Fundamentos de Mineralogía: Cristalización, Estructura y Propiedades Esenciales de los Minerales

Definición de Minerales

Los minerales son definidos como sólidos de origen natural e inorgánico, formados mediante procesos naturales, que poseen una composición química determinada (o que varía dentro de límites definidos) y una estructura interna ordenada. Esta última característica implica que son inherentemente sólidos cristalizados.

Un cristal es un sólido que presenta una estructura interna ordenada. Cuando la estructura interna ordenada de un mineral se manifiesta externamente con caras planas geométricamente dispuestas, se habla de un cristal bien formado. Aunque el término "cristal" puede aplicarse a materiales artificiales u orgánicos con estructura ordenada, en mineralogía nos centramos en los cristales de origen natural e inorgánico que constituyen los minerales.

Procesos de Formación de Cristales (Cristalización)

La cristalización es el proceso mediante el cual los átomos, iones o moléculas se organizan en una estructura ordenada para formar un cristal. Los principales mecanismos incluyen:

• Sublimación: Transición directa del estado gaseoso al sólido.
• Solidificación: Enfriamiento y cristalización a partir de un material fundido, como ocurre en zonas magmáticas (formación a partir de magma o lava).
• Recristalización: Transformación de minerales preexistentes en estado sólido, sin pasar por una fase fundida, debido a cambios de presión y/o temperatura. La estructura interna se reorganiza.
• Precipitación/Evaporación: Formación de cristales a partir de una disolución cuando esta se sobresatura (precipitación) o cuando el disolvente se evapora.

Nucleación en la Cristalización

El proceso de cristalización se inicia con la nucleación, que es la formación de una "semilla" o núcleo cristalino inicial, estable y diminuto. A partir de este núcleo, el cristal puede crecer. La nucleación puede ser:

• Homogénea: Ocurre espontáneamente en el seno de una fase fluida (fundido o disolución) sin la influencia de superficies extrañas.
• Heterogénea: Se produce sobre superficies preexistentes, como impurezas, paredes de un contenedor u otros cristales, ya que requiere menor energía de activación.

Isomorfismo y Polimorfismo

• Isomorfismo: Fenómeno por el cual diferentes compuestos químicos pueden cristalizar adoptando la misma forma o estructura cristalina. Esto es posible cuando iones de tamaño y carga similares pueden sustituirse mutuamente en la red cristalina.
• Polimorfismo: Capacidad de un mismo compuesto químico para cristalizar en diferentes formas o estructuras cristalinas, dependiendo de las condiciones de presión y temperatura durante su formación. Cada una de estas formas se denomina polimorfo (ejemplo clásico: el carbono puede cristalizar como diamante o grafito).

Ambientes Geológicos de Cristalización

Los procesos de cristalización de minerales se localizan en diversos ambientes geológicos:

• Ambientes Magmáticos:
  • Formación de minerales, principalmente silicatos, por solidificación (enfriamiento y cristalización) de magmas (en profundidad) o lavas (en superficie).
  • También puede ocurrir sublimación a partir de gases volcánicos.
• Ambientes Sedimentarios:
  • Estos ambientes involucran procesos de erosión, transporte y sedimentación de materiales preexistentes.
  • La meteorización (química y mecánica) de rocas puede liberar componentes que luego cristalizan como nuevos minerales.
  • Formación de minerales por precipitación a partir de disoluciones acuosas (ej. evaporitas) o durante la diagénesis (transformaciones post-deposicionales).
• Ambientes Metamórficos:
  • Los minerales se forman o transforman por recristalización en estado sólido.
  • Estos cambios son inducidos por variaciones significativas de presión y/o temperatura sobre rocas preexistentes, sin que estas lleguen a fundirse.

Estructura Cristalina de los Minerales

La característica fundamental de los minerales es su estructura cristalina, que se refiere al ordenamiento interno tridimensional y periódico de los átomos, iones o moléculas que los constituyen. Esta estructura se describe mediante:

• Celda Unidad (o Celda Elemental): Es la unidad paralelepipédica más pequeña que, al repetirse por traslación en las tres direcciones del espacio, genera la totalidad de la red cristalina. Contiene la información esencial de la estructura.
• Nudos de la Red: Son los puntos geométricos en el espacio donde se sitúan los átomos, iones o grupos de átomos de forma ordenada y repetitiva.
• Red Cristalina: Es el conjunto tridimensional e infinito de nudos, que representa el patrón de repetición de la estructura interna del cristal.

