elizabeth araux sánchez - SMCr
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MINERALOGÍA AUTOR: ELIZABETH ARAUX SÁNCHEZ COLABORADORES: RICARDO VEGA GRANILLO LIBRADA LOPEZ ESTRADA ÍNDICE Introducción Objetivos del curso El uso de los minerales a través de la historia 3 5 6 Capítulo I. Estado Cristalino y Amorfo Nucleación y crecimiento Idiomorfismo y deformación Crecimiento de un cristal 10 11 13 14 Capítulo II. Cristaloquímica Fórmulas químicas – símbolo Composición porcentual Denominación Enlaces atómicos 15 15 17 18 18 Capítulo III. Cristalofísica Descripción de red y malla cristalina Forma Externa de los Cristales Sistemas Cristalinos Isomorfismo, Polimorfismo y Pseudomorfismo Hábito Agregados cristalinos 23 24 26 33 55 57 73 Capítulo IV. Propiedades físicas y químicas de los minerales Relacionadas con la luz Relacionadas con la sensación de los sentidos Relacionadas con el estado de agregación Relacionadas con la respuesta de los minerales a la acción de: calor, magnetismo, electricidad y radioactividad Seguimiento para el reconocimiento de los minerales Métodos alternos para la identificación de los minerales 85 85 87 94 103 108 110 Capítulo V. Descripción de los minerales Elementos nativos Sulfuros Haluros Oxidos Carbonatos, Nitratos, Arseniatos, Sulfitos, Seleniatos, Teluratos y Iodatos Boratos Sulfatos, Cromatos, Molibdatos y Wolframatos Fosfatos, Arsenatos y Vanadatos Silicatos 113 114 119 121 122 125 127 129 131 134 Capítulo VI. Génesis de los minerales Ambiente Magmático Ambiente Sedimentario Ambiente Metamórfico 139 139 142 144 Capítulo VII. Minerales de México 146 Bibliografía 155 3 Introducción La matrícula de la carrera de Ingeniero de Minas en nuestro país, presenta un diagrama sumamente parecido al de los precios de los metales preciosos: cuando existe el alza de precio en ellos aumenta el ingreso a la carrera y cuando ella decrece, escasean los estudiantes. Bueno pero, ¿qué tiene que ver la carrera de Ingeniero de Minas con este texto? Pues bien, el presente texto de Mineralogía es el resultado de la impartición de esta materia en la carrera de Ingeniero de Minas de la Universidad de Sonora por algunos años. Ha sido diseñado, sobre todo, para capacitar a los estudiantes en un reconocimiento práctico y rápido de los minerales, pero sin dejar por fuera los conocimientos básicos de la Mineralogía. De esta manera, los capítulos o unidades temáticas comprenden las principales divisiones de la Mineralogía, como son: la Cristalofísica, la Cristaloquímica, las propiedades físicas y químicas de los minerales, y la mineralogía descriptiva. Entre estas divisiones no existe una relación secuencial de conocimientos, pues cada una de ellas comprende una parte distinta de la mineralogía, sin embargo, se complementan y apoyan unas a otras. Esto se observa en los diferentes textos o libros de Mineralogía, donde los capítulos de Cristalografía y Cristaloquímica se anteceden o preceden indistintamente, según los diferentes autores. El orden elegido en este texto deriva del intento de guiar al estudiante en el aprendizaje de las especies minerales, comenzando por conocer las condiciones necesarias para su formación, de que manera se asocian los elementos y compuestos que los constituyen, como se refleja externamente esta unión y que propiedades adquieren los minerales en función de su estructura y composición. El capítulo I es una introducción al conocimiento de los minerales, haciendo una reseña del papel que han jugado en la historia de la humanidad; se establece la definición científica de lo que es un mineral y lo que es el estado cristalino; las condiciones necesarias para la formación de los cristales, y cuales son las causas que impiden el crecimiento de cristales perfectos. El Capítulo II (Cristaloquímica) retoma y aplica conocimientos de química inorgánica. El alumno aprende a obtener las fórmulas químicas de los minerales, sus composiciones porcentuales, los enlaces atómicos que poseen y las propiedades físicas y químicas que estos enlaces producen en los minerales. En el Capítulo III (Cristalofísica) se dan las bases de cristalografía, como son: la descripción de la red y malla cristalina, la forma externa de los cristales, los elementos de simetría y los sistemas cristalinos; características que son fundamentales en la identificación de minerales. También se define lo que es isomorfismo, polimorfismo, pseudomorfismo, el hábito de los minerales y los agregados cristalinos. En este capítulo, la práctica constante con modelos y ejemplares de cristales es muy valiosa. Al terminar este capítulo el estudiante estará capacitado para determinar la simetría de los cristales, reconocer su forma, identificar los sistemas cristalinos, el hábito y los agregados cristalinos regulares (maclas) e irregulares (aspecto). 