TEMA 3
LA MATERIA MINERAL Y LA MATERIA CRISTALINA. PROPIEDADES Y MÉTODOS DE ESTUDIO 1.
INTRODUCCIÓN.
2. LA MATERIA MATERIA MINERAL. MINERAL. 2.1. Concepto de mineral. 2.2. Estabilidad de un mineral. 2.3. Cristaloquímica. 2.4. Tipos de redes químico-estructurales. químico-estructurales. 2.5. Isomorfismo y polimorfismo.
3. LA MATER MATERIA IA CRIST CRISTALI ALINA. NA. 3.1. Concepto de cristal 3.2. Estructura cristalina. 3.3. efectos de la estructura cristalina.
4. PROPIE PROPIEDAD DADES ES DE LOS LOS MINE MINERAL RALES. ES. 4.1. !ropiedades mec"nicas. 4.2. !ropiedades #pticas. 4.3. !ropiedades escalares.
5. MÉT MÉTOD ODOS OS DE ESTU ESTUDI DIO. O. 5.1. $n"lisis. 5.2. %bser&aci#n al microscopio. 5.3. Cristalo'rafía de rayos (. 5.4. $plicaciones cristalo'r"ficas. 6.
CONCLUCIÓN.
7. BIBLIO BIBLIOGRA GRAFÍ FÍA. A. 1
1.- INTRODUCCIÓN. El presente tema aborda el estudio de la materia mineral y cristalina. )e e*ponen las propiedades minerales y sus m+todos de estudio, que a su &e determinan sus posibles aplicaciones cristalo'r"ficas.
2.- LA MATERIA MINERAL. 2.1.- CONCEPTO DE MINERAL os m!"#$%"& son /0 sustancias s#lidas, inor'"nicas, de ori'en natural, omo'+neas, con una disposici#n at#mica ordenada y cuya composici#n química, estructura cristalina y propiedades físicas son fias o &arían entre límites determinados. os mineraloides son s#lidos naturales en estado amorfo, es decir, con estructura desordenada. )e trata de una situaci#n inestable y transitoria.
2.2.- ESTABILIDAD DE UN MINERAL os enlaces de los "tomos que forman un mineral pueden ser -
!rimarios. )on enlaces fuertes, como son el i#nico, co&alente y el met"lico
-
)ecundario. )on enlaces d+biles, como los moleculares /an der 6aals.
Cuando un mineral cristalia, la estructura que adopta tiende a cumplir los si'uientes principios o
!rincipio fundamental de cristaloquímica, se'7n el cual los minerales son el+ctricamente neutros /mismo n7mero de car'as positi&as y ne'ati&as de sus iones.
o
!rincipio espacial os "tomos tienden a colocarse del modo m"s denso posible.
o
!rincipio de simetría Como consecuencia del principio anterior, la estructura adquirida por la red tiende a ser la de mayor simetría posible.
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2.3.- CRISTALO'UÍMICA os cristales desarrollan su forma e*terna o "bito cristalino 1 durante la cristaliaci#n, proceso de adici#n de "tomos o iones uno a uno, encaando cada uno en su lu'ar apropiado dentro de un esquema o arma#n estructural conocido como malla cristalina. En la formaci#n de un cristal &an a influir la composici#n química, las presiones, temperatura y tiempo de formaci#n. El n7mero de coordinaci#n desi'na al n7mero de iones de mismo si'no que rodean a otro de car'a /si'no contraria, y por tanto se refiere tambi+n al n7mero de electrones que el "tomo central est" compartiendo. !or otro lado, el n7mero de electrones que ese "tomo central podría compartir se conoce como n7mero de &alencia. 8inalmente, la forma 'eom+trica resultante se conoce como poliedro de coordinaci#n.
Tipos de coordinaci#n
El n7mero de coordinaci#n para las redes cristalinas mantenidas por enlaces i#nicos o co&alentes puede ser
N(m"#) *" +))#*!$+,!
T) *" +))#*!$+,!
2
ineal
3
Trian'ular
4
Tetra+drica
9
%cta+drica
:
C7bica
12
dodeca+drica /el m"s frecuente en el enlace met"lico.
1
!roporciones de las caras de un mineral. E acicular como el rutilo , acolumnado como la calcita, dodecaedral como el 'ranate.
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Cuando los poliedros se unen entre sí, se'7n las 3 direcciones del espacio, se obtiene otro tipo de estructura el arma#n tridimensional. E. silicatos. as posibles ordenaciones de empaquetamiento para los compuestos i#nicos est"n descritas en las re'las de !aulin' /1;31 en funci#n de la relaci#n del tama
2.4.- TIPOS DE REDES 'UÍMICO-ESTRUCTURALES ienen determinadas por las clases de "tomos que posee la red a Con una sola clase de "tomos cobre /c7bica, o la del 'rafito /e*a'onal. b Con dos clases de "tomos tipo alita /c7bica= índice de coordinaci#n 9. c Con tres clases de "tomos carbonatos y silicatos.
