LOS MINERALES Ing. GERMAN MENDEZ GOMEZ LOS MINERALES Son los principales constituyentes de las rocas de la corteza terrestre; se trata de sustancias sólidas naturales y homogéneas, de composición química definida, disposición atómica ordenada y fruto de procesos inorgánicos. Pocos minerales forman rocas a pesar de que se conocen cerca de 2000 especies diferentes, pues los silicatos y los óxidos son los principales constituyentes de la corteza, en razón de que ocho elementos lo hacen casi todo en la naturaleza. Los minerales pueden formarse con base en un sólo elemento, como el diamante con el carbono; con dos elementos, como la pirita con el hierro y el azufre, o con tres o más elementos como los feldespatos o los piroxenos y anfíboles. También se pueden generar varias especies minerales con un mismo elemento, como el diamante y el grafito con el carbono, o con dos elementos como la pirita y la marcasita con el hierro y el azufre DEFINICIÓN DE MINERAL • Solido homogéneo: Esto significa que consta de una única sustancia sólida que no puede ser subdividida físicamente en simples componentes químicos. • Por naturaleza: Aquí hay que distinguir las sustancias formadas por procesos naturales y las sustancias sintetizadas en el laboratorio. Se pueden sintetizar prácticamente todos los minerales incluso las gemas. Así se llama MINERAL cuando está formado por un proceso natural y MINERAL SINTÉTICO si se ha producido en el laboratorio Composición química definida: Esto indica que este puede expresarse mediante una fórmula química específica. Ej: rutilo TiO2. Una disposición atómica ordenada: Indica la existencia estructural de un entramado de átomos (o iones) ordenados según un modelo geométrico regular. Este es el criterio para considerar un sólido cristalino. Así los minerales son cristalinos. Los sólidos que carecen de una disposición atómica ordenada, como el vidrio, reciben el nombre de AMORFOS y se clasifican como MINERALOIDES ELEMENTOS CLAVES Los ocho elementos más importantes de la naturaleza, por su participación, son: 1. Oxígeno. Elemento no metálico que por ser altamente reactivo forma óxidos con casi todos los demás elementos. Hace parte sustancial del aire y del agua. 2. Silicio. Elemento metaloide; siempre aparece en los silicatos y en los alumino-silicatos, el más abundante de los cuales es el cuarzo. 3. Aluminio. Elemento metálico; siempre aparece en combinación con otros elementos. Es uno de los principales constituyentes de los silicatos. Resiste a la corrosión, es ligero y buen conductor eléctrico. Es el principal componente de las aleaciones ligeras. 4. Hierro. Elemento metálico constituyente de óxidos, silicatos, óxidos hidratados, carbonatos y sulfuros. Se encuentra también nativo y en aleaciones con níquel. Es el principal constituyente del acero lo que lo hace el metal industrial más importante. 5. Calcio. Elemento metálico; aparece en silicatos, carbonatos, sulfatos y fosfatos. Es aditivo en la fundición de metales para separar el oxígeno, el azufre, el fósforo y los halógenos. Es útil como agente reductor o deshidratador, en la química orgánica. 6. Sodio. Elemento metálico; aparece en los silicatos y en los carbonatos hidratados. Se inflama al contacto con el agua. Es útil como núcleo de los cables eléctricos. 7. Potasio. Elemento metálico; es el más común en los silicatos y aluminosilicatos. Útil como fertilizante en forma de cloruro, sulfato o en combinación con nitrógeno y fósforo. 8. Magnesio. Elemento metálico; aparece combinado en silicatos, óxidos, hidróxidos y carbonatos. Se utiliza en aleaciones ligeras de aluminio. Cuadro 5. Elementos más abundantes en la Tierra. SIMBOLO ELEMENTO O2 Si Al Fe Ca Na K Mg NUMERO VALENCIA RADIO PESO ATOMICO CARGAS IONICO ESPECIFICO 8 14 13 26 20 11 19 12 -2 +4 +3 +2 +2 +1 +1 +2 1.4 0.4 0.5 0.7 1.0 1.0 1.3 0.7 -----2.40 2.70 7.88 1.54 0.97 0.86 1.74 PESO VOLUMEN 46.60% 27.72% 8.13% 5.00% 3.63% 2.83% 2.59% 2.09% 93.77% 0.86% 0.47% 0.43% 1.03% 1.32% 1.83% 0.29% Total participación en la corteza 98.59% 100.00% Adaptado de Leet y Judson. Fundamentos de geología física, Limusa, 1980. CRISTALOGRAFÍA CRISTALIZACION Un cristal es un sólido, por regla general homogéneo, que posee