4 El Capítulo IV consiste en la descripción de los análisis físicos y químicos que se efectúan en laboratorio, y que permiten al estudiante identificar las especies minerales. Se describen las propiedades físicas relacionadas con la luz (el color, la raya, el brillo); relacionadas con las sensaciones de los sentidos (olor, sabor, tacto); relacionadas con el estado de agregación (tenacidad, exfoliación, fractura, densidad); y relacionadas con la respuesta de los minerales a la acción del calor, el magnetismo, la electricidad y la radioactividad. En el Capítulo V (Descripción de los minerales) se agrupan los minerales en nueve clases químicas basados en su composición. De esta manera se tienen: los elementos nativos; los sulfuros; los haluros; los óxidos, los carbonatos (nitratos, arseniatos, sulfitos, seleniatos, teluratos, iodatos); los boratos; los sulfatos (cromatos, wolframatos y molibdatos); los fosfatos (arsenatos y vanadatos); y los silicatos. Se proponen prácticas que refuercen los conocimientos adquiridos en el capítulo anterior, además en esta unidad el estudiante aprende a ubicar los minerales en la clasificación correspondiente. El Capítulo VI (Génesis de los Minerales) muestra el contexto de la formación de los minerales en nuestro planeta, conociendo a grandes rasgos la composición química de la corteza terrestre y los ambientes geológicos: ígneo, sedimentario y metamórfico; así como la relación que guardan éstos con los yacimientos minerales. Para finalizar, en el Capítulo VII (Minerales de México) se describen los minerales que han sido descubiertos en nuestro país. OBJETIVOS del texto de mineralogía. Lo primero a considerar en cualquier estudio a emprender son sus objetivos. En el caso de Mineralogía se pueden mencionar los siguientes: Conocer lo que es un mineral. Conocer las características físicas y químicas de los minerales. Obtener y reconocer las características que permitan la identificación de los minerales. Conocer y utilizar la clasificación de los minerales. Conocer como se forman los minerales y cuales son los distintos ambientes de formación. El texto, como puede apreciarse en el índice cubre básicamente dos aspectos: El primero define lo que es un mineral y las características físicas y químicas de su formación. El segundo comprende el conocimiento de los minerales a través de sus características observables y, por supuesto, su identificación. 5 EL USO DE LOS MINERALES A TRAVÉS DE LA HISTORIA El uso de los minerales y rocas, se remonta al principio de la existencia humana, desde entonces, comienza una búsqueda selectiva de los materiales para satisfacer las necesidades de cada momento. El tipo de material y la manera de usarlo, dividen la historia de la humanidad en grandes edades. La primera de ellas es la edad de la piedra sin pulir, es decir, el Paleolítico (piedra antigua). En este tiempo el hombre usaba las rocas tal y como las encontraba o les hacía ligeras modificaciones. En Africa se encuentran algunas herramientas de rocas datadas en 1,750,000 años aproximadamente. En el Neolítico (piedra nueva) o edad de la piedra pulida, se encuentra una gran variedad de rocas y minerales (riolita, obsidiana, pedernal, calcedonia), cortados y pulidos en forma de flechas, cuchillos, navajas, raederas, pulidores, etc. Aunado a la talla de la piedra comienza el uso de los minerales en la fabricación de pigmentos, los cuales consistían en el mineral molido (hematita - rojo, limonita - amarillo, pirolusita - negro - azul) y de alguna resina como fijador. Algunas de estas pinturas se atribuyen al hombre de Neandertal y han sido datadas entre 85,000 y 40,000 años. La principal actividad del hombre hasta el Neolítico fue la caza, pero durante la retirada de los glaciares los animales migraron hacia sitios más fríos, y el hombre se vió en la necesidad de seguirlos o bien de sobrevivir gracias a la recolección de frutos y raíces, dando inicio a la agricultura. Con la agricultura surgen nuevas necesidades como la conservación de las semillas. Entonces el hombre inventa la cerámica mezclando arcilla y agua; al mismo tiempo, para cubrir otro tipo de necesidades, la escultura. Con el conocimiento del barro comienza la manufactura de ladrillos y es posiblemente ésta la primera industria minera. Posteriormente se descubren los metales, los cuales poseen características mucho más interesantes que las rocas como son su brillo y maleabilidad, éstos fueron descubiertos en los eluviones dejados por la erosión o en aluviones transportados por los ríos. El primer metal que se piensa que fue descubierto es el oro, debido a su gran brillo y a que