Minerali

La parola minerale ha origini medievali ed è un derivato della francese minière, cioè miniera. Tutti noi ne conosciamo almeno qualcuno, anche solo per sentito dire: diamanti, rubini, smeraldi e topazi, e ancora quarzo, gesso e pirite… ce ne sono a migliaia!

Da un punto di vista scientifico i minerali possono invece essere descritti come “solidi naturali caratterizzati da elevato ordinamento a scala atomica. La loro composizione è definita ma non fissa e si formano generalmente da processi inorganici”.

Eh??

Non preoccupatevi se questa definizione vi sembra oscura e incomprensibile, ora la analizzeremo, punto per punto.

Cosa sono i minerali?

Partiamo con calma e cerchiamo di snocciolare questa definizione così complessa.

I minerali sono solidi naturali” vuol dire semplicemente che sono materiali allo stato solido (niente liquidi e gas) che si sono formati in natura, senza l’intervento dell’uomo. Fin qui, nulla di complesso, proseguiamo.

“Caratterizzati da elevato ordinamento a scala atomica”. Qui iniziamo a divertirci.

Gli atomi in un minerale, così come in molti altri solidi, sono ordinati in modo preciso, seguendo uno schema ben definito. Immaginate ad esempio una scatola di cartone dove ogni spigolo corrisponde ad un atomo. Se immaginiamo di impilare tante scatole otterremo una struttura fatta di spigoli, cioè di “atomi”, che si ripetono in modo ordinato nello spazio.

Se fossimo annoiati e iniziassimo a prendere a calci le scatole, distruggeremmo la struttura ordinata; in quel caso gli atomi non sarebbero più organizzati e non potremmo più parlare di minerali.

La loro composizione è definita ma non fissa”. Questo si riferisce alla composizione chimica dal momento che, in linea di massima, ogni minerale può essere descritto da una precisa formula chimica, quindi una formula “definita”. La natura non segue però schemi così rigidi e spesso i minerali hanno una composizione che oscilla tra due estremi. Facendo un paragone con i colori, alcuni minerali sono come il nero, altri come il bianco e nel mezzo ci sono una serie di grigi, cioè un mix variabile tra bianco e nero. Lo stesso accade nei minerali dove, in alcuni casi, si hanno due estremi composizionali e un intervallo di valori intermedi nel mezzo.

“Si formano generalmente da processi inorganici”. Un processo si definisce inorganico se non coinvolge forme di vita, detto in maniera semplice. Questo vuol dire che quasi i tutti i minerali si sviluppano senza interventi di organismi, fatta eccezione per alcuni minerali (es. alcune tipologie di calcare).
Definizione finita, se hai letto fin qui…congratulazioni!
Prima di proseguire è necessario fare fin da subito una precisazione: rocce e minerali sono due cose diverse! I minerali sono ciò che abbiamo appena descritto mentre le rocce sono insiemi di minerali. Esempio: il quarzo è un minerale; il granito è una roccia perché, oltre al quarzo, contiene altri minerali come biotite e feldspati.

Proprietà dei minerali

Il mondo dei minerali è estremamente vasto e complicato, tanto da poter elencare una quantità enorme di proprietà e caratteristiche. Per semplicità, di seguito verranno raccontate solo quelle più utili ad un primo approccio al mondo mineralogico.

Abito cristallino

Partiamo dal concetto base: la forma. Questo tratto, che è corretto chiamare “abito cristallino”, aiuta nella distinzione tra un minerale e l’altro, ma fare un elenco esaustivo di tutte le possibili forme sarebbe lungo e complicato, quindi possiamo riassumere il tutto in 3 semplici categorie:

  • Minerali euedrali: hanno facce cristalline ben delimitate, perciò quando si sono formati non avevano altri cristalli accanto che ne impedissero il corretto sviluppo;
  • Minerali subedrali: hanno in parte facce cristalline e in parte superfici di contatto con i minerali adiacenti. Diciamo che sono arrivati quando i minerali euedrali erano già cresciuti;
  • Minerali anedrali: non hanno facce cristalline ben definite e presentano solo superfici di contatto irregolari. Sono arrivati per ultimi, lo spazio era poco e si sono formati dove hanno potuto, incastrandosi nei buchi qua e là come pezzi del Tetris.

