I cristalli

22 08 2017

I cristalli che si possono osservare in natura sono strutture, modi di aggregazione della materia solida, con forma geometrica ben definita, regolare (cubica, ottaedrica, prismatica, …), che costituiscono molti minerali. I minerali a loro volta sono specie chimiche che possono essere formate da un solo elemento, in questo caso si parla di “elementi nativi”, o più frequentemente da elementi diversi. Le proprietà fisiche e chimiche dei minerali sono tante e tali che richiedono trattazioni a parte. Un insieme di minerali a sua volta compone le rocce, cioè i costituenti solidi della parte più esterna dell’intero pianeta Terra e degli altri pianeti di tipo terrestre.

I cristalli sono stati trattati anche in letteratura, ad esempio sono l’argomento e il titolo di un racconto di Italo Calvino della raccolta “Ti con zero”, pubblicata da Einaudi nel 1967, in stretta relazione con le più famose Cosmicomiche. Tratto da “I cristalli”, riporto un breve e significativo brano.

“… Ce ne accorgemmo a un tratto. Vug disse: – Là!

Indicava, in mezzo a una colata di lava, qualcosa che stava prendendo forma. Era un solido di facce regolari e lisce e spigoli taglienti: e queste facce e spigoli s’andavano lentamente ingrandendo, come a spese della materia intorno, e anche la forma del solido cambiava, ma sempre mantenendo proporzioni simmetriche … E non era solo la forma a distinguersi da tutto il resto; era anche il modo in cui la luce gli entrava dentro, attraversandola e rifrangendosi. Vug disse: – Brillano! Tanti!

Non era il solo, infatti. Sulla distesa incandescente dove una volta affioravano soltanto effimere bolle di gas espulse dalle viscere terrestri, ora stavano venendo a galla cubi, ottaedri, prismi, figure diafane da parere quasi aeree, vuote dentro, e che invece come presto si vide concentravano in sé un’incredibile compattezza e durezza. Lo sfavillio di questa spigolosa fioritura invadeva la Terra, e Vug disse: – È primavera! – Io la baciai. …”

Nella descrizione di Italo Calvino si fa riferimento a cristalli che si formano in una colata lavica, ma c’è un errore di fondo: la lava si raffredda velocemente e i cristalli visibili ad occhio nudo non hanno tempo di formarsi! Generalmente si formano dal lento, o lentissimo raffreddamento del magma intrappolato all’interno della crosta terrestre.

I cristalli sono studiati da una branca della Scienza della Terra: la cristallografia, che si occupa sia dell’aspetto esterno (l’habitus) di un cristallo, sia della struttura, cioè della disposizione degli atomi al suo interno. Habitus e struttura si basano su importanti proprietà fisiche e su alcune leggi, come quella della razionalità degli indici e quella di simmetria.

In laboratorio si possono proporre significative esperienze sulla formazione dei cristalli col metodo dell’evaporazione del solvente da una soluzione salina satura.

Riporto le indicazioni di massima di una di queste esperienze, articolate in introduzione, materiali necessari, procedimento, osservazioni e conclusioni, indicazioni di sicurezza per una di queste esperienze svolte.

Introduzione. I minerali sono strutture che compongono le rocce, omogenee per composizione chimica e caratteristiche fisiche. In molti minerali sono evidenti le strutture cristalline. I cristalli si formano quando un magma si raffredda e forma minerali e rocce oppure quando da una soluzione evapora il solvente. In questo caso, in laboratorio si userà la tecnica di evaporazione del solvente per ottenere alcuni cristalli.

Materiali. Alcuni becher da 500 mL, acqua distillata, bacchetta di vetro per agitare, solfato di rame pentaidrato (CuSO4 *5H2O) in polvere, solfato doppio di cromo e potassio dodecaidrato [KCr(SO4)2 * 12H2O], carta da filtro, imbuto, sostegno per imbuto, spatolina, fornello per riscaldare, bilancia digitale.

Procedimento (alcuni gruppi lavoreranno col solfato di rame, altri col solfato doppio di cromo e potassio)

1. Riscaldare un litro di acqua distillata.

2. Versare 100 g di solfato di rame (o solfato doppio di cromo e potassio) nel becher ed aggiungervi 250 mL di acqua distillata calda e agitare bene con la bacchetta di vetro fino ad ottenere una soluzione satura.

3. Filtrare la soluzione calda per eliminare l’eventuale soluto non disciolto e raccogliere il filtrato.

4. Osservazione: le soluzioni hanno colore diverso a seconda del soluto utilizzato.

5. Porre le soluzioni in un luogo fresco per lasciarle raffreddare lentamente e poi lasciar evaporare il solvente.

6. Riprendere i becher dopo diversi giorni, ad evaporazione avvenuta.

Osservazioni e conclusioni. Dopo alcuni o molti giorni, a seconda della temperatura dell’ambiente in cui sono stati posti i becher, sul fondo compariranno i cristalli di solfato di rame (color azzurro) oppure i cristalli di solfato doppio di cromo e potassio (color violetto intenso). Generalmente i cristalli sono numerosi e di piccole dimensioni. D’altra parte in natura, le condizioni ambientali nella maggioranza dei casi non permettono la formazione di cristalli grandi e ben formati. Sono necessari anni, secoli o migliaia di anni, per avere cristalli di grandi dimensioni. Per il loro accrescimento in laboratorio, l’esperienza deve continuare con una seconda attività, che non riporto, dopo aver selezionato i cristalli di maggiori dimensioni.

Indicazioni di sicurezza, simboli di rischio chimico (Regolamento 1272/2008/CE, o Regolamento CLP) e relativi pittogrammi di pericolo. Fornello per riscaldare: Manipolato dal docente o dal tecnico di laboratorio. Rischio di ustioni. Solfato di rame pentaidrato (CuSO4 *5H2O): irritante/nocivo, nocivo per l’ambiente. Solfato doppio di cromo e potassio dodecaidrato [KCr(SO4)2 * 12H2O]: irritante/nocivo.

Per approfondimenti sui cristalli e sul loro accrescimento, Massimo Moret, Università di Milano-Bicocca “Come crescono i cristalli” o, il più sintetico “Il mondo dei cristalli” dell’Associazione Italiana di Cristallografia, della quale è stato celebrato il 50° anniversario della fondazione lo scorso 19 gennaio. Video: “I cristalli” di RAI Scuola.