Proprietà fisiche dei cristalli
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Proprietà fisiche dei Cristalli
Una delle caratteristiche dello stato cristallino è l'anisotropia, cioè l'esistenza di alcune proprietà che variano con la direzione per cui si fa una distinzione fra proprietà vettoriali e proprietà scalari.
Proprietà vettoriali
Le proprietà vettoriali dipendono dalla direzione per cui è necessario indicarne la direzione e il senso. la rappresentazione di tali proprietà è fatta mediante vettori cioè raggi in cui la direzione e il senso indicano la direzione e il senso in cui è stata misurata la proprietà. Le diverse proprietà vettoriali si distinguono in discontinue, continue e intermedie
Velocità di Accrescimento e di Corrosione
Sulla forma poliedrica dei cristalli influisce il tipo di accrescimento che varia con la direzione.La velocità di accrescimento è massima lungo i vertici ed è minima lungo le normali alle facce e dipende dalle condizioni ambientali. In antitesi con la velocità di accrescimento è la velocità di corrosione che inizia in corrispondenza dei vertici e segue lungo gli spigoli e le facce. Il minerale tende quindi ad acquistare una forma più o meno rotondeggiante. Perché un cristallo possa assumere una forma regolare è necessario che abbia lo spazio necessario per il suo sviluppo altrimenti si hanno cristalli sproporzionati oppure microcristallini. Il quarzo, il minerale più diffuso in natura, formato da un atomo di silicio e due atomi di ossigeno, si presenta in varie strutture cristalline.
Il quarzo ialino si presenta in cristalli di forma prismatica esagonale terminante con due pseudo piramidi esagonali limpidi e trasparenti e, spesso, anche di notevoli dimensioni.
Anche l’ametista presenta notevoli cristalli con una forma poliedrica ben definita.
Il quarzo rosa non presenta facce poliedriche ma, pur presentandosi generalmente in aggregati traslucidi, ha una struttura atomica regolare e perciò è cristallino.
L’agata si presenta con struttura zonata a vari colori e con apparente aspetto amorfo, ma è in realtà microcristallina.
Proprietà di Coesione
Con il termine "PROPRIETA' DI COESIONE" si indicano la durezza, la sfaldatura, il tipo di frattura,la tenacità, tutte proprietà che dipendono dalla struttura del cristallo e dalla direzione scelta per fare la prova.La coesione è la forza che tiene unite fra loro le diverse parti di un cristallo.
Sin dal 1822 per misurare la durezza si ricorre alla scala di Mohs, che utilizza una serie di punte formate da dieci minerali di riferimento ciascuno dei quali incide il precedente ed è rigato dal successivo.
L'apparecchio
più semplice usato per determinare la durezza è lo
sclerometro formato da un carrello scorrevole sul quale,
mediante una piattaforma, si fissa il cristallo mediante una faccia
naturale o artificiale di cui è nota l'orientazione. Parallelamente
vi deve essere un'altra faccia naturale o artificiale sulla quale si
fa scorrere una punta di acciaio portata da un'asta che termina con
un piattello. La pressione della punta è determinata dai pesi con i
quali si carica il piattello. In mancanza dei dieci minerali riportati nella tabella, si può avere una misura approssimata della durezza di un minerale con mezzi empirici: il talco e la grafite lasciano un segno sulla carta , l’unghia scalfisce i minerali con durezza inferiore a 2, la punta di un temperino scalfisce i minerali con durezza inferiore a 5,5 e una lima di acciaio scalfisce i minerali con durezza 6. La sfaldatura dipende dalla coesione. Quando la coesione presenta dei minimi molto accentuati i cristalli si sfaldano, cioè si dividono facilmente secondo piani paralleli ai piani di minima coesione.Ogni cristallo ha un suo solido di sfaldatura.
