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Tema 3B – La materia mineral y la materia cristalina propiedades y métodos de estudio

2. El concepto de mineral

Un mineral es toda sustancia química natural cuya composición puede variar dentro de unos límites y posee una estructura interna ordenada. Para que una sustancia sea considerada un mineral, debe reunir las siguientes características:

Ser un sólido. Esto excluye cualquier sustancia en otro estado físico.

Ser inorgánica.

Haberse originado en un proceso natural. Así, se descartan los materiales producidos como consecuencia de la actividad industrial.

Ser estable en un cierto intervalo de presión y temperatura. Ese campo de estabilidad se sitúa en torno a las condiciones fisicoquímicas reinantes en el ambiente de formación del mineral.

Tener una composición química definida y homogénea. Aunque hay minerales formados por átomos de un solo elemento químico (como el azufre), la mayor parte se compone de varios elementos combinados en moléculas a veces muy complejas.

Tener una estructura interna ordenada. Los átomos o moléculas que componen los minerales se disponen según un modelo espacial periódico y repetitivo llamado estructura cristalina.

Por lo tanto, los minerales están definidos por su composición química y por una estructura determinada. Esta estructura depende de las condiciones en las que se haya formado el mineral. Los minerales que, manteniendo la misma composición, presentan dos o más formas distintas se denominan polimorfos. Un ejemplo de ello es el aragonito y la calcita tienen la misma fórmula química CaCO3. El aragonito es el polimorfo de alta energía (se produce experimentalmente a valores de alta presión y alta temperatura); esto significa que cuando aparece aragonito, las condiciones de formación han sido de mayor temperatura y presión que cuando aparece calcita. Por otro lado, la calcita es más estable que el aragonito a bajas presiones y temperaturas (como las que hay en la superficie de tierra). clip_image002

Por otro lado, cuando un mineral presenta la forma de otro se denomina pseudomorfismo. Una forma de que este proceso ocurra es cuando un determinado mineral, con su forma característica, se altera. Entonces cambia la composición química, aparece un nuevo mineral, pero se mantiene la forma primitiva.(( No debemos confundirlo con Homeomorfismo que son minerales con igual estructura y composición muy diferente, ejemplo: Rutilo (TiO2) y Zircón (SiO4Zr).)).

Es importante señalar que en los minerales lo más común es que unos iones sustituyan a otros, haciendo variar gradualmente la composición, sin afectar a la estructura. Éste proceso origina series mineralógicas isomorfas (conjuntos de minerales con la misma forma y con composición distinta). Un ejemplo es la serie isomorfa de la forsterita-fayalita (olivinos).

La sustitución depende de la similitud en los tamaños de los iones, puesto que un ión puede ser sustituido por otro de radio iónico similar en una cantidad ilimitada si la diferencia de tamaño es menor al 15%,limitada del 15-30% y poco probable si es mayor del 30%. Otro factor a considerar es la carga del ión: iones monovalentes pueden ser sustituidos por divalentes, pero otras sustituciones tienen que realizarse para que, al final, la molécula sea eléctricamente neutra (generalmente deben ser de la misma carga para mantener la neutralidad de la estructura). Y finalmente debemos considerar como factor a la temperatura, puesto que, cuanto mayor sea la temperatura más fácilmente ocurre la sustitución.

3. La estructura cristalina

Cuando se dice que la estructura interna de un mineral está ordenada, significa que los átomos de los elementos que lo componen se colocan según una configuración interna simétrica. Por lo que la estructura cristalina de un mineral consta de dos o más partes idénticas, que se relacionan entre sí mediante relaciones geométricas controladas por operadores o elementos de simetría, como son el eje, el centro o el plano de asimetría.

