Los minerales Sabes cómo se forman los minerales? Introducción Has observado las arenas de las playas de México?. Para los que hemos tenido la oportunidad de visitar las playas de la costas del pacífico, las del Golfo y las del Mar Caribe, lo primero que observamos es que su color es diferente. Ahora bien, si tomamos un puño de arena de cualquiera de estas playas y la observamos con cuidado, notaremos que está compuesta por muchos granos de formas y colores variados (Figura 1). Si ahora la observamos con una lupa, veremos que los granos incluso del mismo color tienen formas diferentes y en algunos casos son geométricas. Posteriormente, auxiliados por un microscopio vemos que los granos tienen formas particulares, inclusive las que en un principio nos parecían iguales tienen sus diferencias. Es decir, tenemos una serie de granos con características particulares que permiten distinguirlos del resto (Figura 1). Basándose únicamente en la forma y color de los granos podemos agruparlos. Como resultado de esta agrupación, algunas preguntas que podríamos hacernos son: porqué los granos tienen diferente forma, color o incluso tamaño?; de qué depende su apariencia?. Qué es lo que determina su forma y color?; cómo están constituidos estos cuerpos?. Las respuestas a estas preguntas tiene que ver con el tipo de compuestos químicos que constituyen a estos materiales, es decir sus átomos y a las fuerzas que los unen, las cuales 3
dan como resultados arreglos internos definidos; es decir la forma es resultado del arreglo interno de los átomos que integran a los materiales naturales. Figura 1. Si colectamos arena de una playa y la observamos con detenimiento veremos que los granos tienen formas y colores variados e incluso algunos tienen formas geométricas. El color y su forma nos ayudan a diferenciarlos. Las formas geométricas de los granos son una expresión de la estructura interna de sus constituyentes es decir de los átomos de los distintos elementos que lo componen. 4
Los átomos están constituidos por tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones. La cantidad y posición de estas partículas constituyen su estructura atómica (Figura 2). El número de protones (número atómico) de los átomos diferentes son los que definen a los elementos químicos. Por ejemplo el hidrógeno tiene un solo protón, el carbono tiene 6 y el oxígeno 8. Los protones tienen carga eléctrica positiva, los neutrones son eléctricamente neutros y los electrones tienen carga negativa. El átomo de un elemento es eléctricamente neutro ya que tiene la misma cantidad de electrones y neutrones. Figura 2. Estructura atómica del carbono. En la parte central (núcleo) están aglutinados los neutrones y protones y girando alrededor de ellos, describiendo órbitas concéntricas están los electrones. 5
A la fuerza que mantiene unidos a dos o más átomos y hace que funcionen como una unidad se le denomina enlace químico. Existen tres tipos importantes de enlaces: a) iónico o electrovalente, cuando hay pérdida o ganancia de electrones (Figura 3); b) covalente, cuando un elemento comparte sus electrones (Figura 4); c) enlace metálico, donde sus electrones de valencia (los de la última órbita) permanecen libres y viajan de un ión a otro. El número de electrones que posee cada elemento en su última orbita, varía de 1 a 8, y determina el tipo de relación que pueden tener los diferentes elementos. Por ejemplo, cuando se combina el Na, que posee 1 electrón en su última órbita, y el Cl, con 7 electrones en su última órbita, el Na pierde un electrón y adquiere carga eléctrica y el Cl lo gana y también adquiere carga eléctrica (figura 3). A los átomos con carga eléctrica se les conoce como iones. En este caso el Na al perder un electrón adquiere una carga positiva y forma un ión que se conoce como catión (Na + ). El Cl al ganar el electrón adquiere una carga negativa y forma un ión que se conoce como anión (Cl - ). La pérdida y ganancia de electrones de los elementos que se combinan producen compuestos eléctricamente neutros: por ejemplo el cloruro de sodio (NaCl) (Figura 3). También puede ocurrir que los elementos involucrados en una reacción química compartan sus electrones, es decir no los pierden ni los ganan. Por ejemplo, al combinarse un átomo de carbono (C) con otros átomos de carbono comparten sus electrones. El C tiene 4 electrones en la última órbita, que son compartidos con los 4 electrones de C adyacente y así sucesivamente (Figura 4). Cabe destacar que existen algunos iones constituídos por varios elementos, conocidos como iones complejos, que pueden combinarse con otros iones para 6
equilibrar la carga, por ejemplo el ión sulfato (SO 4 ) 2-. En este caso, el ión sulfato está formado por un ión de azufre con carga eléctrica de +6 y cuatro de O, cada uno con carga de 2 por lo cual la carga neta es de 2. Otro ejemplo es el de los carbonatos (CO 3 ) 2-, donde tres átomos de oxígeno se combinan con uno de carbono (Figura 5). Cabe mencionar que los únicos elementos que poseen ocho electrones en su última órbita tienden a no reaccionar con otros elementos por lo cual son conocidos como gases inertes o nobles. Figura 3. Enlace iónico. Este tipo de enlace ocurre cuando un átomo pierde electrones y otro los gana. En este caso se muestra como el Na pierde un electrón al combinarse con el Cl que lo gana. 7
Figura 4. Enlace covalente. Este tipo de enlace ocurre cuando los átomos involucrados en una reacción comparten sus electrones. En este caso se muestra un átomo de Carbono que al combinarse con otros átomos de Carbono, comparte los electrones de su última órbita. Figura 5. Estructura interna de la Calcita (CaCO 3 ) que muestra como el ión complejo [CO 3 ] 2+ tiene una posición fija en la estructura cristalina de la Calcita. Modificada de Tarbuck y Lutgens, 1999) En general los minerales pueden presentar más de un tipo de enlace. Por ejemplo en los silicatos el ión (SiO 4 ) 4-, estructura básica del grupo, tiene un 8
