Minerali e Gemme  





Proprietà fisiche dei minerali

Le proprietà fisiche di un cristallo dipendono dalla composizione chimica e dalla struttura cristallina e si distinguono in scalari (p.e. peso specifico e punto di fusione) e vettoriali (p.e, sfaldatura, durezza, proprietà ottiche e magnetiche).
Le prime sono indipendenti dalla direzione e rappresentabili con un solo dato mentre le proprietà vettoriali variano al mutare della direzione nella quale si determinano e si rappresentano con vettori.
Gran parte dei minerali presentano proprietà vettoriali discontinue. Di seguito vengono brevemente descritte le principali proprietà Tisiche dei minerali.

Colore

Tra le proprietà di un minerale, la sua colorazione è quella che colpisce maggiormente il nostro interesse. I minerali costituiti da elementi che non danno origine a una colorazione caratteristica si definiscono incolori.

I minerali colorati si possono distinguere nelle due seguenti categorie.
Si dicono idiocromatici quando hanno un colore proprio, dovuto alta loro composizione chimica. Si riconoscono perché, una volta polverizzati, la polvere ottenuta ha lo stesso colore del minerale in massa, anche se leggermente più chiaro. Tra i minerali idiocromatici citiamo il solfo (giallo), la malachite (verde), il turchese (azzurro) e il cinabro (rosso).

Si dicono allocromatici, quando hanno un colore dovuto a cause diverse, quali la presenza di sostanze estranee accidentalmente incluse o di tracce di elementi in parziale sostituzione dei componenti principali del minerale, oppure difetti reticolari, cioè imperfezioni strutturali.

E’ il caso, per esempio, del quarzo che talvolta risulta colorato di verde perché ingloba piccoli quantitativi di clorite. Allocromatici sono, anche la calcite, il topazio, lo zircone e la fluorite. La polvere dei minerali allocromatici è sempre di colore biancastro.

I minerali allocromatici possono variare colore se sono sottoposti a riscaldamento, irradiazione con raggi X, Y e ultravioletti.
Talvolta la colorazione non e omogenea e, pertanto, non presenta la stessa intensità su tutto il cristallo.

Alcuni minerali, come le tormaline policrome zonate, presentano colorazioni diverse, procedendo dall'esterno all'interno del cristallo, a causa di variazioni della composizione chimica avvenute durante il processo di sviluppo del cristallo stesso.

Lucentezza

Viene cosi definita la proprietà di riflettere la luce. In un minerale la lucentezza - che in genere cresce con l'aumentare dell'indice di rifrazione - dipende principalmente dalla perfezione delle facce, dalla composizione chimica e dalla struttura atomica.

I minerali possono essere mollo lucenti, poco lucenti e opachi (se non riflettono la luce).

Si possono distinguere i seguenti tipi di lucentezza;
- metallica (indice di rifrazione superiore a 3), nei metalli nativi e in gran parte dei solfuri:
- submetallica (indice di rifrazione compreso tra 2,6 e 3). in cinabro, cuprite, ematite;
- adamantina (indice di rifrazione compreso tra 1,9 e 2.6), in diamante, rùtilo, blenda;
- vitrea (indice di rifrazione compreso tra 1,3 e 1,9), in quarzo e gran pane dei carbonati, silicati, solfati, aloidi;
- madreperlacea, in museovite, gesso e talco;
- resinosa, nel realgar;
- grassa, nel salgemma;
- terrosa, nella limonite;
- umida, nella criolite.

Alcuni minerali evidenziano particolari riflessi iridescenti prodotti da fratture, piani di sfaldatura, strutture lamellari.

Infine, la presenza di minute inclusioni disposte in modo regolare può dare origine a fenomeni di riflessione e di assorbimento della luce.
Tali fenomeni sono noti come avventurinescenza. gatteggiamento, labradorescenza e altri.

Luminescenza

La luminescenza è la proprietà di alcuni minerali di emanare luce se sottoposti a irradiazione o ad azioni meccaniche, termiche e chimiche.
Il fenomeno della luminescenza si deve alla presenza dei cosiddetti ioni attivatori (Mn, Cr, Mo) che, dopo aver assorbito energia, la emettono sotto forma di radiazioni visibili. La proprietà di questi elementi di emettere luce dipende dal reticolo cristallino in cui si trovano.

Si parla di fluorescenza quando l’emissione di luce ha la durata dell'irradiazione.

Si tratta di fosforescenza se l'emissione prosegue per un tempo più o meno lungo anche dopo l'irradiazione.

Quando invece l'emissione di luce si ottiene per moderato riscaldamento — talvolta ò sufficiente il calore della mano - si parla di termoluminescenza.

