1. Definición de mineral
Los minerales son sustancias sólidas a temperatura ambiente, de origen natural, inorgánicas, con una estructura interna, ordenada o estructura cristalina y con una composición química definida y homogénea.
Por lo tanto para que una sustancia pueda considerarse un mineral debe cumplir las siguientes condiciones:
a) Ser sólido a temperatura ambiente. No se consideran minerales los líquidos como el mercurio ni tampoco los gases como el oxigeno o el dióxido de carbono Con el agua hay discrepancias, ya que hay quienes consideran que el hielo cristalino sí es un mineral.
b) Ser una sustancia natural. Así pues no se consideran minerales las sustancias sintetizadas por el ser humano como la porcelana, el vidrio o los diamantes sintéticos.
c) Ser inorgánica. No se consideran minerales aquellas sustancias producidas por los seres vivos, como el carbonato de calcio de las conchas, el carbón, el petróleo o el ámbar, que proceden de restos de seres vivos.
d) Tener una estructura cristalina. Sus átomos deben estar dispuestos formando una estructura tridimensional ordenada según un patrón geométrico repetitivo. Según esto, los vidrios volcánicos que carecen de esta estructura, no son minerales.
e) Tener una composición química definida y homogénea. Cada mineral está formado por un determinado elemento o compuesto químico. Por ejemplo, el diamante (C) o el azufre (S) son minerales con un solo elemento, mientras que el cuarzo SiO2, o la halita NaCl son compuestos.
2. Estructura cristalina de los minerales
La disposición de los átomos en la estructura cristalina de un mineral sigue las siguientes reglas espaciales:
a) En los compuestos iónicos, cada ion se rodea del mayor número de iones de carga contraria que puedan mantener la neutralidad eléctrica general.
b) En todo mineral, los átomos se disponen unidos, de una manera repetitiva, ordenada y simétrica, formando una red tridimensional o red cristalina. Cada punto de esta red se llama nodo y el grupo más reducido de nodos unidos entre sí en las tres direcciones del espacio se llama celda unidad.
Los factores que influyen en que un mineral desarrolle una determinada estructura cristalina son dos:
a) En los compuestos iónicos, la disposición de la red depende de la carga y tamaño de los iones que la forman.
b) En todos los minerales, la configuración de la red cristalina depende de la presión y la temperatura a la que se forma el mineral.
Un cristal es la configuración que adquiere un mineral al repetirse su celda unidad en las tres direcciones del espacio. Externamente tiene una forma poliédrica, con caras, vértices y aristas, reflejo de la estructura cristalina.
El hábito cristalino es la forma geométrica que tienden a tener los cristales de un mineral. Depende de la estructura cristalina y es más definida si el mineral tiene suficiente espacio, tiempo y reposo como para formarse.
La cristalografía es la rama de la ciencia que se encarga del estudio de los cristales, de cómo están dispuestos los átomos dentro del sólido cristalino. Inicialmente estudiaba el crecimiento y geometría externa de los cristales, aunque después pasó a estudiar su estructura interna y composición química.
2.1 Polimorfismo e isomorfismo
Ni la estructura cristalina por sí sola ni la composición química diferencian a una especie mineral de otras. Lo que caracteriza a un mineral es más bien una combinación de ambos aspectos. Así, existen:
a) Minerales polimorfos. Son minerales con la misma composición química pero con estructuras cristalinas muy diferentes, como el diamante y el grafito.
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b) Minerales isomorfos. Son minerales con una composición química muy diferente pero con estructuras cristalinas idénticas, como la halita o la galena.
3. Formación de los minerales
Los minerales se originan cuando sus componentes químicos se ordenan en la red cristalina, es decir, cuando cristalizan.