enlace covalente y forma otros compuestos a través de enlaces iónicos para hacerlo eléctricamente neutro. Por otra parte el diamante, carbono puro, es un ejemplo de sustancia cuyas cristales constituyen verdaderas moléculas gigantes en las que todas las uniones entre átomos de carbono tienen características del enlace covalente (Figura 4). Cabe recordar que en la Tabla Periódica los elementos están distribuidos en columnas de acuerdo a su número atómico y coincide con el número de electrones de valencia, de tal forma que los elementos ubicados en las primeras columnas, a la izquierda de la tabla, son los que menos electrones pierden para obtener la estructura electrónica de los gases nobles, los cuales se localizan en la primera columna de la derecha. De tal forma los elementos de la primera columna solo pierden un electrón para pasar a tener 8 en el última orbita. Los de la columnas II y III pierden 2 y 3 electrones respectivamente. Te has preguntado porqué los granos de sal tienen forma cúbica? Estructura interna de los minerales Si observas con cuidado los granos de sal, veras que las superficies que los delimitan son lisas y regulares; la forma de cada uno de los granos es la de un cubo, el cual es resultado del arreglo interno de los átomos que la componen (sodio y cloro). Así diferentes cuerpos tienen distintas formas, producto de los átomos que las constituyen y de su distribución. El arreglo interno que 9
adoptan los cuerpos depende del número y tipo de átomos implicados. Los átomos se define como la parte más pequeña de la materia que conserva las propiedades de un elemento. Los elementos se relacionan dependiendo de su tamaño, carga eléctrica y número de coordinación a través de los enlaces químicos y producen las reacciones químicas. Los elementos químicos al combinarse, a través de una reacción química, pueden producir arreglos ordenados, donde cada uno de los elementos o compuestos involucrados en la reacción tiene una posición fija e invariable y guardan una distancia relativa con respecto al resto de sus constituyentes; es decir son sólidos (Figura 6). Figura 6. Las fuerzas que unen a los átomos entre sí hacen que adopten disposiciones geométricas, situándose en direcciones y distancias específicas unos con respecto a otros. El resultado es una repetición en tres dimensiones. Las distancias y los ángulos en los que se repiten pueden ser iguales o diferentes. Esta ordenación periódica tridimensional define un retículo conocido como celda unidad. D1, D2 y D3 representan las distancias que tienen entre sí los átomos o iones complejos; que pueden ser todos del mismo o diferentes tamaño, los ángulos entre ellos pueden ser a 90 grados o variar. Este arreglo interno ordenado es tridimensional y es conocido como arreglo o estructura cristalina y da origen a los cristales minerales (Figura 7). 10
Figura 7. Estructura interna o cristalina del cloruro de sodio (ClNa) que forma al cristal de halita o sal gema. Nótese como cada ión de Cl y Na tiene una posición fija, que produce un arreglo definido (cúbico). En el lado derecho de la figura se observa la apariencia externa del mineral que se conoce como hábito. Las estructuras cristalinas que ocurren naturalmente son finitas y se definen en función de los arreglos geométricos, los cuales se clasifican como sistemas cristalinos en función del tamaño y de la relación angular que guardan entre sí sus ejes cristalográficos (Figura 8). Los cationes que tienen un tamaño similar y la misma carga eléctrica pueden sustituirse en una estructura cristalina. Por ejemplo el Fe 2+ y el Mg 2+ tienen un radio iónico similar y ambos tienen una carga eléctrica positiva. Tanto el Mg 2+ como el Fe 2+ se combinan con el ión complejo (SiO 4 ) 4- formando los compuestos Mg 2 SiO 4 y Fe 2 SiO 4 respectivamente. La estructura cristalina es igual y en ella el Fe puede sustituir al Mg. La fórmula química de este mineral, conocido como olivino, quedaría representada como (Mg,Fe) 2 SiO 4 donde la cantidad de Fe o Mg está en función de su disponibilidad. Otro caso es el del Aluminio (Al 3+ ) que pude sustituir al Silicio 11
(Si 4+ ), donde la diferencia de carga se compensa cuando se incorpora otro catión a la reacción, por ejemplo el Na +. c b a a=b c y = =90º =120º a=b=c y = = = 90º a=b c y = = =90º Sistema hexagonal Sistema cúbico o isométrico Sistema tetragonal a b c y = = =90º a b c y a b c y = =90º Sistema ortorrómbico Sistema triclínico Sistema monoclínico Figura 8. Sistemas cristalinos. Solo existen unas cuantas formas de ocurrencia natural bajo las cuales se distribuyen los átomos y están definidas por el tamaño de sus ejes y de los ángulos que forman entre ellos. a, b y c son los ejes cristalográficos y,, son los ángulos entre los ejes. 12
La estructura cristalina de un mineral es resultado de las condiciones de presión y temperatura y de su composición química bajo las cuales se da su cristalización. La cristalización es el proceso mediante el cual un fundido se solidifica formando cristales minerales (Figura 7 y 9). Un buen ejemplo de lo anterior es la formación del mineral Halita, conocida como sal gema. La Halita se forma a partir de la sobresaturación de sales disueltas en el agua, que cuando el agua comienza a evaporarse, precipitan las sales disueltas en ella y da origen a los cristales de sal (Figuras 7 y 9). Cuando ocurre un desplazamiento de elementos (átomos o iones) en estado sólido modificando cambios en la estructura cristalina y por tanto generando nuevos minerales se habla de recristalización. Figura 9. Cristalización. Cuando la temperatura es lo suficientemente alta produce la evaporación del agua y la transformación de las sales disueltas en ella precipitan, transformándose en cuerpos sólidos. En el caso del Na y Cl al combinarse producen el arreglo de estos átomos en cubos que se acumulan y forman capas de sal gema o halita como se muestra en la figura. 13