La disposición estructural de los átomos de un mineral se representa en forma de una malla o red llamada celda unidad, que está definida por tres vectores llamados a, b y c y los tres ángulos que forman lo más próximo a 90º.La repetición tridimensional de la celda unidad, siguiendo una o varias de las relaciones geométricas de simetría citadas antes, genera una estructura llamada red cristalina. La estructura interna de un mineral está definida por su red cristalina característica, en cuyos vértices se disponen los átomos. Del apilamiento de estas redes se obtienen las redes tridimensionales. Existen 14 tipos diferentes de redes tridimensionales (redes de Bravais) que se agrupan en 7 sistemas cristalinos diferentes. Cada sistema cristalino viene caracterizado por unos determinados valores de las traslaciones y de los ángulos que forman de su celda unidad:

Para estudiar las redes cristalinas de los minerales, la cristalografía, intenta agruparlas teniendo en cuenta la celda unidad y las relaciones de simetría que dirigen su repetición espacial.

La estructura cristalina de un mineral se repite en todas las direcciones del espacio dentro de cada muestra de dicho mineral, pero no tiene porqué manifestarse externamente. Sin embargo, en ocasiones el mineral se origina en unas condiciones favorables, de manera que adquiere una forma externa que refleja exactamente su estructura interna. Una muestra que adquiera esta configuración externa ideal es un cristal.

Muchos minerales aparecen en forma de cristales. El aspecto exterior o forma cristalina de dichos cristales se denomina hábito cristalino y puede variar dependiendo de las condiciones de formación del mineral y de la presencia de impurezas. Así, hay minerales que presentan casi siempre el mismo hábito como la sal gema que aparece en cubos y otros de hábitos muy variables como la calcita que presenta gran variedad de formas.

4. Formación de los minerales

Como ya hemos visto el primer paso para la formación de un mineral es la constitución de su red cristalina, para lo que es necesaria la presencia de átomos y unas determinadas condiciones de presión y temperatura que permitan los enlaces entre ellos (éstos enlaces pueden ser iónicos, covalentes, metálicos, o de fuerzas de Van der Waals). Una vez producido el enlace, el que un mineral forme cristales o desarrolle un determinado hábito cristalino dependerá de que en su ambiente de formación se den tres condiciones:

-Espacio suficiente para crecer,

-tiempo para ordenarse y

-reposo para que los átomos puedan disponerse en lugares concretos del espacio.

Mediante el proceso de cristalogénesis se forman los cristales de un mineral. Este se divide a su vez en dos fases: cristalización y recristalización.

Cristalización: Es el proceso que origina los cristales y consiste en la agrupación ordenada de las partículas elementales que se adicionan por yuxtaposición a un núcleo cristalino., que se lleva a cabo mediante alguno de estos procesos:

Solidificación de un magma – Mientras el magma está fundido y caliente, los átomos no pueden ordenarse en cristales. Al producirse el enfriamiento, las condiciones termodinámicas van permitiendo la aparición de cristales de diferentes especies minerales. La rapidez con que tiene lugar la cristalización de un mineral está en razón inversa de su contenido en silicio. Los minerales formados directamente del magma enfriado se denominan primarios; los derivados de éstos como consecuencia de la acción de los agentes atmosféricos u otras causas, constituyen los minerales secundarios. De esta forma, se originan los minerales ígneos que conforman las rocas de este tipo.

Hemos de tener en cuenta que dependiendo de donde se encuentre el magma, los cristales de los minerales que se forman serán: si el magma está en el interior de la Tierra, los cristales serán uniformes (textura holocristalina); si todavía está en fase de expansión por la grieta, es decir, en el camino hacia la superficie y se enfría rápidamente, se formará pasta y cristales de diferentes tamaños (pórfidos) y si el magma se enfría en el exterior, como ocurre con los volcanes, se formará pasta (textura vitrea) y microcristales.

Precipitación química a partir de disoluciones – Es decir, los elementos o moléculas que se encontraban en disolución recuperan su estado sólido y forman cristales. Este proceso es típico de los minerales de rocas sedimentarias como los carbonatos, los sulfatos o las evaporitas.