A seconda delle azioni cui sono sottoposti i minerali questi ultimi possono presentare luminescenza o meno, attraverso:
- raggi ultravioletti (p.e, calcite, autunite, fluorite e apatite;
- raggi x (p.c. diamante);
- raggi catodici (p.c. siderite);
- sfregamento (p.e. quarzo, blenda);
- calore (p.c. fluorite).

Sfaldatura

Indica l'attitudine che molti minerali hanno di rompersi in seguito a un urto, secondo piani corrispondenti a forme cristalline peculiari a ogni singola specie. La sfaldatura dipende dalla disposizione delle particelle nel reticolo cristallino e dalla forza (coesione) che le tiene unite. In alcuni minerali, la sfaldatura avviene con una certa facilità (come in calcite, fluorite, gesso, mica galena, e salgemma), mentre in altri è completamente assente (come in quarzo, solfo, pirite, granati, spinello).

Durezza

E’ la resistenza che un minerale oppone all'incisione. La durezza viene determinata utilizzando la scala di Mohs che è costituita da una serie di dieci minerali opportunamente scelti e disposti in ordine di durezza crescente.

In questo modo ciascun minerale scalfisce il precederne ed è scalfito dal successivo. Per semplicità possiamo dire che i primi due minerali (talco e gesso) della scala di Mohs possono essere scalfiti con l'unghia mentre i successivi, fino all'apatite, sono scalabili con una puma d'acciaio. Infine, la serie di minerali compresa tra l'ortoclasio è il diamante hanno la caratteristica di scalfire il vetro.

Scala di Mohs

NUMERO DELLA SCALA
MINERALE
1
taico
2
gesso
3
calcite
4
fluorite
5
apatite
6
ortoclasio
7
quarzo
8
topazio
9
corindone
10
diamante

Questa scali è valida solo per indicare la durezza dei minerali. Ogni minerale di riferimento scalfisce tutti quelli di numero inferiore e viene scalfito da tutti quelli di numero superiore.

Peso specifico

E’ la più utile tra le proprietà scalari poiché viene spesso utilizzala per riconoscere le gemme e separare minerali con peso specifico diverso. Esso può essere definito come il rapporto tra il peso di un minerale e quello di pari volume di acqua distillata a 4 °C.
Il peso specifico dipende dalla struttura del minerale e dalla sua composizione chimica. A parità di composizione chimica, ha peso maggiore il minerale le cui particelle sono più ravvicinate. Per esempio, il carbonio cristallizzalo come diamante ha peso specifico pari a 3,5. mentre cristallizzato come grafite e uguale a 2,2.

Il peso specifico si può determinare in vari modi utilizzando il picnometro (boccetta di Gay-Lussac) o il metodo dei liquidi pesanti con la bilancia di Wcstphal

In genere i minerali vengono definiti:
- leggerissimi con peso specifico inferiore a 2 (opale, turchese);
- leggeri quelli con peso specifico compreso tra 2 e 3 (sepiolite, quarzo, calcite);
- pesanti quelli con valori compresi tra 3 e 5 (tormalina, barite, pirite);
- mollo pesanti quelli con valori compresi tra 5 e 10 (ematite, cinabro, rame nativo);
- pesantissimi quelli con valori superiori a 10.

Gran parte dei minerali contenenti abbondanti quantità d'acqua e quelli costituiti da silice, magnesia e allumina rientrano tra i minerali leggeri, mentre sono pesanti, mollo pesanti e pesantissimi i minerali metalliferi. Tra i minerali più pesanti possiamo citare l'argento nativo, il mercurio, l'oro nativo e il platino nativo; quest'ultimo ha peso specifico 21.4.

Fusibilità

Proprietà scalare dei minerali, generalmente detcrminata per confronto con i termini di una scala empirica proposta da von Kobcll. Tale scala e costituita da sette termini; il primo è l'antimonite che fonde al calore della fiamma di una candela (525 °C).

Proprietà magnetiche

Molti minerali che contengono ferro, tra cui la magnetite, la pirrotina e l'ematite vengono attirati più o meno facilmente da una calamita. Si tratta dei cosiddetti minerali paramagnetici in cui la suscettività magnetica risulta maggiore di zero.

Diamagnetici sono detti, invece, quei minerali che non vengono respinti da un magnete, per i quali la suscettività magnetica è inferiore a zero (oro, argento, rame, calcite, quarzo ecc.).

Tra i minerali paramagnetici, quelli che risultano fortemente attratti vengono detti ferromagnetici. Alcuni campioni di magnetite possono addirittura comportarsi come una vera calamita, agendo in qualità di magneti naturali. Spesso, proprio grazie alle loro proprietà, in campo industriale i minerali ferromagnetici possono essere separati dagli altri minerali, grazie all'utilizzo di appositi separatori magnetici.

Proprietà elettriche

La capacità dei minerali di condurre corrente elettrica dipende dalla mobilità degli elettroni all'interno delle strutture cristalline.

