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

1.- Definiciones

Materia Mineral

Materia cristalina

2.- Materia Mineral

2.1.-Génesis (Magmáticos, Metamórficos y sedimentarios)

2.2.-Propiedades quimico-estructurales (Ideomorfismo/Polimorfismo)

2.3.-Propiedades Físicas (3) Escalares (Densidad, Calor Esp. Punto Fusión)

5) Vectoriales: Mecánicas(Dureza, exfoliación, Partición, Fractura y elasticidad)

Eléctricas (Pizo y piro electricidad)

Térmicas (Conductividad y Dilatación tª)

Magnéticas (Ferro, Para y Diamag.)

Ópticas.

Ópticas: Color,Color de Raya, Brilllo, Luminiscencia (fosfo, fluorescencia)

Isotro/anisotropia óptica Birrefringencia , colores pleocroísmo, Biaxico Uniaxico

3.- Materia Crsitalina.

3.1.- Estructura, repetición 3d Periodicidad Simetria y anisotropía.

3.2.- Simetría (Operaciones, y elementos plano réflex; eje rota, centro inversión)

3.3.- Constantes reticulares , ejes axiales y angulos razón axica

3.4- Siete sistemas cristalinos. TMOTHRC (Trciclinico, Monoclinico, Ortorómbico, Tetraedrico, Hexagonal, Rombohedrico, Cúbico.)

3.5- Los 7 sistemas (P) combinados con diferentes elementos simetría (C centro y F caras), dan lugar (32) Clases de simetría y grupos espaciales

3.6 La forma externa de los cristales Hábito y Macla (Simple 2 o compuestas).

3.7 Nº coordinación, avidez por la aceptación aniones, Series Poli-/ Isomorfas

4.- Métodos de Estudio

4.1- Análisis químico

4.2-Microscopio Luz polarizada.

4.3- Microscopio Electrónico

4.4.- Rayos X, ley de Laue, ley de brag (Metodo laue, cristal fijo, Cristal rotatorio, Difractometro de polvo)

1. La materia Mineral y La materia cristalina

Mineral. Material natural, sólidos a temperatura y presión ambiente, (excepto el Hg) inorgánicos (sin estructura de ser vivo), con composición química dentro de unos márgenes definidos y con estructura interna homogénea. Generalmente se presentan bajo unas formas geométricas regulares los cristales.

Puede presentarse si estructura interna como sólidos amorfos (carbón, ópalo…) comúnmente denominados mineraloides.

De todas sus propiedades quizás la más definitoria es su estructuración interna ordenada lo que nos lleva a la definición de materia cristalina.

Materia Cristalina

Cuerpo tridimensional cuyas partículas se ordenan regularmente en el espacio en posiciones fijas a distancias regulares formando redes bien definidas y ordenadas.

Es propia del estado sólido pero no exclusiva ya que existen materiales que no cumplen estos criterios, los sólidos amorfos o vítreos.

Cristal sólido homogéneo con orden interno tridimensional de largo alcance, el estudio de estos cuerpos, su crecimiento su forma y estructura se estudia por la Cristalografía.

La disposición interna tiende a extenderse a nivel macroscópico formando poliedros, la mejor o peor formación de estos depende de las condiciones y tiempo de cristalización.

Para la formación de cristales regulares son necesarios:

-Tiempo necesario para que cada partícula alcance su posición

-Espacio para que la estructura tridimensional pueda constituirse.

-Reposo para que la energía cinemática de la partícula no impida el posicionamiento.

2. Materia Mineral.

2.1. Génesis.

Los minerales pueden originarse por procesos internos y externos.

– endogenéticos, por procesos mineral-genéticos internos (ígneos y metamórficos)

– exogenéticos, por procesos mineralo-genéticos externos. (sedimentarios, detríticos o químico-orgánicos).

· Minerales ígneos: por procesos ígneos, en las fases ortomagmática (>500ºC), neumatolítica (250-500ºC) e hidrotermal (<250ºC), silicatos y otros compuestos accidentales con gran interés económico (turmalina, topacio, berilo…)

· Minerales metamórficos: por los diversos tipos de metamorfismo (regional, de contacto, de altas presiones, etc.); propios de las rocas magmáticas y los específicos indicadores del proceso metamórfico como Sillimanita, andalucita, epidota y distena. Los hay con interés economico no metálicos (granate, grafito, asbesto) y metálicos (blenda, siderita, cinabrio)

· Minerales exogenéticos: pueden originarse por vías, principalmente sedimentarias.

