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La scala di Mohs è una scala usata per esprimere la durezza dei minerali. Questa scala prende il nome dal suo creatore, il mineralogista tedesco Friedrich Mohs (1773-1839).
La scala di Mohs prende come riferimento 10 minerali e la durezza di ciascun minerale di riferimento viene espressa da 1 a 10. Il primo minerale della serie è il talco, l’ultimo il diamante.
La scala di Mohs fornisce un valore puramente indicativo (la durezza relativa), in quanto la differenza reale di durezza tra due minerali successivi varia anche notevolmente.
Che cosa è la durezza dei minerali
La durezza è una delle principali proprietà fisiche dei minerali, definita come la resistenza di una superficie del materiale alla scalfitura.
Nel settore delle scienze dei materiali, la durezza di un materiale può essere misurata in laboratorio tramite svariati test (tra cui la prova Brinell).
Questi test prevedono l’utilizzo di uno strumento, chiamato penetratore, a forma piramidale o sferica fatto di diamante o carburo di tungsteno, che viene premuto, ad una pressione nota, sulla superficie del materiale in esame.
La durezza si determinata misurando il diametro e/o la profondità del segno impresso dallo strumento.
Queste prove di laboratorio forniscono quella che è nota come durezza assoluta, in cui si pone come riferimento la durezza del corindone pari a 1000. Tuttavia, per ogni minerale, esistono anche valori di durezza relativi. Questi possono essere misurati anche in casa, senza l’ausilio di apparecchiature sofisticate, e si basano sul concetto descritto dalla scala di Mohs.
Le caratteristiche della scala di Mohs
La scala di Mohs fornisce un indice con il quale si indica rapidamente la durezza di un minerale. Questa scala fu introdotta nel 1812 dal minerologo tedesco Friderich Mohs, e a oggi è il metodo più diffuso per distinguere rapidamente i minerali in base alla loro durezza.
Come precedentemente accennato, l’indice introdotto da Mohs non fornisce valori assoluti di durezza quanto piuttosto una misura approssimativa della resistenza offerta da un minerale alla scalfittura a opera di un altro minerale o di un materiale con durezza nota, come un diamante, una moneta o un’unghia.
La scala di Mohs comprende 10 minerali di riferimento, ai quali sono stati attribuiti valori progressivi da 1 a 10 in base alla loro durezza. Il talco è il minerale più morbido, con una durezza pari a 1.
Il diamante, invece, è il minerale naturale più duro al mondo e ha un valore di durezza Mohs pari a 10.
Friedrich Mohs: l’uomo dietro la scala
Carl Friedrich Christian Mohs nacque nel 1773 a Gernrode, in Germania. Si formò come mineralogista e matematico, lavorando prima nelle miniere austriache e poi come curatore di collezioni mineralogiche private.
Fu proprio gestendo la collezione del banchiere viennese Johann Friedrich von Racknitz che si trovò davanti al problema pratico che cambiò la storia della mineralogia: come identificare e classificare i minerali in modo rapido, sistematico e riproducibile?
La risposta arrivò nel 1812, con la pubblicazione della sua scala. Non era il primo a ragionare sulla durezza, già René Just Haüy aveva proposto qualcosa di simile, ma Mohs fu il primo a scegliere minerali di riferimento fisici concreti, trasformando un concetto qualitativo in uno strumento pratico e universale.
Insegnò a Graz e poi a Vienna, dove divenne professore di mineralogia. Morì nel 1839, ma la sua scala è rimasta sostanzialmente invariata fino ad oggi: un caso raro di strumento scientifico ottocentesco ancora in uso attivo nel XXI secolo.
I minerali della scala di Mohs
I minerali della scala di Mohs sono i seguenti:
- Talco;
- Gesso;
- Calcite;
- Fluorite;
- Apatite;
- Ortoclasio;
- Quarzo;
- Topazio;
- Corindone;
- Diamante.
Talco
Il talco, che viene originato da processi metamorfici, è il minerale più tenero che si conosca.
Il talco è untuoso al tatto e non viene attaccato dagli acidi.
Grandi giacimenti di talco si trovano in Austria, sui Pirenei, in India e in varie località russe, australiane ed americane. In Italia il talco viene estratto in Lombardia, Piemonte e Sardegna.
