Composición mineral

TEMA 12: MINERALES, COMPOSICION Y ESTRUCTURA.
Para definir una especie debemos tener un conocimiento químico, mediante análisis cualitativo y cuantitativo.
Con ello podemos establecer la composición química.
Suelen ser complicados, porque los minerales tienen una composición compleja. Como sabemos los minerales
suelen formar parte de las rocas. Otras se encuentran en forma nativa, su fórmula será el símbolo químico del
elemento que lo constituye. Ej. Au, Hg, S
Pero normalmente suele estar formado por dos o más elementos. Uno de los más sencillos, es la Galena que es
un sulfuro de Plomo (Pb S); la Calcopirita que e un sulfuro de hierro y cobre ( Cu Fe S2 ).
La Blenda está formada por un sulfuro de Zinc, y su fórmula es Zn S, aunque esto está muy simplificado.
Para calcular la fórmula química, tenemos que ver el porcentaje en peso, el peso molecular y las proporciones.
No podemos afirmar que un mineral tiene una determinada composición, porque suele variar.
Composición química de los minerales: análisis químicos y representación gráfica.
Sustitución iónica ó solución sólida: Es el resultado de la sustitución de un ión o grupo de iónico en la
estructura. Ej. Esfalerita, el zinc es sustituido parcialmente por el hierro. Existen varios tipos:
−Solución sólida sustitucional : es la más frecuente. En estos casos un ión A es sustituido por otro B en la
misma posición estructural. Los factores que determinan si la sustitución es parcial o total son:
• Tamaño, de los iones, es lo más importante, pues dos elementos se pueden sustituir sólo si sus radios
iónicos difieren:
• Solución sólida completa: − 15%
• Sustitución limitada: 15−30%
• Si es >30% es muy difícil que se produzca la sustitución, sólo tendrá lugar si forzamos las condiciones
como la temperatura.
• Temperatura, cuanto más elevada sea mayor será el desorden térmico, y por lo tanto menor la rigurosidad
de la estructura, por lo que se produce la sustitución con mayor facilidad. Cuando sean menores las
temperaturas sólo se sustituirán los iones cuyos radios difieren muy poco. Ej. Feldespato potásico: a altas
temperaturas, la cantidad de Na+ que sustituye al K+ es mucho mayor que a bajas temperaturas, pues esta
sustitución prácticamente no se produce. Puede producirse un fenómeno de intermezcla pues podemos
distinguir el feldespato sódico del potásico a simple vista.
Si un ión monovalente es sustituido por otro divalente, se necesitan otras sustancias en la estructura para que
se mantenga la neutralidad electrónica del mineral. Dentro de una solución sólida sustitucional podemos
distinguir:
Solución catiónica, un catión A puede ser sustituido por otro B. Ej. Na Cl −> K Cl
Solución aniónica, un anión X puede ser sustituido por otro Y. Ej. Na Cl −> Na Br
Sustitución Acoplada, en este caso los cationes A²+ es sustituido por otro B³+, debe producirse una sustitución
de C+ (monovalente)
1
2 A ² + B ³ + + C+
Ej. Feldespato plagioclásico, son silicatos alumínicos de Na y Ca, y podemos encontrar ambos extremos de
pureza. La sustitución que tiene lugar es acoplada.
Na+ + Si4+ Ca²+ + Al³+
A medida que nos desplazamos, decrece la cantidad de Si4+ por ser sustituido por el Al³+.
Solución sólida intersticial: Entre los átomos o iones o grupos iónicos existe una serie de huecos o
intersticiones, que pueden ser ocupados por otros iones. En algunas estructuras cristalinas (silicatadas) que
poseen canales, pueden alojarse iones o gases, tanto agua en estado gaseoso como Helio. Estos canales pueden
estar parcialmente ocupados o no, dando una composición intermedia.
Solución sólida por omisión: se da en los minerales en los que una posición estructural determinada está
parcialmente incompleta. Como por ejemplo, la pirrotita o pirrotina. En este mineral, la estructura puede ser
descrita como un empaquetamiento hexagonal de S y el Fe ocupa las posiciones octaédricas, es decir, el Fe
presenta un número de coordinación 6 con el S. Lo que ocurre es que no todas esas posiciones octaédricas
están ocupadas. Hay un porcentaje de vacantes. De tal forma que la composición química de un mineral puede
variar desde:
Fe6 S7 Fe11 S12 Fe (1 − x) S donde 0 " x " 0,2 x = 0 será ocupación octaédrica completa.
La neutralidad de esta estructura se conserva con la presencia de Fe³+ para poder compensar la carga negativa
del Azufre.
La fórmula general de la pirrotita es :
Como las fórmulas de los minerales son bastante complejas, recurrimos a la Representación gráfica en función
de los componentes principales. Hay:
Diagramas lineales o de Fase: Eje donde representamos en cada extremo el 100% de cada especie, de manera
que queda representada el porcentaje del análisis que hemos calculado en una tabla.
