Mineralogía y cristalografía: materia, minerales, cristales y silicatos

Materia, sistema y elementos geoquímicos

La materia es la sustancia de la que se compone el universo: todo aquello que tiene masa y peso, ocupa espacio, reacciona a la acción de una fuerza, es susceptible de ser movido, está dotado de propiedades y está compuesto por átomos.

Los materiales geológicos son los minerales y las rocas. Los minerales son los materiales básicos y más abundantes, y son fases estables en determinadas condiciones de presión y temperatura.

Conceptos básicos

Fase: es toda parte homogénea de un sistema que puede extraerse de él mecánicamente.

Sistema: es la fracción aislada del universo en la que se analizan los cambios del medio exterior.

Elementos geoquímicos primarios: O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K.

Clasificación según su afinidad para combinarse

• Siderófilos (afines al Fe): forman los silicatos de la corteza y el manto.
• Calcófilos: se hallan en filones metálicos en forma de sulfuros.
• Litófilos: presentes en las rocas graníticas y los silicatos de la corteza.
• Atmófilos: constitutivos de la atmósfera.
• Biófilos: componentes de los seres vivos.

Enlaces químicos

• Iónicos: entre elementos metálicos y no metálicos, como en la sal común. Es el enlace de un número reducido de minerales.
• Covalente: entre elementos no metálicos, como en la estructura del diamante.
• Metálicos: entre metálicos, como la plata nativa o el sodio.
• Moleculares: (fuerzas intermoleculares) debidas a la distribución de la carga electrónica, como las moléculas de azufre.

Coordinación

Es la atracción de iones de cargas opuestas: un ion positivo tiende a rodearse del máximo número de iones negativos. El número de iones de un signo que rodean a otro ion de signo contrario se denomina número de coordinación. El número y disposición de aniones alrededor de un catión (y viceversa) depende del tamaño de ambos y da lugar al poliedro de coordinación. La relación de radios catión/anión se denomina relación de radios crítica.

El poliedro es estable cuando:

• Los cationes y aniones se hallan tangentes: la distancia entre sus centros no es menor que su diámetro.
• Cada catión tiende a rodearse de un máximo de aniones.
• Los átomos de igual tamaño se coordinan de forma idéntica.

Estructura cristalina y conceptos fundamentales

La estructura cristalina se produce cuando los átomos de un mineral se agrupan de manera fija y determinada.

Mineral: producto natural e inorgánico en estado sólido, que posee una composición química fija y un ordenamiento atómico tridimensional, pudiendo ser homogéneo o mostrar variaciones sistemáticas entre sus átomos, iones o moléculas.

Mineraloide: compuesto químico líquido o sólido natural en estado amorfo.

Cristal: mineral delimitado por caras que guardan una relación geométrica definida, resultado del ordenamiento tridimensional.

Roca: agregado de minerales que se han formado bajo el mismo tipo de proceso.

Elementos de simetría de un cristal

Fórmula de Euler: caras + vértices = aristas + 2. No sirve para la derivación de formas.

• Truncamiento: sustitución de vértices o aristas por una cara.
• Biselamiento: sustitución de aristas por dos caras.
• Apuntamiento: sustitución de caras de un vértice poliédrico por otras en número igual o doble.

Para que un cristal se forme hace falta espacio, tiempo y reposo: por cristalización de magmas, sublimación de gases o soluciones por precipitación. Los cristales están sometidos a ciertas leyes.

Leyes cristalográficas

Ley de constancia de los ángulos diedros (Steno, 1669): los ángulos entre caras idénticas en cristales de la misma especie mineral miden ángulos iguales.

Ley de simetría: los elementos de simetría que encontramos en un cristal son tres:

• Centro de simetría: punto imaginario interior que divide en dos partes iguales todo segmento que pasa por dicho punto y está limitado por el cristal. Caras paralelas.
• Eje de simetría: línea imaginaria que pasa por el interior del cristal; al girarlo 360°, se repiten una o más posiciones idénticas. Binarios, ternarios, cuaternarios y senarios.
• Plano de simetría: plano imaginario en el interior del cristal que divide al cristal en dos partes simétricas. Es perpendicular al eje de simetría principal.

Ley de simetría en dos partes:

• a) Paralelismo de las caras: toda cara con centro de simetría debe tener otra homóloga paralela a ésta.
• b) Derivación de formas: la modificación de un elemento implica la modificación del resto de elementos homólogos.

Formas cristalinas

Son el número y aspecto de las caras de un cristal y su distribución con respecto a los elementos de simetría de éste. Las formas del sistema cúbico son distintas:

Formas abiertas:

• Pedion: una sola cara.
• Pinacoide: dos caras paralelas y opuestas respecto al centro.
• Domo: dos caras simétricas no paralelas respecto a un plano.
• Esfenoide: dos caras no paralelas simétricas respecto a un eje binario.
• Prisma: forma compuesta por caras paralelas a un eje y simétricas respecto al mismo.
• Pirámide: forma compuesta por caras no paralelas que se cortan en un punto común.