se encuentra puro en la naturaleza, se estima que ocurrió hace 18,000 años y con el se fabricaron armas, utensilios, ofrendas e incluso monedas. Edad de los metales El cobre fue el primer metal extraído de compuestos químicos encontrados en la naturaleza, se piensa que fue reducido al ser quemado junto al carbón de una hoguera. La metalurgia primitiva se llevaba a cabo por medio de martillamiento del cobre nativo y pasó un tiempo considerable para que se iniciara la fundición del mineral. La extracción de los metales da inicio a una nueva etapa de la humanidad conocida como la Edad de los Metales, la cual comenzó entre 2,600 y 2,400 años en Troya y Grecia. La metalurgia del cobre condujo naturalmente al descubrimiento de la primera aleación: el bronce (estaño y cobre). Esto ocurrió debido a que las menas de cobre (calcopirita: CuFeS2) están comúnmente asociadas a las de estaño (casiterita: SnO2). El bronce al ser más duro y resistente que el cobre da un progreso notable a los instrumentos y herramientas. Ciertas menas de cobre también contienen minerales de níquel y zinc, así no es sorprendente que se produjera latón al fundir estas menas. 6 Pero no fue sino hasta 2,000 años antes de Cristo, que el hombre aprendió a extraer un metal a la vez para después producir la aleación. El desarrollo de la metalurgia va paralelo al del armamento. La utilización de mejores armas y el uso del caballo permitieron a ciertas civilizaciones la extinción completa de otros pueblos en las costas de Europa. El hierro de los meteoritos (hierro nativo), fue utilizado desde tiempos muy antiguos 3,500 años A.C. en la fabricación de joyas. Pero no fue sino hasta el año 1,300 A.C. aproximadamente, que se pudo extraer de menas que lo contienen (magnetita: Fe3O4 y hematita: Fe2O3); debido a su elevado punto de fusión: 1527°C, en comparación con el del estaño que es sólo 231°C. Con el descubrimiento del hierro, el último de los 7 metales conocidos, se sucede una serie de búsquedas de minas que lo contuvieran y una competencia en la manufactura de armamento superior. Conduciendo de esta manera a las grandes invasiones de los bárbaros hacia Italia, Grecia, Inglaterra, España, etc. sin llegar aún a descubrir todo lo que el hierro podía darles: el acero (descubierto posiblemente en la India durante la edad media). Con la caída del Imperio Romano, los desórdenes que siguieron a las grandes invasiones y la sequedad en aumento hicieron perder el valor de las tierras del Mediterráneo. La explotación de las minas se intensifica en Europa central en la llamada zona Varisca, y dura hasta mediados del siglo XIV. En esta zona se explotaron además del oro y la plata (conocida por lo menos desde 4,500 años AC), estaño, plomo (galena argentífera: PbS2 +Ag), níquel, cobalto, bismuto, arsénico y uranio (pechblenda: UO2 ). Con el descubrimiento de América (1492) entran en producción las minas del nuevo continente, que aunadas a las recuperadas en España, provocan que la supremacía del poder en Europa pase al Rey de España por más de siglo y medio. Las minas explotadas en América se situaron en México y Perú. En estas mismas fechas fueron explotadas algunas minas en Africa quedando repartidas, ambas, entre los españoles y los portugueses. Edad del carbón Toda la metalurgia de la antigüedad y de la Edad Media se ha basado en los bosques: grandes extensiones se talaban para cultivar la tierra y se utilizaban para construir los barcos; como leña y para obtener el carbón que se destinaba a los hornos de fundición de metales. Así se destruyeron millones de hectáreas sin tomarse la molestia de repoblarlas, especialmente en todos los alrededores del Mediterráneo. A pesar de que la hulla (carbón mineral) fuese conocida durante el apogeo de Grecia, es hasta el siglo XIV cuando se explota sistemáticamente en Inglaterra; su aplicación a la industria se lleva a cabo en el siglo XVII, sustituyendo casi completamente a la madera e instaurando la supremacía industrial de las Islas Británicas. La máquina de vapor fue utilizada en ferrocarriles y barcos favoreciendo el comercio. Para la humanidad significaba el descubrimiento de la "energía" bajo una forma condensada, diferente a la proporcionada por los hombres y los animales de carga. Los notables progresos de la química en el siglo XIX permitirían extraer de la hulla, multitud de productos, en particular los tintes de anilina, situando a Alemania en la primera fila de las naciones en cuanto a industrias químicas. A raíz de la última guerra, el descubrimiento del nylon por los norteamericanos debía sumarse a los numerosos regalos del carbón. 