Sublimación regresiva: Es frecuente en las fumarolas volcánicas, donde los vapores calientes de azufre salen al exterior pudiendo entonces formar cristales. clip_image004

Si por el contrario encontramos minerales transformados, estaremos ante un proceso de recristalización.

Consiste en una serie de transformaciones en estado sólido que pueden hacer que algunos minerales sólidos se transformen en otros diferentes sin cambiar su composición química básica. Por ejemplo, los minerales sometidos a presiones y temperaturas intensas pueden perder la estabilidad de sus redes cristalinas y cambiarlas por otras que sean estables en las nuevas condiciones. Esto suele suceder en el ambiente metamórfico.

Hemos de tener en cuenta que para que se forme un cristal es necesario un aporte continuo de materia a la red cristalina del núcleo inicial para así ir completando varias cadenas lineales que se asocian en una superficie reticular. Asimismo para crear nuevas superficies reticulares necesitaremos nuevos núcleos y todo este conjunto formará el cristal.

Muy frecuentemente, durante el proceso de crecimiento del cristal aparecen irregularidades o imperfecciones que afectan a la velocidad de crecimiento del cristal, a su forma final y a sus propiedades físicas. Un ejemplo es el de las dislocaciones, que se producen cuando se origina un desplazamiento de una superficie reticular con respecto de otra, formando un escalón. Esto favorece el crecimiento de ciertas caras del cristal y ralentiza o impide el de otras; el resultado final es una forma irregular. La formación de irregularidades en el crecimiento de los cristales se debe a factores propios del ambiente de formación, como las sustancias extrañas, la presión, la temperatura, el espacio, el tiempo, la radiactividad etc. En función de estas imperfecciones un mismo mineral puede presentar hábitos cristalinos diferentes como ocurre en los cristales de pirita.

En la naturaleza es muy raro que los cristales se originen aislados. Lo más habitual es que cuando un cristal crece, también suelen hacerlos otros alrededor a partir de otros núcleos. Estas agrupaciones de cristales se llaman agregados cristalinos y pueden ser de varios tipos:

Agregados irregulares. Están formados por un gran número de granos cristalinos que no guardan entre sí ninguna orientación. Se encuentra en la mayor parte de las rocas, como el granito.

Agregados paralelos. Se forman cuando las caras de un mismo cristal crecen a diferentes velocidades o por la presencia de distintos núcleos durante la cristalización. Por ejemplo, las agrupaciones de agujas o de fibras de yeso y calcita o las drusas y geodas.

Las maclas. Son agrupaciones de dos o más cristales que crecen juntos y simétricos. Las relaciones de uno de los cristales definen las relaciones del otro cristal. Las maclas pueden ser de contacto o de compenetración: en las primeras, los cristales crecen uno al lado del otro y la superficie de unión está definida, en las segundas, los cristales se compenetran y la superficie de unión es irregular. Los componentes de una macla están relacionados entre sí a través del plano de macla (plano sobre el cual las dos partes de la macla están dispuestas simétricamente), eje de macla y algunas poseen un centro de macla.

Estos elementos definen la Ley de macla. Las maclas de contacto viene definidas por un plano; las maclas de penetración por un eje; las maclas múltiples se forman por tres o más partes macladas según la misma ley. Ejemplo de maclas: Cruz de hierro de la pirita. clip_image006

5. Propiedades de los minerales

5.1. • Químicas

-Reactividad: capacidad de reaccionar con otras sustancias, como la calcita con ácido clorhídrico

-Solubilidad: formación de una disolución en agua, como el yeso.

-Sabor: característico de algunos minerales, como la halita o sal gema .Sin embargo no a todos se les puede definir por el sabor puesto que son venenosos.

-Radiactividad: emisión de partículas atómicas, como la uraninita, de la que se obtiene el uranio.