2.5.- ISOMORFISMO Y POLIMORFISMO El isomorfismo consiste en la sustituci#n 2 de unos iones del mineral por otros en una soluci#n s#lida sin que aya cambios en su estructura mineral. $sí, los minerales presentan &ariaciones en su composici#n química e id+ntica estructura cristalina. >n eemplo de ello lo tenemos en la sustituci#n de iones Ca y ?a en las pla'ioclasas entre los t+rminos Ca y ?a anortita @Ca$l2)i2%:-, bitoAnita, labrador, andesina, oli'oclasa y albita @?a$l 2)i2%:El polimorfismo se refiere a la distintas estructuras cristalinas que presentan minerales con una misma composici#n química, y que se debe a las diferentes condiciones de formaci#n /temperatura, presi#n, tiempo a las que estu&ieron sometidas. >n eemplo lo tenemos entre el diamante, con estructura c7bica, y el 'rafito, con estructura e*a'onal.
2
!ara que dos iones puedan sustituirse en un cristal sus radios i#nicos no deben diferenciarse m"s de un 15B de radio i#nico.
4
3.- LA MATERIA CRISTALINA 3.1.- CONCEPTO DE CRISTAL >n cristal es un cuerpo s#lido y omo'+neo, que posee un orden interno tridimensional limitado normalmente por caras planas que 'uardan una relaci#n de simetría entre sí.
3.2.- ESTRUCTURA CRISTALINA a teoría reticular /ra&is, 1:4; establece que en una nube de puntos ordenados en el espacio se pueden distin'uir
8ila reticular las partículas materiales que se allen a lo lar'o de una arista de la red.
!lanos reticulares.
Ded reticular obtenida al apilar planos reticulares id+nticos y paralelos separados entre sí por la traslaci#n fundamental. Cada red espacial est" formada por un paralelepípedo fundamentalmente que se repite
indefinidamente en las tres direcciones el espacio que denominamos celda unidad, celda fundamental o malla. El primero en ablar de esta celda unidad fue el padre de la cristalo'rafía Den+ ust FaGy /1043-1:22. Cada celda unidad queda determinada por la lon'itud de sus aristas a, b, y c, que se cortan en un punto, y por el &alor de los "n'ulos H, , y J que forman dicas aristas. Estos &alores reciben el nombre de constantes cristalo'r"ficas. En la naturalea e*isten 0 tipos de celdas fundamentales /0 sistemas cristalinos
S&"m$ +#&$%!)
E/"m%)
Triclínico
6ollastonita
Konoclínico
Talco
Tri'onal /Dombo+drico
Calcita
Tetra'onal
Circ#n
%rtor#mbico
$l'unos carbonatos
Fe*a'onal
Lrafito
C7bica
iamante
5
a J
H b c
En funci#n de los &alores que adoptan esos "n'ulos y &ectores, e*isten 14 posibles redes cristalinas, que se conocen como redes de ra&is. Estas redes se pueden clasificar en
!rimiti&as /! los nudos se localian en los &+rtices del poliedro.
Centradas en las bases /C nudos en los &+rtices y en el centro de las bases.
Centradas en las caras /8 nudos en los &+rtices y en el centro del poliedro.
Centradas en el interior /I nudos en los &+rtices y en el centro 'eom+trico del poliedro.
as redes de ra&is pueden presentar asta 32 tipos de simetría puntual para dar 23M 'rupos espaciales reco'idos en las tablas internacionales de D-(.
3.3.- DEFECTOS EN LA ESTRUCTURA CRISTALINA urante la formaci#n de un cristal, se an debido colocar en su lu'ar millones y millones de "tomos durante un tiempo en el que posiblemente abr" cambiado las condiciones de presi#n y temperatura. Esto da lu'ar a distorsiones en la estructura del cristal. Estas imperfecciones afectan a las propiedades b"sicas de los materiales cristalinos, tales como la resistencia mec"nica, conducti&idad, deformaci#n y color. icas imperfecciones se clasifican en 9
efectos puntuales pueden deberse a uecos que aparecen en la estructura del cristal /efecto &acío, a la presencia de "tomos intersticiales, o al defecto de impureas.
efectos lineales la disposici#n ideal de los "tomos se des&ía linealmente. Estos defectos suelen denominarse dislocaciones /de arista y de tornillo.
efectos planarios onas bidimensionales a lo lar'o de las cuales se re7nen bloques li'eramente desorientados.
