XEOLOXÍA 2ºBAC BLOQUE 3: OS MINERAIS 1 1. Características básicas dos minerais A definición dun mineral é complexa e está en constante revisión. Na actualidade inclúe as seguintes características: a) ser de orixe natural (non producido polo ser humano), b) ser estable (sólido) a temperatura ambiente (25ºC), c) estar representado por unha fórmula química (fixa ou variable), d) ser inorgánico (non producido por seres vivos e/ou producido mediante procesos xeolóxicos), d) ter unha estrutura atómica ordenada (estrutura cristalina). Esta descrición básica de mineral está en constante revisión para adaptarse aos novos coñecementos sobre a materia. Na actualidade recoñécense máis de 5000 especies minerais distintas. Para describir aos minerais utilízanse as súas propiedades físicas e químicas: composición química, estrutura cristalina, hábito, dureza, brillo, diafanidade, cor, raiado, tenacidade, exfoliación, fractura e densidade relativa, tamén magnetismo, sabor, olor, radioactividade e reacción fronte a ácidos fortes. 2. Propiedades dos minerais A estrutura interna e a composición química dos minerais determinan as propiedades mencionadas no apartado anterior, as cales podemos clasificalas en ópticas, mecánicas, magnéticas, eléctricas, radiactivas e escalares. Propiedades ópticas: a cor e a diafanidade (transparencia) son pouco fiables xa que a existencia de impurezas pode proporcionar datos erróneos para clasificar a un mineral. O brillo (lustre) permite distinguir os minerais metálicos (con brillo metálico) dos non metálicos. Propiedades mecánicas: Tenacidade: resistencia dun mineral a ser fragmentado. A rotura pode ser por exfoliación (en capas) ou por fractura (rotura irregular). Dureza: resistencia a ser raiado. Depende da estrutura atómica do mineral. Para valorala úsase a escala de Mohs. Na web do centro pode ver un vídeo de algo máis de 4 minutos sobre a Escala de Mohs. Propiedades eléctricas: Os minerais poden ser condutores (sobre todo os metálicos) e non condutores (a maioría dos demáis). Dúas características especiais son as dos minerais piezoeléctricos e os piroeléctricos. Piezoeléctricos son aqueles minerais que adquiren cargas eléctricas de signo contrario nos seus extremos cando son sometidos a unha certa presión. Son minerais de gran interese na fabricación de compoñentes de circuítos eléctricos por mor desta propiedade, por exemplo o cuarzo (encendedores electrónicos, pastillas de guitarra). Os piroeléctricos adquiren carga sometidos a certa temperatura, exemplos cuarzo e turmalina. Usos: termómetros electrónicos, detectores de gases, chamas). Propiedades escalares: Da relación peso/volume dos minerais poden obterse dous datos: Peso específico (PE) é a relación entre o peso do mineral co peso do mesmo volume de auga pura a 4ºC (que ten unha densidade de 1 g/cm 3 ). Normalmente, a maior número atómico dos elementos que forman o mineral, máis compacta é a súa estrutura cristalina e, polo tanto, maior será o seu PE. Os valores considerados normais oscilan entre 2 e 4. Por debaixo de 2 se consideran minerais lixeiros e por riba de 4 considéranse pesados. A densidade é a cantidade de masa por unidade de volume dun material. Propiedades radiactivas: A radioactividade é a propiedade que algúns minerais posúen para emitir partículas radioactivas de forma natural e espontánea. É un fenómeno que depende dos átomos que compoñen un mineral coma por exemplo o radio, o polonio ou o uranio. Propiedades magnéticas: Un mineral pode ser atraído ou non por un imán. No primeiro caso están os minerais ferromagnéticos tal e como acontece ca magnetita. No segundo caso están os minerais diamagnéticos tal e como acontece co cuarzo. Entre ambos extremos atópanse os minerais paramagnéticos, os cales son debilmente atraídos por imán. Un exemplo é a siderita.