Sistemas Cristalinos

En función de la simetría y la geometría de su celda unidad (definida por las longitudes relativas de sus ejes y los ángulos entre ellos), los cristales se clasifican en siete sistemas cristalinos. Los mencionados en el texto original incluyen:

• Cúbico
• Hexagonal
• Tetragonal
• Rómbico (también conocido como Ortorrómbico)

(Nota: Los siete sistemas cristalinos completos son: Cúbico, Tetragonal, Ortorrómbico, Hexagonal, Trigonal (o Romboédrico), Monoclínico y Triclínico).

Las constantes cristalográficas (o parámetros de red) son las longitudes de los ejes de la celda unidad (a, b, c) y los ángulos entre dichos ejes (α, β, γ). Estas constantes definen la forma y el tamaño exactos de la celda unidad.

Elementos de Simetría del Cristal

La forma externa de los cristales bien formados, así como su estructura interna, están gobernadas por elementos de simetría. Estos son operaciones geométricas (rotaciones, reflexiones, inversiones) que, aplicadas a un cristal, lo dejan en una posición indistinguible de la original. Los principales elementos de simetría son:

• Centro de Simetría (i): Es un punto imaginario en el interior del cristal. Si existe, para cada punto, cara o arista del cristal, existe otro idéntico en la dirección opuesta y a la misma distancia del centro. Los ejes y planos de simetría suelen pasar por este punto.
• Eje de Simetría (A_n): Es una línea imaginaria que atraviesa el cristal. Al girar el cristal alrededor de este eje un ángulo de 360°/n, el cristal coincide consigo mismo n veces (donde n es el orden del eje: 2, 3, 4 o 6).
• Plano de Simetría (m): Es un plano imaginario que divide el cristal en dos mitades, siendo una la imagen especular (como reflejada en un espejo) de la otra.

Propiedades Físicas de los Minerales

Las propiedades físicas son cruciales para la identificación de los minerales y reflejan su composición química y estructura interna. Se pueden clasificar según su dependencia direccional:

Propiedades Vectoriales

Estas propiedades varían según la dirección en la que se miden dentro del cristal y se definen por una dirección y una intensidad. Son características de los cuerpos anisótropos, es decir, aquellos cuya estructura interna ordenada provoca que sus propiedades no sean uniformes en todas las direcciones. La mayoría de los minerales (excepto aquellos del sistema cúbico para ciertas propiedades como las ópticas) son anisótropos.

Las propiedades vectoriales pueden ser de varios tipos:

Propiedades Mecánicas

• Dureza: Resistencia que opone la superficie de un mineral a ser rayada. Se mide comúnmente con la Escala de Mohs.
• Exfoliación: Capacidad de un mineral de romperse a lo largo de planos de debilidad estructural, generando superficies lisas y brillantes.
• Fractura: Manera en que un mineral se rompe cuando no presenta exfoliación o lo hace en direcciones distintas a los planos de exfoliación. Puede ser concoidea, fibrosa, irregular, ganchuda, etc.

Propiedades Ópticas

• Color: Percepción visual de la luz reflejada o transmitida por el mineral. Se observa en una cara fresca o fragmentada. Puede ser constante (idiocromático) o variable debido a impurezas (alocromático).
• Raya: Color del polvo fino del mineral cuando se frota sobre una placa de porcelana sin vitrificar. Es una propiedad más constante que el color del ejemplar.
• Brillo (o Lustre): Aspecto que presenta la superficie de un mineral al reflejar la luz. Puede ser metálico o no metálico (vítreo, resinoso, adamantino, sedoso, nacarado, graso, mate, etc.).

Propiedades Magnéticas

Se refieren a la respuesta de un mineral ante un campo magnético. Los minerales pueden ser:

• Ferromagnéticos: Fuertemente atraídos por un imán (ej. magnetita).
• Paramagnéticos: Débilmente atraídos.
• Diamagnéticos: Ligeramente repelidos.

La comprobación a veces se realiza con el mineral pulverizado para detectar magnetismo débil.

Propiedades Eléctricas

Describen el comportamiento de los minerales frente al paso de la corriente eléctrica. Pueden ser:

• Conductores: Permiten el flujo de electricidad (ej. metales nativos como la plata y el cobre; algunos sulfuros).
• Aislantes (o Dieléctricos): No conducen la electricidad (la mayoría de los silicatos, como el cuarzo).
• Semiconductores: Presentan una conductividad intermedia.

Propiedades Escalares

Estas propiedades tienen un único valor de intensidad y son independientes de la dirección de medida. Son características de los cuerpos isótropos (como los vidrios o sustancias amorfas) y también de los minerales del sistema cúbico para la mayoría de sus propiedades. Ejemplos incluyen la densidad y el calor específico (o punto de fusión, que es una temperatura).