5.2. • Físicas

-Densidad: relación entre masa y volumen. Por ejemplo, la baritina se usa para aumentar el peso de lodos utilizados para perforación en pozos de petróleo o gas

-Forma: si reflejan exteriormente la forma cristalográfica, se les llama cristalizados, como la pirita.

-Conductividad: capacidad para conducir la electricidad, como el cobre nativo.

-Piezoelectricidad: fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie.

-Piroelectricidad: En estos mismos cristales, la corriente puede generarse por cambios de temperatura. Ejm: el cuarzo usado en los mecheros de chispa.

-Magnetismo: En un campo magnético potente unos minerales son atraídos (paramagnéticos) y otros son repelidos. (Diamagnéticos).Ejemplo: la magnetita además de ser magnético, es un imán natural.

5.3. • Mecánicas

Dureza: resistencia que presenta un mineral a ser rayado. La escala de dureza más usada es la de Mohs que de menor a mayor dureza es: Talco,Yeso,calcita,fluorita,apatito, Ortosa, cuarzo, topacio, corindón y diamante. Hay que tener en cuenta que la dureza es una propiedad vectorial. Y en general, la dureza aumenta al disminuir el tamaño iónico y/o el contenido en OH. Ejemplo: Al2O3 tiene una dureza de 9 y Al(OH)3 tiene una dureza de 3.

Recordar que los minerales muy blandos pueden ser rayados por la uña y que el diamante tiene una dureza tal que le permite rayar un cristal.

Exfoliación: capacidad de partirse en láminas, un ejemplo son las micas.

Fragilidad: facilidad para partirse. Esta cualidad no es lo mismo que la dureza, puesto que el diamante, siendo el mineral más duro, es muy frágil.

Tenacidad: Es la resistencia que opone un mineral a ser roto, triturado, doblado o seccionado. Así tenemos minerales: frágiles —> se pueden reducir a polvo por trituración), maleables —> cambian de forma al ejercer una presión sobre ellos, séctiles —>son tan blandos que pueden cortarse con un cuchillo, flexibles —>se deforman con facilidad y elásticos —> después de ejercer una presión sobre ellos recuperan rápida y espontáneamente su forma inicial.

5.4.Ópticas

Color: Cuando la luz incide sobre un mineral, parte de ella se refleja y otra se refracta. Si la luz no sufre absorción, el mineral será incoloro. Los coloreados absorben ciertas longitudes de onda, y el color es el resultado de aquellas longitudes que llegan al ojo.

En algunos minerales el color es debido a uno de sus componentes, presentando siempre, por ello, el mismo color; otros varían el color por impurezas o por alteración superficial (Idiocromáticos).

El color del polvo fino de un mineral se conoce como RAYA y es prácticamente constante Se obtiene frotando un mineral sobre una lámina de porcelana porosa. La raya no siempre coincide con el color que presenta el mineral un ejemplote ello es la pirita que tiene color amarillo y raya negra.

Brillo: mide el grado de luz reflejado en la superficie del mineral. Puede ser no metálico (resinoso, graso, vítreo, adamantino, nacarado, sedoso, etc.) o metálico.

Diafinidad: es la propiedad que tienen los cuerpos de dejarse atravesar por la luz. Según el gradote luz que los traspase pueden ser transparentes (cuando se puede ver perfectamente a través de ellos), como algunos cristales de calcita; translúcidos (los contornos de los objetos situados detrás de estos cuerpos se ven difusos cuando miramos a su través), como es el caso del aragonito y opacos (no dejan pasar la luz), como la magnetita.

5.5. Otras propiedades

Isotropía: Mismas propiedades en todas las direcciones. , es decir, en el caso de la luz, ésta puede moverse a igual velocidad en todas las direcciones. Sin embargo, los anisótropos presentan distintos propiedades en función de la dirección. Por ejemplo: presenta distintos índices de refracción en función de la dirección del haz de luz

6. Tipos de minerales

La existencia de numerosas especies minerales en la geosfera se deben a sus diferentes condiciones de formación que influyen a su vez en las características composicionales y estructurales. Para estudiar toda esta diversidad se han agrupado a los minerales según su composición química y estructura. Por lo que encontramos minerales silicatados y minerales no silicatados.