XEOLOXÍA 2ºBAC BLOQUE 3: OS MINERAIS 2 3. Mecanismos de formación: cristaloxénese. Os mecanismos de formación de minerais máis comúns son: a) Solidificación: A partir de materiais fundidos (magma). Exemplos: minerais das rochas plutónicas e volcánicas. b) Precipitación: A partir de sales en disolución nun ambiente acuoso. Exemplos: minerais salinos (halita). c) Sublimación: Directamente de gas a sólido, en fumarolas volcánicas. Exemplos: xofre. d) Transformacións en estado sólido: Típicas das rochas metamórficas. Consiste en que minerais xa formados sofren transformacións se se someten a presións e temperaturas adecuadas sen chegar a fundirse. e) Alteración superficial: Típica das rochas sedimentarias. Consiste na alteración das capas superficiais dun mineral debida a acción dos axentes atmosféricos. Estes dous últimos tipos coñécense como recristalizaciónsm, xa que son modificacións de minerais xa formados. En calquera caso, cando se forma un cristal hai dúas fases: Nucleación: nesta etapa fórmanse uns pequenos núcleos sólidos (partículas) dentro do líquido orixinal (auga ou magma). Esta etapa é delicada e calquera alteración pode producir que o proceso se interrumpa. Crecemento do núcleo: se as condicións ambientais (temperatura, tempo, etc) o permiten, os compostos químicos van ocupando posicións apropiadas (por procesos fisicoquímicos) arredor do núcleo inicial formando as aristas e caras dos cristais. Neste proceso pode haber erros e imperfeccións que son as que producen os defectos dos cristais naturais (ver imaxe, lamalledesvt.chispasdesal.es). O proceso de cristalización prodúcese mellor canto máis tempo, espazo e ausencia de vibracións teñan os cristais en formación. O hábito é a forma externa do cristal. A súa perfección dependerá dos factores anteriores. 3.1 Alteracións no proceso de cristalización As alteracións poden ter lugar por cuestións espaciais (maclas) ou ben por isomorfismo. Os cristais isomorfos son cristais coa mesma estrutura cristalina pero diferente composición química pola substitución duns ións por outros. Un exemplo é o coltán (imaxe: Rob Lavinsky, irocks.com), unha mestura isomorfa de columbita [óxido de niobio con ferro e manganeso (Fe,Mn)Nb 2 O 6 ] e tantalita [óxido de tántalo con ferro e manganeso (Fe,Mn)Ta 2 O 6 ]. O coltán é unha solución sólida entre ambos minerais. Unha macla (imaxe: www.amazingpyrites.com) é a agrupación simétrica de cristais idénticos. Poden estar unidos ou compenetrados. O polimorfismo dáse cando minerais coa mesma composición química teñen diferente estrutura cristalina. As causas soen ser as diferentes condicións de formación do cristal (distintas temperaturas e presións, presenza de impurezas...). Pode ser reversible ou irreversible. Un exemplo moi coñecido o forman o grafito e o diamante, ambos formados por carbono pero con
XEOLOXÍA 2ºBAC BLOQUE 3: OS MINERAIS 3 estruturas cristalinas distintas que lles dan características moi diferentes. (Imaxe: De Diamond_and_graphite.jpg: User:Itubderivative work: Materialscientist (talk) File:Graphite-tn19a.jpg; commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7223557) 3.2 Cristaloquímica A cristaloquímica é a disciplina que estuda como se unen os átomos que forman as estruturas cristalinas dos minerais. Os enlaces químicos poden dar lugar a edificios iónicos, covalentes, metálicos, moleculares e mixtos. Edificios iónicos: Formados por anións e catións unidos de modo alternado, catións rodeados por anións e viceversa. Son minerais de punto de fusión alto, duros pero quebradizos, non condutores en estado sólido pero si en estado líquido xa que os ións quedan libres. Exemplo: Sal común (halita) (Imaxe: www.portalhuarpe.com.ar). Edificios covalentes: Formados por átomos unidos por enlaces covalentes. Son malos condutores e pouco solubles. Exemplos son o diamante, o grafito e o cuarzo. Edificios metálicos: Formados por átomos metálicos, moitas veces o mesmo átomo. Son moi bos condutores e pouco solubles en xeral. Exemplos son os metais nativos como o cobre e o ouro ou outros como o titanio que forma cristais hexagonais (Imaxe: descom.jmc.utfsm.cl). Edificios moleculares: Formados por moléculas non polares unidas por enlaces débiles (Van der Waals). Soen ser brandos e moi malos condutores. Exemplo o xofre nativo. Edificios mixtos: Combinan algúns dos anteriores. Por exemplo, no grafito as capas formadas por enlaces covalentes (imaxe superior) están unidas entre si por forzas de Van der Waals, o que dá lugar a que o grafito exfolie ( rompa ) en capas.
