OXIDOS Los óxidos incluyen a todos los compuestos naturales en donde el oxígeno está combinado con uno o más metales. Estos han sido agrupados como óxidos simples y óxidos múltiples. Los óxidos simples están compuestos de un metal y un oxígeno y los óxidos múltiples tienen dos o más elementos metálicos en combinación con el oxígeno. Los óxidos son un grupo de minerales que son relativamente duros y densos que se encuentran como accesorios en las rocas ígneas y metamórficas y como detritos en los sedimentos. El oxígeno forma diferentes compuestos químicos con los siguientes elementos; la combinación de estos elementos con el oxígeno da lugar s la formación de óxidos simples, óxidos múltiples e hidróxidos:
H, Fe, Si, Cu, Mn, Al, Mg, Ca, Ba, Ti, Cr, W, U, Co, Ni, Zn, Hg, Sn, As, Sb, Bi De la totalidad de los óxidos en la corteza terrestre, la sílice (SiO 2) presenta mayor cantidad de éstos, enseguida se tienen a los óxidos de fierro, óxidos de manganeso, titanio, estaño y cromo que son considerados de gran importancia económica.
Los principales óxidos son: SILICE cuarzo Variedades Fenocristalinas
Variedades Microcristalinas/Fibrosas Microcristalinas/Fibrosas
cristal de roca amatista rosa citrino morión lechoso con inclusiones - rutilado - venturina - ojo de tigre
calcedonia crisoprasa ágata carneola ónix sardónix heliotropo
Variedades Granulares pedernal jaspe
ópalo precioso, de fuego, común, xilópalo, xilópalo, hialita
tridimita cristobalita coesita OXIDOS Grupo de la hematita
cuprita uraninita zincita crisoberilo columbita
corindón hematita ilmenita Grupo del rutilo
rutilo
Grupo de las espinelas
espinela gahnita magnetita franklinita cromita 1
pirolusita casiterita MINERALOGÍA
TEMA 25 ÓXIDOS E HIDRÓXIDOS ÍNDICE 25.1 Óxidos 25.2 Hidróxidos
2
pirolusita casiterita MINERALOGÍA
TEMA 25 ÓXIDOS E HIDRÓXIDOS ÍNDICE 25.1 Óxidos 25.2 Hidróxidos
2
25.1 ÓXIDOS La clase Óxidos incluye un número relativamente grande de minerales en los que el oxígeno, O, está enlazado a uno o más cationes metálicos. Agrupa a minerales que se caracterizan por ser relativamente duros, densos, refractarios y generalmente aparecen como minerales accesorios en rocas ígneas y metamórficas y como detritos resistentes en sedimentos. El tipo de enlace en las estructuras de los óxidos es fuertemente iónico, generalmente. La clasificación normal de los óxidos considera la relación de cationes a oxígenos en la fórmula química estándar. Así están: Óxidos simples, X 2O, XO, X2O3 Óxidos múltiples, XY 2O4 Otra clasificación es la de Zoltai basada en los poliedros de coordinación. Óxidos tetraédricos Óxidos octaédricos Óxidos mixtos Óxidos cúbicos Óxidos mixtos octaédricos y cubooctaédricos Óxidos cúbicos con coordinación no usual
ÓXIDOS TETRAÉDRICOS CINCITA (ZnO) •
Cristalografía Cristaliza en el sistema hexagonal, grupo espacial, P6 3mc a = 3.25 Å, c = 5.19 Å, γ = 120º; Z = 2
3
Figura 25.1.- Formas cristalinas (izquierda). Simetría (derecha). •
Estructura cristalina Es un mineral con empaquetado compacto AB de O, en el que el Zn ocupa los huecos tetraédricos. Es isoestructural con wurtzita (ZnS).
•
Características Características químicas Forma solución sólida hacia el Mn 2+.
•
Propiedades Propiedades físicas Color: rojizo Raya: amarillo naranja Brillo: subadamantino Exfoliación: {1010} excelente
Partición: {0001} Dureza: 4,5 a 5 Peso específico : 5.5 Óptica: Opaco de color blanco. •
Origen y Yacimientos Se presenta en arcillas metamorfizadas y aparece casi exclusivamente en depósitos de cinc, siendo el más importante el de Sterling Hill y Franklin, New Jersey (Estados Unidos).
ÓXIDOS OCTAÉDRICOS PERICLASA (MgO) •
Cristalografía: Cristaliza en el sistema cúbico, grupo espacial, Fm 3 m a = 4 Å, Z = 4 4
•
Estructura cristalina Su estructura consiste en un empaquetado compacto ABC de O y el Mg está ocupando todos los huecos octaédricos. El O y el Mg tienen coordinación octaédrica (6). Es una estructura como la de la halita (NaCl).
•
Características químicas La periclasa muestra solución sólida hacia el hierro, pues hay sustitución de M g 2+ por Fe2+.
•
Propiedades físicas: Color: incoloro, verde, blanco gris, amarillo, amarillo parduzco Raya: blanca Brillo: vítreo Dureza: 6 Peso específico : 3,79 Óptica: Opaco de color blanco.
GRUPO DE LA HEMATITES Incluye a: Corindón Al2O3 Hematites Fe2O3 Ilmenita FeTiO3 •
Cristalografía: Cristalizan en el sistema romboédrico
Corindón Grupo
Hematite
Ilmenit
s
a
R 3 c
espacial a
4.76 Å
5.04 Å
5,09 Å
c
12 Å
13.76 Å
14,06 Å
Z
6
5
Pascu cos
Figura 25.2.- Formas cristalinas (izquierda) y simetría (derecha) del corindón
lia
Figura 25.3.- Formas cristalinas (izquierda) y simetría (derecha) de hematites
6
Figura 25.4.- Formas cristalinas (izquierda) y simetría (derecha) de ilmenita
•
Estructura cristalina
Pascu
Son isoestructurales. La estructura consiste de u n empaquetado AB de O y 2/3 de los huecos octaédricos son ocupados por el catión, Fe 3+ en hematites y Al 3+ en corindón. Los octaedros están ligeramente distorsionados. La estructura de la ilmenita es casi idéntica a corindón y hematites, aunque hay orden de Fe 3+ y Ti3+, ocupando cada catión un octaedro diferente.
a Figura 25.5.- Estructura cristalina de corindón •
Propiedades físicas
Color:
Corindón Muy variado desde el rojo
Hematites De gris a rojo
Ilmenita Negro 7
oscuro del Rubí hasta azul del Zafiro
Raya:
-
Roja
Negra rojiza
Brillo:
adamantino a vítreo
Metálico gris a térreo en los ocres
Metálico a submetálico
Dureza:
9
5a6
5,5 a 6
3,98 a 4,10
5,26
4 ,7
Peso específico : Óptica:
•
Transparente, Uniáxico negativo
Opaco. Gris con pleocroismo Translúcido a opaco, Color de gris rosado a pardo rojizo. blanco azulado con Anisotropismo marcado. reflexiones internas rojas
Características químicas : El corindón muestra muy poca sustitución, sin embargo, la sustitución de Al 3+ por Cr 3+ o por Fe2+ y Ti4+, provoca un cambio drástico de color: a rojo en rubí (Cr 3+) o azul (Fe2+ y Ti4+) en zafiro. La hematites muestra solución sólida completa hacia ilmenita, a T sobre 800 ºC. Por debajo de 800 ºC existe un solvus y un hueco de miscibilidad, produciéndose desmezcla de una en otra, en forma de laminillas.
•
Origen y yacimientos : El corindón es un mineral accesorio común de algunas rocas metamórficas (caliza, esquistos micáceos, gneiss). Puede encontrarse en grandes masas en la zona de separación de peridotitas y rocas adyacentes. Diseminado como pequeños cristales en diques lamprofíricos y como grandes cristales en pegmatitas. También es frecuente encontrarlo en suelos detríticos y en arenas. La ilmenita es un mineral accesorio común de rocas ígneas. Puede aparecer en grandes masas, como producto de segregación magmática y asociado a magnetita, en gabros, dioritas y anortositas. Es abundante en Noruega, Finlandia, Rusia. La hematites es la mena más importante y abundante del hierro. Está extensamente distribuido en rocas de todas las edades. Localidades notables de cristales de hematites son la isla Elba, Suiza, Minas Gerais en Brasil, en las lavas del Vesubio y en Inglaterra.
GRUPO DEL RUTILO RUTILO TiO2 •
Cristalografía: Cristaliza en el sistema tetragonal, grupo espacial, P4 2/mnm 8
a = 4,59 Å, b = 2,96 Å, Z = 2
Figura 25.6.- Formas cristalinas (izquierda) y simetría (derecha) de ilmenita •
Pascu cos
Estructura cristalina
Su estructura está basada en un empaquetado AB de O y la mitad de los huecos octaédricos está ocupado por Ti. El rutilo es isoestructural con estishovita (SiO 2, polimorfo de la sílice), casiterita (SnO2) y pirolusita (MnO2).
