USO COMBINADO DE REACCIONES QUIMICAS SENCILLAS Y DE

USO COMBINADO DE REACCIONES QUIMICAS
SENCILLAS Y DE LA DIFRACCION DE RAYOS X PARA
LA DETERMINACION DE ALGUNOS MINERALES.
Alejandro del Valle González
Cristalografía y Mineralogía
Facultad de Ciencias
Universidad de Valladolid
USO COMBINADO DE REACCIONES QUIMICAS SENCILLAS Y DE LA
DIFRACCION DE RAYOS X PARA LA DETERMINACION DE ALGUNOS
MINERALES.
1.- INTRODUCCION
Desde hace mucho tiempo se han utilizado varios procesos químicos
sencillos para la determinación de las composiciones de los minerales.
Cuando se trata de especies cuya composición no es muy compleja, esta
metodología puede ser válida y además puede constituir una forma muy
didáctica de explicar el funcionamiento de dichos procesos químicos.
Sin embargo, una buena parte de los minerales presentan grandes
dificultades para ser estudiados por métodos clásicos y se hace necesario
el uso de métodos instrumentales. Entre los métodos instrumentales
utilizados para la investigación de los minerales, el más adecuado es la
Difracción de Rayos X (DRX), una técnica estructural, puesta a punto hacia
1912, por Max von Laue (1879-1960), quien realizó su primer experimento
con un cristal de calcantita (CuSO4.5H2O). La aplicación de esta técnica a
sustancias cristalinas nos proporciona un difractograma relacionado con la
distribución tridimensional de los átomos y las moléculas (estructura
cristalina). Dicho difractograma constituye una “huella dactilar” de cada
sustancia cristalina y, por lo tanto, además de permitir determinar su
estructura, nos facilita su identificación.
En la práctica, para la identificación y la obtención de algunas de las
características de las especies minerales, se usa el Método del Polvo
Policristalino, utilizado por primera vez en Alemania, en 1916, por P.
Debye y P. Scherrer y, posteriormente, en EEUU, por A.W. Hull. Desde
entonces, la evolución y las mejoras de este método han permitido poner
a punto metodologías que permiten determinar, no solo minerales, sino
también cualquier sustancia cristalina, ya sea orgánica o inorgánica.
En los últimos tiempos, para el estudio de los minerales, la Difracción de
Rayos X se complementa con otras técnicas instrumentales que permiten
determinar la composición química cualitativa y cuantitativa, lo que nos
suministra una caracterización muy completa de los minerales y sustancias
derivadas de ellos. Entre tales técnicas, la más utilizada es la Fluorescencia
de Rayos X (FRX). Sin embargo, estas técnicas no están disponibles en la
mayoría de los laboratorios y su uso no está generalizado.
2.- OBJETIVO
Se van a contemplar los 2 puntos de vista mencionados para obtener
información de los minerales. Por un lado, utilizaremos los minerales
seleccionados para observar en ellos una serie de reacciones
características de los iones que les componen y posteriormente vamos a
ver sus difractogramas de Rayos X, pudiendo determinar, a partir de ellos,
los componentes de una mezcla.
3.- REALIZACION
Como se trata de buscar una aplicación pedagógica, se trabajará
únicamente con 6 minerales, relativamente comunes y con elementos que
experimentan reacciones muy características, lo que ayudará bastante a
los alumnos en su observación. Dichos minerales son:
Cuarzo
Calcita
Calcantita
Siderita
Calcopirita
Galena
SiO2
CaCO3
CuSO4.5H2O
FeCO3
CuFeS2
PbS
El reconocimiento de estas especies minerales es sencillo, incluso “de
visu”. En el caso del cuarzo, el mineral más común en la Corteza Terrestre,
no desarrollaremos procesos de disolución química, debido a las
dificultades que ello entraña. Sin embargo su amplia difusión hace que
aparezca muchas veces acompañando a los demás, como se verá en los
difractogramas. Por lo que respecta a las demás especies veremos que
pueden ser disueltas y obtener sus componentes principales en
disolución. A continuación se pueden someter a dichos componentes
(iones) a una serie de procesos que nos llevarán a su reconocimiento. En
los esquemas que se muestran a continuación podemos ver los procesos
completos para cada especie.
En estos esquemas puede observarse la variedad de reacciones que tienen
lugar, lo que supone un atractivo, como apoyo para la explicación a los
alumnos de una serie procesos frecuentes en la naturaleza y en los
laboratorios. Como ejemplo, baste señalar como el Fe(II) existente en los
minerales tiene tendencia a oxidarse en disolución, lo que permite la
identificación paralela de los iones ferroso y férrico (ver cuadro de la
siderita). También es interesante destacar la capacidad de formación de
complejos amoniacales por parte de algunos iones (Cu+2), lo que permite
una buena separación de otros que no les forman, como el Fe+3, tal como
se muestra en el esquema de la calcopirita
En todo caso, estos procesos que tienen un gran valor didáctico,
presentan muchas limitaciones en la práctica, ya que una buena parte de
los minerales muestran mayor complejidad y las reacciones no son tan
sencillas y evidentes. Ello hace que, en la práctica, se recurra a técnicas
instrumentales para la identificación de los minerales.