– Productos detríticos: por depósito y concentración de restos de otros minerales, en zonas denominadas placeres. Ejemplos son el oro, la plata y la magnetita.

– Productos residuales de meteorización y secundarios de alteración: rocas superficiales sometidas a alteración como productos residuales Ej. oligisto, limonita y bauxita.

– Productos químico-orgánicos: debidos a la acción química del medio y los seres vivos, destacando los fosfatos, carbonatos, los yacimientos salinos y los combustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo).


2.2. Propiedades químico estructurales de los minerales

Son propiedades relativas a la composición química y estructura de los minerales.

– Isomorfismo: propiedad por la que para una misma estructura y forma cristalina, por sustitución de determinados iones por otros en la estructura cristalina (en solución sólida) se obtienen minerales con composiciones diferentes y todas las variedades intermedias a ambos extremos.

Ej. Plagioclasas (Albita-Anortita), los olivinos (Fosterita-Fayalita)…

– Polimorfismo: Una misma sustancia química puede adquirir distintas estructuras y formas cristalinas, dependiendo de las condiciones ambientales (P y Tª), sin variar su composición química. Misma composición con distinta forma cristalina

Ej: cuarzo (α,β, tridimita, cristobalita), Silicato aluminio (andalucita, sillimanita).

2.3. Propiedades físicas de los minerales

Las propiedades de los minerales describen su comportamiento frente a estímulos externos. El comportamiento frente a estos estímulos pude ser de dos maneras

Podemos agruparlas en:

· Escalares Intrísecas e independientes de la dirección en que se midan.

· Vectoriales varían en función de la dirección en que se mida:

o anisótropo valor obtenido frente al estímulo es distinto según la dirección

o isótropo el valor obtenido en el estímulo es el mismo en cualquier dirección.

Propiedades Escalares: (3)

1) Densidad, relación entre la masa del mineral y el volumen que ocupa, es función del peso atómico de los elementos composicionales y grado de empaquetamiento. Considera el volumen de porosidad.

2) Calor específico, cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura del mineral en 1 ºC.

3) Puntos de Fusión y ebullición, temperatura a la que el mineral cambia de estado físico, (solido-líquido y líquido a gaseoso, respectivamente).

Propiedades Vectoriales: (5)

1) Mecánicas

2) Eléctricas

3) Térmicas

4) Magnéticas

5) Ópticas

1) Mecánicas (6)

Dureza; resistencia a ser rayado por otro, depende de la fuerza de unión de los enlaces de la estructura, los más duros los que poseen enlaces covalentes. Se mide con el esclerómetro que determina un valor absoluto o más frecuente mente por comparación obteniendo la escala de Mosh:

Talco, Yeso, Calcita, Fluorita, Apatito, Ortosa, Cuarzo, Topacio, Corindón y Diamante.

Tenacidad: resistencia a ser roto molido o doblado, función de su cohesión interna. Clasifica los minerales en frágiles, maleables, dúctiles o elásticos.

Exfoliación, capacidad de separase por capas finas o láminas, caras planas y paralelas, es función de su estructura interna, se describe como, perfecta, buena, apreciable, imperfecta.

Partición: al someterse a esfuerzos presentan planos de debilidad a favor de los planos de la red cristalina, a favor sobre los que luego se pueden romper (distinto de la exfoliación depende de haber estado sometidos a presión o presentar maclas.

Fractura: propiedad de romperse ante esfuerzos según superficies irregulares (de fractura), se suele describir como irregular, concoidea…

Elasticidad: propiedad de recuperar el volumen una vez se ha sometido a un esfuerzo, cuando este cese.

2) Eléctricas

En función del enlace químico que una sus partículas podrán conducir (metálico) o no (covalentes) la electricidad.

piezo-electricidad inducción de corrientes eléctricas al someterle a presión por los extremos

piro-electricidad las corrientes se inducen por cambios de temperatura

3) Térmicas

Conductividad; cantidad de calor que fluye a su través (función de enlaces químicos).

Dilatación térmica variación de magnitudes al aplicarle calor.

4) Magnéticas

Susceptibilidad frente a campos magnéticos externos, tres comportamientos:

Ferromagnéticos; con campo magnético propio o lo conservan después de someterse a uno externo (magnetita, titanita)

Paramagnéticos; generan un campo magnético contrario al inducido, menos intenso siderita

Diamagnéticos no magnéticos, se les induce un campo del mismo signo que cesa al cesar la inducción. Cuarzo.