Celia Figura 25.7.- Estructura cristalina de rutilo El TiO2 aparece en dos polimorfos relativamente raros: anatasa que cristaliza en el sistema tetragonal (I41/amd ) y brookita que cristaliza en el sistema rómbico (P bca). Estos dos polimorfos tienen empaquetado AB de O, pero la secuencia del empaquetado es diferente: En anatasa los octaedros TiO 6 comparten 4 aristas, en brookita 3 y en rutilo 2. 9
•
Propiedades físicas: Color: rojizo a negro castaño Raya: Rojo castaño Brillo: adamantino a submetálico Dureza: 6 a 6.5 Peso específico : 4.2 a 5.6 Óptica: Rojo en luz transmitida, pleocróico y elevada birrefringencia. A veces biáx ico.
•
Origen y Yacimientos Aparece en granitos, pegmatitas, gneises, esquistos micáceos y calizas metamórficas y dolomías. Puede aparecer como accesorio en rocas o venas de cuarzo. Aparece asociado con ilmenita, circón, magnetita y monzanita en arenas negras. En España caben destacar los rutilos que aparecen en Carballo (La Coruña) y Lalin (Pontevedra), Horcajo de la Sierra y Horcajuelo en Somosierra (Madrid)
CASITERITA SnO2 •
Cristalografía: Cristaliza en el sistema tetragonal, grupo espacial, P4 2/mnm a = 4,73 Å, b = 3,18 Å, Z = 2
cos lia Figura 25.8.- Formas cristalinas (izquierda) y simetría (derecha) de ilmenita •
Estructura cristalina Es isoestructural con rutilo.
•
Propiedades físicas: Color: De negro a blanco, aunque el más común es el blanco 10
Raya: Rojo castaño Brillo: adamantino craso a resinoso Dureza: 6 a 7 Peso específico : 7 Óptica: Opaco, Color gris mate, con reflexiones internas pardo amarillentas. •
Origen y Yacimientos Pegmatítico, neumatolítico de impregnación y contacto, hidrotermal, sedimentar io en placeres. En España está muy diseminada por toda Galicia, aunque también se encuentra en el granito de Asturias (Ablaneda, Salas y Tineo) y buenos ejemplares se han recogido en Montánchez (Badajoz)
ÓXIDOS MIXTOS ESPINELAS NORMALES Fórmula general XY2O4, X e Y son cationes de diferente valencia en la relación X:Y=1:2. Hay el doble de cationes Y que X, los X ocupan las posiciones tetraédricas Los cationes Y ocupan las octaédricas (los octaedros que alterna con los tetraedros en la misma capa y los octaedros que están en la capa de arriba y en la de abajo a ésta). Ejemplo:
ESPINELA (MgAl2O4) •
Cristalografía: Cristaliza en el sistema cúbico, grupo espacial,
Fd 3 m
a = 8,10 Å, Z = 8
lia Figura 25.9.- Formas cristalinas (izquierda) y simetría (derecha) de espinela 11
•
Estructura cristalina Consta de un empaquetado ABC ABC de oxígenos dispuestos en capas paralelas a (111) (figura 25.8 derecha). Los tetraedros y octaedros se disponen en la siguiente manera: capa de octaedros, capa de tetraedros alternando con octaedros, capa de octaedros y así sucesivamente. La relación de tetraedros a octaedros es 1:2, debido a que los tetraedros y octaedros ocupados tienden a no compartir caras.
Pascua
Figura 25.10.- Estructura cristalina de la espinela •
Propiedades físicas: Color: puro incoloro, con impurezas coloreado Raya: Gris verde o parda Brillo: Vítreo Dureza: 7,5 a 8 Peso específico : 3,5 Óptica: transparente, isótropo con alto índice de refracción
•
Origen y Yacimientos Aparición Las espinelas aparecen como accesorios en rocas ígneas y metamórficas y también como detritos en sedimentos clásticos.
ESPINELAS INVERSAS La fórmula general es Y(XY)O 4, donde X e Y entre paréntesis están en coordinación octaédrica y el catión Y fuera del paréntesis tiene coordinación tetraédrica.
12
La distribución catiónica está invertida: todos los cationes X y la mitad de los cationes Y ocupan la mitad de los huecos octaédricos; la otra mitad de cationes Y ocupan las posiciones tetraédricas. Ejemplo:
MAGNETITA (Fe3O4) •
Cristalografía: Cristaliza en el sistema cúbico, grupo espacial,
Fd 3 m
a = 8,40 Å, Z = 8
Pascu Figura 25.11.- Formas cr istalinas (izquierda) y simetría (derecha) de magnetita •
Estructura cristalina Es como la de la espinela pero con las posiciones invertidas
•
Características químicas: Prácticamente (Fe3O4), aunque puede haber alguna sustitución de hierro divalente por Mg 2+ y Mn2+ y hierro trivalente por Al3+, Cr 3+, Mn3+ y Ti4+. Puede existir solución sólida completa entre magnetita y ulvöespinela (Fe 2TiO4) debido a la sustitución de (similar a la de hematites-ilmenita).
•
Propiedades físicas: Color: Negro Raya: Negra Brillo: Metálico Dureza: 5 a 6,5 Peso específico: 5,2 Óptica: Opaco, de color gris e isótropo Otras: Fuerte magnetismo 13
•
Origen y Yacimientos : Es un mineral común como accesorio en rocas ígneas. Cuando se concentra en grandes cantidades puede constituir depósito de mena. Es un constituyente común en formaciones bandeadas de hierro del Precámbrico, de origen sedimentario y metamórfico. Depósitos importantes aparecen en el norte de Suecia y también en Noruega, Rumanía, Ucrania. En España se encuentra San Pablo de los Montes (Toledo), aunque los yacimientos más rentables están en Cotos Wagner y Vivaldi de la provincia de León; en Cala (Huelva) también se encuentran unos depósitos importantes. Cabe destacar también El Escorial (Madrid), Jerez de los Caballeros y Zafra (Badajoz), Naralázaro (Sevilla), Os Civis (Lérida), Campos (Asturias), Cehegín (Murcia) y Sierra Almagrera (Almería).
ÓXIDOS CÚBICOS Los óxidos cúbicos más importantes son:
Uraninita (UO2) Thorianita (ThO2) En ellos los oxígenos forman un empaquetado y los cationes ocupan huecos cúbicos (coordinación 8 o hexaédrica). Su estructura es la misma que la de la fluorita (Ca 2F). Existe solución sólida completa entre uraninita y thorianita, y en la estructura pueden entrar Pb, Ce y Ra, por sustitución. La uraninita es la fuente más importante de uranio, y aparece en venas hidrotermales de alta T, asociada con sulfuros de Sn, Fe, Cu y As.
ÓXIDOS MIXTOS OCTAÉDRICOS Y CUBOOCTAÉDRICOS El mineral más representativo es:
PEROVSKITA (CaTiO3) Su estructura se caracteriza porque los Ti ocupan la cuarta parte de los huecos octaédricos en un empaquetado ABC de oxígenos, que ocupan sólo el 75% de cada capa en la secuencia del empaquetado. Los huecos tetraédricos están vacíos. Los octaedros comparten vértices en una disposición en la que se generan grandes huecos cubooctaédricos, donde se sitúa el Ca. En la estructura pueden entrar tierras raras como Ce, La, Y, Ta, Nb.
14
Figura 25.12.- Estructura cristalina de la perovskita. En la figura de la izquierda se muestra la disposición ABC de los oxígenos
Pascua
ÓXIDOS CÚBICOS CON COORDINACIÓN NO USUAL Los más importantes son:
CUPRITA (Cu2O) •
Cristalografía: Cristaliza en el sistema cúbico, grupo espacial,
Pn 3 m
a = 4,27 Å, Z = 2 •
Estructura cristalina : En la cuprita cada oxígeno está coordinado a 4 Cu y cada Cu está coordinado con 2 oxígenos.
Figura 25.13.- Estructura cristalina de la cuprita 15
•
Propiedades físicas: Color: Rojo rubí cuando es pura Raya: Rojo castaño Brillo: Metálico a adiamantino Dureza: 3.5 a 4 Densidad: 6 Óptica: Opaco, de color gris azulado, reflexiones internas rojas.
•
Origen y Yacimientos La cuprita se encuentra asociada con malaquita y azurita en las zonas oxidadas de las venas y depósitos de cobre. En España aparece en algunas localidades aunque los mejores ejemplares provienen de la mina "La Cruz", de Linares (Jaén), cristalizado en cubos y dodecaedros con galena y caliza sacaroidea.
PSILOMELANA (Mn5(Ba,H2O)O10) La psilomelana tiene una estructura que consiste de grandes túneles enlazados por 4 dobles cadenas de octaedros que son paralelas al eje b cristalográfico. El O, Ba y H 2O ocupan los túneles. La psilomelana aparece asociada con pirolusita y otros óxidos de manganeso.
