Tema2: Los materiales terrestres. Mineralogía. Es la ciencia que trata de la composición química, las propiedades físicas y la estructura atómica de los minerales. El avance del conocimiento de los minerales se produjo debido a avances en el estudio del átomo y de la disposición de estos en las estructuras ordenadas de los cristales. Historia. Nicholas Steno (1638-1686): descubrió que los ángulos comprendidos entre caras correspondientes a los cristales de cuarzo son constantes, independientes del tamaño del cristal. René Haüy (1743-1823): propuso la teoría de que los cristales minerales están compuestos de bloques de tamaño molecular. A partir de entonces el estudio de la forma y estructura de los cristales se denomina cristalografía. James D. Dana (1813-1895): creo el patrón mundial de la clasificación de los minerales. Max Von Laue (1912): difracción de los RX produciendo un modelo geométrico del cristal. Se observó que los RX que atraviesan un cristal se desvían difractandose de modo tal que producen un modelo geométrico característico de una placa fotográfica. W. Bragg (1915): utilizó los modelos de puntos para idear un método para medir exactamente el espaciamiento de los átomos de un cristal y reconstruir su disposición tridimensional. La mineralogía también se basa en la química, por lo que es esencial determinar los elementos presentes de un compuesto mineral y su fórmula química. En la Tierra el O, Si, Fe y Mg representan en 92% de la masa de la corteza, es decir, casi el 95% de las rocas ígneas y metamórficas y el 5% de las rocas sedimentarias. El 8% restante queda representado por O, Si, Al y Fe. Mineral. Sólido homogéneo que se presenta de manera natural en la naturaleza. Es una sustancia inorgánica que posee una estructura atómica ordenada y una composición química definida a variable entre límites establecidos y que generalmente tiene estructura de un cristal. Que no se presente de forma natural significa que quedan incluidos ciertos aspectos como:
Homogéneo: el mineral consiste en una sola unidad química que puede ser un único elemento o un único compuesto. De esta definición quedan excluidas las mezclas de componentes. Inorgánico: el mineral no está compuesto por materia orgánica, es decir, no está compuesto de ninguna materia proveniente del carbono del hidrógeno. Composición química definida: las proporciones de los elementos químicos en muchos minerales son siempre exactamente las mismas. Ejemplo: CO3Ca. Estructura ordenada: la disposición en el espacio de los átomos e iones minerales cristalinos debe acomodarse a la estructura atómica de un mineral completo. -Las rocas agregados de minerales: Los minerales son las sustancias químicas de las cuales están hechas las rocas. Una especie de mineral puede definirse por un conjunto de características físicas: calor, densidad, manera de romper, etc Así podemos decir que una roca es un agregado natural coherente y multigranular formado por uno o más minerales. La estructura interna de un cristal se refiere a la disposición interna ordenada de un sólido cristalino. -Materia amorfa y materia cristalina: En la naturaleza existe lo que se llama minerales amorfos (vítreos) y minerales de gel (cristalinos). Los geles son mezclas de agua con otros compuestos, como por ejemplo: las gelatinas. La materia cristalina es aquella que está íntimamente ordenada, sin embargo aquella en la que sus partículas no están ordenadas se denomina amorfa. Simetría cristalina y forma externa de un cristal. La condición de cristalino se expresa de dos maneras: por su forma y su estructura atómica interna. La forma externa de un sólido cristalino es un cristal, que es un sólido geométrico regular delimitado por caras, que son superficies planas, que se cortan a lo largo de líneas rectas y dan bordes rectos. Las aristas convergen para formar ángulos bien marcados, imperfecciones, isomorfismo, soluciones sólidas y polimorfismo. El cristal no es perfecto, sino que tiene una serie de defectos y existe la posibilidad de que aparezcan errores en la estructura de un cristal originado por miles de millones de átomos. A estos errores se denominan imperfecciones respecto a un cristal ideal.