XEOLOXÍA 2ºBAC BLOQUE 3: OS MINERAIS 4 3.3 A Cristalografía e as redes cristalinas A cristalografía é a disciplina que estuda os procesos de crecemento, a forma e a xeometría das estruturas cristalinas dos minerais. É dicir, estuda o resultado da ordenación dos átomos, ións e moléculas nas tres direccións do espazo. A rede cristalina é a representación tridimensional da estrutura interna do mineral. A rede está formada polos seguintes elementos constituíntes: nós e traslacións. Os nós ( nudos ) son os puntos que de forma ideal tenden a ocupar os átomos na estrutura cristalina dun mineral. As traslacións son as liñas imaxinarias que unen aos nós nunha dirección determinada. Se consideramos como puntos xeométricos ou nós aos distintos átomos, ións ou moléculas, esta ordenación tridimensional forma unha rede cristalina [(a) na imaxe]. A rede é o resultado da repetición dunha cela unidade [(b) na imaxe]. Os parámetros fundamentais á hora de estudar a estrutura interna dun cristal son o grado de empaquetamento dos átomos, a lonxitude dos lados que configuran as traslacións, os nós ou número de átomos por cela e o número de coordinación. Os elementos de simetría son os eixos, os planos e os centros. 3.4 As redes planas Unha rede plana está formada polas distintas formas xeométricas que forman as traslacións (as liñas que unen os átomos do cristal). (Imaxe: www.ugr.es). 3.5 Sistemas cristalográficos. As redes tridimensionais ou redes de Bravais son o resultado de combinar as redes planas anteriormente descritas. Existen un total de 14 tipos de redes tridimensionais que se agrupan en 7 sistemas cristalográficos que son o sistema triclínico, o monoclínico. o rómbico, o romboédrico, o hexagonal, o tetragonal e o cúbico. Na web do centro pode ver dous vídeos, un de 9 minutos e outro de 2 coas redes de Bravais. 4. Evolucións mineralóxicas: Os diagramas de fases A estabilidade dun mineral depende dos factores fisicoquímicos aos que está sometido de forma que, se sobrepasan estes valores, perderá a súa estabilidade e se transforma nun novo tipo de mineral. En relación coa presión e temperatura son empregados os denominados diagramas de fases. Son moi comúns na representación de sistemas polimórficos tanto reversibles coma irreversibles. Na imaxe pode verse a do sistema polimórfico do sílice (SiO 2 ) (Imaxe: www.insugeo.org.ar de Swamy e Saxena, 1994).
XEOLOXÍA 2ºBAC BLOQUE 3: OS MINERAIS 5 5. Clasificación dos minerais Coñécense máis de 5000 minerais, que se poden agrupar en dous grandes grupos en función da súa composición: Silicatos e Non silicatos. 5.1 Os silicatos Os silicatos forman o 95% da composición da codia e son os principais minerais petroxenéticos, é dicir, formadores das rochas. Todos os silicatos están formados por silicio e osíxeno xunto con diferentes catións en cantidades variables, entre os cales os máis frecuentes son aluminio, calcio, ferro e magnesio. A unidade estrutural dos silicatos é un tetraedro que presenta un átomo de silicio en posición central, unido a catro átomos de osíxeno que ocupan os vértices (SiO 4 ) 4-. O resultado é una estrutura que ten catro cargas negativas. (Imaxes: es.slideshare.net/juankucc/los-silicatos; entenderlaciencia.blogspot.com.es/2013/12/minerales-y-rocas.html). Os tetraedros únense entre si compartindo osíxenos ou ben mediante catións entre os osíxenos de tetraedros distintos, formando así estruturas tridimensionais de diferente complexidade que dan lugar aos tipos de silicatos. A clasificación dos silicatos é por tanto en función da súa estrutura ( Imaxe: ceteme.blogspot.com.es/2015/08/silicatos.html): Tectosilicatos: Formados por estruturas tridimensionais que lles dan dureza. Podemos destacar o cuarzo (SiO 2 ) forma o 12% da codia terrestre e os feldespatos (un grupo con fórmula base AlSi 3 O 8 que forman o 50% dos minerais da codia). O cuarzo é un mineral duro e resistente polo que aparece non só nas rochas magmáticas senón