La cristalización tiene lugar mediante mecanismos fisicoquímicos naturales asociados a los procesos geológicos. Por ejemplo:
- A partir de materiales magmáticos (fundidos). El magma es una masa de roca fundida que se encuentra en el interior de la Tierra a temperaturas entre 650 y 1250°C. En este estado, los elementos químicos se encuentran libres. Al enfriarse, estos elementos se combinan y comienzan a cristalizar. Así se van formando los minerales de las rocas magmáticas, por orden según su temperatura de solidificación: primero, aparecen el apatito, el olivino o los piroxenos; a menor temperatura, cristalizan los feldespatos o el cuarzo; finalmente, en el magma residual, más frio, se forman, entre otros, topacios o aguamarinas.
- Por precipitación a partir de disoluciones. Los componentes de estos minerales se encuentran disueltos en agua y cristalizan cuando se altera su solubilidad por un cambio de temperatura en la disolución o porque el agua se evapora. Así se forman, por ejemplo, la calcita, el yeso o la halita.
- Por sublimación de gases. Así se forman los cristales de minerales como el azufre, que están en los gases de las fumarolas volcánicas. Al salir al exterior, cambian sus condiciones y cristalizan.
- Por transformaciones en estado sólido (recristalización). Este proceso se debe a cambios en las condiciones de presión y temperatura sobre cristales ya formados y es típico de las rocas metamórficas. El metamorfismo cambia la estructura cristalina de los minerales y entran en ella elementos químicos que alteran la composición. Se producen dos resultados:
• La presión hace que los minerales adquieran configuraciones muy planas y se orienten en láminas o bandas. Esto les ocurre a las micas presentes en los esquistos y los gneises.
• La temperatura y la presencia de fluidos hidrotermales con sustancias disueltas hacen crecer los cristales y cambian su composición. Así se forman minerales como los granates.
4. Clasificación de los minerales
La mayor parte de las rocas de la corteza terrestre están formadas por unos pocos minerales petrogenéticos, que están constituidos por diversas combinaciones de los elementos químicos oxígeno (O), silicio (Si), aluminio (Al), hierro (Fe), calcio (Ca), sodio (Na), potasio (K) y magnesio (Mg), que representan más del 98% (en peso) de la corteza continental terrestre.
No significa que solo existan unos pocos minerales, actualmente se conocen unos 4000 minerales diferentes en la corteza terrestre, pero la mayoría son mucho más escasos que los petrogenéticos.
Para clasificar esta gran variedad, la geología tradicionalmente ha utilizado como criterio su composición química, ya que de ella derivan, a su vez, la estructura cristalina y las propiedades físicas y químicas.
Según esto, los minerales se dividen en ocho grupos: el de los silicatos (óxidos de silicio); y otros siete grupos, conocidos en conjunto como minerales no silicatados: los elementos nativos, los carbonatos, los sulfatos, los sulfuros, los haluros, los óxidos y los fosfatos.
4.1 Silicatos
Los silicatos son el grupo más abundante y los principales minerales petrogenéticos. Todos ellos tienen como estructura básica el tetraedro silicio-oxígeno, en el que cuatro iones de oxígeno rodean a un ion más pequeño de silicio.
Estos tetraedros suelen enlazarse entre sí mediante iones positivos, que pueden ser de hierro, magnesio, potasio, sodio, aluminio y calcio, formando así polímeros o grupos de tetraedros enlazados.
Podemos distinguir distintos tipos de silicatos con dos criterios. Si los clasificamos en función de su composición química distinguimos:
a) Silicatos oscuros o ferromagnesianos; contienen muchos iones de Fe, Mg o ambos.
b) Silicatos claros o no ferromagnesianos; contienen cantidades variables de Al, K, Ca y Na (con poca presencia de Fe y Mg).
Si los clasificamos en función de su estructura cristalina podemos distinguir seis grupos de silicatos ordenados de menor a mayor complejidad:
4.2 Elementos nativos
Son minerales compuestos por un solo elemento químico y pueden ser de dos tipos:
a) Metálicos. Destacan la plata (Ag), el oro (Au), el platino (Pt), el cobre (Cu), el plomo (Pb) o el hierro (Fe). Todos ellos son buenos conductores del calor y de la electricidad. Suelen ser escasos aunque, a veces, cuando la roca que los contiene es erosionada y sus fragmentos transportados por corrientes de agua, se depositan y se acumulan en determinados lugares formando yacimientos llamados placeres.
b) No metálicos. Son característicos el azufre (S) o el carbono (C) en sus dos variedades polimórficas: el diamante y el grafito.