Formas cerradas:

• Escalenoedro: 8 o 12 caras triangulares escalenas de forma simétrica.
• Bipirámide: 6, 8, 12, 16 o 24 caras. Dos pirámides unidas por su base.
• Trapezoedro: forma de 6, 8 o 12 caras trapezoidales. La mitad inferior está girada con respecto a la superior.
• Romboedro: 6 caras romboidales.

Elementos cristalográficos

Son los elementos utilizados para situarlo en el espacio. Se denomina cruz axial: tres ejes de referencia orientados a distintas direcciones del espacio: antero-posterior (a, diagonal), transversal (b, horizontal) y vertical (c). Ángulos: α (entre b y c), β (entre a y c), γ (entre a y b).

Clases de simetría y sistemas cristalinos

La combinación de los elementos de simetría de un cristal da lugar a grupos de elementos de simetría. Los sistemas son: cúbico, trigonal, tetragonal, monoclínico, rómbico, triclínico y hexagonal.

• Holoédricas: presentan el grado máximo de simetría.
• Hemiedria: forma cristalina con la mitad de las caras que corresponden a una forma holoédrica.
• Hemimorfia: formas cristalinas que presentan un eje que termina en elementos cristalográficos distintos.

Sistema cúbico (cubo o exaedro): elementos de simetría máximos: 3E4, 4E3, 6E2, 9P, C. Los ejes de simetría coinciden con los ejes cristalográficos. a=b=c; α=β=γ=90°.

Sistema tetragonal: 1 E4 que coincide con el eje de cristalografía c. a=b≠c; α=β=γ=90°. Elementos de simetría holoédrica: 1E4, 4E2, 5P, C (prisma de base cuadrada).

Sistema rómbico: 3 ejes de simetría binarios que coinciden con los ejes cristalográficos. a≠b≠c; α=β=γ=90°. Elementos de simetría: 3E2, 3P, C (prisma de base rómbica).

Sistema hexagonal: 1 eje senario que coincide con el eje cristalográfico c. a=b≠c; α=β=90°, γ=60° o 120°. Elementos de simetría: 1E6, 6E2, 7P, C (prisma de base hexagonal).

Sistema trigonal: E3 que coincide con el eje cristalográfico c. Celda fundamental romboédrica: a1=a2=a3; α=β=γ≠90°, 60° o 120°. Elementos de simetría: 1E3, 3E2, 4P, C (prisma trigonal).

Sistema monoclínico: 3 ejes cristalográficos desiguales. Los ejes a y c forman un ángulo oblicuo. a≠b≠c; α=γ=90°, β≠90°. Simetría máxima: 1E2, 1P, C.

Sistema triclínico: elementos de simetría: centro. a≠b≠c; α≠β≠γ≠90°. Tres ejes desiguales que se cortan con ángulos distintos de 90°.

Agregados cristalinos

Son agrupaciones que forman entre sí cristales reunidos. Pueden ser:

• Homogéneos (regulares)
• Agregados uniaxiales: cristales alargados.

Maclas: asociaciones de 2 cristales con orientación simétrica:

• De contacto: 2 cristales simétricos soldados por una superficie plana (punta de flecha).
• De compenetración: 2 cristales cruzados o uno dentro de otro (cruz de hierro).
• Múltiples: reunión de 3 o más individuos.
• Miméticas: cristales asociados que parecen un solo cristal.

Agregados triaxiales: asociaciones formadas por ramas entrelazadas entre sí.

• Dendríticos: formas arborescentes entrelazadas entre sí.

Cristalofísica

Cuerpos isótropos: una misma propiedad física se manifiesta con la misma intensidad en todas sus direcciones. Cuerpos anisótropos: las propiedades físicas cambian con la dirección.

Propiedades vectoriales mecánicas

• Elasticidad: resistencia que ofrece la materia al desplazamiento de sus moléculas, que tienden a recuperarse.
• Fragilidad: resistencia que ofrece el mineral a la rotura.
• Fractura: aspecto que presenta la superficie de fractura de los minerales cuando no se realiza en función de los planos de exfoliación.
• Exfoliación: propiedad de poder partirse según superficies planas bien definidas.
• Dureza: resistencia que oponen a ser rayados. Existe una escala de Mohs: talco, yeso, calcita, fluorita, apatito, ortosa, cuarzo, topacio, corindón, diamante. Si se rayan con la uña blandos, con la navaja semiduros y con el vidrio duros.