XEOLOXÍA 2ºBAC BLOQUE 3: OS MINERAIS 6 tamén nas metamórficas e sedimentarias (pode chegar a ser o 95% na area de moitas praias). Entre as súas utilidades podemos destacar en instrumentos ópticos, xemas, papel de lixa, reloxios,... Algunhas variedades coñecidas son: cristal de rocha, cuarzo branco, cuarzo afumado, amatista, xacinto de Compostela, cuarzos rosados, azuis e verdes. Os cuarzos criptocristalinos (con cristais moito máis pequenos que o normal) inclúen a calcedonia, a ágata e o xaspe. Os feldespatos son un grupo amplo que ten utilidades na fabricación de vidro e cerámica. Filosilicatos: Minerais moi extendidos na codia nos tres tipos de rochas. Os tetraedros están distribuídos en capas o que provoca que exfolien de forma laminar. Os exemplos máis coñecidos son o talco, a caolinita, as micas. Algúns forman as arxilas. Tamén se usan como illantes eléctricos. Inosilicatos: Os tetraedros forman filas simples (piroxenos) ou dobres (anfíboles). Os piroxenos son o 10% dos minerais da codia. Entre os anfíboles podemos destacar a hornblenda. Ciclosilicatos: Os tetraedros forman aneis. Os máis coñecidos son o berilo, coas súas variedades azuis (augamarina) e verdes (esmeraldas) e a turmalina. A turmalina utilízase en medidores de presión e nas planchas do pelo. Sorosilicatos: Os tetraedros están unidos por parellas. O máis coñecido é a epidota. Nesosilicatos ou ortosilicatos: Formados por tetraedros illados. Exemplos son os olivinos (constituínte principal do manto superior), os granates, o circón e o topacio (usado como xema). Os olivinos son unha fonte de magnesio, explótanse en rochas como a dunita (serra da Capelada, xa abandonada), para purificar ferro e para materiais resistentes a altas temperaturas. Os granates, tamén abundantes na serra da Capelada e Cabo Ortegal, utilízanse como xemas e como abrasivos, pola súa dureza. Son indicadores de alta presión e temperatura nas rochas nas que aparecen. O circón é o mineral máis antigo que se conserva na Terra, coñécese un de 4.400 millóns de anos. Utilízase para fabricar coitelos resistentes, e como mena de circonio para fabricar aceiros especiais, abrasivos e reactores de avións e para pigmentos de cerámica. 5.2 Minerais non silicatos O resto dos minerais son moito menos abundantes, pero moitos deles teñen gran importancia económica xa que constitúen menas para a obtención de diferentes substancias ou materia prima dalgunha substancia de aplicación industrial. Unha mena é un mineral cunha alta concentración dun determinado elementos químico, normalmente un metal. Os minerais non silicatos clasifícanse pola súa composición. Son os seguintes tipos: Elementos nativos: Formados por elementos químicos non unidos quimicamente a outros elementos. Exemplos: ouro, platino, plata, cobre, ferro-níquel, arsénico, carbono (grafito e diamante). Sulfuros: Formados pola unión dun átomo de S (ou Se, Te, As, Sb e Bi) cun metal ou semimetal. Non son moi abundantes pero si moi variados. Moitos son menas de metais como por exemplo, o cinabrio (HgS, mercurio), a esfalerita (ZnS, cinc), a galena (PbS, chumbo) ou a molibdenita (MoS 2, molibdeno). A pirita (FeS 2 ) é un sulfuro moi frecuente pero non é unha mena de ferro, inda que pode ser oxidada para producir ácido sulfúrico. Óxidos: Formados por óxidos e hidróxidos moi variados. Entre os óxidos de importancia económica, podemos destacar os seguintes: a cuprita (Cu 2 O, cobre), o corindón (Al 2 O 5, as súas variedades zafiro e rubí son