4.3 Haluros
Son minerales formados por la combinación de elementos halógenos (F, Cl, Br, I) y elementos metálicos. Suelen ser muy suaves, de dureza baja y muy solubles en agua. Los más frecuentes son:
a) Cloruros, como la halita o sal común (NaCl) y la silvina (KCI), con sabores salados característicos.
b) Fluoruros como la fluorita (CaF2)
Son minerales formados por la combinación de oxígeno (O) y grupos hidroxilo (OH) con metales. Entre ellos están importantes menas metálicas, como la magnetita (Fe2O4) o el hematites (Fe2O3).
También se producen minerales duros y con bellos cristales incluyendo piedras preciosas, como el corindón (Al2O3) cuya variedad roja se conoce como rubí, y su variedad azul, como zafiro.
4.5 Sulfuros
Son minerales formados por la combinación de azufre S y un metal. A este grupo pertenecen también algunas menas metálicas como la pirita (Fe2S), que es mena de hierro, la galena (PbS), que es mena de plomo; el cinabrio (HgS), que es mena de mercurio, y la blenda (ZnS), que es mena de zinc.
4.6 Carbonatos
Son minerales formados por la combinación del ion carbonato CO3= y un metal. Pertenecen a este grupo algunos minerales muy abundantes como la calcita (CaCO3), el aragonito (CaCO3), y la dolomita (MgCO3), muy conocidos porque forman parte de las frecuentísimas rocas carbonatadas, como las calizas o las dolomías. También es de este grupo la siderita (FeCO3), que es una importante mena de hierro.
Son minerales en los que se combinan el ion sulfato SO4=, con diferentes elementos. Abundan el yeso (CaSO4·2H20) y su variedad no hidratada, la anhidrita CaSO4, Otros sulfatos son la celestina SrSO4, y la baritina BaSO4.
Son minerales poco abundantes, aunque muy diversos. Tienen como base el ion fosfato PO43-. En este grupo se incluye el apatito Ca5(PO4) (F, Cl, OH). En función de si en su red cristalina se integran el flúor, el cloro o el ion hidroxilo, el apatito forma las variedades fluorapatito, clorapatito e hidroxiapatito, respectivamente.
5. Propiedades de los minerales
Cada mineral presenta un conjunto de propiedades características que dependen, tanto de su composición química como de su estructura cristalina. Las propiedades de los minerales se pueden utilizar para su identificación. Algunas de estas propiedades hacen, de los minerales que las tienen, materiales muy útiles para el ser humano.
Estas propiedades pueden ser:
a) Escalares; no dependen de la dirección en la que se midan porque solo dependen de la composición química y no de la estructura cristalina (por ejemplo, la densidad).
b) Vectoriales; dependen de la dirección en la que se midan porque dependen de la estructura cristalina (por ejemplo, la dureza o la tenacidad).
5.1 Propiedades físicas
Dependen de magnitudes físicas medibles en el mineral. Las más importantes son:
5.1.1 Densidad
La densidad es la relación entre la masa de una muestra de un mineral y el volumen que esta ocupa y suele expresarse en g/cm³.
La densidad de los minerales se considera baja si es inferior a 2.5 g/cm³, media si está entre 2.5 y 4 g/cm³ y alta si es superior a 4 g/cm³.
5.1.2 Propiedades magnéticas
Se diferencian tres tipos de minerales en función de cual sea su comportamiento en relación con los campos magnéticos:
a) Minerales ferromagnéticos. Contienen abundante hierro y son fuertemente atraídos por un imán. Algunos, como la magnetita, adquieren su propio campo magnético y se transforman en imanes después de ser sometidos a un campo externo.
b) Minerales paramagnéticos. Contienen hierro y reaccionan a los imanes, pero no adquieren un campo magnetico propio. Por ejemplo, el hematites.
c) Minerales diamagnéticos. No contienen hierro y no son atraídos por imanes. Por ejemplo, el cuarzo.