Diagramas triangulares: cuando hacemos la representación en función de tres componentes. En cada vértice
está representado el 100% de cada especie, y en la base opuesta ( cateto opuesto) está el 0%. No sólo sirve
para estudiar el porcentaje sino también el alcance: asociaciones de minerales.
Ortopiroxenos: elementos constantes.
−Líneas de enlace; en rocas dos elementos unidos por una línea.
Ej. Fe del olivino junto con cuarzos (Fe) [en canarias no]
POLIMORFOS, ISOMORFOS Y PSEUDOMORFOS.
Isotípicas o isoestructurales: son aquellas con igual estructura y distinta composición química. Si tienen la
misma distribución en el espacio de sus componentes. Ej. Todos los que tengan un número de cationes y
aniones en coordinación pertenecen al grupo estructural del Na Cl como: galena, halita, silvita ...
Isomorfismo: son aquellos que son isotípicos y las relaciones de sus radios semejantes, donde pueden haber
un intercambio de iones.
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Cristal Mixto: cada miembro de una serie de soluciones sólidas homogéneas de composición variada. Son
isomorfos. Cuando la temperatura disminuye se produce un desdoblamiento en dos fases.
Polimorfismo: aquellos con igual composición química pero se desarrollan en distintos tipos estructurales.
Como la calcita y aragonita. Cuando se da en un elemento simple se llama alotropía. Cuando se varían presión
y temperatura se dan reajustes en la red cristalina, transformándose un polimorfo estable en otro. A esto se le
llama Transiciones polimorfas. Va acompañado de un poder calorífico, calor latente de la transformación, es
el calor absorbido cuando se pasa de una especie estable a bajas temperaturas a otra especie estable a altas
temperaturas. Además un aumento de la presión favorece a la aparición de estas estructuras.
Por otro lado, un aumento de la temperatura favorece la aparición de estructuras de baja densidad, siendo una
coordinación baja de iones.
Generalmente las formas estables a altas temperaturas son más estables que las estables a bajas temperaturas.
Todas las transformaciones polimorfas son reversibles (teóricamente). Sobre todo y más rápidamente aquellas
que requieren poca energía, es decir transformaciones no importante.
Las irreversibles necesitan más energía para destruir la estructura para luego formar una de nuevo. Como por
ejemplo la transformación del diamante a grafito
Pseudomorfismo: la forma externa de un mineral puede que se conserve incluso después de transformaciones.
La composición y estructura del pseudomorfo es totalmente distinta al mineral del cual adopta su forma.
Como por ejemplo, la pirita puede convertirse en limonita conservando su estructura. Podemos agruparlo,
según su forma de formarse:
• Sustitución, es una renovación gradual del material primario, sin reacción química. Ej. Sustitución de
las fibras de madera por sílice.
• Incrustación, se deposita una costra de un mineral sobre otro. Ej. El cuarzo se incrusta en cubos de
fluorita y cuando esta desaparece, deja el molde del cuarzo.
• Alteración, adición parcial de material nuevo. Ej. El paso de la anhidrita a yeso por adición de agua.
CLASIFICACION DE LOS MINERALES SEGÚN EL TIPO DE ENLACE.
Metálico se da entre átomos de metales electropositivos. Se pueden considerar como núcleos atómicos unidos
por una nube de electrones.
Sólo se da en los elementos nativos. Sus características son: gran plasticidad, tenacidad, dúctibilidad,
conductividad altas y baja dureza, punto de fusión y de ebullición.
Cristales iónicos, características: buen conductor térmico y eléctrico. Los rayos luminosos interfieren
fácilmente y por eso son opacos y con brillo metálico.
Covalente compartición de pares de electrones. Tiene lugar entre átomos de semejante radio iónico. Es el
enlace más fuerte. Sus características son: alta dureza, alto punto de fusión, insoluble, no forma iones y son
cristales muy estables. Ej. Diamante.
Iónico fuerte atracción electrostática entre iones de carga opuesta. Características: dureza y peso específico
moderado, poco conductores de calor y de electricidad, los puntos de ebullición y fusión son altos. Un ión
tiende a rodearse de iones de signo opuesto, por lo que no es un enlace direccional.
Fuerzas de Van der Walls son muy débiles comparados con los anteriores. Las moléculas neutras desarrollan
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una concentración de carga en cada extremo. En los cristales que lo poseen las moléculas actúan como dipolo
débilmente cargado alineándose formando dos polos opuestos. No se da sólo sino combinado con otros tipos
de enlace. Define zonas de exfoliación y de baja dureza influyendo en el punto de fusión que es por lo general
bajo.
Enlace de H2 entre el ión H+ y una carga negativa. Es más consistente que la fuerza de Van der Walls.
Común en los hidróxidos y también pueden aparecer en los silicatos.
El número de iones que rodea a un ión central se denomina número de coordinación. Y la figura geométrica
que define el entorno del ión central ( normalmente catión) se llama poliedro de coordinación.