Como resultado de estas características un mineral se define como un compuesto químico con una estructura interna definida, de origen natural e inorgánico. Como debe poseer una arreglo interno definido, entonces es un sólido y es eléctricamente neutro. El sólido debe ser un retículo de átomos que se puede reproducir indefinidamente, dispuestos en patrones geométricos regulares. Su composición debe poder expresarse a través de una fórmula química. Los materiales cuando no tienen composición química específica o estructura cristalina se les conoce como mineraloides (por ejemplo el vidrio, la resina, etc.). Sabes cómo se clasifican los minerales?. A la fecha han sido descritos más o menos 4000 minerales, los cuales para su estudio se han agrupado con base en su composición química. El primer grupo está integrado por elementos que pueden ocurrir libres en la naturaleza, como es el caso de la Plata (Ag), el Oro (Au) o el Azufre (S), entre otros. A este grupo se le conoce como minerales nativos. El resto de los grupos se clasifican con base en los iones complejos principales que se combinan para originar el compuesto químico, que da como resultado grupos basados en los iones de (SiO 4 ) 4-, Cl +, (CO 2 ) 2-, etc. En la Tabla 1 se enlistan los principales grupos minerales. Cómo se identifican los minerales?. Si retomamos el ejemplo de la arena de la playa, recordemos que los granos de arena los agrupamos de acuerdo a su forma y color; además al observarlos con 14
detenimiento nos fijamos que algunos granos están limitados por planos regulares o irregulares e incluso fibrosos. La forma, el color, la manera en que se rompen, junto con otras, son propiedades que poseen los minerales y son útiles para identificarlos. Al conjunto de atributos de los minerales que dependen de su estructura cristalina y su composición química se les conoce como propiedades físicas y nos ayudan a reconocerlos. Mención aparte tienen sus propiedades ópticas, las cuales también son útiles para identificarlos. Tabla 1. Principales grupos minerales. Los grupos minerales se clasifican de acuerdo al ión complejo que se combina para generar el compuesto químico. Principales Grupos de Minerales Grupo Iones que lo definen Ejemplos Minerales Ninguno Cobre (Cu), Plata (Ag), nativos Diamante (C) Óxidos e hidróxidos Haluros Oxígeno (O 2- ) e hidróxilo (OH - ) Hematita (Fe 2 O 3 ), Rutilo (TiO 2 ) Brucita (MgOH 2 ), Cloruro (Cl - ) Floururo (F - ), Bromuro (Br - ), Ioduro (I - ) Halita (NaCl), Fluorita (F 2 Ca), Silvina (KCl) Carbonatos Carbonato de calcio (CO -2 3 ) Calcita (CaCO 3 ), Dolomita ((CO 3 ) 2 CaMg) Sulfuros Sulfuro (S 2- ) Pirita (FeS 2 ), Galena (PbS) Sulfatos Sulfato (SO -2 4 ), Anhidrita (CaSO 4 ), Barita (Ba SO 4 ) Silicatos Sílice (SiO -4 4 ) Olivino ((Mg, Fe) 2 SiO 4 ), Ortoclasa K(AlSi 3 O 8 ) Propiedades físicas de los minerales Las propiedades físicas de los minerales son la base para su identificación, ya que varias de estas pueden ser determinadas con relativa facilidad. Por ejemplo el color o la apariencia que tienen, como ya se mencionó, puede ayudarnos en su identificación. Además son características que fácilmente reconocemos. Las propiedades de los minerales que se utilizan para 15
identificarlos son: hábito o forma, dureza, clivaje, fractura, lustre, color, peso específico. Estas propiedades se describen a continuación. Porqué los minerales tienen apariencias tan variadas? Forma y Hábito Al observar cualquier cuerpo lo primero en lo que nos fijamos es en su forma. Los minerales poseen una estructura interna ordenada que cuando las condiciones son propicias pueden estar limitadas por caras regulares y planas y adquirir formas geométricas. La forma de un mineral es resultado del tipo de arreglo interno y de las condiciones y la dirección bajo las cuales cristaliza una solución (Figura 10). Esto da como resultado que una sola estructura externa puede tener una amplia variedad de formas externas, como se ilustra en la Figura 10, donde tanto en el cubo como en el dodecaedro que tienen la misma unidad fundamental. La forma dodecaédrica es común en algunos minerales por ejemplo el granate. El hábito se define como la manera en que los cristales minerales individuales o en agregados crecen, lo cual da como resultado su aspecto exterior particular (Figuras 10 y 11). El hábito puede ser prismático, en láminas o placas o bien en agujas, entre otros (Figura 12). Algunos minerales presentan hábitos que los distingue fácilmente; por ejemplo el asbesto o la actinolita, presenta un hábito fribroso, resultado de los agregados de cristales en formas en agujas (Figura 12A). Otros minerales presentan varios hábitos. El cuarzo por ejemplo se puede presentar en prismas hexagonales rematados en una pirámide, lo cual 16
refleja su forma, definida por la disposición de los iónes en su estructura y además de la rapidez de crecimiento en ciertas direcciones (Figura 11 y 12B). Figura 10. La forma que tienen los minerales depende de la manera en que crecen los cristales que los constituyen. Por ejemplo en (A) se presentan cristales de galena (SPb) los cuales tienen forma cúbical (sistema cristalino isométrico) resultado del igual crecimiento de los cristales en todos sentidos. En (B) los cristales crecen formando dodecaedros. En este ejemplo la forma de los cristales de granate es resultado de una mezcla compleja de dodecaedros y cubos. La localidad dela galena es Zacatecas (Colección de Guadalupe Villaseñor). El granate proviene Minatitlán, Colima. 17