7 Edad del petróleo El conocimiento de los betunes y de la nafta se remonta al tiempo de los babilonios (siglo IV A.C.). La Biblia los cita frecuentemente mencionando que con el betún se calafeteaban los barcos de madera como se refiere que ocurrió con el arca de Noé. Algunas rutas privilegiadas parecen haber sido asfaltadas. Ciertas llamas intempestivas son manifiestamente originadas por la nafta. En 1834, fueron extraídos del petróleo: aceite para alumbrado, gas, aceite para engrasar, colorantes, alquitrán, parafina y otros productos. La utilización del petróleo se incrementa con el uso de los motores: automóvil (1896), avión (1909), así como los aceites pesados de los buques (1901). La Gran Bretaña, desprovista de yacimientos petrolíferos, había buscado desde principios del siglo XX conservar su poderío mundial. Para lograrlo, se esforzó en establecer un protectorado económico sobre el mayor número posible de tierras petrolíferas, comenzando por Irán. Fue entonces cuando se crearon las grandes empresas internacionales: desde 1900 por ejemplo, la Royal Dutch y la Shell se asociaron, ya sea entre ellas o bien con los Estados Unidos, para controlar y disponer de su comercialización. La Royal Dutch, que disponía primero de los yacimientos de Insulindia (conjunto de islas al sur de Asia), añadió a ellos los de una gran parte de los Estados Unidos, luego la India, Irán, Birmania, Uganda, Australia, Africa francesa, México, Nueva Guinea y por último, Honduras, Colombia, Venezuela y Panamá. Los Estados Unidos no debían tardar en contraatacar organizando búsquedas y explotaciones petrolíferas en América central y meridional y luego en Arabia. Entre 1925 y 1939 puede decirse que el mundo petrolero estaba dividido entre Inglaterra y Estados Unidos representados por sus asociaciones de empresas. Sin embargo, salvo en los Estados Unidos, pocos yacimientos petrolíferos pertenecían a las metrópolis. Algunos países industriales con un difícil acceso a fuentes de energía, no aceptaban ese acaparamiento ni ese reparto del mundo: fue el caso de Alemania, Italia y Japón. Durante la guerra de 1939-1945 el Japón, por ejemplo, intentó asegurarse de los yacimientos de petróleo de Insulindia entre otros. El desarrollo de la industria petrolera en las últimas décadas ha sido enorme. Aunado al carbón y al gas natural, ha dado a la humanidad la gran variedad de materiales poliméricos o plásticos altamente utilizados. Entre ellos es posible citar: hules sintéticos, melaminas, acrílicos, vinílicos, nylon, fenólicos, poliolefinas, poliuretanos, celulósicos, teflones, poliestirenos, poliésteres y epóxicos. Edad atómica Los minerales radioactivos y sus leyes fueron descubiertos a fines del siglo XIX, por Pierre y Marie Curie (1898), a partir de entonces las investigaciones en este campo de la ciencia no han cesado. De nuevo, las tecnologías más avanzadas han sido utilizadas para la fabricación del armamento más sofisticado, lo cual ha dejado huellas imborrables durante la segunda guerra mundial. La búsqueda de minerales radioactivos y la aplicación de sus propiedades han sido de suma importancia, ya sea en el campo de la medicina, del armamento y sobre todo en la utilización de nuevos recursos energéticos, ya que las fuentes principales de energía como son el petróleo y gas, en un tiempo relativamente corto se agotarán. 8 Bajo este argumento, el desarrollo vigoroso de la energía nuclear, no está a elección, sino que es una necesidad. Desde hace tiempo se ha probado que se tiene la tecnología, en un nivel industrial, para producir energía a través de la fisión de las sustancias radioactivas en los reactores nucleares. Actualmente existen en el mundo alrededor de 350 reactores nucleares que operan produciendo un porcentaje considerable de electricidad. Las desventajas más serias que han frenado la generalización de los reactores nucleares en el mundo, han sido por un lado, el riesgo inminente y comprobado que representan los desechos de los combustibles, los cuales siguen siendo materiales altamente radioactivos; y por otro lado, el gran peligro de que se suscite algún accidente dentro de las plantas nucleares debido a una falla técnica o humana. 208 BIBLIOGRAFIA Auboin J, Broosse R, y Lehman J.P. 1981 “Tratado de Geología. Petrología” (Tomo 1). Ediciones Omega, S.A. Barcelona, España Bulbulian S, 1987 “La Radiactividad” Fondo de Cultura Económica Colección La Ciencia desde México No. 42. México Dana E.S y Ford W.E, “Tratado de Mineralogía” Cuarta Edición. Editorial CECSA México, 1982. Dud’a R., Rejil L. Y Slivka D. 1991 “ La gran Enciclopedia de los Minerales” Tercera Edición SUSAETA, S.A. Checoslovaquia. Hamilton W.R., Woolley A.R. y Bishop A.C. 1978 “The Larousse Guide to Minerals, Rocks and Fossils” Larousse & Co. 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