Quando i minerali sono euedrali, quindi ben definiti, possono essere suddivisi in sottocategorie: prismatici, romboedrici, cubici, ottaedrici e pinacoidali. In pratica, a seconda della forma geometrica che prendono gli viene assegnato un nome piuttosto che un altro. Basta guardare i “cristalli di pirite” per capire immediatamente come mai siano stati inseriti tra i minerali cubici!

Pirite
in foto: Cristalli cubici di pirite. Il fatto che siano “incastrati” gli uni dentro agli altri è frutto di un fenomeno di crescita detto geminazione.

Teniamo a mente che i cristalli euedrali, ovvero i classici cristalli da museo, sono una rarità e nella maggior parte dei casi ci troviamo di fronte ad aggregati di piccoli cristalli da subedrali ad anedrali. La natura di questi campioni può essere più o meno compatta, sfaldabile (cioè che si divide in “fogli”), piuttosto che fibrosa (come l’amianto) o colloforme (come le stalattiti nelle grotte). Insomma, la varietà di forme minerali è quasi infinita e per descrivere ogni singola combinazione non basterebbe un’intera enciclopedia.

Lucentezza e colore

Se puntiamo una luce su un minerale possiamo aspettarci due tipologie di comportamento: metallico e non metallico. Come suggerisce il nome, un comportamento metallico riflette la luce come farebbero ad esempio rame o argento, mentre un comportamento non metallico prevede, almeno in parte, l’attraversamento della luce da parte del minerale.

Sebbene tra i due non ci sia una differenza sempre così netta (si vedano i minerali con una lucentezza definita sub-metallica), possiamo dire che il mondo dei non-metalli sia estremamente più variegato rispetto alla sua controparte. In questa categoria rientrano infatti effetti di lucentezza come il vitreo (simile al vetro), il perlato, il resinoso (come l’ambra), il serico (simile alla seta in alcuni minerali fibrosi) o l’adamantino (la classica brillantezza del diamante).

Diamanti
in foto: Lucentezza adamantina, tipica del diamante.

Anche il colore dei minerali è un aspetto che, contrariamente a quanto si pensa, non è costante. Sono pochi i minerali che si trovano sempre dello stesso colore, tanto che nella maggior parte dei casi il colore è uno dei metodi meno attendibili per riconoscere un cristallo, nonché un’ottima fonte di guadagno per i truffatori che vendono zirconi da quattro soldi spacciandoli per diamanti!

L’aspetto del colore è in realtà molto complesso ma, per semplicità, possiamo dire che molte volte la sua variazione è legata ad alcune impurità al suo interno. Se, ad esempio, il quarzo (costituito solo da silice SiO2) è normalmente bianco/grigiastro ed è di basso valore, piccolissime quantità di ferro al suo interno (per essere precisi, di Fe3+) possono conferire alla pietra un colore giallo limone che la rende perfetta per essere trasformata in gemma (il cosiddetto quarzo citrino).

Durezza

La durezza viene definita come la resistenza che una superficie liscia offre all’abrasione. In sostanza, se “gratto” la superficie di un minerale, si graffia? Se la risposta è sì, vuol dire che l’oggetto che gratta è più duro del minerale; se la risposta è no, allora il nostro minerale ha una durezza più elevata.

Per classificare i minerali viene spesso usata la cosiddetta Scala di Mohs. Qui compaiono 10 livelli di durezza, ciascuno rappresentato da un minerale-esempio che ci permette di capire quanto sia effettivamente duro l’oggetto che stiamo considerando. Ad esempio, il primo livello è il talco che si può graffiare con un'unghia, l’ultimo livello è il diamante che si può graffiare….beh, solo con un altro diamante!

Scala Mohs
in foto: Scala di Mohs (credit: USGS).

Il diamante è indistruttibile!
Questa frase è diventata quasi uno stereotipo del minerale, pur non avendo vere basi scientifiche. Il diamante infatti è sì il minerale più duro, ma non quello più tenace. In pratica, non si riuscirà mai a graffiarlo con nessun altro materiale, ma se lo colpisco in certi punti eccome se si rompe!