La fluorite invece si sfalda lungo le facce dell'ottaedro.Vi sono poi minerali, come il gesso e la mica, che si sfaldano perfettamente in una direzione, mentre in un'altra la sfaldatura è imperfetta se non impossibile.La sfaldatura è un mezzo di riconoscimento dei minerali. La frattura invece si verifica in alcuni minerali, come il quarzo e l'opale,che non si sfaldano, ma si spezzano irregolarmente.Le fratture possono essere di diverso tipo:piane,disuguali, concoidi, ruvide e,per questo motivo,anche la frattura può essere utilizzata come mezzo di determinazione di un minerale La tenacità è un'altra proprietà che dipende dalla coesione reticolare e indica il modo in cui un minerale si deforma sotto una azione meccanica.Vi sono infatti minerali fragili che vanno facilmente in pezzi come il diamante che è il più duro dei minerali o si fratturano come il quarzo. Altri sono malleabili come l'oro che si appiattisce senza rompersi, altri ancora sono duttili e si riducono in fili sottili.(oro) Vi sono anche minerali flessibili e altri elastici. La tenacità è una proprietà dei minerali che si distingue nettamente dalla durezza
Proprietà Magnetiche
Il magnetismo è un fenomeno utile non solo per il riconoscimento dei minerali, ma ha anche un ruolo importante nella separazione di miscele formate da diversi componenti Secondo il comportamento che i minerali rivelano verso un campo magnetico esterno possono essere diamagnetici se, immersi in un campo magnetico,sono respinti, paramagnetici se sono debolmente attratti e ferromagnetici se risultano fortemente attatti.fra questi vi è la magnetite che diventa essa stessa una calamita. Nell’antichità inoltre ai magneti naturali si attribuirono speciali poteri fra i quali quello di attirare tutti i chiodi delle navi che, naturalmente, finivano con l’affondare. Una curiosità: i termini "magnete" e "magnetismo" derivano dalla magnetite e non viceversa.
Proprietà Termiche ed Elettriche
Se si tengono in mano un pezzo di ambra e un pezzo di rame, è quest'ultimo che sembra più freddo. Questa impressione è dovuta alla diversa conducibilità termica dei due minerali che vengono suddivisi in buoni e cattivi conduttori del calore. Anche la conducibilità elettrica varia: sono buoni conduttori i metalli, alcuni solfuri e pochi ossidi, mediocri la maggio parte degli ossidi. Tra i minerali non conduttori ve ne sono alcuni capaci di sviluppare una differenza di potenziale se sottoposti a sollecitazioni di tipo meccanico (compressione, trazione, torsione) o termico: i primi si dicono piezoelettrici, i secondi piroelettrici. La piezoelettricità è particolarmente importante nel quarzo. Comprimendo un cristallo ai suoi poli si generano cariche elettriche di segno opposto e quindi una differenza di potenziale che cessa quando si interrompe la pressione Il fenomeno si verifica anche quando si sottopone ad un campo elettrico.Se il campo elettrico è oscillante, come avviene nella maggior parte dei comuni circuiti, il cristallo tende a vibrare con la stessa frequenza del campo e, se questa ultima corrisponde alla sua frequenza di vibrazione, il cristallo contribuisce a stabilizzare le caratteristiche del circuito.Per questa sua proprietà il quarzo ha trovato applicazioni nei stabilizzatori di frequenza, nei generatori di ultrasuoni, in apparecchi di precisione, negli orologi.