En Mineralogía, la técnica más usada para identificar las especies es la
Difracción de Rayos X, cuyo fundamento está en la interacción entre un
haz de rayos X y los electrones de los átomos que ocupan determinados
planos reticulares. Esta técnica es de tipo estructural, pero los resultados
obtenidos permiten un uso analítico, pues cada mineral muestra un
difractograma específico, con un listado de picos que le caracteriza. Dicho
difractograma es el resultado de la interacción de los Rayos x con la
disposición tridimensional de todos los átomos del cristal y tiene en
cuenta, tanto su situación, como su contenido electrónico (a través de la
intensidad), de tal modo que cada uno de los picos observados
proporciona una información global sobre todos los electrones de todos
los átomos que forman una familia de planos reticulares. Como los
electrones son indistinguibles no podemos saber de que átomos
proceden, pero podemos deducir su distribución espacial y sus distancias,
lo que puede informarnos bastante sobre la naturaleza de la sustancia
estudiada.
Los minerales que estamos viendo muestran los siguientes listados de
picos:
CALCOPIRITA
Sist. Tetragonal
dhkl
I/I0
______________
3.04
100
2.64
10
1.87
20
1.86
40
1.59
30
1.57
10
1.32
10
1.21
10
1.08
60
_____________
GALENA
Sist. Cúbico
dhkl
I/I0
____________
3.42
80
2.96
100
2.09
60
1.79
40
1.71
20
1.48
10
1.36
10
1.33
15
____________
CALCANTITA
Sist. Triclínico
dhkl
I/I0
______________
5.40
100
4.67
100
3.96
100
3.69
100
3.28
80
3.02
60
2.82
60
2.74
80
2.65
80
2.41
80
2.13
40
2.07
40
2.02
60
1.98
60
1.89
20
1.85
20
1.82
40
1.77
40
1.63
60
______________
SIDERITA
Sist. Trigonal
dhkl
I/I0
____________
3.59
25
2.79
100
2.34
20
2.13
25
1.96
30
1.79
15
1.74
35
1.73
45
1.50
20
1.42
15
1.39
10
1.35
20
1.20
20
1.08
25
____________
CALCITA
Sist. Trigonal
dhkl
I/I0
______________
3.86
15
3.03
100
2.845
5
2.495
15
2.285
20
2.095
20
1.93
5
1.91
18
1.875
20
1.625
5
1.605
8
1.585
4
1.525
6
1.52
4
1.51
3
1.47
2
1.44
5
1.42
3
______________
CUARZO
Sist. Trigonal
dhkl
I/I0
____________
4.26
25
3.34
100
2.46
5
2.28
5
2.24
5
2.13
5
1.98
5
1.82
15
1.80
1
1.67
5
1.65
2
1.61
1
1.54
10
1.45
1
1.42
1
1.38
10
1.375
8
1.37
7
____________
Para mayor sencillez se ha eliminado la asignación de cada pico a su
familia de planos reticulares.
Como puede observarse, los cristales con mayor simetría muestran un
listado de picos menor, ya que existen muchas más posiciones
equivalentes y un menor conjunto de planos reticulares distintos. Esto, en
ocasiones puede suponer una dificultad para reconocerles en una mezcla
con otros minerales cuyos cristales presentan una menor simetría y, en
consecuencia, un mayor número de picos. Pero la experiencia y un cierto
conocimiento del mundo mineral ayuda mucho en la discriminación de los
picos de cada mineral.
De este modo, ante un difractograma de una mezcla de minerales,
podremos ir deduciendo sus fases mediante el examen cuidadoso del
listado de picos y siempre con la ayuda de las fichas patrón. A
continuación, podemos ver los difractogramas de los minerales puros,
cuyos listados de picos se han expuesto anteriormente.
En la realidad es difícil obtener difractogramas de minerales puros, siendo
habituales las mezclas de 2 o más componentes. Existen algunas especies
tan extendidas y abundantes que es casi imposible librarse de su
presencia, aunque intentemos hacer una toma de muestra cuidadosa. Por
ejemplo, el cuarzo, la calcita, la dolomita o las arcillas (filosilicatos),
contaminan continuamente las muestras de minerales y sus picos
aparecen acompañando a los de las especies que deseamos determinar.
Por ello es conveniente saber interpretar difractogramas obtenidos de
mezclas y, aunque existen programas comerciales que nos ayudan a ello,
al final, los mejores resultados se obtienen mediante una detallada
observación de todos sus picos, con la consulta de sus correspondientes
fichas. Esta es la labor que desarrollaremos para completar esta sesión.