Peso specifico

Il peso specifico (indicato con la lettera “G”) è una proprietà che viene spesso scambiata per la densità. Nonostante le due cose siano strettamente collegate, è più corretto parlare di peso specifico in quanto questo valore è adimensionale, cioè senza unità di misura.

Questa proprietà non è nient’altro che un confronto tra il peso della sostanza in analisi e il peso di un volume d’acqua delle stesse dimensioni. Quindi se un minerale ha peso specifico 6, vuol dire che pesa sei volte in più dello stesso volume riempito d’acqua.

Questa proprietà è influenzata principalmente dalla tipologia di atomi che costituiscono il minerale e dalla modalità in cui sono impacchettati.

Sfaldatura

La sfaldatura è la tendenza dei minerali a rompersi lungo a determinati piani di atomi. Per darvi un’idea più precisa, immaginate una pila di fogli di carta, dove ogni foglio è uno “strato” di minerale e, se applico una forza, posso separare i singoli strati lungo il piano del foglio. Un comportamento di questo tipo è osservabile in alcuni minerali come muscovite e biotite che formano delle lamelle perfettamente parallele le une alle altre, proprio come dei piccoli libri di cristallo!

Altri minerali, come berillo o apatite, possono avere sfaldature meno marcate o altri ancora, come il quarzo, possono non averla affatto.

Muscovite
in foto: Campione di muscovite. Si osserva una splendida sfaldatura basale.

Classificazione e tipi di minerali

Ora che abbiamo capito cosa sono e che proprietà hanno, non ci resta che capire come vengono classificati. Fin dalla metà del 1800 il metodo scelto per la classificazione dei minerali è quello della chimica, in particolare ci si basa sulla tipologia di anione (cioè uno ione con carica negativa) o gruppo anionico dominante. Detto in maniera “pop”, i minerali vengono suddivisi in base ad alcuni gruppi di elementi che sono particolarmente diffusi e comuni.

Secondo questo metodo di classificazione i minerali sono divisi in silicati, carbonati, ossidi, elementi nativi, solfuri, solfati, alogenuri, fosfati.

Di seguito vi presentiamo l'elenco dei minerali classificati su base chimica.

Silicati

I silicati sono senza dubbio i minerali più abbondanti della crosta terrestre, arrivando quasi all’80% del totale. Il loro nome deriva dalla presenza di due elementi fondamentali: silicio (Si) e ossigeno (O). La loro combinazione con altri elementi della tavola periodica dà vita alla maggior parte dei minerali che possiamo vedere ogni giorno.

Più nel dettaglio, la struttura che sta alla base dei silicati è il cosiddetto gruppo silicatico [(SiO4)4-]. Per cercare di visualizzare questo concetto, immaginiamo di prendere una piramide dove ogni vertice è un atomo di ossigeno. All’interno di questa struttura, nel cuore della piramide potremmo dire, viene racchiuso l’atomo di silicio, come una perla in uno scrigno.

Gruppo SiO4
in foto: Gruppo silicatico (credit: Fralama).

Questa piramide (che, per essere più tecnici, d’ora in avanti chiameremo tetraedro) è la base di tutti i silicati. In particolare abbiamo:

  • Nesosilicati: ci sono solo tetraedri separati tra loro che tendono a legarsi a ioni metallici (es. olivina);
  • Inosilicati: i tetraedri sono uniti a formare una catena singola o doppia che, anche se meno dei nesosilicati, tende comunque a legarsi con ioni metallici (es. pirosseni e anfiboli);
  • Fillosilicati: i tetraedri formano uno strato e questo comporta una minore capacità di legarsi ad altri ioni metallici (es. talco);
  • Tettosilicati: i tetraedri formano strutture tridimensionali nelle quali ogni atomo di ossigeno è legato ad un altro tetraedro (es. quarzo e feldspati).