Propiedades vectoriales ópticas

• Color de la raya: color del polvo fino del mineral. Se frota el mineral sobre una porcelana porosa.
• Color en superficie fresca: se debe a las modificaciones que sufre la luz blanca incidente sobre el mineral.
• Colores por absorción: incoloros, negros (absorción total) o variados (cuando una parte de la luz es absorbida).
• Colores por reflexión: debidos a la reflexión de la luz sobre la superficie del mineral. Blanco si la luz está totalmente reflejada; variado según la parte de la luz blanca que se refleja.
• Mineral idiocromático: tiene color propio, y la raya es igual al color del mineral.
• Mineral alocromático: deben su coloración a imperfecciones e impurezas, con raya blanca.
• Brillo: depende de la reflexión de la luz en la superficie. Metálico muy intenso, no metálico (diamantino, vítreo, nacarado, sedoso).
• Diafanidad: dejar pasar la luz. Transparente, translúcido (no imagina la luz) u opaco.
• Doble refracción: capacidad de desdoblar el rayo refractado (rayo ordinario y rayo extraordinario).

Propiedades vectoriales magnéticas

Atraídos por un imán: son ferromagnéticos; los que no, diamagnéticos.

Propiedades vectoriales eléctricas

Los que conducen la electricidad son conductores; los que no, aislantes. Piroelectricidad: al aumentar la temperatura en los extremos se produce carga. Piezoelectricidad: se presenta en cristales con ejes polares.

Propiedades escalares

Peso específico: es la densidad de un mineral, según la del agua. d mineral/d agua; varía según presión y temperatura.

Punto de fusión: tiene lugar la rotura de la red; depende de la estructura. Con impurezas disminuye (crioscopía).

Cristalografía química: propiedades químicas

• Decrepitación: agua aprisionada entre las partículas de minerales. Al aumentar la temperatura, la red se rompe.
• Eflorescencia: se alteran a temperatura ordinaria y aire seco.
• Polimorfismo: una misma sustancia química con distintas estructuras, como en el caso del diamante y el grafito. Puede deberse a deformación del retículo, reconstrucción del retículo o formación de retículos desordenados.
• Isomorfismo: propiedad de los compuestos químicos que presentan una misma estructura. Los grupos isoestructurales ofrecen sustitución iónica completa.
• Pseudomorfismo: capacidad de alterar la estructura interna y no la externa. La forma externa de un mineral es la de dentro característica de otro.

Imperfecciones cristalinas

No suelen presentarse perfectos en la naturaleza. Pueden ser:

• Por su extensión: las caras y los bordes del cristal.
• Por su composición: sustitución, vacancia o átomos fuera de su posición.
• Por su integridad estructural: discontinuidades a lo largo de la red cristalina.
• Por su dinámica: cuando los átomos del cristal se mueven.

Clases mineralógicas según su combinación geoquímica

• Elementos nativos: minerales que se encuentran en su estado natural (oro, plata…).
• Sulfuros: combinaciones de metales con el ion sulfuro (galena, blenda…).
• Sulfosales: combinaciones de azufre y antimonio o arsénico con metal (enargita).
• Haluros: combinaciones de halógenos con un metal.
• Óxidos e hidróxidos: combinaciones de oxígeno con un metal, o de hidrógeno con oxígeno (corindón).
• Carbonatos: ion carbonato con un metal (malaquita).
• Nitratos: ion nitrato y metal (nitro).
• Boratos: anión borato y metal (bórax).
• Fosfatos: ion fosfato con metal (apatito).
• Sulfatos: ion sulfato, selenito o telurato con metal (baritina).
• Wolframatos: wolframato y molibdato con metal.
• Silicatos: los más abundantes. El silicio se combina con metales mediante enlaces covalentes, en combinaciones tetraédricas según el grado de polimerización. A mayor temperatura, menor grado de polimerización y mayor densidad. Son frecuentes las sustituciones iónicas con radios parecidos y carga eléctrica igual.

Clasificación estructural de los silicatos

• Nesosilicatos: tetraedros aislados unidos por enlaces iónicos con cationes metálicos. Relación Si/O = 1/4. Serie isomorfa del olivino, de los granates y grupo polimorfo de silicatos de aluminio.
• Sorosilicatos: grupo de 2 tetraedros que comparten 1 oxígeno. Grupo de la epidota y la calamina.
• Ciclosilicatos: 3, 4 o 6 tetraedros que comparten 2 vértices. Relación Si/O = 1/3.
• Inosilicatos: tetraedros unidos en cadenas ilimitadas sencillas o dobles.
  • a) Piroxenos: cadenas sencillas que comparten 2 vértices. Relación Si/O = 1/3.
  • b) Anfíboles: cadenas dobles que comparten 2 o 3 oxígenos. Relación Si/O = 4/11.
• Filosilicatos: láminas ilimitadas de tetraedros que comparten 3 oxígenos. Relación Si/O = 2/5. Grupo de las micas, cloritas, arcillas y talco.
• Tectosilicatos: redes tridimensionales de tetraedros que comparten 4 oxígenos. Relación Si/O = 1/2. Grupo de la sílice y feldespatos (potásicos, cálcico-sódicos) y feldespatoides.

La relación de la estructura de los silicatos con la alterabilidad es la siguiente: los silicatos que tienen mayor proporción de óxidos metálicos respecto a la sílice son más inestables frente a la meteorización. El sentido de la flecha indica estabilidad: olivino → plagioclasa → anfíboles → biotita → feldespato potásico → moscovita → cuarzo.