Proprietà ottiche
Il mondo dei minerali si può definire senza dubbio un mondo "variopinto" e gran parte del fascino dei cristalli è dovuto alla bellezza e alla varietà dei loro colori. Basta pensare all'arancione vivo della crocoite, al giallo dello zolfo, all'azzurro della turchese, del lapislazzuli, allo splendido verde dello smeraldo, del dioptasio, al viola dell'ametista, della fluorite per non parlare di infiniti altri. Una prima ovvia divisione dei minerali rispetto alle proprietà ottiche è in trasparenti e opachi. Questa suddivisione ha però un valore relativo perchè come non esistono minerali assolutamente trasparenti, non esistono neppure minerali assolutamente opachi; infatti cristalli di notevoli dimensioni, diventano trasparenti se ridotti in lamine sottili. Il colore è quindi una proprietà fisica dei minerali che si nota immediatamente. Dal punto di vista del colore i minerali possono essere idiocromatici e allocromatici. Nei primi il colore è strettamente legato alla composizione chimica fondamentale, nei secondi il colore è determinato dalla presenza di impurezze. In questo secondo caso vi sono specie dotate di una grandissima varietà di colore: basti pensare al quarzo che, oltre ad essere incolore quando è puro, si può presentare roseo, viola, giallo, verde, fumè o alla fluorite di cui si conoscono varietà di ogni colore o alla tormalina che può presentarsi in cristalli policromi, cioè in cristalli di colore non uniforme ma con variazioni che possono presentarsi in fasce nette o sfumate l'una nell'altra, disposte perpendicolarmente La polvere dei vari minerali non sempre è dello stesso colore del minerale di provenienza: la polvere di un minerale allocromatico è generalmente biancastra o grigio chiaro, mentre quella di un minerale idiocromatico si presenta dello stesso colore, anche se un pò più pallido, del minerale di provenienza Con il metodo della striscia, cioè sfregando un frammento di minerale su un pezzo di porcellana si può fare una distinzione, anche se molto superficiale, fra minerale idiocromatico e minerale allocromatico. Spesso i colori ricavati dai minerali sono oggi gli stessi di quelli impiegati nel passato. Il rosso è polvere di cinabro, il blu polvere di lapislazzuli, il giallo si ricava dall'orpimento. Spesso però i colori tratti dai minerali tendono con il tempo ad alterarsi . In alcuni dipinti di Giotto, ad esempio, il colore del cielo tende al verde perchè con il tempo, ma soprattutto a causa dell'umidità, l'azzurrite tende a trasformarsi in malachite che è verde La lucentezza,come il colore, è un efficace metodo di determinazione.La lucentezza dipende dal modo con cui la luce viene riflessa dalle superfici di un cristallo. Una prima grande distinzione consiste nel distinguere i minerali a lucentezza metallica da quelli a lucentezza non metallica. Nei primi la luce è completamente assorbita e quindi i minerali appaiono opachi, I minerali non metallici presentano aspetti diversi di lucentezza, come appare da questa tabella.
Asterismo e gatteggiamento sono proprietà ottiche legate per lo più alla presenza di impurezze. L'asterismo, ad esempio, è dovuto alla presenza di inclusioni a forma di piccoli aghi incrociati. Si presenta come una stella luminosa a quattro o a sei punte ed è presente nei rubini, negli zaffiri, nel quarzo rosa. Il gatteggiamento invece è dovuto alla presenza di piccole cavità aventi lo stesso orientamento Presentano questo fenomeno il quarzo con inclusioni di amianto(occhio di tigre), l'adularia, il gesso.
Il Pleocroismo
Il
pleocroismo, dal greco "più colore
"è una strana proprietà che hanno alcune sostanze cristalline
che presentano colori diversi a seconda della direzione da cui si
osservano.Le variazioni di colore possono essere impercettibili o
molto evidenti. I colori possono essere anche notevolmente diversi
fra loro. La cordierite (silicato di magnesio e alluminio), gemma poco nota anche se conosciuta e lavorata sin dall'epoca romana,ad esempio, presenta un pleocroismo bene evidente anche ad occhio nudo.
Il taglio di una gemma va infatti eseguito in modo che questa presenti la tinta più bella.
La Rifrazione della luce Nei primi la luce si propaga con la stessa velocità in tutte le direzioni, pur subendo un rallentamento e deviando rispetto alla propagazione nel vuoto o nell'aria; invece, un raggio di luce che si propaga in un corpo birifrangente si scinde in due raggi che si propagano con velocità diversa e che sono detti rispettivamente raggio ordinario e raggio straordinario.