16
25.2 HIDRÓXIDOS Los hidróxidos se caracterizan por contener en su estructura grupos (OH) - como anión. Agrupan a minerales que tienden a tener menor dureza y densidad más baja que los óxidos. Se encuentran principalmente como productos de alteración. Los minerales más importantes de este grupo son: GIBBSITA, Al(OH)2 BRUCITA, Mg(OH)2 MANGANITA, MnO(OH) GOETHITA FeO(OH) LEPIDOCROCITA, FeO(OH) BOHEMITA AlO(OH) •
Estructura cristalina : Se caracterizan porque los aniones, (OH) -, se disponen en las capas de un empaquetado compacto hexagonal AB o cúbico ABC. Sólo los huecos octaédricos están ocupados y los tetraédricos están vacíos. Las capas del empaquetado se denominan: •
TRIOCTAÉDRICAS cuando los 3 huecos octaédricos alrededor de cada grupo (OH) - son ocupadas.
•
DIOCTAÉDRICAS cuando 2 de los 3 huecos octaédricos alrededor de cada grupo (OH) son ocupadas. Estas capas son eléctricamente neutras y están enlazadas unas con otras mediante enlaces débiles, de ahí que la gibbsita y la brucita tengan buena exfoliación según (001). Estas capas son las equivalentes encontradas en la estructura de los filosilicatos.
La estructura de la brucita (Figura 25.14) se basa en un empaquetado AB de hidroxilos en el que todos los huecos octaédricos están ocupados por Mg 2+. Las capas BA están vacantes. La estructura de la brucita está formada por capas trioctaédricas. La estructura de la gibbsita (Figura 25.15) está formada por un empaquetado ABBA de grupos hidroxilos. Tanto en las capas AB como en las BA sólo 2 de los 3 huecos octaédricos alrededor de cada grupo hidroxilo están ocupados por Al 3+. Las capas AA y las capas BB están vacantes. La estructura de la gibbsita está formada por capas dioctaédricas. Las estructuras de manganita, goethita, diásporo están basadas en un empaquetado AB en el que la mitad de los huecos octaédricos están ocupados y los octaedros forman cadenas que comparten aristas. 17
La estructura de la manganita (Figura 25.16) es similar a la del rutilo. Los oxígenos y grupos hidroxilo están en capas. Su estructura también está basada en un empaquetado AB. Goethita y diásporo son isoestructurales. Los oxígenos y grupos OH forman un empaquetado AB con la mitad de los huecos octaédricos ocupados por Fe 3+ o Al3+ (Figuras 25.17 y 25.18). Goethita y lepidocrocita son polimorfos, también diásporo y boehmita son polimorfos. La estructura de lepidocrocita y boehmita (Figura 25.19) está basada en un empaquetado compacto ABC en la que la mitad de los huecos octaédricos están ocupados. Los octaedros se sitúan en capas onduladas, y por ello poseen exfoliación (010).
Pas Marcos
Figura 25.14.- Estructura cristalina de la brucita
ia Figura 25.15.- Estructura cristalina de la gibbsita
18
Figura 25.16.- Estructura cristalina de la manganita
Pas Marcos
Figura 25.17.- Estructura cristalina de goethita
lia Figura 25.18.- Estructura cristalina del diásporo
19
Figura 25.19.- Estructura cristalina de bohemita
•
Cristalografía: Goethita Cristaliza en el sistema rómbico, grupo espacial P anm a = 4.65 Å, b = 10.02Å, c = 3.04 Å; Z = 4.
Manganita Cristaliza en el sistema monoclínico, , grupo espacial B2 l/d a = 8.84 Å, b = 5.23 Å, c = 5.74 Å; β •
= 90º17´; Z = 8
Propiedades físicas: Goethita Color: Negro, pardo o amarillento Raya: Parda amarillenta Brillo: Adamantino a terroso mate Dureza: 5 a 5,5 Peso específico: 4,37 Óptica: Opaco. Gris. Reflexiones internas pardo anaranjadas. Manganita Color: Gris o negro de acero. Raya: Pardo oscura. Brillo: Metálico. Dureza: 4 Peso específico: 4,3 Óptica: Opaco, de color gris blanco. Presenta un débil pleocroísmo y fuerte anisotropía.
•
Origen y Yacimientos : Todos los hidróxidos aparecen en entornos hidros de baja T. 20
Brucita es producto de alteración común de periclasa. Gibbsita es producto de alteración de corindón. Goethita y lepidocrocita son productos de alteración de minerales de hierro. La goethita como tal existe en la mina "Sar" de Santiago de Compostela (La Coruña), Fonfría (Zamora), Luarca (Asturias), Luesma (Zaragoza), Navalvillar de Ibor (Cáceres), Zafra (Badajoz), Sevilleja de la Jara (Toledo) La manganita es un mineral abundante en los depósitos manganesíferos de Huelva, especialmente en Almonaster La Real y en Zalamea la Real. En las micacitas de Maro (Málaga) en forma compacta y cristalina. También aparece en la sierra de Segura (Jaén), en Mazarrón (Murcia), en El Calerizo (Cáceres), en Gijón (Asturias), Teruel, Massanet de la Selva (Gerona), Orsavinya (Barcelona) y la Seo de Urgel y Gerri (Lérida) y en Losacio (Zamora), Barba del Puerto y Barruecopardo (Salamanca). M I NERAL OGÍA GENERAL Y LABORATORIO
INTRODUCCIÓN. La Mineralogía es la ciencia que estudia a los minerales bajo los conceptos de origen, estructura interna, forma externa, composición, propiedades físicas y químicas, asociaciones, usos y aplicaciones. El objetivo fundamental de la Mineralogía es dilucidar los aspectos químicos y físicos, así como la evolución geológica de la corteza terrestre. Existe una variada gama de definiciones que se tienen para mineral , desde el punto de vista geológico se considera a un sólido de origen inor gáni co, con estr uctura interna defini da y que posee pr opi edades físicas y químicas bien definidas además de que puede ser representado mediante un a fórmul a quími ca; considerándose que puede manifestarse en forma de cristales bajo condiciones favorables. En términos estrictos, lo que caracteriza plenamente a un mineral es:
su estructura interna definida propiedades físicas y químicas definidas representación mediante una fórmula química
Las otras características son también necesarias bajo ciertas excepciones. Los minerales pueden presentarse en un estado líquido como el mercurio, un mineral nativo; o el agua que corresponde a los óxidos, estableciéndose para éste último como la presentación líquida del mineral hielo. El origen inorgánico no es exclusivo para los minerales, ya que conocido es el origen del diamante, del aragonito, las fosforitas y la sílice como orgánicos. 21
El hecho de que los minerales se presenten en cristales apreciables a simple vista, pone de manifiesto que tuvieron suficiente espacio, así como el tiempo y presión y temperatura adecuadas para su formación; no siendo así para los minerales micro o criptocristalinos. La estructura interna definida, esto es, el orden interatómico o interiónico tridimensional, es representativa de la materia cristalina, sin embargo, si un sólido inorgánico carece de esta propiedad se le conoce como mineraloide. Independientemente de la localidad, una especie mineral siempre tendrá las mismas propiedades físicas y químicas y dentro de las primeras, las propiedades ópticas son las que definen a un mineral. Por último, la representación mediante una fórmula química, descarta a los productos de fundición y a las aleaciones sintéticas. La palabra mineral se deriva del latín “minare”, que significa practicar la minería. La Cristalografía, es la ciencia que estudia a los cristales en su estructura interna, forma externa y las leyes que gobiernan el crecimiento de los cristales. Su desarrollo inicial esta íntimamente ligado a la Mineralogía, pero en la actualidad dada su especialización del orden en la materia, que incluye a lo orgánico, se desprende y especializa como una ciencia independiente. La cual suele dividirse en cuatro partes principales: Cristalografía Geométrica, que se ocupa de la forma externa de los cristales; Cristalografía Estructural , la cual trata de la descripción y determinación de la geometría de la estructura interna; Cristalografía Química, que describe y estudia la disposición estructural de los átomos o iones y las uniones entre éstos; y la Cristalografía Física, la cual explica y describe las propiedades físicas de los cristales. La Cristaloquímica es definida como la ciencia que estudia las relaciones entre la estructura cristalina de los cuerpos y sus propiedades físicas y químicas. El objetivo de ésta ciencia es predecir las propiedades físicas y químicas de un cuerpo cuya estructura sea conocida, así como elaborar una sistemática de tipos estructurales a los que se pueda asociar cierto número de propiedades físicas y químicas. Esta interrelación se puede manifestar como sigue: “La naturaleza química, más el tipo de enlace químico, más el arreglo interno definido de átomos o iones; son función directa de las propiedades físicas y químicas de los minerales”
Por otro lado, debemos de entender por cristal a un sólido homogéneo que posee un orden interno tridimensional y que se encuentra delimitado por superficies planas. Otras definiciones que debemos tener en mente son las siguientes: Roca, es una asociación armónica de minerales. Mena, es una asociación de minerales con rendimiento económico. Ganga, los minerales sin valor económico presentes en la mena. Gema, cualquier mineral, mineraloide o mineral orgánico utilizados con fines ornamentales.