-Procesos de formación de cristales: Los cristales desarrollan su forma mediante la cristalización. Este proceso de adicción de átomos o iones uno a uno, encajan cada uno en un lugar apropiado dentro de un esquema o armazón tridimensional conocido como malla cristalina. Los cristales pueden formarse de una solución, de un medio fundido o de un gas: Cristalización de una solución: al disolver sal en agua y, como consecuencia del sol, el agua se evapora y la sal se concentra cada vez más hasta que precipita y forma un cristal. Cristalización por descenso de la temperatura y presión: si calentamos una solución y la dejamos enfriar llega un momento en el que la solución se satura y forma un cristal. Cristalización por fusión: el magma, cuando se enfría, produce que los iones se atraigan unos por otros para formar núcleos cristalinos de los distintos minerales. La cristalización se produce por el aporte de los iones en las mismas proporciones de las distintas partículas minerales de la roca sólida resultante. El cristal real y las condiciones ambientales. Un cristal, por lo tanto, debe ser descrito como formado por un gran número de unidades extraordinariamente pequeñas distribuidas en una serie de repetición tridimensional. Estas unidades se distribuyen en puntos de una red tridimensional que viene definida por tres direcciones y las distancias según las cuales se repiten. Solo existen 14 tipos de redes espaciales según Bravais en 1848. La unidad más elemental de estas redes es conocida como celda unidad y se diferencia entre sí por la longitud de las aristas y los ángulos α, β y γ entre los cristales. Las unidades estructurales que se unen en el espacio reticular para formar los cristales son los átomos o grupos de átomos. Esos átomos, en los elementos nativos, están cargadas pero con más frecuencia están cargados eléctricamente, a lo que llamamos iones: Ión cargado positivamentecatión. Ion cargado negativamenteanión. La distribución en el espacio de los iones y grupo de iones y, la magnitud eléctrica que los mantienen unidos, forman la estructura del cristal. Imperfecciones cristalinas. Los cristales reales son cristales porque existe imperfección respecto a un cristal ideal. Los cristales reales son cristales porque existen imperfecciones en él y, éstas solo son un número finito ya que, si no fuese así, el cristal se transformaría en un fluido. Las imperfecciones se pueden agrupar en los siguientes grupos:
Imperfecciones por extensión: las caras del cristal pueden estas rotas o desviadas. Imperfecciones por composición química: se produce cuando en una de las caras o celdas falta un átomo. Imperfecciones por integridad estructural y dinámica de los elementos componentes: pueden existir imperfecciones en la formación del cubo o que los átomos o iones roten y la estructura no se parezca a la del cristal. Polimorfismo e isomorfismo. Cuando dos minerales presentan la misma composición química y distinta estructura atómica es lo que conocemos como polimorfismo. El grafito y el diamante son un ejemplo de este caso, también lo son el cuarzo y la tridimita. Cuando dos sustancias tienen formula química análoga y similar cristalografía es lo que conocemos como isomorfismo. Los cristales químicos de mezcla isomorfa son los que se sustituyen en una mezcla isomorfa para formar cristales mixtos. Propiedades de los cristales. Del estudio de las propiedades de los cristales se ocupa la cristalografía (cristal física). Estas propiedades físicas de los minerales se obtienen al someterlos a acciones físicas. Se llaman cuerpos isótropos a aquellos en los cuales una misma propiedad física se mantiene en igual intensidad en cualquier dirección. Son anisótropos cuando la intensidad cambia según la dirección. Los cuerpos amorfos y los que cristalizan en el sistema cúbico son isótropos, mientras que los demás cuerpos en estado cristalino son los anisótropos. Si las propiedades de un mineral cambian según la dirección en la que se miden, dichas propiedades son vectoriales. Además dependen de la relación entre los átomos e iones que forman el mineral. Si dichas propiedades no varían según la dirección se llaman escalares. Si las propiedades dependen de la luz, reciben el nombre de ópticas Si el mineral es atraído por un imán se llama paramagnético y cuando el mineral no es atraído por un imán se llama diamagnético. Si las propiedades del mineral dependen de la electricidad el mineral puede ser conductor o aislante. -Propiedades vectoriales: Exfoliación y fractura: tendencia a romperse a lo largo de superficies de debilidad planar. Estas superficies se conocen como planos de exfoliación y guardan relación tanto con la estructura interna como con la externa.