Ej. La halita está formado por un Na+ rodeado de 6 Cl−, formando una estructura octaédrica. El nº de
coordinación dependerá del tamaño relativo de los iones de coordinación. Se suele expresar en relación con el
tamaño de los radios.
RA/ RX donde RA: catión, RX: Anión.
Se tiene como valor crítico o límite cuando los iones de coordinación son tangentes entre sí o con el ión
central.
Pauling: enunció una serie de normas a principios del siglo XX que aunque las estableció para estructuras con
enlace iónico, también pueden usarse para enlaces covalentes. Estas reglas que determinan la materia
cristalina son:
1.− Cada catión rodeado por un polímetro de aniones, siendo la distancia catión−anión la suma de los radios.
Y el número de coordinación viene dado por la relación de radios.
2.− Valencia electrostática; en una estructura de coordinación estable, las cargas electrostáticas de los aniones
se compensan con las valencias electrostáticas del catión que ocupa el centro del poliedro de coordinación. El
conjunto es eléctricamente neutro. Esto nos permite deducir como se unen los poliedros para compensar la
valencia o carga de iones presentes, en la estructura cristalina.
Valencia electrostática: cociente entre la valencia de un ión y su número de coordinación. Ej: En el Na Cl, la
valencia electrostática es 1/6 puesto que cada ión contribuye 1/6 para la neutralización de la carga. Otro
ejemplo sería el de la fluorita ( Ca F) a cada dos Ca+ le rodean 8 fluor, por lo que la valencia es ¼, siendo el
número de coordinación del Fluor 4. Otro ejemplo sería el de los silicatos, cada Si está rodeado de 4 O2
Siendo la valencia 1 puesto que Si es tetravalente positivo y el oxígeno es divalente negativo.
3.− La existencia de aristas y especialmente caras comunes a dos poliedros de aniones, disminuye la
estabilidad de la estructura de coordinación. Los cationes de carga elevada se sitúan lo más lejos posible para
evitar las repulsiones electrostáticas.
4.− En los cristales que contienen distintos cationes, los que poseen valencia elevada y número de
coordinación bajo, tienden a no compartir los elementos del poliedro de coordinación con los otros cationes y
cuando lo hacen las aristas de estas se contraen, y dichos cationes se desplazan del centro del poliedro,
alejándose de las aristas y caras. Es un poliedro distorsionado, se disminuye la repulsión entre los cationes.
5.− Principio de la PARSINOMIA; el número de partículas estables distintas dentro de la estructura tiende a
un límite que no son infinitos. Tiende a ser pequeño, pues característicamente existen pocos tipos de contraste
entre las posiciones de cationes y aniones.
(Anfíbol monoclínico, cinco posiciones estructurales distintas ocupadas)
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Cada uno por dos o más cationes (fotocopias). Normalmente ocupadas por
Si. Las posiciones octaédricas: m1, m2, m3 están ocupadas por varios cationes: Fe²+, Fe³+, Mg²+, Al³+, Ti³+,
Mn, ocupando posiciones equivalentes.
Las reglas de Pauling constituyen la base de los minerales, puesto que determinan si su estructura es estable,
es decir, que la energía potencial es baja. En la naturaleza los minerales que existen cumplen todos estos
requisitos. Aunque en el laboratorio, podemos crear sólidos, sintéticos, que no lo cumplen, forzando las
condiciones.
EL AGUA EN LOS MINERALES.
Existen muchos grupos estructurales donde el agua juega un papel muy importante.
En la estructura donde se le llama agua de constitución, aparecen grupos hidroxilos y se desprende al calentar
sobre los 200º. Ej. Sales básicas o hidroxilos.
Otro tipo de agua es la de coordinación, que forma poliedros alrededor de cationes, que son tan estables en
estructura cristalina que cuando lo disolvemos no se altera. También se llama agua catiónica.
Encontramos también el agua aniónica, en lo que ocurre lo mismo que la anterior, sólo que no permanecen al
disolverse. Ej. Sulfatos hidratados que están una molécula unida a un radical por puente de hidrógeno.
El agua reticular, es toda aquella no asociada a ninguna composición principal de la estructura. Estas van
unidas por puentes de hidrógeno, pero no relacionada ni con cationes ni con aniones.
El agua ceolítica, en los anteriores casos, al eliminar el agua la estructura se desmoronaba, pero en este caso
obtenemos una curva de deshidratación constante, sin que ello lleve a un desmoronamiento de la estructura.
EJ. Ciertos minerales arcillosos, zeolitas y en ciertos hidróxidos de metales divalentes, en este caso el agua
está rellenando huecos, pero sin asociarse con nadie. Esto se aprovecha por la industria. Porque esos huecos se
pueden rellenar con moléculas de tamaño similar. Ej: en un tipo de arcilla, ponemos glicerina en lugar de agua
para determinar el mineral.
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