5) Propiedades ópticas

Por interacción de los minerales con la luz de los cristales con la luz, dividiremos para su estudio en las propias de visu (macroescopicas) y al microscopio de luz polarizada.

Color: el color es el resultante de las longitudes de onda reflejadas, cuando absorbe el 100% negro, si refleja el 100% blanco y si transmite el 100% transparente.

Ideo-cromáticos minerales con coloración propia, los que tiene variable alocromáticos.

Color de raya: es invariable (identificativo) y es color que presenta el polvo fino al rayar una placa.

Brillo: Aspecto de la superficie cuando se refleja la luz;

Metálico (brillo de metal), son opacos no transmiten la luz y raya negra.

No metálico (transmiten la luz en finas láminas) son transparentes

Luminiscencia, capacidad de transmitir la luz bajo estímulos externos, si se mantiene al cesar el estímulo Fosforescente, si se retira fluorescentes.

Isotropia/anisotropia: los isótropos (amorfos y cúbicos) transmiten la luz a la misma velocidad en todas las direcciones los anisótropos no, varía según la dirección.

Índice de Refracción: Relación entre la velocidad de la luz fuera V y la velocidad a través del cristal v, es función de la densidad del material. n=V/v

Esta variación en velocidades permitirá obtener una dirección de velocidad máxima y otra mínima con dos índices de refracción distinta, la diferencia entre estos índices de refringencia es la Birrefringencia.

La birrefringencia es observable al microscopio polarizado, ayuda a caracterizar. Si el mineral tiene un eje isótropo (eje c crsitalográfico) a la transmisión de la luz será uniáxico (tetragonales, hexagonal y trigonal) y si tiene dos Biaxico (rómbico, monoclínico y triclínico).

Cuando sometemos al cristal a un microscopio de luz polarizada, cuando la incidencia de la luz coincida con el eje óptico se tornará negro (isotropía, = opaco) posición de extinción, en el resto de posiciones la luz se divide en dos rayos el que vibra en el eje óptico (Rayo Ordinario) y otro en otra velocidad Rayo Extraordinario.

Los cristales Biáxicos tiene dos posiciones de extinción y su ángulo 2V es positivo si es agudo y negativo si es obtuso. Entre las posiciones de extinción se observarán colores de interferencia…

3. La materia cristalina, propiedades.

3.1. La estructura cristalina

Un cristal está constituido una serie de repetición tridimensional, siendo las unidades constituyentes átomos, iones o moléculas, en una estructura de mínimas dimensiones denominada celdilla unidad.

El principio fundamental cristalográfico es la denominada ley de la constancia de los diedros o ley de Steno: Un cristal está definido por los ángulos de sus caras, no por su forma externa, puede presentar formas más o menos alargadas, pero conservando siempre el valor de sus ángulos diedros.

La ordenación a nivel atómico de la materia cristalina conlleva tres propiedades fundamentales, Homogeneidad=Periodicidad, anisotropía y simetría:

Periodicidad: la periodicidad de un medio cristalino implica que la materia que lo forma se haya a una distancia y posición específicas, esto nos permitirá considerarla como una red de puntos o nudos repetidos indefinidamente en el espacio.

Si se repiten en una dirección a distancia equivalente red monoclinal o fila reticular

Si se repiten en dos direcciones red bidimensional o plano reticular.

Si se repiten en tres direcciones red tridimensional o red espacial.

Celdilla unidad: poliedro de menor volumen distinguible en una red espacial, Geométricamente sólo hay 14 posibles las denominadas redes o celdas de Bravais

Simetría: es la operación que nos permite hacer coincidir un punto con sus homólogos.

Anisotropía: las características que presentan los cristales de variar sus propiedades físicas en función a la dirección en que se midan

3.2. La simetría en los cristales

Simetría es la repetición regular de elementos al realizar una operación (op. de simetría), esta propiedad es consecuencia de la naturaleza periódica de la materia cristalina, se manifiesta de manera interna en la red y externa como consecuencia de la red espacial.

Son tres las operaciones fundamentales de simetría interna:

· Reflexión repetición de elementos a igual distancia y a ambos lados de un plano, plano de simetría “m” (divide al cristal en dos mitades especulares).