LA MINERALOGÍA Y LAS CIVILIZACIONES. El desarrollo de la Mineralogía es relativamente reciente, aunque los minerales, cristales y rocas fueron los primeros materiales usados en el desarrollo de la civilización. 22
En la edad de piedra , las rocas o piedras se labraron en diversas formas y se emplearon para diferentes objetivos, incluso como armas; utilizándose inicialmente sin pulir y con el tiempo se fueron descubriendo métodos que permitían pulimentarlas. A medida que se desarrollaba el conocimiento sobre las rocas y minerales, y fue posible obtener metales de ellos, surgiendo sucesivamente las edades del bronce, del hi er ro y del carbón. Debido al enorme progreso que se ha experimentado en la ciencia y en la tecnología, se ha generado un gran aumento en el empleo de los metales y minerales, por lo que a los sucesivos periodos de progreso se les ha llamado: Era de la máqui na Er a del motor Er a del petr óleo Er a atómi ca Er a nuclear
El empleo de los minerales ha aumentado considerablemente a causa de las guerras mundiales. Además, se han desarrollado muchos nuevos usos industriales para los minerales conocidos desde hace mucho tiempo. Como ejemplos, se tiene al cuarzo variedad cristal de roca el cual se emplea actualmente en el control de frecuencias en modernos aparatos de radio y electrónicos; el diamante es utilizado en los rápidos y precisos procesos de mecanización de metales y otros materiales; la cianita en la preparación de porcelanas; el rutilo es una mena importante de titanio y éste metal se caracteriza por su bajo peso específico, elevado punto de fusión y su resistencia a la corrosión, propiedades importantes para la fabricación de motores a reacción. Con el desarrollo de la energía nuclear, han cobrado extraordinaria importancia todos aquellos minerales que contienen uranio o torio, tales como la uraninita y la betafita. También es importante recordar que para satisfacer las necesidades tecnológicas actuales, se requieren grandes cantidades de minerales que contengan boro, litio, berilio, germanio y tierras raras (itrio, lantano, cerio, praseodimio, neodimio y samario). Los metales y minerales han ayudado a crear civilizaciones dominantes. Asimismo, la industria minera ha respaldado revoluciones industriales, avances tecnológicos y desarrollo económico, destacándose éstos en la economía internacional y han servido para medir la riqueza de un país. Actualmente los recursos minerales de una nación son la base de su poderío y depende de esos minerales en innumerables aplicaciones, desde la construcción de un edificio, la manufacturación de un televisor, de una computadora, de un turborreactor o la puesta en órbita de un satélite artificial.
HISTORIA DE LA MINERALOGÍA. Como se mencionó anteriormente, el surgimiento de la Mineralogía como ciencia es relativamente reciente, pero en la práctica de las artes mineralógicas es tan antigua como la civilización humana. Pigmentos naturales como el rojo y el negro, obtenidos de la hematita y de la pirolusita respectivamente, fueron usadas en las pinturas de las cavernas de los primeros hombres y las herramientas de pedernal fueron instrumentos valiosos durante la edad de piedra . Pinturas en 23
tumbas encontradas en el valle del Río Nilo, realizadas hace aproximadamente 5,000 años, muestran coloraciones como el verde de la malaquita, óxidos de fierro y metales preciosos obtenidos al fundir menas y confeccionadas en delicadas gemas de lapislázuli y esmeraldas. Como la edad de piedra cedió a la edad de bronce , otros minerales como la casiterita fueron investigados, de los cuales obtuvieron nuevos metales. Se considera que el primer trabajo escrito sobre mineralogía fue realizado por el filósofo griego Theofrastus (372 - 287 a. C.), titulado Pery Lyton del que se conserva una parte considerable, y otra obra de él mismo titulada Tratado de los metales que se perdió. Cuatrocientos años después, Plinio registró el pensamiento mineralógico de su tiempo. Durante los siguientes siglos, pocos trabajos sobre minerales fueron publicados, los cuales contenían erudición y consejos con poca información verídica. El surgimiento de la Mineralogía como ciencia, bien puede ser señalado por la obra del físico alemán Georgius Agricola quien en 1556 publicó “De Re Metallica”, obra en la cual manifiesta las prácticas mineras y metalúrgicas de aquel tiempo e incluye el primer informe verdadero de minerales. Posteriormente, en 1669, Nicolas Steno hace un gran aporte a la Cristalografía, la “Ley de la constancia de los ángulos interfaciales”, propuesta a partir del estudio de cristales de cuarzo, en donde independientemente del origen, tamaño u hábito cristalino, los ángulos entre caras correspondientes son constantes. Más de un siglo pasó antes de que la siguiente contribución fuera hecha. En 1780 Carangeot inventó un dispositivo para medir los ángulos interfaciales de los cristales, esto es, el goniómetro de contacto. Romé de L´isle, en 1783, hizo mediciones angulares sobre diferentes cristales, confirmando de ésta manera la ley de la constancia de los ángulos interfaciales. En el siguiente año, 1784, René J. Haüy demostró que los cristales son construidos por apilamiento y sin interrupción de pequeños bloques idénticos, a los cuales él llamó moléculas integrales, término que subsiste casi en su sentido original en las celdas unitarias de la Cristalografía moderna. Posteriormente este físico francés, en 1801 desarrolla la teoría de los índices racionales para las caras de los cristales. A principios del Siglo XIX, fueron hechos rápidos avances en el campo de la Mineralogía. En 1809, Wollaston inventó el goniómetro de reflexión, mediante el cual se realizan mediciones exactas y precisas de las posiciones de las caras de los cristales. Por lo que el goniómetro de contacto aportó los datos necesarios para estudiar la simetría de los cristales y el goniómetro de reflexión proporciona mediciones exactas de los cristales tanto naturales como sintéticos. Estos datos hacen a la cristalografía una ciencia exacta. Entre 1779 y 1848 el químico sueco Berzelius y sus discípulos, estudiaron la química de los minerales y desarrollaron los principios de la actual clasificación química de los minerales. En 1815, el naturalista francés Cordier aplicó su microscopio a fragmentos de minerales triturados y sumergidos en agua, con esto da inicio al “método de inmersión” el cual fue desarrollado posteriormente como una técnica importante para el estudio de las propiedades ópticas de los minerales. La utilidad del microscopio en el estudio de las propiedades ópticas de los minerales se incrementó de manera importante por la innovación, en 1828 por el escocés William Nicol, de un dispositivo polarizante que permite el estudio sistemático del comportamiento de la luz en las sustancias cristalinas. En la última parte del Siglo XIX, Fedorov, Schoenflies y Barlow, trabajaron independientemente y desarrollaron casi de manera simultánea las teorías para la simetría interna y el orden dentro de los cristales, con lo cual llegaron a ser los fundadores del trabajo posterior en Cristalografía de Rayos X . 24
El descubrimiento más trascendente del Siglo XX es atribuido a Max Von Laue de la Universidad de Munich, quien sugirió un experimento ejecutado por Fiedrich y Knipping, el cual consistió en demostrar que los cristales podían difractar los Rayos X . De esta manera fue proporcionado por primera vez el arreglo periódico y ordenado de átomos en la materia cristalina. Casi de manera inmediata, la difracción de Rayos X llegó a ser un método poderoso para el estudio de los minerales y las demás sustancias cristalinas, y en 1914 las primeras determinaciones de la estructura cristalina fueron publicadas por W.H. Bragg y W.L. Bragg en Inglaterra. La aplicación de paquetes computacionales conjuntamente con modernos equipos de difracción y fluorescencia de Rayos X ha hecho posible la relativa rapidez en la determinación de estructuras cristalinas altamente complejas. El advenimiento de la microscopía electrónica y por tunelamiento para el estudio de los minerales a micro escala ha proporcionado aún otra herramienta poderosa utilizada en la actualidad de manera rutinaria, para el estudio de la química de los minerales compuestos, sintéticos y vidrios Asimismo, la Mineralogical Society of America desde 1937 hace un reconocimiento cada año, a investigadores de diferentes nacionalidades, quienes han dirigido sus investigaciones para incrementar el conocimiento mineralógico y que sean consideradas como contribuciones al enriquecimiento científico de la Mineralogía. A continuación se mencionan los autores y sus contribuciones en el desarrollo de la Mineralogía y que fueron galardonados por la Sociedad Mineralógica de América en los años recientes.