Tra i metalli, quelli caratterizzati da un reticolo semplice (come il rame e l'argento) possiedono un'elevata conducibilità. I minerali buoni conduttori sono pochi e limitati ai metalli nativi, ad alcuni solfuri e ossidi. Tra i semiconduttori si collocano molti solfuri e ossidi. Gran parte dei minerali con legami ionici o covalenti possono essere considerati non conduttori o pessimi conduttori e quindi isolanti.

Alcuni minerali non conduttori, che possiedono assi polari (quarzo, tormalina), se sottoposti a compressione, trazione o torsione, si elettrizzano: questi minerali si dicono piezoelettrici. Una tipica applicazione della piezoelettricità si ha in alcuni accendisigari e negli orologi al quarzo.

La piroelettricità presenta, infine, caratteristiche analoghe alla piezoelettricità.
I minerali piroelettrici si elettrizzano per variazioni termiche e sono privi di centro di simmetria.

Proprietà ottiche

Lo studio dei caratteri ottici dei minerali è molto importante al fine del loro riconoscimento. Quando un fascio luminoso colpisce un corpo trasparente si verificano due importanti fenomeni: la riflessione e la rifrazione della luce.

Il fenomeno della riflessione della luce avviene quando, incontrando una superficie riflettente, un raggio luminoso viene rinviato al mezzo di provenienza in una determinata direzione secondo, particolari leggi (l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione).

Il fenomeno della rifrazione della luce si osserva invece quando, passando da un mezzo trasparente a un altro, un raggio luminoso subisce una deviazione poiché la luce, attraversando i due mezzi, si propaga con diversa velocità. Il rapporto (n) tra la velocità della luce nell'aria (v) e la velocità della luce nel minerale (v¹) rappresenta l'indice di rifrazione del minerale:

n = v/v¹

fenomeno doppia rifrazioneLa rifrazione della luce può essere semplice o doppia. Per questo motivo possiamo dividere i corpi in due principali gruppi: monorifrangenti e birifrangenti.

Fenomeno della doppia rifrazione della calcite. Quando un raggio di luce colpisce un romboedro di calcite (C) si sdoppia in un raggio ordinario non deviato (rO), e in un raggio straordinario deviato (rS).

Sono monorifrangenti (cioè con indice di rifrazione costante) le sostanze amorfe e i cristalli appartenenti al gruppo monometrico poiché la luce si propaga in tutte le direzioni con la stessa velocità. Sono birifrangenti (cioè caratterizzati da doppia rifrazione) i cristalli appartenenti ai gruppi dimetrico e trimetrico in cui la luce, penetrando al loro interno, si sdoppia in due raggi polarizzali che vibrano in piani tra loro ortogonali e si propagano con diversa velocità.

Proprietà radioattive

Alcuni minerali contengono elementi radioattivi instabili (uranio, torio, attinio ecc.) che si disintegrano spontaneamente, trasformandosi in nuclei di altri atomi ed emettendo grandi quantità di energia sotto forma di radiazioni (raggi α, β e γ). Alla fine delle trasformazioni di uranio e di torio si hanno isotopi stabili del piombo.

La velocità di trasformazione dell'uranio e del torio, detta anche tempo di dimezzamento, permette di stabilire l'età del minerale e, più in generale, può fornire utili informazioni sull'età della Terra. I minerali radioattivi più comuni sono: autunite, carnotite, pechblenda, monazite, torbernite, e altri.
Tra gli strumenti più diffusi, adatti a rilevare e misurare la radioattività c'è il contatore di Geiger-Mùller.

La legislazione in materia di radiazioni ionizzanti presenta numerose leggi, decreti, norme e tecniche riguardanti sia l'Italia, sia l'Europa. Per quanto concerne la sfera di interesse dei collezionisti di minerali e rocce possiamo fare riferimento al Decreto Legislativo del governo italiano n. 230 del 17/03/1995, che all'allegato 1, fissa le condizioni di applicazione delle disposizioni (comunicazioni, richieste di autorizzazioni e controlli) contenute nel decreto stesso e relative alle materie radioattive. In particolare, l'art. 2 dell'allegato 1 recita: «... Ai fini dell'applicazione del presente decreto sono considerate materie radioattive naturali l'uranio naturale (U238) e il torio naturale (Th232), con i loro prodotti di decadimento...». Il successivo art. 3 indica le condizioni di applicazione del decreto: «... Negli impianti di arricchimento di minerali e negli impianti in cui comunque si effettua una manipolazione di minerale, ivi inclusa la mera detenzione, le norme di cui al presente decreto si applicano, indipendentemente dal verificarsi delle condizioni di cui al punto precedente, allorquando si raggiunga, in uno stadio qualsiasi del processo, un tasso di sostanze radioattive superiore all'1 per cento in peso di uranio e/o di torio».


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