xemas, tamén pode ter aplicacións industriais), a hematita (Fe 2 O 3, ferro), o rutilo (TiO 2, titanio), a casiterita (SnO 2, estaño), pirolusita (MnO 2, manganeso), a bauxita (en realidade varios tipos de hidróxidos de aluminio), a espinela (MgAl 2 O 4, xema, tamén con aplicacións industriais), a cromita (FeCr 2 O 4, cromo e con aplicacións industriais) e a magnetita (Fe 3 O 4, ferro [contén un 70% de Fe], ten propiedades magnéticas e aplicacións industriais). Haluros: Son compostos cun halóxeno (F, Cl, Br e I). Os máis coñecidos son a halita (NaCl, sal común), a silvina (KCl, usos industriais), ambas producidas comunmente por evaporación e a fluorita (CaF 2, usos industriais e tamén como fonte de flúor e ácido fluorhídrico e pedra semipreciosa). Carbonatos: Os carbonatos reaccionan cos ácidos fortes liberando CO 2 polo que son facilmente identificables. Inclúense tamén os boratos e os nitratos. O carbonato máis frecuente é a calcita (CaCO 3 ) que pode formar por si soa a rocha calcaria que se atopa en moitas zonas do mundo. Un polimorfo da
XEOLOXÍA 2ºBAC BLOQUE 3: OS MINERAIS 7 calcita é o aragonito. Sulfatos: Inclúe tamén, non só estas sales de S, senón tamén as de Se, Te, Cr, Mo e W. Fórmanse habitualmente como evaporitas (por evaporación de auga salgada en mares ou lagos pouco profundos). O máis coñecido é o xeso (CaSO 4 2H2O). Outros exemplos son a anhidrita (CaSO 4, para produción de morteiros na construción), a barita (BaSO 4, bario, usos industriais), a celestina (SrSO 4, estroncio, para obter a cor vermella nos fogos artificiais, balas trazadoras, refinado de azucre de remolacha e na industria nuclear), a anglesita (PbSO 4, mena de chumbo pouco frecuente). Fosfatos: Inclúe tamén os vanadatos e arseniatos. O máis coñecido é a apatita, en realidade un grupo de minerais relacionados [Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH,Cl,F)] que forman os dentes e ósos nos vertebrados. A turquesa [CuAl 6 (PO 4 ) 4 (OH) 8 4H 2 O] é un mineral raro utilizado como xema. Minerais orgánicos: Inclúen sales e ácidos orgánicos que aparecen en minas e con hidrocarburos. Conteñen carbono orgánico pero poden formarse mediante un proceso xeolóxico. 6. Principais métodos de estudo dos minerais Para a identificación precisa dun mineral habería que coñecer a súa composición química e determinar a súa estrutura cristalina, xa que estas van condicionar as súas propiedades. Os principais métodos de estudo son os métodos fisiográficos (determinar as propiedades observables a simple vista), os métodos químicos (determinación da composición), os métodos fisicoquímicos (tamén a composición) e os métodos físicos (microscopía, raios X e espectrografía, permiten coñecer composición e estrutura interna). Exercicios 1. O seguinte diagrama P-T amosa o campo de estabilidade dos nesosilicatos polimorfos Distena ou Cianita-Andalucita-Sillimanita con fórmula Al 2 SiO 5. Responda ás seguintes preguntas: a) É un diagrama de fase de un ou de dous compoñentes? b) Que polimorfo será estable nunha rocha que se atopa a 0,1 GPa e 600ºC? c) Se esa mesma rocha sofre un aumento de presión sen que haxa ninguna modificación na súa temperatura, que polimorfo poderá formarse? d) A que temperatura aproximada poden coexistir os 3 polimorfos? (Tomado de Rubén Piña García, Nuria Sánchez-Pastor, Lurdes Fernández Díaz en Reduca (Geología). Serie Mineralogía. 6 (3): 85-95, 2014.ISSN: 1989-6557) 2. O seguinte diagrama de fases P-T amosa os polimorfos do sílice. a) Indique de forma aproximada para cada temperatura as presións para as cales o cuarzo é líquido. b) Por que cres que a Stishovita e a Coesita só se atopan en lugares de impactos meteoríticos? c) Que polimorfo se forma a 3 GPa e 1000ºC?