Dureza: grado en que una superficie de un mineral resiste a ser rayada. Hay una escala (escala Mohs) que nos permite saber la dureza de los minerales. Esta escala va del 1 al 10 estando distribuida de esta manera: 1-Talco, 2-Yeso, 3- Calcita, 4-Fluodita, 5-Apatita, 6-Oustosa, 7-Cuarzo, 8-Topacio, 9-Corundio y 10-Diamante. -Propiedades escalares: Peso específico y densidad: Cada mineral tiene un peso definido por centímetro cúbico; este peso característico se describe generalmente comparándolo con el peso de un volumen igual de agua; el número de masa resultante es lo que se llama 'peso específico' o 'densidad' del mineral. Depende especialmente de la composición y permite diferenciar algunos minerales por su alto peso. -Propiedades ópticas: Brillo: aspecto de la superficie de un mineral cuando se refleja la luz, este reflejo puede ser metálico o ametálico. Color: propiedad constante y definida que sirve para la identificación de un mineral. Rayo: color del polvo fino de un material. -Propiedades eléctricas y magnéticas: Un mineral es piroeléctrico si cuando varía la temperatura en los extremos del mismo se producen cargas eléctricas en sentido contrario. Decimos que existe piezoelectricidad cuando se desarrolla una carga eléctrica sobre una superficie cristalina, debido a la presión sobre los extremos de un eje cristalográfico. Clasificación química. El criterio de clasificación está basado en el catión más importante de los minerales, de donde diferenciamos los siguientes tipos de minerales: -Elementos nativos: no tienen composición con otro mineral, son minerales puros. -Sulfuros: aquellos que están basados en una composición de metal con: azufre, seteno o teluro. -Halogenuros: compuesto de los halógenos con cloruro sódico, fluorita -Óxidos e hidróxidos: los óxidos son aquellos que son metales combinados con oxígeno y los óxidos metálicos o hidróxidos son aquellos que contienen el grupo OH. -Nitratos, carbonatos y boratos: NO3, CO3, BO4.
-Silicatos: constituyen casi el 25% de los minerales conocidos, cerca del 40% de los minerales más corrientes y, con algunas excepciones, todos los minerales que forman las rocas ígneas. En la corteza terrestre de cada 100 átomos más del 60% son de oxígeno, 20% de silicio y 6%-7% de aluminio, así que podemos considerar la corteza terrestre como un almacén de iones de oxígeno unidos en configuraciones de mayor o menor complejidad por iones, Si, Al. La unidad elemental de todos los silicatos consiste en cuatro iones de oxígeno en los vértices de un tetraedro regular rodeando a un ion silicio tetravalente y coordinados por este. El enlace que une los elementos silicio (iones) y oxigeno es literalmente el cemento que une la corteza terrestre. Este enlace puede ser considerado como 50% iónico y covalente. El oxígeno está en los vértices rodeando al silicio tetravalente que está en el centro. El oxígeno tiene la actual actitud de formar otros enlaces. Esa disposición de tetraedros se pueden unir formando anillos, cadenas doble o láminas, por ejemplo. El ciclo de las rocas. Este ciclo implica a tres grandes tipos de rocas: las ígneas, metamórficas y sedimentarias. Este ciclo está muy relacionado con la tectónica de placas, la cual actúa como un flujo natural. Las rocas ígneas experimentan una desintegración y un cambio químico que da lugar a las rocas metamórficas. A través de este ciclo grandes rocas se trasladan desde el ambiente profundo hasta el ambiente superficial. Este cambio puede producirse de dos maneras: por ascenso del magma o por levantamiento cortical y de enulación.
El proceso contrario de transición desde el ambiente superficial al ambiente profundo puede ser por: enterramiento o hundimiento. Así pues, la energía requerida para fundir las rocas sólidas y para impulsar el magma, se genera internamente como calor producido a partir de procesos de sustancias radiactivas. De modo también que la energía para romper la superficie y retirar los sedimentos la tiene el sol. Estructura y textura. Estructura: es el conjunto de características que se pueden observar en los sedimentos y en las rocas sobre el afloramiento. Vista de campo. Textura: es el conjunto de relaciones entre todos los minerales componentes del mismo que se observan al microscopio.