Carbonati

Se nei silicati il gruppo silicatico era la base, nei carbonati c'è il gruppo carbonatico [(CO3)2-]. Questo gruppo si lega a ioni positivi, spesso si tratta di calcio (Ca) e/o magnesio (Mg) a formare due tra i minerali più comuni di questo gruppo: calcite e dolomite. I carbonati, per loro stessa natura, sono tra i principali componenti delle rocce sedimentarie carbonatiche: la calcite spesso si forma grazie a organismi marini che usano il carbonato di calcio disciolto in acqua per realizzare il proprio guscio. Alla loro morte, il guscio precipita sul fondale marino, andando a creare nel corso delle ere geologiche alcune delle rocce sedimentarie più comuni.

La dolomite invece si forma in un secondo momento per interazione tra l’acqua del mare e la calcite: l’acqua salata contiene magnesio che, in parte, sostituisce il calcio del carbonato.

Calcite
in foto: Cristalli di calcite.

Ossidi

Gli ossidi, come suggerisce il nome stesso, sono caratterizzati da atomi di ossigeno legati ad altri elementi. Possiamo avere ossidi semplici o multipli a seconda della quantità di elementi che si legano con l’ossigeno e, solitamente, questi sono sempre dei metalli. Proprio per questo motivo gli ossidi sono tra i minerali economicamente più rilevanti, nonché principali fonti di ferro, cromo, manganese, stagno e uranio.

Tra i minerali principali possiamo nominare l’ematite, la magnetite, il rutilo, l’uraninite e l’ilmenite.

Rutilo
in foto: Cristallo di rutilo (credit: Pasquale Antonazzo).

Elementi nativi

Gli elementi nativi sono quegli elementi che in natura si trovano “da soli”, ovvero non legati ad altre specie chimiche. Se escludiamo i gas, sono soltanto 20 i nativi che possiamo distinguere e, in particolare, si dividono in:

  • metalli (es. oro, platino, ferro);
  • semimetalli (es. arsenico, bismuto);
  • non metalli (es. zolfo, diamante e grafite).

Piccola curiosità: tra gli elementi nativi troviamo anche il mercurio nativo che è l’unico minerale che, a temperatura ambiente, si trova allo stato liquido!

Mercurio nativo
in foto: Mercurio nativo. A temperatura ambiente è liquido.

Solfuri

I solfuri sono un tipo di minerale in cui un atomo di zolfo si lega ad elementi metallici ma, nonostante possa sembrare simile alla descrizione degli ossidi, abbiamo una differenza sostanziale. Se infatti ossidi come ematite e cromite vengono intensamente sfruttati per fini economici, in questo caso i metalli dai solfuri vengono difficilmente estratti sia per la difficoltà del processo sia per l’importante impatto ambientale della lavorazione.

Tra i solfuri più famosi troviamo la pirite (ne abbiamo parlato prima in merito alla forma cubica), la pirrotina e la galena.

Galena
in foto: Cristalli di galena (credit: Ivar Leidus).

Solfati

I solfati si basano sullo ione solfato [(SO4)2-] e al loro interno racchiudono più di 300 minerali, anche se il più conosciuto è sicuramente il gesso.

Un errore che si fa comunemente è chiamare “gesso” quello usato dagli atleti per migliorare l’aderenza delle mani sugli attrezzi. In realtà quella polvere è solitamente magnesite, un carbonato di magnesio!

Gesso
in foto: Cristalli di gesso (credit: Ivar Leidus).

Alogenuri

Gli alogenuri sono formati dall’unione tra alogeni (come cloro, fluoro o iodio) e uno o più elementi metallici. Sotto questa nomenclatura troviamo il salgemma, per gli amici “il sale da cucina”, e la fluorite. Questa viene usata principalmente nell’industria chimica ma in passato era frequente trovarla in vasi e piatti scolpiti.

Salgemma
in foto: Il salgemma, cioè il normale "sale da cucina".

Fosfati

I fosfati contengono lo ione fosfato [(PO4)3-] che, come ormai avrete capito, si lega ad un elemento metallico. Così come nel caso dei silicati, anche i fosfati formano delle strutture tetraedriche (quindi, a piramide) e tra i minerali più noti abbiamo l’apatite (il minerale che forma anche denti e ossa umane) e il turchese, famoso per il suo largo impiego in gioielleria.

Turchese
in foto: Pietre di turchese.
Articolo a cura di
Stefano Gandelli