Il talco trova applicazione nell’industria della carta, come lubrificante secco nell’industria tessile e materiale refrattario dato che è particolarmente resistente agli sbalzi termici.
Gesso
Il gesso è un minerale sedimentario di origine evaporitica. Può avere origine anche per idratazione dell’anidrite, per sublimazione da fumarole, oppure in seguito all’azione di acque su solfuri metallici. Il gesso è spesso associato allo zolfo, soprattutto nella formazione gessoso-solfifera.
In Italia bei cristalli di gesso si trovano nel Pavese, nell’Appennino bolognese e in Sicilia. Giacimenti di gesso sono stati trovati anche a Volterra (Pisa), dove viene estratto l’alabastro. Si trovano bei cristalli di gesso anche in Messico, USA e Cile.
Un tipo particolare di gesso, la rosa del deserto, si può trovare nei deserti di Marocco, Tunisia, Arizona e in New Messico (USA).
Il gesso viene usato nel campo dell’edilizia. Per la sua bassa durezza viene inoltre utilizzato nella realizzazione di sculture e oggetti ornamentali.
Calcite
La calcite è un minerale di origine sedimentaria che si forma sia per precipitazione chimica, sia per sedimentazione di resti inorganici di organismi marini con gusci composti da carbonato di calcio. Può avere anche origine metamorfica e molto più raramente origine magmatica.
Giacimenti di calcite si trovano in Inghilterra, Germania, USA e Francia. In Italia sono conosciuti i romboedri del Passo della Porretta (Pistoia), del Serrabus (Cagliari), dei Monti Lessini (Vicenza) e della Val di Fassa (Trento).
La calcite (marmi e calcari) viene usata nell’edilizia, come materiali ornamentali, e nell’industria chimica per la produzione della soda caustica.
Fluorite
La fluorite ha origine idrotermale e si forma in filoni, generalmente associata a solfuri di piombo, zinco e argento. In modo più raro ha anche origine pegmatitica.
I migliori cristalli di fluorite provengono dalle miniere inglesi: si tratta di cristalli cubici, verdi o violetti, spesso associati a calcite, barite, quarzo, galena e siderite. In Italia notevoli campioni di fluorite provengono dall’Alto Adige e dalla Sardegna.
La fluorite è il minerale più importante per la produzione di acido fluoridrico ed è fondamentale nell’industria della ceramica.
Apatite
L’apatite è un minerale molto comune come accessorio nelle rocce ignee e metamorfiche, nelle quali cristallizza nelle prime fasi della solidificazione magmatica.
Bei cristalli di apatite si trovano in Birmania, Sri Lanka e Brasile. In Italia sono stati reperiti campioni di apatite in Piemonte e in Alto Adige.
L’apatite ha molto importanza ai fini industriali, infatti si tratta del più diffuso minerale ricco di fosforo e viene usata per la creazione di fertilizzanti.
Ortoclasio
L’ortoclasio viene considerato il minerale più comune tra tutti i silicati. Bei cristalli di ortoclasio si trovano nei graniti dell’Isola d’Elba, nelle zone del Lago Maggiore ed in Trentino.
L’industria della porcellana sfrutta abbondantemente l’ortoclasio dato che mescolato con caolino e quarzo forma una massa facilmente fusibile e plasmabile.
Quarzo
Si ritiene che circa il 12% della crosta terrestre sia formata da quarzo, solidificatosi direttamente dal magma o formatosi per azione di fluidi a temperature di 150-200°C.
Grandi cristalli sono stati rinvenuti in Madagascar. Inoltre esemplari enormi, pesanti parecchie tonnellate, sono stati trovati in varie località del Brasile.
Il quarzo viene usato nel settore domestico(detersivi e perfino dentifrici) fino a quella industriale (vetrerie) e nella tecnologia avanzata (oscillatori, stabilizzatore di frequenze etc.).
Topazio
Il topazio è un minerale che si rinviene soprattutto in cavità e filoni delle rocce granitiche.
I giacimenti di topazio più abbondanti si trovano soprattutto in Brasile. Altri importanti giacimenti si trovano in Pakistan, negli Urali, Messico etc.
Corindone
Il corindone è un minerale che si trova nelle rocce metamorfiche, ma si anche in rocce che si sono formate da magmi poveri in silice.
Grandi giacimenti di questo minerale si trovano in rocce antiche degli Urali, Canada, USA e Canada. I corindoni dalla migliore qualità gemmologica vengono estratti in Birmania, Thailandia e Cambogia.