Figura 11. Representación esquemática que muestra como se relaciona los átomos de silicio y oxígeno para formar un tetraedro de sílice, ión complejo base del sistema cristalino hexagonal que forma los cristales de cuarzo (hábito prismático). En este sentido, los minerales dispuestos en láminas reflejan un crecimiento mucho mayor en una dirección que en las otras. Cabe destacar que el hábito de los minerales también depende del espacio que tienen para crecer, así como la velocidad de cristalización y de las condiciones de presión y temperatura bajo las cuales ocurre esta cristalización. Por ejemplo si los minerales crecen 18
rellenando un hueco, su crecimiento es de afuera hacia adentro, porque es ahí donde tienen el espacio para desarrollarse, dando por resultado una geoda, en cuyo centro se tienen los mejores cristales minerales. A B C Figura 12. El habito es la apariencia externa que tiene un mineral y puede variar incluso en el mismo mineral. A. Habito fibroso en Actinolita (localidad Santa María Papalos, Oax.); B. Hábito prismático en cristales de cuarzo (localidad, Taxco, Gro) y C. Hábito globular en Marcasita (localidad Taxco, Gro.). Minerales de la colección del Instituto de Geología, UNAM. Cuando un compuesto químico presenta más de una estructura cristalina se dice que es polimorfo. Un ejemplo de lo anterior es el carbono (C) que puede presentar dos arreglos cristalográficos diferentes: uno donde el C define hexágonos dispuestos en láminas (Figura 13A), o bien pueden estar ordenados en tetraedros dispuestos en cadena (Figura 13B). En el primer caso al mineral se le conoce como grafito y en el segundo caso se le conoce como diamante. La variación de la estructura se debe a las 19
condiciones de presión y temperatura baja las cuales cristaliza el C. Por ejemplo el diamante se forma a grandes profundidades y su estructura debe ser capaz de resistir grandes presiones y temperaturas. Por otro lado, el grafito se forma en condiciones diferentes, más cercanas a la superficie de la Tierra, por lo cual desarrolla una estructura capaz de resistir las condiciones de presión y temperatura que se dan en estos lugares. Estos arreglos cristalinos del C le otorga al grafito y diamante propiedades físicas diferentes. Otros ejemplos son la Calcita y Aragonita (CO 3 Ca); pirita y marcasita (FeS 2 ). Cuando tienen la misma forma pero diferente composición química son minerales isomorfos. A) Los iones de carbono están dispuestos B) El arreglo del carbono en cadenas en hexágonos formando finos planos tabulares de tetraedros constituye la estructura Que constituyen en conjunto la estructura del del diamante, el mineral más duro que existe grafito. Figura 13. Estructuras cristalinas del Carbono, resultado de las condiciones de presión y temperatura a las que cristaliza. Estas estructuras le da al grafito ( C ) y al diamante ( C ) propiedades físicas diferentes. Por ejemplo el grafito tiene color negro a gris y el diamante es incoloro, mientras la dureza del grafito es de 1-2 y el diamante tiene dureza 10, es el mineral mas duro que existe. El diamante es un grano de los aluviones en Brasil y la localidad del grafito es del estado de Nueva York, EUA. 20
Porqué hay minerales duros y otros son blandos? Dureza Seguramente te has percatado que cuando las paredes de tu casa están recubiertas por yeso es muy fácil marcarlas con cualquier objeto, lo cual no sucede con otros materiales, por ejemplo el vidrio. La explicación es porque el yeso es un material con muy baja resistencia para ser rayado o marcado, mientras que el vidrio es más difícil marcarlo; por estas razón se dice que el yeso tiene una dureza menor a la del vidrio. Dureza es la resistencia que ofrece un mineral para ser rayado por otro y se determina al intentar marcar un mineral con otro mineral u objeto de dureza conocida. Por ejemplo la fluorita puede ser rayado por el cuarzo, pero el cuarzo no puede ser rayado por la fluorita; se dice entonces que el cuarzo es más duro que la fluorita (Figura 14). Cabe destacar que Friederic Mohs, con base a la disponibilidad de los minerales definió una escala de dureza, ordenándolos del más blando (dureza 1) al más duro (dureza 10), conocida como escala de dureza de Mohs (Tabla 2). Sabías que el yeso es un mineral?; si ese material que sirve para revestir las paredes es un mineral y tiene una dureza 2, según la escala de Mohs. 21
Tabla 2. Escala de dureza de Mohs. Nótese el orden de dureza, el más blando tiene dureza de 1 y al más duro se le asignó una dureza de 10. Escala de dureza de Mohs Mineral Dureza Objetos comunes Talco (Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 ) 1 Yeso CaSO 4 (2H 2 O) 2 Uña Calcita (CaCO 3 ) 3 Moneda de cobre Flourita 4 Apatito 5 Vidrio (5.5) Ortoclasa (KAlSi 3 O 8 ) 6 Navaja de acero inoxidable Cuarzo (SiO 2 ) 7 Topacio 8 Corundo (Al 2 O 3 ) 9 Diamante (C) 10 Figura 14. Dureza es la resistencia que ofrece un mineral al ser rayado por otro. En A se observa un cristal de flourita antes de ser rayado por un cristal de cuarzo, con dureza 7; en B el cristal de cuarzo raya a la flourita lo que indica que la flourita tiene una dureza inferior a 7. C muestra el cristal de flourita antes de rayar a un mineral de yeso y en D se muestra como el cristal de flourita rayó con facilidad al yeso, por lo tanto es mucho más blando que la flourita cuya dureza es de 4. La Flourita y el cuarzo proceden de Taxco, Gro. y el Yeso de Puente Marques, Pue. 22