5.1.3 Propiedades eléctricas
Algunos minerales tienen propiedades que aparecen en presencia de la electricidad o que están relacionadas con la electricidad.
La conductividad es la facilidad de un mineral para transmitir la corriente eléctrica. Los metales, los sulfuros y los óxidos metálicos son buenos conductores, pero la mayoría de los minerales son malos conductores.
La piezoelectricidad. Es la capacidad de algunos minerales (por ejemplo, el cuarzo) para adquirir carga eléctrica, de signo contrario en sus extremos, al ser sometidos a presión. También se da el efecto contrario, es decir, los cristales se deforman cuando reciben corriente eléctrica.
5.1.4 Propiedades ópticas
Son propiedades relacionadas con el comportamiento que tienen los minerales ante la luz. Destacan las siguientes:
a) El brillo. Es el aspecto que presenta la superficie de mineral cuando refleja la luz. No tiene relación con el color del mineral y se describe por comparación con los brillos de materiales comunes. Así, hay minerales con brillo vítreo, metálico, adamantino, sedoso, nacarado, etc.
b) La transparencia. Es la capacidad de un mineral para dejar pasar la luz y permitir ver a su través con nitidez. Según esto, hay minerales transparentes, como el cuarzo, translúcidos, como el yeso y opacos, como la pirita.
c) La birrefringencia o doble refracción. Algunos minerales transparentes, como la calcita llamada espato de Islandia, separan los rayos de luz que los atraviesan. Al mirar a través de estos cristales, las imágenes se ven dobles.
d) El color. Depende de la longitud de onda de luz visible que un mineral refleja, transmite o emite y llega a nuestros ojos. El color real de un mineral es el de su superficie recién fracturada o no alterada. El color es determinante en la identificación en algunos minerales como la azurita (azul) o el olivino (verde oliva), que siempre son del mismo color: no lo es en minerales como el cuarzo, que tienen variedades de distintos colores según las impurezas en su red cristalina.
e) El color de la raya. Es el color del mineral pulverizado, que queda al rayarlo sobre una placa de porcelana blanca. No suele ser el mismo que el de los cristales. Por ejemplo, la moscovita es de color crema, pero su raya es blanca.
f) La luminiscencia. Es la propiedad que tienen algunos minerales de emitir luz cuando los átomos de su red cristalina son estimulados por algún tipo de radiación. Por ejemplo, la fluorita emite luz al ser excitada con luz ultravioleta.
5.1.5 Propiedades mecánicas
Son aquellas que describen el comportamiento de los minerales cuando son sometidos a fuerzas. Las más importantes son:
a) Tenacidad; es la resistencia que oponen los minerales a la rotura o a la deformación. Según esto, los minerales son frágiles si se rompen sin mucho esfuerzo; séctiles si se cortan fácilmente; flexibles si se doblan y se quedan doblados; elásticos si se deforman pero recuperan su forma cuando cesan las fuerzas que actúan sobre ellos; maleables si se pueden aplastar en láminas; o dúctiles si se pueden estirar en forma de hilos, etc.
Nunca debemos confundir la tenacidad con la dureza (ni viceversa).
b) Dureza; es la resistencia que ofrece la superficie de un mineral a ser rayada. Depende de la estructura cristalina, pues cuanto mayor sea la fuerza de enlace entre los átomos, mayor será la dureza.
Para cuantificar esta propiedad se utiliza la escala de Mohs, que toma como referencia 10 minerales y les asigna un valor, del 1 al 10, de forma que cada mineral de la escala es rayado por todos los de mayor dureza. Para medir la dureza de un mineral problema, se prueba con los de la escala.
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c) Fractura; Es la forma en la que los minerales se rompen, que está directamente relacionada con su estructura cristalina. Es diferente dependiendo de cómo sean las superficies de fractura y podemos distinguir tres tipos:
· Concoidea, si los planos de fractura son cóncavos. Es típica de minerales como la calcedonia, que tienen una estructura microcristalina y se comportan casi como vidrios.