6.1. Minerales silicatados

Los silicatos son un grupo extenso de minerales muy abundantes en la naturaleza (constituyen aproximadamente un tercio del total de las especies conocidas). De hecho, una parte considerable de todas las rocas de la corteza terrestre contienen silicatos en su composición mineral.

La unidad básica de estos minerales está formada por cuatro átomos de oxígeno situados en los vértices de un tetraedro regular, rodeando a un átomo de silicio tetravalente. Los tetraedros de silicio y oxígeno que forman los silicatos pueden permanecer independientes o unirse entre sí compartiendo uno, dos, tres o los cuatro oxígenos. (Si O₄⁻⁴) También pueden unirse a átomos de otros elementos (casi siempre metales) En función de estas variaciones, se forman estructuras diferentes:

Nesosilicatos son tetraedros aislados unidos mediante cationes de elementos metálicos, sobre todo hierro y magnesio. Un ejemplo es el olivino, denominado así por su color verde oliva, es frágil, puede ser transparente y es muy abundante en las rocas volcánicas de las islas canarias, donde se le conoce como olivita. Es uno de los primeros minerales que solidifican al enfriarse un magma, ya que su punto de fusión es de unos 1600 ºC. clip_image008

Sorosilicatos Son parejas de tetraedros que comparten un oxígeno. Como ejemplo podemos poner a la hemimorfina, que es un silicato de cinc que suele aparecer por meteorización de las menas de este elemento.

Ciclosilicatos Lo constituyen varios tetraedros unidos en forma de anillo (comparten dos oxígenos). Como ejemplo tenemos al berilo y a la turmalina. ambas forman cristales grandes y muy vistosos, con numerosas variedades. Los más apreciados son las esmeraldas, que son variedades del berilo.

Inosilicatos Formados por cadenas de tetraedros que pueden ser simples si comparten dos oxígenos o dobles si comparten tres oxígenos. Como ejemplo encontramos los piroxenos, que están formados por dos cadenas sencillas de tetraedros de silicio que comparten dos oxígenos y que se unen entre sí mediante cationes. Por ejemplo la augita, que contiene calcio, hierro y magnesio y es de color verde oscuro o negro, se rompe fácilmente por ciertas líneas de exfoliación y es un componente habitual de las rocas volcánicas.

Los anfíboles son otro ejemplo de cadena doble. La horblenda que es de color verde muy oscuro tiene una exfoliación más marcada que la de la augita y presenta algunos átomos de silicio sustituidos por aluminio. Abunda en rocas magmáticas.

Filosilicatos Formados por capas o láminas de tetraedros que comparten tres oxígenos. Como ejemplo podemos poner a las micas, que se caracterizan por su capacidad para exfoliarse en forma de escamas muy finas y un característico brillo nacarado. Abundan en rocas magmáticas y metamórficas.

Tectosilicatos Formados por tetraedros que comparten todos los átomos de oxígeno formando armazones tridimensionales muy compactos. Algunos átomos de silicio están constituidos por aluminio. Contiene potasio, sodio o calcio. Como ejemplo podemos encontrar a los feldespatos que son los silicatos más abundantes. Son duros y de color blanco, amarillento o rosado. Se diferencian en la proporción de calcio o sodio que contienen. También el cuarzo es otro ejemplo de tectosilicato. Sólo está formado por tetraedros de sílice y carece de cationes. Se origina a muy bajas temperaturas, y por tanto, está más cerca de las condiciones ambientales de la superficie terrestre, lo que le hacer ser uno de los minerales más resistentes a la erosión. Presenta muchos colores y formas y es un componente esencial de muchos tipos de rocas.