Para una identificación preliminar en campo, cuando no se cuenta con una escala de dureza, se puede utilizar la uña, una moneda de cobre y una navaja de acero inoxidable, para establecer intervalos de dureza de los minerales a identificar (ver Figura 13 y Tabla 2). Cabe mencionar que la dureza de un mineral es un reflejo directo de su tipo de enlace químico y su arreglo cristalino. Por ejemplo el talco tiene dureza 1 y una estructura interna dispuesta en láminas. El topacio, por otro lado, tiene dureza 8 y una estructura de tetraedros de silicatos aislados. La mayoría de los silicatos tienen una dureza de entre 5 y 7, aunque los silicatos con estructura en hojuelas o láminas tienen una dureza entre 1 y 3. Esto refleja como los grupos minerales tienen estructuras internas similares e incrementan su dureza dependiendo de la fuerza de su enlace. Por otro lado los minerales nativos (Oro, Plata, Cobre, etc.) pueden formar óxidos o sulfuros; son blandos y con durezas menores a 3. Por otro lado, están los carbonatos y sulfatos, los cuales tienen un empaquetamiento poco denso y son suaves por lo cual sus durezas son menores a 5. Alguna vez has intentado romper un mineral? Clivaje o crucero Como recordarás las granos de sal tienen forma cúbica y si los rompes observarás cubos más pequeños, es decir, las planos sobre los que se rompen son lisos y bien delimitados que forman nuevamente un cubo, es decir son tres planos regulares sobre los que se está rompiendo la sal. La tendencia de un 23
mineral de romperse en superficies preferenciales planas que describen sus patrones geométricos se conoce como clivaje. Existe una relación directa entre la estructura cristalina y el clivaje; se desarrolla paralelo a las capas de átomos que tienen enlaces débiles con las capas adyacentes. Distintos minerales tienen diferentes planos de clivaje. El número de planos de clivaje es inversamente proporcional a la fuerza del enlace químico. Si el enlace químico es fuerte el clivaje es pobre. El enlace covalente produce un clivaje pobre o inexistente. El enlace iónico es relativamente fácil de romper y desarrolla un muy buen clivaje (Figura 15). La estructura cristalina determina el número y patrón de los planos de clivaje. Por ejemplo en las micas el arreglo interno se refleja en hojas ya que los cationes que enlazan a los tetraedros se unen de esa manera y se rompen sobre esos planos únicamente, por lo tanto se dice que tienen un solo plano de clivaje. La galena (SPb) y la halita (NaCl) tienen tres planos de clivaje perpendiculares entre sí que forman cubos perfectos (Figuras 15 A 7 y 10). Otro caso es el de la calcita y dolomita que también tiene tres planos de clivaje, pero el ángulo entre ellos forma patrones romboédricos (Figura 15B). El número de planos y el patrón de clivaje identifica a muchos minerales, por ejemplo contribuye a diferenciar a los anfiboles de los piroxenos. Los anfiboles tienen dos direcciones de clivaje con angulos de 93 o y 87 º (Figura 15C) mientras los anfiboles los tienen entre los 124 o y 56 o (Figura 15D). 24
Figura 15. El Crucero o clivaje es resultado de la estructura cristalina de los minerales. En la Figura 14A se observa un sistema cristalino isométrico y sus planos de crucero, los cuales son perpendiculares entre ellos y paralelos a las caras cristalinas, por ejemplo la galena (SPb) o la pirita (S 2 Fe). La Figura 10B muestra un arreglo romboédrico con tres planos de crucero pero no son perpendiculares entre ellos. En las figuras 14C y 14D se observan dos planos de clivaje. El angulo entre estos planos contribuye a identificar al mineral, piroxenos (figura 14C) y anfiboles (Figura 14D). En algunos minerales el crucero es diagnóstico para identificarlos, como es el caso de los anfiboles y piroxenos. Fractura En ocasiones también sucede que al intentar romper un mineral, el resultado no es un plano regular. La tendencia de los minerales a romperse sobre superficies que no son las superficies de clivaje se le conoce como fractura (Figura 15). Está relacionada con el punto de aplicación de la fuerza y tiende a formar 25
superficies curvas, irregulares o fibrosas. La configuración de la superficie de fractura se relaciona con la distribución de la fuerza de enlace a través de las superficies irregulares que no son los planos de clivaje. La fractura está relacionada con la fuerza del enlace y corta transversalmente los planos del cristal. La fractura puede ser concoidal, fibrosa, irregular o astillosa (Figura 16). La forma y apariencia irrregular de la fractura depende de la estructura cristalina y composición del mineral. Figura 16. La fractura es la tendencia de los minerales a romperse sobre superficies irregulares y puede ser de varios tipos entre elos: A. Fractura concoidal, por ejmplo la prsenta el cuarzo o la obsidiana, que aunque no es un mineral su fractura es concocidal típica; B Fractura irregular en Caolinita, y C. Fractura fibrosa en asbesto. La obsidiana proviene de Tulancingo, Hgo, La Caolinia de y el asbesto de Tehuitzingo, Pue. Te has preguntado porqué el vidrio y una moneda brillan diferente? Lustre 26
Cuando observas una ventana es probable que te hayas dado cuenta como brillan los vidrios, o tal vez hayas hecho incidir sobre la superficie de una moneda los rayos del sol para ver su brillo. Es claro que el vidrio y la moneda tienen un brillo diferente. El modo en que un mineral refleja la luz define su lustre (Figura 17). El lustre o brillo de un mineral se describe como se indica en la Tabla 3. La calidad del lustre está controlada por la disposición de los átomos y la manera en que se enlazan, ya que estos parámetros afectan el paso de la luz, reflejándola de manera diferente. El enlace químico define la forma en que un mineral puede reflejar la luz y nuevamente depende de la estructura interna que poseen los minerales y tiene que ver incluso con el tipo de enlace químico que poseen. Por ejemplo un lustre vítreo, similar al del vidrio, es reflejo de un enlace iónico. Por otro lado, el enlace covalente tiene una mayor variabilidad (brillo adamantino). Por otro lado, el brillo metálico es común en los sulfuros o en los minerales nativos. El lustre perlado es resultado de las reflexiones de la luz desde planos ubicados entre superficies translúcidas de ciertos minerales. La calidad del lustre es un buen criterio para una clasificación de campo, aunque en mucho depende de la facilidad de percepción visual de la reflexión de la luz por el observador. 27