· Rotación: repetición de un elemento al rotar alrededor de un eje línea imaginaria que al girar repita la apariencia 1 (unitario 360º) ,2 (binario 180º) ,3 (ternario 120º) ,4 (cuaternario 90º) ó 6 (senarios 60º) veces durante una rotación completa.

· Inversión Repetición de elementos a igual distancia de un punto (centro de simetría) sobre una línea directa.

Estas operaciones de simetría pueden darse aisladas o combinadas, ej. inversión y rotación eje de roto-inversión.

A las operaciones de simetría interna habría que añadir una de simetría externa la traslación repetición indefinida en la misma dirección a distancia regular, vector simetría .

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3.3. Constantes reticulares

Una red espacial puede considerarse el resultado de repetir una celdilla unidad en las tres direcciones del espacio. La celdilla unidad viene definida por:

Eje axial o cristalográfico son las aristas de la celdilla unidad, los ángulos que forman son ángulos interáxiales en su conjunto forman las constantes reticulares

Cruz axial el sistema de ejes que forman los ejes de una celdilla.

Razón Áxica relación entre longitudes de las tres aristas.

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3.4. Los 7 tipos de celdillas unidad = sistemas cristalinos o singonías

Se distinguen 7 tipos de celdillas unidad o redes primitivas, correspondientes cada uno con una cruz axial (diferentes constantes reticulares), cada una con diferente simetría:

Sistema cristalino

Relación ejes axiales

Relación ángulos interaxiales

Posición de Nudo

Cantidad redes Bravais

Elemento Simetría

(T) Triclínica

a≠b≠c

α≠β≠γ

(P)

1

1E3 ó 1 C

(M) Monoclínica

a≠b≠c

α= γ=90º≠ β

(P) ; (I)

2

1E2ó 1 P

(O) OrtoRómbica

a≠b≠c

α= β = γ=90º

(P) ; (I); (F); (C)

4

3E2ó 3 P

(T) Tetragonal

a=b≠c

α= β = γ=90º

(P) ; (I);

2

1E3

(H) Hexagonal

a=b≠c

α= β = 90º ≠γ=120º

(P)

1

1E6

(R) Romboédrica

a=b=c

α= β = 90º ≠γ=60;120º

(P)

1

1E4

(C) Cúbica

a=b=c

α= β = γ=90º

(P) ; (I); (F);

3

4E3

A partir de estas series primitivas (P) aparecen las redes de Bravais en función de la posición de los nudos dentro de la red habiendo 3 tipos:

a) Centradas en el interior (tipo I) nudo en el centro

b) Centradas en una cara (tipo C) nudo en la cara c

c) Centradas en todas las caras (tipo F) nudos en todas las caras.

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3.5. Los 7 sistemas cristalográficos

Los sistemas cristalográficos caracterizados por una simetría externa estos serán

E eje de simetría, P Plano de simetría; C Centro de simetría

Por combinaciones en función del número y tipo de sistemas obtendremos 32 grupos o clases de simetría, de cada sistema habrá una clase que contiene la máxima simetría posible clase holoédrica las restantes tendrán una menor simetría son clases meroédricas.

3.6. La forma externa de los cristales

Forma cristalina: es el conjunto de caras de un cristal relacionadas entre sí por una operación de simetría , si está cerrada en el espacio Forma cristalina cerrada y si no forma cristalina abierta, que no será considerado por si sólo como cristal y se combinará con otras dando formas compuestas.

Hábito cristalino es la forma exterior de un cristal, una misma sustancia en diferentes condiciones puede mostrar diferente hábito, los mayores condicionantes suelen ser presencia de impurezas y Tª.

Maclas Los cristales suelen aparecer como agregados heterogéneos. Las maclas son agregados de dos o más cristales de la misma especie que crecen relacionados por una condición de simetría que es denominada Ley de Macla (eje, plano o centro).

Tipos:

– Simples 2 cristales (yuxtapuestos y compenetración)

– Múltiples más de 2 cristales

También pueden ser Polisintéticas, varios cristales muy finos paralelos; centrados (girados alrededor de un punto), miméticas (con apariencia de un cristal de simetría superior).

3.7. Número de coordinación, poliedro de coordinación

En una estructura cristalina cada ión tiende a coordinarse con tantos iones de carga contraria como le sea posible por su tamaño, lo hace formando un poliedro regular o poliedro de coordinación en una estructura estable cada catión está en el centro de un poliedro de aniones siendo el número de aniones el número de coordinación que condiciona la celdilla unidad, tipo de red y simetría.