un orden interno tridimensional de largo alcance. Este ordenamiento interno tridimensional se puede considerar como la repetición de un motivo que se denomina celda fundamental. La celda fundamental que caracteriza a cada uno de los minerales se puede reflejar en su forma externa y dar lugar a cuerpos con caras planas, aristas y ángulos. Estos cuerpos se llaman cristales. Los ángulos entre pares de caras planas son constantes, independientemente de la medida del cristal y de si este está bien formado o no. Esta característica ya la observó Steno en el año 1669. Por lo tanto, la morfología de los cristales es un método muy valioso para identificarlos. Los cristales se clasifican según su forma en 7 grandes grupos denominados sistemas cristalinos. Existen 7 sistemas cristalinos y cada uno de ellos tiene sus propios elementos de simetría. Se describen los sistemas cristalinos por: - Sus ejes cristalográficos. - Los ángulos que respectivamente dos de los ejes cristalográficos rodean. - Las longitudes de los ejes cristalográficos. PROPIEDADES FISICAS DE LOS MINERALES Las propiedades físicas pueden ser generales o específicas. Las generales, propias de los minerales con estructura cristalina, son: - Los minerales forman cristales, esas unidades macroscópicas que representan la cristalización de su estructura atómica. - La forma externa, es función de la estructura cristalina; no obstante, una especie puede mostrar hábitos debidos a variaciones en el número, tamaño y forma de las caras. Las específicas, útiles para la identificación del tipo de mineral, son: - Crucero o Clivaje. - Fractura. - Dureza. - Tenacidad. - Peso específico. - Propiedades ópticas. - Propiedades electromagnéticas. Crucero o Clivaje. Un mineral no amorfo tiende al crucero o clivaje, cuando por presión, se separe en planos de posición con una geometría definida. Se hablará de exfoliación cuando se generen láminas (la mica), o de partición cuando se originen cubos o prismas (la magnetita). El crucero se califica según su grado, de perfecto, bueno o imperfecto. La mica y el cinabrio tienen exfoliación perfecta, pero el berilo y el apatito la tienen menos definida, y la anhidrita no la presenta. La magnetita muestra partición octaédrica, el piroxeno partición básica y el corindón partición romboédrica y la calcopirita, que generalmente se presenta en masas, puede presentarse en cristales que parecen tetraedros. Fractura. Es el carácter de la superficie de rompimiento que muestra un mineral que no presenta exfoliación o partición, sea el mineral amorfo o cristalino (en el segundo caso la ruptura podrá estar controlada por el clivaje del mineral). Según el tipo de superficie (no plana), se hablará de fractura concoidea (en concha) como el vidrio, la pirita y el cuarzo; fibrosa (en astilla) como la plata, el hierro y el cobre nativos; ganchuda (dentada); irregular (desigual) como el oro nativo, etc. Dureza. Se define como la capacidad que tiene el mineral para rayar o dejarse rayar por otros minerales u objetos; depende de la estructura cristalina, y por lo tanto de la fuerza de enlace químico. La escala de MOHS (1824), de uno a diez, califica la dureza con prototipos, del más blando al más duro, así: Tabla de valores de Mohs Dureza Mineral Talco 1 mon Yeso 2 mon Calcita 3 romb Fluorita 4 iso 5 6 7 8 9 10 Comentario Se puede rayar fácilmente con la uña, Tacto graso, séctil Se puede rayar con la uña con más dificultad, Brillo vítreo o sedoso Se puede rayar con una moneda de cobre, Fosforescente Se puede rayar con un cuchillo de acero, Exfoliación octaédrica Composición química Mg3Si4O10(OH)2 CaSO4·2H2O CaCO3 CaF2 Apatito exag Se puede rayar difícilmente con un cuchillo, Exfoliación mala Ortoclasa Mo Cuarzo Rom-exa Topacio Ort Corindón rom Se puede rayar con una lija para el acero, KAlSi3O8 Feldespato potásico Raya el vidrio, El más abundante Rayado por herramientas de carburo de wolframio, Exfoliación perfecta Rayado por herramientas de carburo de Silicio, Alterado pasa a mica Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-) SiO2 Al2SiO4(OH-,F-)2 Al2O3 Diamante El mineral más duro conocido, rayado C iso solo por otro diamante, Brillo adamantino Pero la escala