Tabla 3. Tipos de lustre o brillo. Lustre mineral Metálico Presenta una fuerte reflejo producido por las sustancias opacas N Vítreo Brillante como un vidrio o Resinoso Como las resinas, por ejemplo el ámbar m e t Graso Tiene la apariencia de un objeto cubierto por aceite á l Perlado Tiene la iridiscencia de los materiales como la perla i c o Sedoso Adamantino Tiene la apariencia de la seda Tiene el brillo típico del diamante. A B Figura 17. El lustre está en función de cómo un mineral es capaz de reflejar la luz. Existen dos grandes grupos de lustre: el metálico y el no metálico. A lustre metálico en Pirita (SFe) y B lustre no metálico (vitreo) en cristales de cuarzo (SiO 2 ). Muestra de pirita y cuarzo de Concepción del Oro, Zacatecas, colección del Instituto de Geología. Por qué los minerales tienen colores tan variados? Color y raya. 28
Cuando algún objeto llama nuestra atención en ocasiones es debido a su color. El color es el resultado de la capacidad de un mineral para trasmitir y reflejar la luz y depende del grado de absorción de la luz, así como de las impurezas químicas en su estructura cristalina (cuando un elemento sustituye a otro puede variar su color); por ejemplo el cuarzo. Un solo mineral puede presentar varios colores como el cuarzo. Hay algunos minerales cuyo color puede ser diagnóstico para identificarlo, por ejemplo la malaquita. Cuando el color es diagnóstico para identificar un mineral se dice que es ideocromático ( Figura 18 D) y está relacionado a su composición. Por otro lado, los minerales que presentan un amplio rango de colores, los cuales dependen de sus impurezas o inclusiones se dice que el color es alocromático (Figura 18 B y C). Figura 18. El color de un mineral depende de la estructura cristalina e impurezas químicas. A) observa el color negro pardusco de la Esfelerita (SZn) el cual es diferente al gris plomo de la galena (SPb) (B). Cuando el color no es diagnóstico para identificar a los minerales se dice que es alocromático, como es el caso de B y C donde se observan cristales de cuarzo (SiO 2 ); en el primer caso es blanco y en el segundo es morado (cuarzo amatista). Cuando el color es diagnóstico en la identificación del mineral se dice es ideocromático; Por ejemplo el verde y azul de la malaquita (CO 3 ) 2 Cu 2 (OH) 2 y azurita (CO 3 ) 2 Cu 3 (OH) 2, respectivamente mostrados en D. La esfarerita y el cuarzo amatista son de Taxco, Guerrero, la Galena de Naica, Sonora, mientras la malaquita y azurita son de Nuevo Léon. La muestras de Galena y esfalerita son de la colección de Guadalupe Villaseñor. 29
La raya se define como el color que tiene un mineral cuando se pulveriza y regularmente se determina al rayar una superficie de porcelana con el mineral a identificar. El color de la raya es un buen diagnóstico para identificar al mineral ya que un mismo mineral puede tener diferente color, pero su raya es única (Figura 19). Por ejemplo la hematita (Fe 2 O 3 ) puede ser de color negro, pardo o rojo, pero su raya siempre es pardo-rojiza. Figura 19. Raya. La raya se define como el color del mineral cuando se pulveriza. El mineral puede tener diferente color, pero solo tiene una raya. En este caso se muestra dos ejemplares de Hematita (Fe 2 O 3 ) con diferente color y hábito, pero su raya es la misma. La Hematita negra es del Cerro del Mercado, Dgo. y la de color rojo proviene de Cerro Galván, Pue. 30
Reacción al ácido (efervescencia). El ácido clorhídrico (HCl) disuelve a los minerales del grupo de los carbonatos y se observa cuando efervesce el mineral. La efervescencia es la expresión de la reacción del ácido clorhídrico con el carbonato (CaCO3 + 2HCl = CO2 + H2O + Ca + 2C) lo cual produce el escape del dióxido de carbón (CO 2 ). La efervescencia es diagnóstica para reconocer a los minerales del grupo de los carbonatos. Sabor Existen algunos minerales como la halita que tienen sabor, lo cual permite su identificación como es el caso del grupo de los haluros. Densidad y peso específico. La densidad se define como la masa por unidad de volumen y usualmente se representa como: Densidad= masa/volumen (gr/cm3). La determinación de la densidad se hace calculando el peso específico, el cual se obtiene a partir de calcular el peso del mineral en el aire y dividirlo entre un volumen igual de agua pura a 4 º C. La densidad depende del peso atómico de los iónes que constituyen un mineral y de lo cerrado del empaquetamiento de su estructura. Por ejemplo el olivino compuesto únicamente por Fe tiene una densidad de 4.4 gr/cm 3 y el olivino de Mg tiene una densidad de 3.32 gr/cm 3. Esto es debido al peso atómico de sus constituyentes. 31