Para que la estructura sea estable tiene que tener carga neutra (cationes=aniones).

Hay una serie de factores que condicionan el número de coordinación:

a) Tamaño del radio iónico, si son tamaños semejantes tendrán números de coordinación mayores. Relación r. catión/r.anión <1 cuanto mas próximo a 1 empaquetamiento compacto; 1-0,732 = nº coordinación 8 poliedro cúbico…..<0,155 nº coord.. 2 poliedro lineal.

b) Valencia de iones si coinciden también lo hará el número de coordinación y el poliedro, si estas no coinciden tampoco lo hará el nº de coordinación

3.8. Ideomorfismo y Polimorfismo

Ideomorfismo: son sustancias químicas diferentes que presentan la misma estructura cristalina.

Puede haber todo un grupo de minerales isomorfos, serie isomorfa, que generalmente les confiere propiedades semejantes. Lo común es que dos minerales isomorfos presenten iones con radios iónicos semejantes para no alterar el nº de coordinación.

Solución sólida = variación en composición de una estructura cristalina de un mineral donde cambia un ión o un grupo de iones sin cambiar la estructura. (eje,. Olivino,)

PoIimorfismo: la misma sustancias que se manifiesta con diferentes estructuras cristalinas según condiciones de P y Tª en donde haya cristalizado, a pesar del mismo quimismo son minerales muy diferentes y tienes propiedades muy distintas. (ej: grafito y diamante). Hay dos tipos de polimorfismo.

– Polimorfismo Enantrópico: transfomaciones de una estructura reversible según P y Tª

– Polimorfismo Monotrópico: transformación expontánea y sólo en un sentido

4. Métodos de estudio

Para el estudio de la materia mineral y cristalina se emplean diversos métodos, según las propiedades a analizar o el uso para el que se necesite. Los principales métodos son:

Análisis químicos,

Microscopio de polarización

Difractómetros de rayos X.

4.1. Análisis químicos

Como inconveniente la necesidad de disponer de la cantidad de muestra necesaria para que sea representativa para los cuarteos sucesivos, requiere preparación bastante elaborada, su coste económico es considerable.

4.2. El microscopio de polarización

Es un método muy utilizado y tradicional para identificar cristales. Se obtiene una lámina delgada (30micras) de la muestra para analiza al microscopio.

El microscopio de polarización o microscopio petrográfico tiene 2 polarizadores, formando 90º, que dejan pasar la vibración de la luz a través de un plano, así que al pasar por 2 polarizadores perpendiculares obtenemos un rayo que vibra en una sola dirección.

Para minerales opacos se usan microscopios de luz reflejada, no transmitida ya que obviamente esta no atravesaría la muestra.

4.3. El microscopio electrónico

El microscopio electrónico, que permite unas resoluciones mucho mayores. La muestra preparada (baño de oro) se coloca en una cámara de vacío y se la bombardea con un haz de electrones, obteniéndose los rebotes de estos obteniendo una imagen con amplísimo aumento.

4.4. Difracción de rayos X

Constituyen los primeros métodos de estudio de los cristales, Von Laue 1912, demostró la naturaleza periódica haciendo incidir un haz de Rayos X sobre un cristal de Berilio, demostrando:

Naturaleza ondulante de los Rayos X

Ordenación interna de cristales en nudos (átomos o iones).

Posteriormente Bragg descubrieron la reflexión selectiva de los Rayos X que cumplían una ecuación matemática (ecuación de Bragg):

n.λ=2.d.senθ

Variando (λ) y (θ) podemos analizar las diferentes distancias (d) de los planos reticulares.

Las modificaciones del método de Bragg han permitido crear métodos analíticos:

1) Método de Laue, cristal inmóvil frente haz de rayos X poli-cromáticos, los resultados se obtiene sobre una película perpendicular que va girando.

2) Cristal Giratorio, se hace variar la posición del cristal obteniendo una variación regular del ángulo de incidencia de un haz monocromático, disponiendo una película a su alrededor.

3) Difractómetro de polvo, incidencia de Rayo X sobre muestra pulverizada policristalina que tendrá cristales en todas las orientaciones obteniendo todos los ángulos de incidencia posible, el haz es monocromático y la película envolvente.