de Mohs es más cualitativa que cuantitativa; de lo contrario el diamante debería estar en 40. Utilizando la escala con éste nuevo concepto, el geólogo se vale de las siguientes herramientas de trabajo para el chequeo de la dureza: la uña tiene 2.5 y raya el talco y el yeso pero no la calcita; la moneda de cobre tiene 3.5, la navaja 5.5 y la lima 6.5; ninguna de las anteriores puede rayar al cuarzo, siendo éste un mineral que raya al vidrio y al acero. Para las perforaciones se usan las siguientes brocas: - En rocas blandas y rocas meteorizadas, son de común uso las brocas de carbono artificial, como son la de silicio de dureza 14.0, la de boro con dureza 19.7 y la de tungsteno con dureza 17.6. - En rocas duras o cristalinas se emplean las brocas de mayor dureza, que son la de diamante Bort de 36.4 y la de diamante carbonado de 42.4. Tenacidad. Concepto que califica la resistencia cohesiva del mineral a diferentes tipos de esfuerzos; alude a como el mineral se deja romper, desgarrar, moler o doblar. Las clases de tenacidad son: frágil (sí rompe), como la calaverita, la margarita y la pirita; maleable (sí da láminas), como el cobre, la plata y el platino; séctil (sí se deja rebanar), como la acantita y el bismuto; dúctil (sí da hilos), como el oro y el cobre; flexible (sí se deja doblar), como el grafito y la molibdenita; y elástica (sí recupera su forma después de un esfuerzo), como la moscovita, la flogopita y la biotita. Peso específico. Este concepto es diferente al de peso unitario (peso sobre volumen) o a la densidad absoluta (masa sobre volumen). El peso específico se conoce también como gravedad específica. Se entiende por peso específico el peso de la muestra sobre el peso del agua a 4°C, cuando de ambas sustancias se contrastan volúmenes iguales. Dicho valor depende de dos parámetros: la clase de átomos y la estructura cristalina. Propiedades ópticas. Son las que dependen de la luz, como la diafanidad, el brillo, el color, el espectro y la raya. La diafanidad. Depende de la capacidad refractante del mineral: si la refracción es coherente la muestra será transparente (a las frecuencias que ordenadamente la atraviesan); ejemplo el diamante y el espato de Islandia. Si la onda luminosa que cruza el cuerpo es incoherente, el mineral será translúcido; como ejemplo la baritina. Finalmente, si la luz se refleja o queda absorbida, sin poder cruzar el material, la muestra será opaca; ejemplo la galena. Brillo. Es el grado de reflexión que experimenta la luz en los cuerpos opacos. Si la reflexión es coherente (la superficie de rebote es pulida), el brillo será máximo (metálico). Si la reflexión es incoherente (la superficie de rebote es rugosa), el brillo será nulo (mate). El brillo podrá ser: metálico, como en la galena y la pirita; adamantino, en la cerusita y la anglesita; vítreo, en el cuarzo y la turmalina; sedoso, en el yeso fibroso y la serpentina; nacarado, en la superficie de exfoliación del talco; graso, en algunas especies de blenda; resinoso en la blenda y el azufre, y mate, en la acantita, que siendo gris acerada cuando la superficie es fresca, se vuelve gris mate al aire. Color. Sea el material opaco o transparente, el color depende de la longitud de onda de la luz que llegue al ojo. En los opacos, la luz se absorbe o rebota; pero en otros se da una combinación de refracciónreflexión-dispersión, por frecuencias. Así, los colores pueden variar de claros a oscuros y los tonos, del azul al rojo. Además el color puede ser el propio de la sustancia o el que adquiere aquella en virtud de materias extrañas. Suelen estar entre los primeros los minerales opacos, metálicos y transparentes, por ejemplo, blanco la plata, gris la galena, amarillo el oro, rojo el cobre, amarillo el azufre, rojo el cinabrio, verde la malaquita y azul la azurita. En los segundos, la coloración no es propiedad característica del mineral, porque esta varía extraordinariamente en una misma especie y aún en las distintas partes de un mismo ejemplar. Espectro. Es la forma de la descomposición de la luz que se refracta oblicuamente. Cada onda penetra el material con diferente dirección; por la anisotropía algunas pueden reflejarse sobre caras internas