1977. Raimond Castaing, inventor de los microanálisis, uno de los primeros trabajos sobre la teoría de los análisis cuantitativos. 1978. James B. Thompson Jr., evaluación teórica de sistemas petrológicos; química cristalina de los anfíboles. 1979. William H. Taylor, cristalografía estructural; característica estructural de los feldespatos, zeolitas y aluminosilicatos. 1980. D. S. Korzhinskii, autor de Bases fisicoquímicas para el análisis de la paragénesis de minerales y de Teoría del zonamiento metasomático . 1981. Robert M. Garrels, estudios teóricos de la formación de menas; diagramas de fase para minerales de baja temperatura; coautor de Soluciones, minerales y equilibrio. 1982. Joseph V. Smith, cristalografía estructural de minerales formadores de rocas; mineralogía lunar y petrología; autor de Feldespatos (2 volúmenes). 1983. Hans P. Eugster, equilibrio sólido-fluido en sistemas hidrotermales; sedimentación química del agua en lagos salados. 1984. Paul B. Barton Jr., petrología de menas; la química y física de los procesos formadores de menas. 1985. Francis J. Turner, petrología metamórfica. 1986. Edwin Roedder, inclusiones fluidas en minerales. 1987. Gerald V. Gibbs, fundamentos de la cristalografía matemática; aplicación de la teoría orbital molecular al enlace químico. 1988. Julian R. Goldsmith, orden-desorden en feldespatos; equilibrio de fases en carbonatos. 1989. Helen D. Megaaw, estructura cristalina por rayos X de los feldespatos; origen de la ferroelectricidad en óxidos. 1990. Sturges W. Bailey, estudios de la química cristalina y estructural de las capas de los silicatos. 25
1991. E-an Zen, aplicación de la termodinámica a la petrología; régimen de temperatura y presión en la cordillera Apalachiana. 1992. Hatten S. Yoder, petrología experimental y su aplicación a la paragénesis mineral; estudio de la actividad del agua en el metamorfismo y la petrogénesis de las rocas ígneas; autor de Generación del magma basáltico. 1993. Brian Mason, autor de Principios de geoquímica y de Meteoritos, coautor de Mineralogía. RAMIFICACIONES DE LA MINERALOGÍA. Para un conocimiento más completo, la Mineralogía se ha ramificado objetivamente en grandes apartados que bien podrían ser, en la actualidad, ciencias totalmente independientes y cada una de ellas se aboca a estudiar un apartado específico de las propiedades de los minerales o bien, enfocarse en el estudio de su origen, asociaciones y forma de ocurrencia, su uso en las industrias como materia prima o sus aplicaciones como materiales ornamentales. Si consideramos la definición inicialmente manifestada para la Mineralogía, como la ciencia que estudia a los minerales bajo los conceptos de origen, estructura interna , forma externa , composición ,propi edades físicas y qu ímicas , asociaciones , usos y aplicaciones , se puede establecer que en función de estos conceptos se den las divisiones o ramificaciones de la Mineralogía, siendo principalmente las siguientes: CRISTALOGRAFÍA.- es la ciencia que estudia a los cristales en su estructura interna, forma externa y las leyes que gobiernan su crecimiento. MINERALOGENIA ó MINERALOGÉNESIS.- es el estudio del origen de los minerales, aplicando los principios básicos de química y termodinámica. Esta ramificación de la Mineralogía establece que los principales procesos de formación de minerales son: a partir de mezclas silicatadas fundidas por sublimación a partir de soluciones acuosas por procesos metamórficos por procesos metasomáticos por procesos de alteración (transformación) MINERALOGÍA FÍSICA.- es el estudio de las propiedades físicas de los minerales. Identificándose las propiedades que están en función de la cohesión, de la luz, propiedades magnéticas y conductividad eléctrica. MINERALOGÍA ÓPTICA.- Dentro de la mineralogía física, una propiedad importante en los minerales es el estudio del comportamiento de las diferentes longitudes de onda a través de ellos, dando lugar a ésta técnica de estudio de los minerales. La cual se puede definir como el estudio de los minerales en sección delgada (30 micras de grosor) bajo el microscopio polarizante o petrográfico. Si el análisis óptico se realiza por el estudio del comportamiento de las longitudes de onda que son reflejadas por los minerales opacos, se establece una ramificación más, conocida como MINERAGRAFÍA, la cual es el estudio de los minerales opacos en sección pulida y bajo el microscopio de reflexión o mineragráfico. MINERALOGÍA QUÍMICA.- estudia los principios químicos generales aplicados a las especies minerales, como son los ensayes por vía seca y por vía húmeda. CRISTALOQUÍMICA.- estudia las relaciones entre la estructura cristalina de los cuerpos y sus propiedades físicas y químicas. 26
MINERALOGÍA SISTEMÁTICA.- clasifica y describe a las especies minerales, considerando su origen, cristalografía, variedades mineralógicas, propiedades físicas y químicas, asociaciones usos y aplicaciones. MINERALOGÍA DETERMINATIVA.- aplica los conocimientos de Cristalografía, Mineralogía física (óptica y mineragrafía), Mineralogía química y Mineralogía sistemática para la identificación de las especies minerales. MINERALOGÍA ECONÓMICA.- es el estudio de los minerales como materia prima de muchas industrias, ya que su localización, explotación y beneficio juegan un papel importante en la economía de las naciones. La clasificación mayormente aceptada, para el rendimiento económico de los minerales, está en función de la presencia de un elemento químicamente metálico o combinación de metales y se estudian aparte de los yacimientos o minerales que poseen uno o varios elementos químicamente no metálicos. GEMOLOGÍA.- es el estudio de las gemas y éstas son minerales, mineraloides, minerales orgánicos y sintéticos que por sus cualidades de color, brillo y forma nos parecen bellos. En general las gemas y piedras preciosas son aquellos minerales y mineraloides escasos y con dureza mayor a siete, utilizados con fines ornamentales.
MINERALOGÍA SISTEMÁTICA La Mineralogía Sistemática clasifica y describe, en función de la cristalografía y de las propiedades físicas y químicas, a las diferentes especies minerales considerándolas dentro de grupos más o menos armoniosos, así como el estudio del origen, asociaciones, usos y aplicaciones. La clasificación mineralógica universalmente aceptada está en función de la composición química, por lo tanto ésta clasificación será empleada para la descripción de cada clase mineralógica y a su vez de las especies que la constituyen. CLASIF I CACI ÓN M I NERAL ÓGI CA EN F UNCI ÓN D E L A COM POSI CI ÓN QUÍM I CA
MINERALES NATIVOS SULFUROS (S)+2 +4 +6 -2 SULFOSALES (S)+2 +4 +6 -2 TELUROS (Te)+2 +4 +6 ÓXIDOS (O)-2 HIDRÓXIDOS (OH)-1 HALOGENUROS (F)-1 ,(Cl)-1 ,(Br)-1 ,(I)-1 CARBONATOS (CO3)-2 NITRATOS (NO3)-1 BORATOS (BO3)-3 SULFATOS (SO4)-2 TUNGSTATOS (WO4)-2 MOLIBDATOS (MoO4)-2 FOSFATOS (PO4)-3 ARSENIATOS (AsO4)-3 VANADATOS (VO4)-3 SILICATOS (SiO4)-4 27
Desde los minerales nativos hasta los silicatos, cada una de éstas divisiones son consideradas clases mi neral ógicas , las cuales se encuentran en función de la naturaleza química; las clases se encuentran subdivididas en familias , en donde la base de éstas son las propiedades químicas en común, las familias se dividen a la vez en grupos , que están denotados por las similitudes cristalográficas; los grupos están conformados por especies , que son consideradas como la mínima expresión mineralógica con propiedades físicas y químicas definidas; a su vez, las especies pueden estar conformando series isomor fas (soluciones sólidas) o variedades , siendo una variedad el hecho de que una especie mineral se presente en la naturaleza en formas o coloraciones diversas. A continuación se describen las propiedades generales representativas de cada clase y de las especies mineralógicas más importantes y/o abundantes de cada una de ellas.