Cabe destacar que los minerales al ser sometidos a presiones mayores a las de su formación, transforman sus estructuras, originando otros minerales. Por ejemplo, trabajos experimentales a altas presiones demuestran que el olivino transforma su estructura a una más densa, similar a la que presentan los minerales del grupo de la espinela a profundidades del orden de los 400 km. A profundidades de 670 km, en niveles del manto, los silicatos transforman sus estructuras a formas más cerradas del tipo de las perovskitas, que es un óxido de titanio y calcio (CaTiO 3 ). En resumen los minerales tienen una serie de propiedades físicas, que se usan para identificarlos, y son resultado de las condiciones físico-químicas bajo las cuales se formaron y que se reflejan en su composición química y estructura cristalina. La estructura cristalina es particularmente interesante ya que es la que mejor refleja estas condiciones de formación. La identificación de los minerales y de sus propiedades contribuyen a definir los procesos formadores de rocas que han operado a lo largo de la historia de la Tierra. Existen algunas propiedades físicas que suelen ser útiles para identificar a un mineral en particular como puede ser el magnetismo (útil con los minerales de Fe) o la luminiscencia, útil con algunos minerales que son capaces de cambiar su color al ser sometidos a una fuente de energía y ser luminiscentes. 32
Sabías que solo un reducido número de minerales forman rocas? Minerales formadores de rocas Del total de minerales reconocidos y descritos, solo unos cuantos son abundantes en las rocas. A estos grupos de minerales se les conoce como minerales formadores de rocas. La razón de lo anterior es que los elementos químicos que los constituyen son los más abundantes en la corteza y en la parte superior del manto terrestre. Constituyen más del 90% del total de la roca y son los que le dan nombre; también se les conoce como minerales esenciales. Cabe mencionar, que los minerales cuyo porcentaje alcanza hasta un 10% del volumen total de la roca se les conoce como minerales accesorios. Los minerales esenciales y accesorios se originan durante los procesos que dan origen a las rocas. Existe un tercer grupo de minerales conocido como minerales secundarios, los cuales son producto de la alteración química de los minerales esenciales y accesorios. A continuación se describen brevemente los principales grupos de minerales formadores de rocas. Silicatos Los silicatos son el grupo más abundantes en la Tierra y es el principal formador de rocas. Son resultado de la combinación de iones de Si y O [(SiO 4 ) 4- ] (Figura 14), que a su vez se combinan con cationes de otros elementos. El (SiO 4 ) 4- está constituido por cuatro oxígenos (O 2- ) y un ión de Si 4+, que al combinarse originan el ión (SiO 4 ) 4- cuya configuración es la de un 33
sólido piramidal de cuatro lados conocida como tetraedro, donde cada uno de sus lados es un triángulo (Figuras 10 y 20). Figura 20. La combinación de O y Si da como resultado el ión sílice, el cual es un sólido de cuatro lados (tetraedro) que se combina con otros iones para formar a los silicatos. Los silicatos son los minerales formadores de rocas más importantes (modificado de Tarbuck y Lutgens, 1999) Cada tetraedro es un ión con una carga eléctrica de 4 -, que tiene que ser balanceada por una carga de 4 + para equilibrar la carga del mineral, lo que ocurre cuando los tetraedros se combinan con otros elementos (cationes), por ejemplo con el potasio (K + ), sodio (Na + ), calcio (Ca 2+ ), etc. De manera alternada los oxígenos de cada tetraedro se relacionan con los oxígenos de otros tetraedros, lo cual hace de los tetraedros la unidad fundamental del grupo de los silicatos. La forma en que se relacionan esos tetraedros origina varios tipos de arreglos o estructuras que son: aisladas, en anillos, cadenas sencillas y dobles, en láminas u hojas y en armazones (Tabla 3). Cabe mencionar que en ocasiones el Al 3+, sustituye al Si en muchos silicatos. Por ejemplo en el grupo de los feldespatos así sucede, combinándose el Al con el K, Na o Ca. 34
Las estructuras aisladas se originan cuando el oxígeno de un tetraedro se enlaza con un catión y este a su vez se enlaza con el oxigeno de otro tetraedro. La estructura resultante son tetraedros aislados rodeados por cationes (Tabla 3). El olivino es un mineral con este tipo de estructura. Las estructuras en anillos se forman cuando dos oxígenos de un tetraedro se enlazan con los oxígenos de los tetraedros adyacentes, uno en cada lado, y forman anillos cerrados. Los anillos pueden ser de tres, cuatro o seis tetraedros (Tabla 3). La cordierita, mineral común en las rocas metamórficas, presenta este tipo de estructura. Las cadenas simples se forman al relacionarse los oxígenos de diferentes tetraedros, donde el oxígeno de cada lado se enlaza con el del tetraedro vecino, en cadenas abiertas. Estas cadenas se relacionan con otras cadenas a través de los cationes (Tabla 3). Los minerales del grupo de los piroxenos presentan este tipo de arreglos, por ejemplo la Enstatita, mineral común en rocas ultramáficas y rocas metamórficas de alto grado. Cuando las cadenas simples se combinan a través de los oxígenos de sus tetraedros se forman las cadenas dobles (Tabla 3). Las cadenas dobles también se enlazan a través de la incorporación de cationes a la reacción. Un ejemplo de estas cadenas son los minerales del grupo de los anfiboles, donde la hornblenda es un miembro del grupo, cuya fórmula química es compleja e incluye Ca 2+, Na +, Mg 2+, Fe 2+ y Al 3+. La hornblenda es un mineral común en las rocas ígneas félsicas y en las rocas metamórficas de bajo y medio grado metamórfico. 35