del cristal, otras pueden quedar absorbidas y otras pueden atravesarlo. De lo anterior se desprende que el mineral presente irisación, como en ciertos piroxenos y feldespatos y birrefringencia (doble imagen por doble refracción), como en el espato de Islandia. La raya o huella. Es el color del polvo resultante de frotar o triturar una muestra sobre la superficie de un objeto de porcelana áspera blanca (dureza alrededor de 7), sin hacer mucha presión. Ordinariamente el color de la raya es más claro que el del mineral, y muchas veces de distinto color; así, el oligisto, que es negro, da raya roja, la pirita de hierro amarilla, la produce negra. Propiedades electromagnéticas. Son las que tienen que ver con la respuesta del mineral a las fuerzas eléctricas y magnéticas. Conductividad eléctrica. Los minerales con enlaces puramente metálicos, como los metales nativos, son excelentes conductores eléctricos; aquellos en los que el enlace es parcialmente metálico y hay pocos electrones móviles, como en algunos sulfuros, son semiconductores. Las cerámicas, los silicatos y los diamantes, por su estructura interna (minerales iónicos o de enlace covalente), son no conductores. La sal no conduce la electricidad porque está compuesta de iones y los iones son fijos, sólo vibran pero no se desplazan. - La piroelectricidad se produce cuando se desarrollan cargas positivas y negativas en los extremos de un eje cristalino por variación de la temperatura en el mineral, por ejemplo la turmalina. - La piezoelectricidad se presenta cuando se produce electricidad al presionar un cristal sobre un eje, por ejemplo el cuarzo. - El magnetismo: si con imanes o electroimanes potentes pueden ser o no atraídos ciertos minerales. La magnetita, la pirrotita, la ilmenita y la hematites, son imanes naturales. FORMA Y SISTEMAS CRISTALINOS Cuando la sustancia no es amorfa, cristalizará; es decir, tomará forma característica. Las formas de los minerales presentan siete sistemas cristalinos que generan 14 redes espaciales (7 con la geometría de las esquinas y 7 de repetición), tomando lugares interiores del cristal. También algunos minerales tienen la posibilidad de presentar estrías (bandas) o maclas (formas de empotramiento de uno con otro), propias de cada especie.} Los sistemas cristalinos. Los siguientes son las células elementales posibles de los cristales, es decir, los sistemas que dan origen a las 32 clases cristalinas, y estas a su vez, a 230 grupos espaciales según su disposición. Con A, B, C y D se definirán los ángulos y con a, b, c y d los ejes de los cristales. - Cúbico o isométrico. (Forma de dado) sí A = B = C = 90° y a = b = c. En la simetría, 4 ejes ternarios. Ejemplo la halita, la pirita, la fluorita, el oro nativo, etc. - Ortorrómbico. De base rectangular y altura perpendicular a la base; sí A = B = C = 90° y a # b # c. Con 3 ejes de simetría binarios. Ejemplos el olivino, la aragonita, el vitriolo de níquel, la marcasita, etc. - Tetragonal. La base es un cuadrado y la altura es perpendicular a la base; sí A = B = C = 90° y a = b # c. Con 1 eje tetragonal en la simetría. Ejemplo circón, la calcopirita, el rutilo y la pirolusita. - Romboédrico. Llamado también trigonal (formaba parte del hexagonal); sí A = B = C # 90° y a = b = c. Con 1 eje de simetría ternario. Ejemplo la dolomita, la magnesita, la calcita, etc. - Hexagonal. De base hexagonal, con 4 ejes, siendo las 3 de la base iguales; sí A = B = C = 90°, D = 120° y a = b = c # d. Con 1 eje hexagonal de simetría. Ejemplo la pirrotina, el berilo, la nefelina, el grafito, etc. - Monoclínico. Con base rectangular y altura perpendicular a un sólo eje; sí A = B = 90° # C y a # b # c. Con 1 eje de simetría binario. Ejemplo la moscovita, la biotita, el yeso, la ortoclasa, etc. - Triclínico. Sí A # B # C # 90° y a # b # c. Sistema cristalino sin ejes de simetría. Sólo existe un centro de simetría. Ejemplo: las plagioclasas, la caolinita, la calcantita, la cianita, etc. MINERALOGIA QUIMICA De acuerdo con la composición química, los minerales pueden ser agrupados en silicatos, óxidos, sulfuros, sulfatos, carbonatos, elementos nativos y otros grupos menores. Los silicatos. Se subdividen en ferromagnesianos