonite, m. dei depositi lateritici e bauxitici, m. delle argille ecc.). Uno stesso m. può avere genesi diverse, però di esse una sola è generalmente tipica ed è quella che viene di solito usata nella classificazione genetica. Dalle condizioni genetiche dei m. dipendono poi i vari tipi di associazioni (➔ paragenesi) e di giacimenti.

La mineralogia

La mineralogia è la scienza che studia i m. dal punto di vista delle loro proprietà mor;fologiche, fisiche, chimiche e strutturali, nonché della loro genesi e delle trasformazioni che subiscono per processi naturali.

La moderna mineralogia ha avuto inizio nel 18° sec. quando A.G. Werner fondò i suoi studi su basi chimiche. In seguito mentre vari studiosi seguirono decisamente l’indirizzo chimico, arrivando alla scoperta dell’isomorfismo e all’esatta conoscenza della composizione di molte specie m. altri ricorsero alla geometria e alla fisica per indagare sulle proprietà morfologiche e fisiche dei minerali. J.-B.-L. Romé de l’Isle e l’abate R.-J. Haüy enunciarono le leggi fondamentali della cristallografia, A. Bravais propose la teoria della struttura reticolare dei cristalli e, con la scoperta del microscopio, A.-L.-O.-L. des Cloizeaux determinò i caratteri ottici della maggior parte dei minerali.

Nella seconda metà del 19° sec. e all’inizio del 20° si perfezionarono i mezzi di indagine e se ne introdussero di nuovi, quali, per es., il tavolino universale di E.S. Fédorov. A partire dal 1912, le classiche esperienze di M. Laue sulla diffrazione dei raggi X operata dai reticoli dei cristalli hanno condotto le ricerche nel campo delle strutture, e contemporaneamente si sono sviluppati gli studi sulla genesi dei m. e sui giacimenti minerari. Progressi notevoli sono stati raggiunti nella conoscenza delle composizioni chimiche dei m. con l’introduzione dei metodi strumentali di analisi chimica come l’adozione della spettrofotometria di fiamma e di assorbimento atomico, l’analisi per emissione di raggi X, le microsonde elettroniche e fluorescenza da raggi X. Sistemi automatici di diffrattometria e l’elaborazione elettronica dei dati hanno contribuito alla conoscenza delle strutture cristalline. La spettroscopia Mössbauer ha consentito la determinazione dello stato di ossidazione, della configurazione elettronica e della simmetria di coordinazione di elementi quali ferro e stagno nei loro minerali. La migliore acquisizione delle transizioni elettroniche entro gli orbitali incompleti degli ioni o collegate a imperfezioni delle strutture cristalline hanno infine consentito di dare una più corretta interpretazione del colore dei minerali.

In Italia, dopo gli studi di A. Scacchi e Q. Sella, la prima scuola mineralogica moderna è stata fondata a Roma da G. Strüver (1847-1915); a questa sono seguite quelle con indirizzo prevalentemente cristallografico di R. Panebianco a Padova e di G. D’Achiardi a Pisa, e quella a indirizzo chimico di G. Spezia a Torino.

Mineralogia sperimentale

La maggior parte dei materiali cristallini naturali e sintetici è interessata da processi di trasformazione di fase. M., metalli, polimeri, materiali ceramici, alcuni composti organici e inorganici possono modificare la loro struttura cristallochimica in seguito a variazioni di pressione e temperatura. La definizione dei campi di pressione e temperatura, all’interno dei quali si formano e sono stabili i m. naturali e sintetici, e l’analisi dei processi di trasformazione strutturale che avvengono al variare di questi parametri sono materia di studio in particolare della mineralogia sperimentale, le cui finalità sono molteplici e interessano settori sia della ricerca pura (geomineralogica, chimico-fisica, cristallografica) sia di quella applicata (giacimentologia, sintesi di m. tecnologicamente ed economicamente importanti ecc.).

L’esigenza di conoscere le proprietà e le condizioni fisiche dei m. all’interno della Terra e sulla superficie terrestre ha dato il via a una lunga serie di indagini sui processi di trasformazione dei minerali. Inizialmente le ricerche si sono concentrate sulla riproduzione artificiale di m. naturali (minerosintesi), attraverso la ricostruzione in laboratorio dei processi genetici che avvengono in natura. Oltre che dalla pressione e dalla temperatura, questi processi sono influenzati da un gran numero di fattori chimico-fisici, quali, per es., la natura e la composizione delle fasi del sistema e delle rocce incassanti. La notevole complessità di questi sistemi naturali rende particolarmente complicate la loro realizzazione in laboratorio e l’interpretazione dei relativi dati sperimentali. Si procede, quindi, eseguendo differenti serie di sintesi sperimentali, mantenendo costante di volta in volta parte dei parametri che possono influenzare le condizioni d’equilibrio.

Le principali tecniche tradizionali di minerosintesi sono: cristallizzazione da soluzioni acquose o da altri solventi; cristallizzazione da masse fuse a pressione ordinaria; sintesi idrotermale, per reazione di gas su solidi, per condensazione diretta da vapori; tecniche di raffreddamento rapido (quenching). I numerosissimi esperimenti di laboratorio realizzati hanno consentito la creazione di banche dati, grazie alle quali è possibile conoscere le relazioni che intercorrono tra le varie fasi mineralogiche alle diverse condizioni di pressione e temperatura. Le ricerche si sono concentrate sul tentativo di passare da una conoscenza qualitativa dei fenomeni a una loro descrizione e previsione quantitativa. Notevole sviluppo ha avuto lo studio delle transizioni strutturali che si realizzano a elevate pressioni. Queste ricerche richiedono l’esecuzione di misure dirette, causa l’impossibilità di ottenere dati significativi mediante tecniche di raffreddamento rapido.

Apparati tradizionali come il piston-cylinder consentono lo studio delle transizioni di fase a livello macroscopico, ma non permettono un’appropriata caratterizzazione microscopica del processo. La mineralogia sperimentale si è anche avvalsa di tecnologie sofisticate, mediante le quali si eseguono misure analitiche dirette ad alta pressione. In questo modo è possibile seguire i processi di trasformazione direttamente, raccogliendo dati sperimentali durante le diverse fasi della loro evoluzione. In particolare, la cella a incudine di diamante per analisi basate sulla diffrazione dei raggi X e per altre tecniche di analisi e altri tipi di celle per analisi basate sulla diffrazione di neutroni hanno consentito di determinare sia la struttura sia l’evoluzione dei parametri della cella elementare di fasi coinvolte in transizioni ad alta pressione. Con le celle a pressione impiegate nella diffrazione di neutroni è possibile raggiungere pressioni di 25 GPa.

Inoltre, i notevoli progressi compiuti per quanto riguarda la precisione e l’accuratezza delle tecniche di diffrazione dei raggi X ad alta pressione consentono di eseguire l’analisi di routine su cristallo singolo a pressioni di 10 GPa, che possono essere estese, con particolari accorgimenti, fino a 100 GPa, mentre analisi in diffrazione X su polveri, utilizzando come sorgente radiazioni da sincrotrone, possono essere realizzate a pressioni superiori ai 100 GPa a temperatura ambiente, permettendo così, per es., di caratterizzare la transizione di fase della silice in stishovite intorno ai 50 GPa.