4.- PROPIEDADES DE LOS MINERALES. as propiedades de la materia cristalina dependen de la composici#n química y estructura interna que presentan. P"##" C0#" /si'lo (I( fue el primero en estudiar estas relaciones, ra#n por la cual recibi# el ?obel de física en 13. as propiedades de los minerales son
ectoriales si &arían se'7n la direcci#n en las que se les considere. !ueden ser -
Continuas íntimamente li'adas a la simetría del cristal /durea, propiedades ma'n+ticas, propiedades el+ctrica, etc..
-
iscontinuas se presentan s#lo en determinadas direcciones /e*foliaci#n, fractura.
Escalares independientes de la direcci#n en las que se les considere. E densidad, calor específico, etc.
$ continuaci#n describimos las principales propiedades físicas de los minerales
4.1.- PROPIEDES MECNICAS ependen de la coesi#n de los minerales. istin'uimos
D0#"$ Desistencia que oponen los minerales a ser rayados. epende de los enlaces químicos 3 e*istentes. )e puede medir de forma absoluta con un dur#metro o escler#metro, y de forma relati&a con la escala de Kos /1:24, que ordena 1M minerales de durea creciente /cada uno es rayado por el si'uiente
3
os minerales presentan cuatro tipos de enlaces i#nico, co&alente, met"lico y fueras de an der 6aals.
0
1. Talco. 2. Neso. 3. Calcita. 4. 8luorita. 5. $patito. 9. %rtosa.
E*iste una relaci#n apro*imada de durea= diamante: talco = 300.000:1 .
0. Cuaro. :. Topacio. ;. Corind#n. 1M. iamante.
T"!$+*$* /9 Desistencia que opone un mineral a ser roto, molido, doblado o deformado, y depende de su coesi#n. )e'7n la tenacidad, podemos clasificar un mineral como
8r"'il se rompe f"cilmente /diamante.
Kaleable puede ser conformado en oas del'adas sin romperse /$u.
7ctil se puede estirar en forma de ilo /Cu.
)+ctil puede cortarse /$'.
8le*ible se puede doblar, pero no &uel&e a recuperar su forma ori'inal /talco.
El"stico sí recobra su forma primiti&a tras la fle*i#n /mica.
F#$+0#$ "6)%$+,! . a fractura es el aspecto que presenta la superficie de fractura si no coincide con los planos de e*foliaci#n. !uede ser concoidea, laminar, terrosa, etc. >n tipo especial es la e*foliaci#n o cli&ae, que consiste en la ruptura de un mineral si'uiendo planos determinados de debilidad, como ocurre con el yeso o la mosco&ita.
:
4.2.- PROPIEDES ÓPTICAS )on deri&adas de la interacci#n de los cristales con la lu. )on la base de los m+todos de estudio por microscopio y muy 7tiles en identificaciones O&isuP. istin'uimos
C)%)# !roducidos porque el mineral absorbe ciertas lon'itudes de onda del espectro &isible y reflea el resto. !ude &ariar muco dentro de una especie mineral debido a las impureas, el 'rado de cristalinidad y los defectos estructurales. )e utilia como característico, el color de la superficie fresca del mineral y el color de su raya. $sí, los minerales con color característico se llaman idiocromados como
?e'ro de la ma'netita /8e3%4
erde del oli&ino /8eK')i%4
Doo de ematites /8e2%3
os minerales que no presentan un color característico se denominan alocromados. Eemplo la fluorita puede ser incolora, &ioleta, aul, amarilla, etc.
B#%%) $specto 'eneral de la superficie de un mineral cuando se reflea en ella la lu. epende de la refle*i#n de la lu en la superficie, del índice de refracci#n, etc. !uede ser met"lico /pirita, &ítreo /cuaro, resinoso /aufre, nacarado /talco, 'raso /síle*, sedoso /malaquita, adamantino /diamante, etc.
D$$!*$* !ropiedad que consiste en dear pasar la lu. !odemos clasificar los minerales en -
Transparente se aprecia con nitide el contorno de un obeto situado detr"s. E diamante.
-
Transl7cidos dean pasar la lu pero no distin'uimos los obetos. E alabastro.
-
%pacos no dea pasar la lu, como el cobre o el oro.
;
R"#!8"!+$ Capacidad de los minerales transparentes de cambiar la direcci#n de un rayo de lu que los atra&iesa. os minerales pueden ser -
Konorrefrin'entes la lu se propa'a con id+ntica &elocidad en todas sus direcciones. Estos minerales reciben el nombre de is#tropos /cristalian en un sistema c7bico. Eemplo pirita.