MINERALES NATIVOS Son aquellos minerales que se encuentran sin combinación en la naturaleza, y estos pueden ser divididos en tres familias:
Familia de los metales Grupo del oro
oro cobre
plata mercurio
Grupo del platino
Familia de los semimetales
Familia de los no metales
Grupo arsénico
arsénico bismuto
azufre diamante grafito
platino Grupo del fierro
fierro Los minerales nativos metálicos son los que poseen la mejor conductividad eléctrica y térmica, al ser pulidos tienen un fuerte brillo metálico debido a su gran poder de reflexión. La mayor parte de ellos presentan un color blanco de estaño o de plata y evidente es el color del cobre y del oro, el peso específico en cada uno es elevado, carecen de exfoliación, tienen fractura de ganchuda a irregular, además de ser séctiles, dúctiles, maleables y de baja dureza. Los minerales semimetales poseen propiedades tanto de los metales como de los no metales, por lo que son parcialmente conductores y de brillo metálico, presentan un tipo de enlace químico intermedio entre metálico y covalente; la característica distintiva de ellos es que son friables. Las especies mineralógicas que componen a la familia de los minerales nativos no metálicos son muy diferentes a los metales y semimetales; el azufre se presenta comúnmente en color amarillo verdoso y de brillo resinoso y bajo punto de fusibilidad; el diamante posee un tipo de enlace químico covalente, se identifica por su gran dureza y tipo de brillo adamantino; el grafito, que junto con el diamante forman los dos polimorfos del carbono, se caracteriza por su baja dureza, marca el papel y por la presencia de exfoliación. Los minerales nativos son localizados fundamentalmente en yacimientos hidrotermales, en rocas ígneas ácidas, básicas y ultrabásicas, rocas metamórficas, conos volcánicos y en depósitos aluviales en forma de yacimientos de plácer. A esta clase pertenecen los metales preciosos (Pt, Au, Ag) y una de las principales piedras preciosas (diamante). 28
Los usos y aplicaciones principales de los minerales nativos son los siguientes: Acuñación de monedas, joyería y fines ornamentales Instrumentos científicos y conductores eléctricos Emulsiones fotográficas y manufacturación de aleaciones Aplicaciones odontológicas En la industria química para elaborar insecticidas, fertilizantes y vulcanización del caucho, así como la obtención del H 2SO4 y H2S Abrasivos, pulimentadores y herramientas de corte Lubricante, manufacturación de aleaciones, crisoles, electrodos y lápices para escribir
SULFUROS Los sulfuros son considerados químicamente como los compuestos del azufre con los metales. Les corresponde un número considerable de minerales de importancia económica y constituyen de manera importante a muchos yacimientos de minerales metálicos. Los elementos que conforman compuestos típicos con el azufre son: Zn, Pb, Cu, Ag, Ni, Co, Mo, Hg, As, Sb, Fe, Mn Los sulfuros constituyen una clase importante de minerales que incluye a la mayoría de los minerales mena de donde se extraen casi todos los metales no ferrosos. La gran mayoría son opacos, presentan colores distintivos y su color de raya es muy característico. El tipo de enlace químico de muchos de ellos es iónico y covalente. La propiedad química que identifica a los sulfuros, es su reacción con el ácido clorhídrico diluido al 10%, en donde se libera ácido sulfhídrico y éste es identificado por su olor muy particular. La mayoría de los sulfuros presentan brillo metálico a submetálico, solo el cinabrio, oropimente y rejalgar tienen brillo no metálico. La gran cantidad de compuestos de azufre se observa en los yacimientos de origen hidrotermal, dando lugar a la hipótesis de que los metales pesados emanan de los focos magmáticos bajo la forma de compuestos volátiles o muy móviles y se depositan en condiciones de baja temperatura y presión. En condiciones distintas se originan los sulfuros en las rocas sedimentarias arcillosas, así como en aluviones bituminosos y carbonosos, en donde es común la pirita y marcasita, las cuales son formadas en condiciones reductoras y en presencia de ácido sulfhídrico originado por la descomposición de las sustancias proteínicas de la materia orgánica y en muchos casos por la participación de bacterias. Los principales sulfuros son los siguientes:
calcocita galena calcopirita cinabrio oropimente pirita molibdenita acantita millerita
bornita esfalerita pirrotina rejalgar estibinita marcasita arsenopirita alabandita pentlandita 29
covellita
cobaltita
El principal uso y/o aplicación de los sulfuros es la obtención de los metales que contienen, ya que la gran mayoría de ellos son menas principales de plata, cobre, plomo, zinc, mercurio, arsénico, antimonio y molibdeno.
SULFOSALES Las sulfosales son consideradas como las sales de los hipotéticos ácidos del azufre. Las sales se pueden considerar como formadas químicamente por la reacción de una base con un ácido, esto es por la neutralización del ácido. De ésta manera y como un ejemplo, el hidrato de calcio y el ácido sulfúrico dan sulfato de calcio y agua: Ca(OH)2 + H2SO4 (BASE) (ACIDO)
CaSO4 + 2H2O (SAL)
Entonces, la sal puede describirse sencillamente como formada por un ácido al que se le sustituyen uno o los átomos de hidrógeno por un elemento metálico o radical. Para la formación de las sulfosales de plata el azufre toma el lugar del oxígeno, de tal forma que el ácido sulfoarsenioso normal tiene la fórmula H 3AsS3 , y la correspondiente sal de plata Ag3AsS, que corresponde a la proustita. De igual forma, la sal de plata del ácido análogo de antimonio es Ag2SbS3 que corresponde a la pirargirita. De los ácidos comunes conocidos se puede derivar una serie de otros ácidos hipotéticos como el HAsS 2 , HAsS5 y otros, no se tiene conocimiento de que existan estos ácidos, pero sus sales son minerales importantes. Como ejemplo podemos cita a la jamesonita (Pb2Sb2S5) como una sal del ácido H 4Sb2S5 Existe una gran cantidad de minerales pertenecientes a esta clase, mas sin embargo, en su composición química solo un reducido número de componentes participa; siendo las sulfosales de cobre, plata y plomo las más comunes en la naturaleza. Las propiedades físicas de las sulfosales en comparación con los sulfuros poseen, en su gran mayoría, una dureza menor y son descompuestas con mayor facilidad por los ácidos. La clasificación de las sulfosales se establece en tres grandes grupos de acuerdo con los metales en su composición química:
Sulfosales de cobre tetraedrita enargita tennantita
Sulfosales de plata serie de las platas rojas proustita pirargirita
Sulfosales de plomo jamesonita boulargerita bournonita
La génesis, los usos y las aplicaciones para estas especies minerales de las sulfosales, son las mismas que para los sulfuros.
TELUROS Y ARSENIUROS
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Estas clases, no aceptadas por varios autores, se encuentran generalmente asociadas a los sulfuros y a las sulfosales. Las especies que las representan son pocas y no muy comunes, pero de gran importancia económica por los elementos que contienen. Los teluros son la combinación del elemento telurio con ciertos metales con los que encuentra afinidad química. calaverita silvanita hessita Los arseniuros, son la combinación química de ciertos metales con el elemento arsénico. niquelina cobaltita skutterudita
OXIDOS Los óxidos incluyen a todos los compuestos naturales en donde el oxígeno está combinado con uno o más metales. Estos han sido agrupados como óxidos simples y óxidos múltiples. Los óxidos simples están compuestos de un metal y un oxígeno y los óxidos múltiples tienen dos o más elementos metálicos en combinación con el oxígeno. Los óxidos son un grupo de minerales que son relativamente duros y densos que se encuentran como accesorios en las rocas ígneas y metamórficas y como detritos en los sedimentos. El oxígeno forma diferentes compuestos químicos con los siguientes elementos; la combinación de estos elementos con el oxígeno da lugar s la formación de óxidos simples, óxidos múltiples e hidróxidos:
H, Fe, Si, Cu, Mn, Al, Mg, Ca, Ba, Ti, Cr, W, U, Co, Ni, Zn, Hg, Sn, As, Sb, Bi De la totalidad de los óxidos en la corteza terrestre, la sílice (SiO 2) presenta mayor cantidad de éstos, enseguida se tienen a los óxidos de fierro, óxidos de manganeso, titanio, estaño y cromo que son considerados de gran importancia económica.