Por otro lado, los arreglos en hojas o láminas se forman cuando tres de los oxígenos de cada tetraedro se enlazan con los oxígenos de los tetraedros adyacentes para edificar una pila de hojuelas o láminas, donde los cationes son los que conectan a las hojuelas. Las micas, comunes en rocas ígneas y metamórficas y las arcillas, comunes en rocas sedimentarias, son ejemplos de minerales con estas estructuras. Cuando todos los oxígenos de un tetraedro se enlazan a los oxígenos de los tetraedros adyacentes formando arreglos tridimensionales construyen los armazones (Tabla 3). El grupo de los feldespatos y el cuarzo, dos de los minerales más abundantes en la corteza, tienen este tipo de estructura. Químicamente la forma más común de los silicatos es el dióxido de Silicio (SiO 2 ), que es la fórmula del cuarzo, el más común de los minerales. Cuando los tetraedros de Si y O se enlazan la fórmula química total queda como SiO 2. Carbonatos Son minerales compuestos por iones de C y O (CO 3 ) 2- que se combinan con otros cationes como el Ca o el Mg para formar minerales. El CaCO 3 constituye a la calcita (Figura 4 ) y es uno de los mas abundantes minerales que existen sobre la superficie de la Tierra. Se forma cuando el carbono es rodeado por tres átomos de oxigeno en un triangulo. Los C se presentan en hojuelas, similares a los arreglos de los silicatos, que se enlazan a través de sus cationes. Por ejemplo las hojuelas del C que se enlazan a través del Ca forman a la calcita. La 36
Tabla 4. Estructura de los silicatos. Los silicatos tienen como base en su estructura los tetraedros de Si 2 O 4, que dependiendo de cómo se relacionan forman los diferentes tipos de silicatos (Modificada de Tarbuck y Lutgens, 1999). Estructuras en los silicatos Arreglo geométrico de los tetraedros Ejemplo Composición química Aislados (Nesosilicatos) Olivino (Silicato de Magnesio y Fierro) Zircón (Silicato de zirconio) (Mg, Fe) 2 SiO 4 ) (SiO 4 )Zr En anillos (Ciclosilicatos) Cordierita (Silicoaluminato de Fierro y Magnesio) Al 3 (Mg, Fe) 2 Si 5 AlO 18 Berilio (Silicoaluminato de berilo) (Si 6 O 18 )Be 3 Al 2 I n o s i l i c a t o s En cadenas Sencillas En cadenas dobles Piroxeno Enstatita (Silicato de Magnesio y Fierro) Diopsido (Silicato de Calcio y Magnesio) Anfibol Hornblenda (Silicato de fierro, magnesio ycalcio) Tremolita (Silicato de Calcio y Magnesio) (Mg, Fe)SiO 3 (Si 2 O 6 )CaMg Ca(Mg, Fe) 4 Al(Si 7 Al)O 22 (OH, F) (Si 8 O 22 )Ca 2 Mg 5 (OH) 2 En hojas (Filosilicatos) Mica (muscovita) (Silico-aluminato de potásio KAl 3 Si 3 O 10 (OH) 2 En armazones (Tectosilicatos) Talco (Silicato de Magnesio) Feldespato (Ortoclasa)(Silico-aluminato de potásio) (Si 4 O 10 )Mg 5 (OH) 2 KAlSi 3 O 8 Cuarzo (silice) SiO 2 37
dolomita Ca,Mg(CO 3 ) 2 es un carbonato cuyas hojuelas se relacionan por la alternancia de Ca y Mg que las enlazan. Óxidos En este caso se combina el O con un catión geralmente metálico, el Fe 2+ o el Fe 3+, para formar minerales, por ejemplo la hematita Fe 2 O 3. Generalmente presentan enlace iónico y su estructura varía de acuerdo al tamaño de los cationes presentes. Este grupo es importante porque muchos de los elementos metálicos económicamente importantes se presentan como óxidos, por ejemplo el cromo o el titanio, o el mismo Fe. Por otra parte la espinela es un óxido de dos metales (MgAl 2 O 4 ) con un empaquetamiento muy cerrado con estructura cúbica que le confiere una densidad de 3.6 g/cm 3, lo cual refleja las condiciones de P y T bajo las cuales se forman. Sulfuros Los sulfuros son compuestos por el anion S 2- y cationes metálicos. Las menas minerales de muchos yacimientos se presentan como sulfuros, por ejemplo el Cu, Pb, Zn o Ni. La estructura de este grupo mineral es diversa y depende del tipo de catión con el que se combina el S 2-. A este grupo mineral pertenece la pirita (FeS 2 ). Sulfatos 38
Los sulfatos son minerales constituidos por el anión (SO 4 ) 4- y cationes metálicos. Este grupo también presenta una gran diversificación en cuanto estructura. El mineral más abundante de este grupo es el Yeso, el cual se forma por la evaporación del agua de mar. Durante la evaporación iones de Ca 2+ y SO 2+ 4, abundantes en el agua de mar se combinan y precipitan como capas de sedimentos, formando sulfato de calcio (CaSO. 4 2H 2 O). La anidrita (CaSO 4 ). difiere del yeso porque la primera no contiene agua. El yeso es estable a bajas temperaturas y presiones, las que prevalecen en la superficie de la Tierra. La anhidrita es estable a las temperaturas y presiones que prevalecen cuando son sepultados los sedimentos. Es importante reflexionar en el hecho que los minerales han estado presentes a lo largo de la historia del hombre. Incluso en la actualidad los minerales, o los productos derivados de ellos, son la base de la tecnología moderna, sin olvidar que varios de ellos han sido utilizados desde tiempos inmemoriales como gemas o piedras preciosas. Cuando transitamos por una carretera y observamos un paisaje montañoso, generalmente no somos concientes de los procesos que han ocurrido para dar como resultado ese paisaje, mucho menos nos percatamos de los materiales que lo componen. Estos materiales son las rocas, las cuales como ya se ha mencionado, están compuestos por minerales. Para entender los procesos que han modelado el paisaje y dado origen a las rocas que lo constituyen, es necesario estudiar a los minerales, identificándolos y estableciendo las relaciones que tienen entre ellos. En resumen, el estudio de los minerales es importante para entender los procesos que han ocurrido a lo largo de la historia de la Tierra, ya que 39
permiten definir bajo que condiciones se llevan a cabo los procesos que generan a las rocas, que las deforman y que permiten la acumulación de materiales útiles al hombre (yacimientos). Además, no debemos olvidar que el desarrollo de la civilización (?) humana depende hasta ahora y en gran medida de los recursos obtenidos directa o indirectamente de nuestro planeta, la cual ha invertido cerca de 4,600 Ma en crearlos. Esto hace necesario que comprendamos la importancia y el tiempo que necesitó la Tierra para generarlos y por consecuencia que lo importante que es explotarlos racionalmente. Referencias Tarbuck, E.J. y Lutgens, 1999, Ciencias de la Tierra; ed. Prentice Hall, 619 p. Agradecimientos Agradezco a Consuelo Macías Romo por su apoyo en la toma de las fotografías de los minerales que ilustran el texto. 40