ESQUEMA DE TIPOS DE SILICATOS

6.2. Minerales no silicatados

Elementos nativos: Son elementos químicos que son minerales por sí solos. Son frecuentes el oro, la plata, el azufre o el diamante.

Súlfidos: Son compuestos de metales con azufre o con otros elementos de su grupo. Destacan los sulfuros como la pirita y las sulfosales.

Óxidos e hidróxidos: Son combinaciones de metales y oxígeno como la magnetita, el rutilo o la pirolusita.

Halogenuros: Las más conocida de estas combinaciones iónicas de metales y elementos halógenos es la halita o sal gema.

Carbonatos, nitratos y boratos: los más importantes son los primeros que son combinaciones de metales con el grupo carbonato. El ejemplo más importante es el de la calcita que forma las rocas calizas.

Sulfatos, cromatos, molibdatos y wolframatos: Con esta composición destacan el yeso y la wolframita.

Fosfatos, arseniatos y vanadatos: Son importantes las oxisales de los ácidos con fósforo como la turquesa y el apatito.

7. Métodos de estudio

Desde la más remota antigüedad las propiedades de los minerales han llamado la atención del hombre, provocando la aparición de sus primeros métodos de estudio. A lo largo de la historia aparecieron técnicas para evaluar su dureza, peso específico y ciertas propiedades ópticas.

Mediante el calentamiento de menas y al hacerlas reaccionar con otras sustancias, fueron obtenidos los primeros datos sobre las composiciones químicas de algunos minerales.

En el siglo XIX los cristalógrafos establecieron las leyes sobre la constancia de los ángulos en las caras cristalinas de un mismo mineral, permitiendo establecer las bases de una nueva rama de las ciencias: la cristalografía.

Pero la verdadera revolución en mineralogía y cristalografía se produce con el desarrollo de los métodos analíticos de difracción de rayos X, en los años veinte del siglo XX. Este método proporciona una enorme cantidad de datos sobre las estructuras cristalinas y sobre la relación entre la morfología de los cristales y la composición químico/atómica de los minerales. Esta posibilidad de descifrar las estructuras cristalinas de los minerales permitió introducir un criterio estructural en la clasificación de los minerales, así como fijar los criterios para la determinación de nuevas especies minerales.

En el siglo XX aparecen distintos métodos cuantitativos para determinar la dureza de un mineral, debiéndose definir, desde entonces distintos tipos de dureza (de penetración, de raya, de desgaste etc.), pudiéndose, además, estudiar la anisotropía de esta propiedad en los cristales.

Las propiedades ópticas se determinan con menor facilidad que otras propiedades físicas de los minerales, pero son de suma importancia en la caracterización e identificación de los mismos. El método instrumental de análisis de las propiedades ópticas de los minerales es la microscopía óptica de polarización. La instrumentación consiste básicamente en un microscopio óptico compuesto (similar a los utilizados en biología) mas un sistema doble de polarizadores de la luz.

Dentro de los métodos espectroscópicos, no sólo siguen desarrollándose los métodos clásicos (espectroscopia óptica), sino que aparecen nuevos métodos (espectroscopia de rayos infrarrojos, métodos de luminiscencia, espectroscopia Raman, resonancia spin-electrónico, etc). Estas técnicas espectroscópicas permiten conocer la composición, la naturaleza del color de los minerales, etc., así como resolver numerosos problemas mineralógicos y físicos.

Métodos con instrumentación sencilla

• Reconocimiento visual

• Dureza y tenacidad

• Peso específico

• Goniometría de cristales

• Método de inmersión

Métodos fundamentales de análisis instrumental

• Microscopía óptica de polarización

• Técnicas de difracción de rayos X

• Fluorescencia de rayos X

• Absorción y emisión atómica

• Microscopía y microsonda electrónica

Otros métodos de análisis instrumental mineralógico

• Análisis térmico

• Espectroscopia (general)

• Espectroscopia UV y óptica

• Espectroscopia de infrarrojos

• Espectroscopia Raman