-
irrefin'entes Cuando un rayo de lu polariada sufre una refracci#n que desdobla el rayo en dos /perpendiculares entre sí y que &iaan a &elocidades distintas. Estos son los minerales anis#tropos. Eemplo turmalina. El "n'ulo de refracci#n de un rayo de lu que a atra&esado un cristal depende de su
índice de refracci#n / L" *" S!"%%9 1:21; ! 1. &"! < ! 2. &"! # . ico índice es la relaci#n entre la &elocidad de la lu en el &acío y la &elocidad de la lu cuando est" atra&esando el cristal.
! < += >
onde c &elocidad de la lu & p elocidad de la fase en dico medio
L0m!&+"!+$ )on minerales luminiscentes aquellos que emiten lu cuando son sometidos estímulos mec"nicos, químicos, etc. a fluorescencia es la luminiscencia que se produce mientras un mineral es e*puesto a los rayos ( o a rayos ultra&ioleta /e. diamante. a fosforescencia es aquella luminiscencia que persiste despu+s de la e*posici#n en al'unos minerales como la fluorita /Ca8 2. 1M
4.3.- PROPIEDES ESCALARES P0!) *" 0&,!. Temperatura a la que un mineral pasa de estado s#lido a líquido. isminuye con las impureas.
D"!&*$*. Es el &alor de la masa por unidad de &olumen /'rQcc. )u &alor num+rico es i'ual al peso específico. Est" directamente relacionado con el n7mero de coordinaci#n.
P"&) "&"+?+). Cociente entre su peso y el peso de un &olumen equi&alente de a'ua a 4RC. )us &ariaciones dependen principalmente del empaquetamiento de los "tomos que formen el cristal. Con esto terminamos el estudio de las propiedades minerales. Consideremos a continuaci#n c#mo las determinamos.
5.- MÉTODOS DE ESTUDIO. !ara el estudio de la materia mineral se emplean di&ersos m+todos, se'7n las propiedades a analiar o el uso para el que se necesite. os principales m+todos son
5.1.- ANLISIS )e emplean para determinar cuantitati&a y cualitati&amente los minerales de las muestras. Tienen el problema de requerir muestras puras y bastante preparaci#n. as t+cnicas m"s utiliadas son an"lisis químico 7medo, an"lisis 'ra&im+trico, fluorescencia de rayos (, microan"lisis de sonda electr#nica, an"lisis espectro'r"fico #ptico, fotometría de llama, an"lisis radiol#'ico espectral, espectrometría de masa.
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5.2.- OBSER@ACIÓN AL MICROSCOPIO K+todo muy utiliado y tradicional. istin'uimos
Kicroscopio de polariaci#n es el instrumento m"s importante para determinar las propiedades #pticas de los cristales. Con +l se consi'ue una informaci#n f"cil y r"pida. )e obtiene una ima'en aumentada de la muestra mediante la combinaci#n de dos lentes el obeti&o y el ocular. %tro elemento importante es el polariador, que es una placa polariante que transmite lu polariada. a muestra se prepara con un 'rosor &ariable de apro*imadamente 3M micras.
Kicroscopio de refle*i#n se utilia para estudiar cuerpos opacos. Deco'e la lu refleada del mineral. )e obser&an te*turas, color, e*foliaci#n, birrefrin'encia.
Kicroscopio electr#nico permite una 'ran resoluci#n. a muestra se coloca en una c"mara de &acío y se bombardea con un a de electrones.
5.3.- CRISTALOGRAFÍA DE RAYOS 8ue descubierto accidentalmente por Doet'en en 1.;:5, consiste en el bombardeo de la muestra en un tubo de &acío en el que se sit7a un filamento de tun'steno /6o que act7a como c"todo, y un "nodo que es un metal blanco para los electrones. an lu'ar a dos espectros continuo y característico. os m+todos m"s importantes son -
K+todo de ane
-
K+todo de pol&o
-
ifract#metro de pol&o de rayos (.
5.4.- APLICACIONES CRISTALOGRFICAS a cristalo'rafía se desarroll# en el estudio del "rea de conocimientos que estamos tratando en este tema. )in embar'o, en la actualidad a trascendido a otros "mbitos con aplicaciones comerciales como
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-
!aneles foto&oltaicos. >so de cristales de sílice para producir efecto fotoel+ctrico.
-
Cristales que pueden ordenarse ante la polariaci#n el+ctrica en un medio líquido, cambiando sus propiedades #pticas, como en los monitores planos, pantallas de reloes, etc.
-
Inform"tica. as t+cnicas de cristaliaci#n an permitido reducir los componentes cip a tama
Esto es un eemplo de c#mo el saber umano no es estanco y cuando se utilian conocimientos de "reas distintas se pueden dar saltos en el desarrollo.
Además, estos
contenidos nos brindan la oportunidad de poner ejemplos llamavos y movantes para nuestro alumnado.
7. CONCLUSIÓN
. BIBLIOGRAFÍA
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