Ma perchè i minerali sono colorati?
Noi viviamo in un mondo pieno di colori e siamo circondati da oggetti colorati, ma vediamo i colori solamente quando gli oggetti sono illuminati e non riusciamo a distinguerli al buio. Ma perchè un oggetto appare verde, un altro giallo e un altro ancora rosso? Un semplice esperimento può essere utile per comprendere molte cose sulla natura della luce e sulle sue proprietà.
I corpi, per la natura della sostanza di cui essi sono costituiti hanno il potere di assorbire certe radiazioni e di rifletterne altre. Un
corpo, illuminato con luce bianca, si vede verde quando
assorbe tutte le altre radiazioni colorate riflettendo quella verde,
appare rossa quando assorbe tutte le altre radiazioni colorate
riflettendo quella rossa e così via.
La Luminescenza
La luminescenza consiste in una emissione di luce di particolare lunghezza d'onda dovuta ad una sollecitazione di tipo fisico come il riscaldamento o di tipo meccanico come lo sfregamento.
La celestina (foto a sinistra)e l'apatite (foto a destra) sono due esempi di minerali che presentano il fenomeno della luminescenza dovuta ad una sollecitazione di tipo fisico come il riscaldamento. La fluorite e la blenda presentano invece una luminescenza dovuta a sollecitazione di tipo meccanico come lo sfregamento. Se il fenomeno cessa al cessare della sollecitazione si tratta di fluorescenza, se continua per un tempo più o meno lungo si parla di fosforescenza.Spesso si hanno casi di fluorescenza e di fosforescenza nello stesso minerale come avviene nei cristalli di gesso.Questi, se vengono collocati in un ambiente buio e illuminati con una lampada a luce ultravioletta, emanano una luce bianca (fluorescenza), spegnendo subito la lampada il loro colore diventa giallo (fosforescenza). Effetti di luminescenza particolarmente vistosi contribuiscono a determinare la bellezza e il valore di alcuni minerali; inoltre la fluorescenza e fosforescenza possono essere mezzi di riconoscimento dei minerali.
Proprietà scalari
Le proprietà scalari sono quelle per la cui rappresentazione basta un numro: tra queste la più utile è il peso specifico relativo perchè viene spesso utilizzato per riconoscerele gemme e separare i minerali con diverso peso specifico. Il
peso specifico relativo si riferisce all'acqua distillata a 4°C,
temperatura alla quale corrisponde il massimo della densità
dell'acqua. Il peso specifico relativo si misura quindi facendo il
rapporto fra il peso di un certo volume della sostanza in esame e
quello di un uguale volume di acqua distillata a 4°C e si può
determinare utilizzando il picnometro che è una
boccetta di vetro chiusa da un tappo smerigliato, attraversato da un
sottile foro sul quale vi è marcato un segno di riferimento. Si
pesa prima il picnometro vuoto, poi il picnometro pieno di acqua
fino al segno, quindi il minerale.Si introduce poi il minerale nel
picnometro: si verificherà una uscita di un volume
di acqua uguale a quello del minerale introdotto. In genere i minerali vengono definiti: -leggerissimi con peso specifico compreso fra 2 e 3 (quarzo, calcite) -pesanti con valori fra 3 e 5 (tormalina, barite, pirite) -molto pesanti con valori compresi fra 5 e 10 (ematite, rame nativo) -pesantissimi con valori superiori a 10 (oro nativo, platino nativo) Anche la fusibilità si può considerare una proprietà scalare e si determina per confronto con termini di una scala ,alquanto empirica, formata da sette termini detta scala di von Kobell
L'antimonite fonde al calore di una fiamma di candela, il quarzo è praticamente infusibile.