Data la sua notevole durezza il corindone trova ampio impiego come abrasivo, spesso viene impiegato per costruire i cuscinetti degli orologi o di altri strumenti di precisione.
Diamante
Il diamante si forma a centinaia di chilometri di profondità, nel mantello terrestre. I cristalli vengono portati poi in superficie attraverso i condotti vulcanici.
I giacimenti di diamante possono essere primari o secondari. Nel primo caso i diamanti si trovano ancora inglobati nella roccia madre, la Kimberlite; nel secondo caso sono stati separati, per erosione, dalla roccia e trasportati dall’acqua.
I principali giacimenti di diamante sono in Sudafrica e Brasile. Il diamante, oltre che nel settore della gioielleria, viene usato come abrasivo.
I trucchi pratici del geologo
Sul campo, non si porta sempre la collezione dei 10 minerali di riferimento. Si usano oggetti di uso comune come test rapidi:
- Unghia → circa 2,5
- Moneta di rame → circa 3
- Lama in acciaio → circa 5,5
- Vetro → circa 5,5–6
- Lima da unghie → circa 6,5–7
I materiali superduri sintetici: oltre il diamante?
Questa è la frontiera più affascinante. Il diamante è il più duro in natura, ma i chimici e i fisici dei materiali cercano da decenni di superarlo.
Nitruro di boro cubico (c-BN): ha una struttura analoga al diamante ma con atomi alternati di boro e azoto. Durezza ~45–50 GPa (il diamante è ~70–100 GPa). Non raggiunge il diamante, ma ha un vantaggio pratico enorme: non reagisce con il ferro ad alte temperature. Questo lo rende preferibile al diamante per lavorare acciai e leghe ferriche, perché il diamante a contatto col ferro caldo si degrada chimicamente.
Lonsdaleite (diamante esagonale): carbonio con struttura wurtzite invece di sfalerite. Teoricamente più duro del diamante cubico (previsioni teoriche: ~150 GPa). Trovato in meteoriti (si forma nell’impatto per trasformazione ultrarapida della grafite). Per decenni considerato il materiale più duro in assoluto, ma le misurazioni sperimentali sono difficilissime perché non si trova mai in campioni puri — spesso è frammisto a diamante cubico.
Wurtzite di nitruro di boro (w-BN): si tratte dell’analogo del lonsdaleite per il nitruro di boro. Previsioni teoriche simili. Stesso problema: difficile da ottenere puro e stabile.
Carburo di boro (B₄C): il terzo materiale più duro dopo diamante e c-BN. Durezza ~30 GPa. Molto usato in applicazioni balistiche (giubbotti antiproiettile ceramici) e come abrasivo industriale.
Fulleriti compressi : sfere di C₆₀ (buckminsterfullerene) compresse ad altissima pressione. Alcuni esperimenti hanno misurato durezza superiore al diamante in determinate condizioni, ma i risultati non sono ancora definitivamente confermati.
Le alternative moderne alla scala di Mohs
La scala di Mohs è pratica ma qualitativa. Quando serve rigore quantitativo, si usano altri metodi.
Durezza Vickers (HV)
Si preme un indentatore piramidale in diamante sulla superficie del materiale con un carico definito e si misura l’impronta lasciata. Restituisce un valore in MPa o GPa. Permette confronti assoluti e ci fa capire quanto sia non lineare la scala di Mohs: il talco è ~2 HV, il quarzo ~1000 HV, il diamante ~10.000 HV.
Durezza Brinell (HB)
Si usa una sfera in acciaio o carburo di tungsteno. Più adatta per metalli e materiali relativamente morbidi. Questo metodo non applicabile ai minerali duri.
Durezza Knoop (HK)
Indentatore a forma di piramide allungata. Utile per materiali fragili o rivestimenti sottili, perché l’impronta è meno profonda di quella Vickers.
Durezza Rockwell (HR)
Ampiamente usata in metallurgia. Misura la profondità di penetrazione dell’indentatore. Scala rapidissima da eseguire, ma meno precisa per i minerali.
Nanoindentazione
La frontiera attuale. Permette di misurare la durezza su scale nanometriche, utile per rivestimenti, film sottili e materiali compositi. Indispensabile nella ricerca sui materiali superduri sintetici.
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