y no ferromagnesianos; se trata de la unión de un catión más el anión SiO-4. Los ferromagnesianos son silicatos de Fe y Mg oscuros y pesados. Sobresalen entre ellos la Biotita, una mica negra con raya blanca y laminado débil; la hornblenda, de brillo vítreo, es un tipo de anfíbol verde oscuro y negro y en el clivaje muestra ángulos agudos; la augita, tipo de piroxeno con fractura concóidea, de iguales colores al anterior, pero mostrando clivaje en ángulos casi rectos; los olivinos, tetraedros simples de estructura granular, color verde olivo y con porcentajes variables de Fe y Mg. Los no ferromagnesianos, por la ausencia de Fe y Mg, son claros y menos densos; entre ellos se incluyen el cuarzo, la moscovita y los feldespatos. Dentro de los feldespatos, se encuentran las plagioclasas, una serie isomorfa que va desde la anortita, feldespato Cálcico, hasta la albita, feldespato Sódico. Los óxidos. Son la unión de un elemento con el oxígeno. Se caracterizan por ser menos duros que los silicatos, pero menos pesados que los sulfuros. En este grupo se encuentran las principales menas (vetas de un metal económicamente explotable) de hierro, magnesio, estaño, cromo y aluminio, entre otros. Los prototipos son: casiterita, corindón, cromita, hematita, magnetita, pirolusita y cromita (tipo de espinela). Los sulfuros. Unión de un elemento con azufre. Se encuentran allí las menas comercialmente más importantes de hierro, plata, cobre, mercurio, zinc y plomo. Sus prototipos son: pirita, galena, esfalerita, calcosita, marcasita y cinabrio. Los carbonatos. Son la combinación de un elemento más el anión (CO3)-2. Prototipos son: la calcita, que es el mineral constituyente de las calizas y los mármoles, y en consecuencia del cemento; su dureza es 3 mineral blando-; se pone en evidencia porque presenta efervescencia con el HCl oficial (diluido al 10%). La dolomita, mineral constituyente de la roca dolomía, porque da efervescencia con el HCl fuerte. Finalmente, la malaquita, la cerusita y la magnesita. Los sulfatos. Son la combinación de un catión más el anión (SO4)-2. Prototipos: la anhidrita, el yeso, la calcantina, la barita y la celestina. Grupo de los elementos. Alrededor de una veintena de elementos se encuentran en la naturaleza sin combinar químicamente con otros, aunque en ocasiones se presentan como mezclas homogéneas de dos o más. En general son muy escasos. Entre los metales se destacan el oro, la plata y el cobre y entre los no metales se pueden citar el azufre, el grafito y el diamante. Grupos menores. Comprende los subgrupos sulfosales, nitratos, buratos, tungstatos, fosfatos, boratos y haluros. Entre ellos se tienen: Los haluros, combinaciones de metales con elementos halógenos como flúor y cloro. Entre ellos están la halita, la silvita y la fluorita. Los nitratos y boratos, menos extendidos que los carbonatos, se encuentran en concentraciones locales de depósitos salinos, por ejemplo el bórax y el nitro (salitre). Los fosfatos, cuya mayor parte se halla en forma de apatito (fosfato cálcico con flúor y cloro); los demás son muy raros. Principales menas de minerales. Se entiende por mena un depósito de un mineral o de varios minerales, en una concentración superior a la media, y en condiciones económicamente explotables. En consecuencia, la mena es la parte mineral aprovechable de una explotación minera. Asociados con los minerales económicamente útiles (minerales de mena) están los minerales de ningún valor comercial (ganga). - Piedras preciosas. Sobresalen el diamante, el rubí, el zafiro y la esmeralda, entre otras. Colombia es famosa por las esmeraldas de Muzo y Chivor. La esmeralda en un berilo coloreado de verde por su contenido en cromo. - Piedras ornamentales (son rocas). Sobresalen el mármol, las calizas y los granitos. Las dos primeras de suma importancia por su nobleza y baja dureza. La segunda, aunque dura, por su aspecto y resistencia. - Otros usos de los minerales. Como abrasivos, el cuarzo y el diamante. En la cerámica y vidriería, la caolinita y el cuarzo. Como refractarios el grafito y las micas. Como fundentes y en óptica, la calcita y el cuarzo. También el cuarzo en electrónica y las fosforitas como abonos.