Los principales óxidos son: SILICE cuarzo Variedades Fenocristalinas cristal de roca amatista rosa citrino morión lechoso con inclusiones - rutilado - venturina - ojo de tigre
Variedades Microcristalinas/Fibrosas calcedonia crisoprasa ágata carneola ónix sardónix heliotropo
Variedades Granulares pedernal jaspe
ópalo precioso, de fuego, común, xilópalo, hialita
tridimita 31
cristobalita coesita OXIDOS Grupo de la hematita
cuprita uraninita zincita crisoberilo columbita
corindón hematita ilmenita Grupo del rutilo
rutilo pirolusita casiterita
Grupo de las espinelas
espinela gahnita magnetita franklinita cromita
HIDROXIDOS Es la combinación de los metales con el grupo oxidrilo (OH) - que sustituye parcial o totalmente a los iones de oxígeno en los óxidos simples, o bien un elemento metálico de los óxidos múltiples es sustituido por hidrógeno. La masa fundamental de los distintos hidróxidos se encuentra en las capas superiores de la corteza terrestre en el límite con la atmósfera que contiene oxígeno libre. La profundidad de penetración del oxígeno en la corteza terrestre se ve controlada en la mayoría de los casos por el nivel de las aguas subterráneas, siendo también de importancia el agua meteórica que se filtra, llevando consigo al oxígeno y al bióxido de carbono que lleva disuelto. La mayoría de los hidróxidos se forman en la zona de oxidación de los yacimientos preexistentes y en general en la zona de meteorización. Todos los hidróxidos tienden a deshidratarse, esto es, perder el agua de cristalización o intersticial retenida durante su formación cuando son expuestos a un ambiente de aire seco, o bien cuando son calcinados en tubo abierto o cerrado. Entre los hidróxidos existen varios minerales de importancia económica, consistiendo en menas principales de fierro, manganeso y aluminio. Los principales hidróxidos son: brucita manganita psilomelano (romanechita) goethita bauxita (diáspora, gibbsita, bohemita )
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HALOGENUROS Son la combinación de los elementos halógenos (F, Cl, Br, I) con los elementos metálicos principalmente. Esta clase mineralógica se encuentra específicamente constituida por los fluoruros, cloruros, bromuros y por los ioduros. Corresponden a esta clase aproximadamente 85 especies, de las cuales solo se detallan las más abundantes. Los elementos que se combinan químicamente para conformar a los halogenuros son los siguientes: Na, K, Mg, Ca, Mn, Fe, Ni, Cu, Ag, Hg, Pb, Bi. Los halogenuros presentan enlace químico típicamente iónico, con dureza relativamente baja, en estado sólido son malos conductores de la electricidad y del calor, presentando esta propiedad cuando se encuentran en solución. La combinación de los iones halógenos con cationes metálicos, genera a los siguientes halogenuros. FLUORUROS Fluorita Criolita
CLORUROS Halita Silvita Carnalita Clorargirita Atacamita
BROMUROS
IODUROS
Bromargirita
Iodargirita
Generalmente los halogenuros son originados por precipitación química, siendo algunos otros por alteración, enriquecimiento supergénico y por hidrotermalismo. El mayor uso de estos minerales es en la industria; como fundentes, fertilizantes, preparación de vidrios y porcelanas, obtención de los ácidos correspondientes. En la preparación electrolítica del aluminio Son fuente secundaria de plata, cobre y aluminio.
CARBONATOS Esta clase esta constituida por un número considerable de especies minerales, de las cuales muchas se hallan relativamente muy propagadas en la naturaleza. Esto se refiere básicamente al carbonato de calcio, el cual constituye con frecuencia potentes capas de origen sedimentario. Muchas veces, los carbonatos están asociados a minerales metalíferos en los yacimientos, en otros casos ofrecen interés industrial como materiales de importantes metales, por ejemplo el manganeso (rodocrosita) yfierro (siderita). El radical carbonato (CO3) puede formar compuestos más o menos estables con cationes de metales, los principales son: Mg, Fe, Zn, Ca, Mn, Sr, Pb, Ba, Cu. Los carbonatos poseen dureza que oscila entre 3 y 5. Son solubles en agua. A excepción de los carbonatos de cobre, que son de color azul o verde, todos los demás son de color blanco o presentan coloraciones pálidas. 33
Como propiedad distintiva de esta clase, cabe mencionar la efervescencia con los ácidos, aunque en algunos de ellos no se manifiesta a simple vista, lográndose observar dicha efervescencia cuando es pulverizado el mineral, o calentando el ácido, generalmente ácido clorhídrico diluido al diez por ciento.
El origen de los carbonatos se debe a los siguientes procesos, entre otros. Yacimientos hidrotermales Procesos de meteorización Procesos de evaporación – precipitación Por segregación de organismos La importancia práctica de los carbonatos puede resumirse en los siguientes usos:
Fabricación de distintos aparatos ópticos Son minerales ornamentales Como fundentes en procesos metalúrgicos Fabricación de cemento y cal Materiales de construcción Fabricación de refractarios Menas de fierro, manganeso, zinc, plomo y cobre Fabricación de pinturas
Los principales carbonatos son los siguientes:
Grupo de la calcita Calcita Magnesita Siderita Rodocrosita Smithsonita
Grupo del aragonito Aragonito Witherita Estroncianita Cerusita
Grupo de la dolomita
Carbonatos hidratados
Dolomita Ankerita
Malaquita Azurita
SULFATOS Son la combinación química de los elementos con el radical sulfato (SO4), este radical es formado a partir del azufre en condiciones muy oxidantes. La formación de sulfatos puede tener lugar únicamente en condiciones oxidantes y a temperaturas relativamente bajas. Estas condiciones son encontradas cerca de la superficie de la 34
corteza terrestre, por lo tanto no se encuentran como minerales magmatógenos, en las rocas eruptivas ni en las rocas metamórficas de profundidad. Los principales elementos que existen en combinación con el radical sulfato son los siguientes:
Ba, Sr, Pb, Ca, Mg, K, Cu. Algunos sulfatos son hidratados, esto es, revestidos por una capa de moléculas de agua (agua de cristalización). Presentan enlace iónico y covalente. La dureza es relativamente baja, siendo aún mas en los sulfatos hidratados, son solubles en agua y en general sus propiedades físicas y químicas dependen del catión dominante.
La génesis de los sulfatos es debida a los siguientes procesos: Yacimientos hidrotermales Evaporación – precipitación Zonas de oxidación de yacimientos de sulfuros Corteza de meteorización
Los principales usos y aplicaciones de los sulfatos son los siguientes:
En la industria química Cerámicas y vidrios especiales Industria papelera Fabricación de cemento Densificante en los fluidos de perforación Menas principales de estroncio y plomo Procesos metalúrgicos
Los principales sulfatos son: Sulfatos Anhidros Barita Celestita Anhidrita Anglesita
Sulfatos Hidratados Yeso Alunita Calcantita Epsomita Antlerita
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BORATOS Borax Colemanita Ulexita Kernita
VANADATOS Vanadinita Carnotita
ARSENIATOS Eritrina Adamita Legrandita
FOSFATOS Apatito Piromorfita
Turquesa Autunita Monacita Wavellita TUNGSTATOS Wolframita Scheelita
NITRATOS Nitro Nitratina
MOLIBDATOS Wulfenita
CROMATOS Crocoita
CLASIFICACIÓN DE LOS MINERALES Si queremos clasificar minerales tendremos que conocer sus propiedades: El COLOR de un mineral es la característica que primero se aprecia, por ello, es el primer carácter distintivo utilizado. Para determinar el color observe el mineral bajo una luz intensa o mejor a la luz del día. Preste atención a que se trate del verdadero color del mineral y no del de una capa de oxido. En caso de duda, examine el color en un trozo recién partido. El BRILLO, que depende de la manera en que la luz es reflejada o refractada, así como la calidad de la superficie del cristal. Se distinguen los minerales con 36
brillo metálico o no metálico; cuando no es posible diferenciarlos, se habla de brillo semimetàlico. Se distinguen varias clases de brillo, como ser:
BRILLO VITREO: Es el que corresponde a un simple vidrio. BRILLO RESINOSO: El de la brea recién extraída. BRILLO SEDOSO: El que presenta visos ondulantes como la seda natural. BRILLO NACARADO: Recuerda a la parte interna de algunos moluscos (nácar) que
presenta visos blancos con brillo cromático.
La EXFOLIACION Y FRACTURA: Describe la forma de los trozos que se obtienen al golpear un mineral con el martillo DUREZA: Los minerales pueden ser muy duros, como por ejemplo el DIAMANTE, o muy blandos como el TALCO. La determinación de la misma se realiza teniendo en cuenta la TABLA DE DUREZA creada por MOHS, que consta de una serie de 10 minerales, en la que cada uno raya al inmediato anterior, a saber: . SE RAYA CON LA 1 TALCO UÑA SE RAYA CON LA 2 YESO UÑA SE RAYA CON LA 3 CALCITA NAVAJA SE RAYA CON LA 4 FLUORITA NAVAJA SE RAYA CON LA 5 APATITO NAVAJA SE RAYA CON LA 6 ORTOSA NAVAJA SE RAYA CON LA 7 CUARZO NAVAJA 8 TOPACIO RAYA EL VIDRIO 9 CORINDON RAYA EL VIDRIO 10 DIAMANTE RAYA EL VIDREO .
RAYA: La raya de un mineral es el color de la huella que deja al ser frotado sobre una placa de porcelana sin vidriar. Es una característica del mineral y constituye un elemento importante para la clasificació n. TRANSPARENCIA: Se dice que un mineral es transparente cuando a través de él podemos ver el contorno de las figuras. La mayoría de los cristales incoloros pertenecen a 37
este grupo. Existen otras propiedades que son mas específicas y tal vez un poco mas difíciles de determinar, como ser: DENSIDAD, FLUORESCENCIA, COMPOSICIÓN QUIMICA. RADIOACTIVIDAD, DENSIDAD, MAGNETISMO, LUMINISCENCIA, INDICE DE REFRACCIÓN, que nos ayudan a lograr la: CLASIFICACIÓN DE LOS MINERALES Los minerales son sustancias compuestas de uno o varios elementos químicos y son ordenados en grupos según su composición química y su estructura, por tanto los minerales se pueden dividir en nueve clases principales: .