·Fibrosa o astillosa si los planos son lineales y se desprenden fibras o astillas del mineral. Por ejemplo, la del asbesto o la del yeso fibroso.
· Exfoliación, si los planos de fractura coinciden con alguna de las caras planas del mineral. Así, por ejemplo, la exfoliación es en láminas en las micas, en romboedros en la calcita o en cubos en la galena.
5.2 Propiedades químicas
Estas propiedades tienen que ver con la composición química del mineral y con las reacciones químicas características que pueden darse en él.
Algunas de estas reacciones son tan específicas que pueden usarse en la identificación de los minerales. Por ejemplo:
· La calcita (CaCO3) reacciona con los ácidos, que la disuelven. Por ejemplo, con el ácido clorhídrico forma cloruro de calcio, agua y dióxido de carbono, que se desprende con un característico burbujeo.
· La halita (NaCl) tiene un característico sabor salado y se disuelve muy bien en el agua.
· El azufre nativo (S) reacciona con los gases del aire y libera volátiles con un olor apestoso característico.
· El oro nativo es de los pocos minerales metálicos que no es atacado por el ácido nítrico.
6. Recursos minerales
Los minerales son un recurso fundamental para el ser humano. De ellos obtenemos la mayor parte de los materiales de los que dependen prácticamente todas las áreas de nuestra tecnología.
6.1 Minerales para obtener materiales
De los minerales obtenemos materiales necesarios para nuestras actividades. Distinguimos dos grandes grupos:
A) Minerales que son fuente de metales
La mayor parte de los metales se obtienen a partir de minerales estos elementos en su composición y que llamamos menas metálicas. En los yacimientos minerales, los minerales valiosos suelen encontrarse junto a minerales sin interés económico. Al mineral valioso se le llama mena y al mineral que carece de valor ganga.
Por ejemplo: la magnetita, el oligisto o la limonita, para el hierro; la bauxita, para el aluminio; el cinabrio, para el mercurio; la calcopirita, para el cobre; el rutilo, para el titanio; la casiterita, para el estaño; la blenda, para el zinc; la galena, para el plomo; el coltán, para el tantalio y el niobio, etc.
B) Minerales industriales no metálicos
Hay minerales que proporcionan importantes materias primas para la industria que no son metales. Por ejemplo:
· El cuarzo. De él se obtiene el silicio, que es esencial en la fabricación de componentes electrónicos y placas fotovoltaicas.
· El grafito. Se emplea, por su fácil exfoliación laminar, en minas de lápices y como lubricante sólido. Por su ligereza y resistencia, para fabricar raquetas, cañas de pescar y piezas de máquinas. Por su conductividad eléctrica, para hacer electrodos. Las láminas de grafito son la materia prima para fabricar grafeno.
· El yeso. Se emplea en la construcción para fabricar cementos, enlucidos, escayolas, etc. También en medicina, para inmovilizar fracturas y hacer moldes dentales.
· La halita. Se emplea como condimento y conservante alimentario.
· El corindón. Se utiliza como abrasivo para pulir, por su gran dureza.
· El azufre. Sirve para fabricar plaguicidas, ácido sulfúrico o pólvora.
6.2 Minerales con usos energéticos
Entre los minerales involucrados en la obtención de energía destacan la uraninita o pechblenda, de la que se extrae el uranio usado en las centrales nucleares, o la lepidolita, de la que se extrae el litio con el que se fabrican las baterías.
6.3 Minerales con uso ornamental
Algunos minerales han sido usado con fines ornamentales. Entre los metales el ejemplo más destacado es el oro que por su maleabilidad y escasez ha sido usado para joyas, adornos, estatuas, etc Otros metales usados con estos finos son la plata o el platino.
También se han usado como joyas las llamadas piedras preciosas y semipreciosas elegidas por su transparencia, brillo y color. Las cuatro gemas más importantes son el rubí (rojo) y el zafiro (azul) que son variedades del corindón, la esmeralda (verde) que es una variedad del berilo, y el diamante.
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Y con esto hemos terminado el tema.
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