Proprietà chimiche dei Cristalli
Le
principali proprietà chimiche dei cristalli sono il POLIMORFISMO
E L'ISOMORFISMO
Polimorfismo
Se due fasi cristalline di una stessa sostanza possono trasformarsi reciprocamente l'una nell'altra, il sistema si dice enantiotropo; se invece una sola delle sostanze si trasforma nell'altra il sistema si dice monotropo, Esempio di un sistema enantiotropo è dato dallo zolfo. Lo zolfo rombico riscaldato si trasforma in monoclino; riscaldato ancora fonde. Raffreddandolo si consolida nella fase monoclina e successivamente in rombica. La trasformazione è quindi reversibile. Il solfuro di mercurio è dimorfo: il cinabro è trigonale, la metacinabrite è monometrica. La
grafite e il diamante offrono il più classico esempio
di Le
differenze fra le proprietà della grafite
(foto a sinistra) e del diamante (foto destra) sono
molto evidenti. . Una tipica sostanza polimorfa è la silice di cui si conoscono sei fasi cristalline: quarzo
alfa trigonale-quarzo beta esagonale La fase stabile è il quarzo alfa. Tutte le trasformazioni sono reversibili ma non tutte ugualmente facili.
Isomorfismo
Più complesso è il fenomenodell' isomorfismo che ha appassionato per lungo tempo chimici e mineralogisti . Solo dopo molte ricerche e osservazioni si è stabilito che per considerare due sostanze isomorfe, queste devono soddisfare contemporaneamente a queste tre condizioni: 1)
avere composizione chimica analoga, cioè comprendenti atomi
appartenenti allo stesso gruppo del sistema periodico. Sono, ad
esempio analoghi Ca(CO3) e Mg(CO3) |
Il salgemma, ad esempio, come appare nelle due
figure di sinistra,si sfalda parallelamente alle facce del cubo
formando altrettanti cubi di sfaldatura di dimensioni minori.
La
magnetite è un ossido ricco di ferro, di grande importanza che,
oltre ad essere attratta da una calamita, ha la proprietà di
attirare il ferro e l'acciaio con spiccato carattere magnetico. Il magnetismo,
proprietà di cui gode appunto la magnetite, deve il suo nome,
secondo una leggenda, ad un certo Magnes, un pastore dell'Anatolia
che si era accorto che questa particolare pietra era attirata dalla
punta ferrata del suo bastone. Altro minerale con proprietà
magnetiche è la pirrotina.
Si
presenta normalmente in cristalli prismatici di colore grigio
ma, se osservata secondo la base del prisma è blu o viola se,
invece, viene osservata perpendicolarmente appare incolore.Questo
fenomeno può essere molto importante specialmente nel momento del
taglio delle gemme, come appare da questa foto dove i ciottoli
levigati di cordierite presentano un evidentissimo pleocroismo.
Il
fenomeno della doppia rifrazione è molto evidente
nello Spato d'Islanda (calcite).Nell'immagine,
infatti, la scritta appare sdoppiata.Se si potesse fare ruotare
questo romboedro su se stesso, una delle scritte rimarebbe ferma,
l'altra ruoterebbe intorno alla prima disegnando una circoferenza.La
prima scritta è dovuta al raggio ordinario che segue le leggi della
rifrazione, la seconda che ruota è invece dovuta al raggio
straordinario.
La
luce del sole è una luce bianca e se dirigiamo un fascio di luce
verso la faccia laterale di un prisma ottico, la luce esce dal
prisma decomposta in un fascio di raggi colorati, (come appare nella
fotografia accanto), nei sette colori dell'arcobaleno. La luce
bianca quindi non è semplice, ma composta dalla fusione di sette
radiazioni ottiche diverse, che sono onde
elettromagnetiche con lunghezza d'onda di valore diverso: da 0,7 a
0,4 micron (millesimo di millimetri).
polimorfismo::il
carbonio può presentarsi come grafite o come diamante.In condizioni
ordinarie la fase stabile è la grafite mentre il diamante si forma
per cristallizzazione sotto fortissime pressioni 