GRUPOS 1- ELEMENTOS NATIVOS
DESCRIPCIÓN
EJEMPLOS
SON SUSTANCIAS CONSTITUIDAS POR ATOMOS DE UNA SOLA CLASE. SON APROXIMADAMENTE 50
ORO - PLATA PLATINO - AZUFRE - GRAFITO DIAMANTE HIERRO COBRE ARSENICO ANTIMONIO - ETC. SON COMPUESTOS DE PIRITA (FeS2) 2- SULFUROS AZUFRE CON OTROS GALENA (PbS) ELEMENTOS, SOBRE ESFALERITA (ZnS) TODO METALES. NIQUELINA (NiAs) SON CALCOSINA (Cu2S) APROXIMADAMENTE - ETC. 300 SON COMPUESTOS DE FLUORITA (CaF2) 3SAL GEMA (HALITA HALOGENUROS METALES CON LOS HALOGENOS.(F - Cl - NaCL) Br - I). SILVINA (KCl) SON ATACAMITA APROXIMADAMENTE (Cu2(OH)3Cl) - ETC. 100 SON COMPUESTOS CUARZO (SiO2) 4- OXIDOS, POR OXIGENO RUTILO (TiO2) HIDROXIDOS ENLAZADO A GOETHITA (FeOOH) DIVERSOS BRUCITA ELEMENTOS (Mg(OH)2) METALICOS. CUPRITA (Cu2O) SON ETC. APROXIMADAMENTE. 250 38
5CARBONATOS
SON DERIVADOS DE MAGNESITA LA COMBINACION DE (MgCO3) DIVERSOS OXIDOS SIDERITA (FeCO3) METALICOS CON CALCITA (CaCO3) ANHIDRIDO SMITHSONITA CARBONICO. (ZnCO3) - ETC. aon APROXIMADAMENTE 200 SON SALES DEL BARITINA (BaSO4) 6- SULFATOS ACIDO SULFURICO, ANHIDRITA MUY DIFUNDIDAS EN (CaSO4) LA NATURALEZA YESO INCLUYEN (CaSO4.2H2O) CROMATOSSCHEELITA MOLIBDATOS (CaWO4) CROCOITA (PbCrO4) SON COMPUESTOS DE TRIFILINA 7- FOSFATOS ELEMENTOS CON EL (LiFePO4) GRUPO PO4.- INCLUYE MONACITA ARSENIATOS Y (CePO4) VANADATOS. TRIPLITA SON (Mn,Fe)2FPO4 APROXIMADAMENTE CLOROAPATITO 200 Ca5Cl(PO4)3 PIROMORFITA PbCl(PO4)3 ALMANDINO 8- SILICATOS ESTAN FORMADOS POR SILICIO Y (GRANATE) OXIGENO, SON LOS Fe3Al2(SiO4)3 MAS ABUNDANTES DE TOPACIO LA CORTEZA (Al2Fe2SiO4) TERRESTRE. BERILO SON (Al2Be3Si6O18) APROXIMADAMENTE DIOPTASA 500 (Cu6Si6O18.6H2O) 9- SUSTANCIAS SON COMPUESTOS DE AMBAR - OXALITA CARBONO QUE SE - MELITA ORGÁNICAS FORMAN DEBIDO A LA FLAGSTAFFITA ACCION DIRECTA DE SIMONELITA – ALGUNOS SERES IDRIALITA VIVOS. SON 20
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ÓXIDOS
Cuarzo
ver variedades de cuarzo
También clasificable como silicato (ver tectosilicatos)
SiO2
Hematites roja (Oligisto)
Hematites roja (Oligisto)
Hematites roja (Oligisto)
Fe2O3
Fe2O3
Fe2O3
Óxido de hierro
Óxido de hierro
con hematites parda
Óxido de hierro
Principal mena de hierro
Hematites roja terrosa
Hematites roja terrosa 40
(Ocre rojo)
(Ocre rojo)
Fe2O3
Fe2O3
Óxido de hierro
Óxido de hierro Se usa como pigmento y abrasivo
Hematites micáceo
Hematites micáceo
Hematites micáceo
Fe2O3
Fe2O3
Fe2O3
Hematites parda o limonita
Hematites parda o limonita (variedad terrosa- ocre amarillo)
2Fe2O3.3H2O
2Fe2O3·3H2O (material amorfo) La hematites parda es el mineral de hierro más abundante. Las variedades terrosas de la limonita conocidas como ocre amarillo son utilizadas como pigmento
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Magnetita
Magnetita
Magnetita
Fe2+Fe3+2O4
Fe2+Fe3+2O4
Fe2+Fe3+2O4
(óxido ferroso-férrico)
(óxido ferroso-férrico)
(óxido ferroso-férrico)
Junto con la hematita es una de las menas férricas más importantes ya qu e contiene un 72% de hierro (es el mineral con más contenido en hierro). También se emplea para la obtención de vanadio y fósforo. Diversas especies de animales (algunos moluscos, insectos como las abejas y algunas aves) poseen pequ granos de magnetita para orientarse siguiendo el campo magnético de la Tierra.
Cromita
Cromita
Cromita
Cr 2FeO4
Cr 2FeO4
Cr 2FeO4
Única mena de cromo. El cromo es un componente del acero inoxidable y se emplea en diversas aleaciones. También para fabricar materiales refractarios (como los ladrillos para h ornos de fundición) y en la fabricación de vidrio verde.
Casiterita (sobre cuarzo)
Casiterita (sobre cuarzo)
SnO2
SnO2
Casiterita SnO2 42
Mena de estaño, metal base de algunas aleaciones como latón y bronce.
Ilmenita
Ilmenita
Ilmenita
Fe2+TiO3
Fe2+TiO3
Fe2+TiO3
Principal mena de titanio. Se usa en aleaciones especiales para la industria aeroespacial y para obtención de pigmentos.
Pirolusita
Pirolusita
Pirolusita
MnO2
MnO2
MnO2
Mena más importante del manganeso. Se emplea en aleaciones del acero, cobre, zinc, aluminio, estaño y plomo. También como oxidante en la obtención del cloro, bromo y oxígeno.
Pirolusita dendrítica
Psilomelana dendrítica
MnO2
(Ba, H2O)Mn5O10 Mena de manganeso
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Corindón (sobre Zoisita) (Al2O3) Por su dureza, se emplea como abrasivo (esmeril). Las variedades coloreadas y traslúcidas son consideradas piedras preciosas como el rubí, zafiro, amatista, topacio y esmeralda).
ÓXIDOS E HIDRÓXIDOS Breve caracterización de los óxidos A esta clase pertenecen aquellos elementos naturales en los que el oxígeno se combina con uno o más metales. Los óxidos simples, compuestos de un metal y oxígeno, presentan diferentes relaciones X/O (metal/oxígeno), tales como X 2O, XO, X2O3. Los óxidos múltiples presentan metales de distintos tamaños combinados con el oxígeno. Entre los óxidos figuran algunos minerales de gran valor económico, al ser algunas de las principales menas de hierro ( hematites, magnetita), cromo (cromita), manganesio ( pirolusita), estaño ( casiterita) y uranio (uraninita). El tipo de vínculos entre los átomos de los óxidos es, normalmente, fuertemente iónico, en contraste con las estructuras de los sulfuros con vinculación iónica, covalente y metálica.
Una de las primeras estructuras determinadas con rayos X por L. Bragg en 1916 fue la estructura de la cuprita (Cu2O) ilustrada en la figura siguiente:
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La estructura de la periclasa (MgO) es idéntica a la del NaCl, perteneciendo al grupo espacial cúbico Fm3m. En la sección paralela a {111} esta estructura se parece mucho a la de los minerales del grupo de la hematites, pero en este caso las capas se observan con todas las posiciones octaédricas ocupadas por cationes Mg:
Las estructuras de los minerales del grupo de la hematites (Fe2O3)se basan en un empaquetamiento compacto hexagonal de oxígeno con cationes de metales en coordinación octaédrica con ellos. A continuación se representa la estructura de los minerales de este grupo en dos proyecciones perpendicular (a) y paralela (b) al eje c.
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Además de la hematites, el corindón y la ilmenita presentan estructuras cristalinas similares.
Las estructuras de los óxidos de tipo XO 2 son básicamente de dos tipos principales.
Uno de ellos es la estructura del rutilo (TiO2), donde el catión Ti 4+está en coordinación octaédrica con los aniones de oxígeno. Las relaciones entre los radios atómicos Rx/Ro en los minerales con este tipo de estructura varían entre 0.732 y 0.414. Los minerales del grupo de rutilo tienen el grupo espacial P42/mnm. El rutilo presenta dos polimorfos la brookita y la anatasa con ligeras diferencias en sus estructuras. En la estructura de rutilo, el Ti4+ se sitúa en el centro del octaedro de oxígeno y cada oxígeno está vinculado con cuatro cationes de titanio:
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