por Los minerales son sustancias naturales, de composición química definida, normalmente sólido e inorgánico, y que tiene una cierta estructura cristalina. Por otra parte, las rocas son agregados de minerales y no minerales que no poseen una composición química y estructura específica.
La corteza terrestre y los océanos son la fuente de una amplia variedad de minerales útiles y esenciales. Como sabemos, los minerales son los compuestos químicos básicos, que están presentes no solamente en todas las actividades humanas y actividad biológica de nuestro planeta, sino que está presente en todo el universo.
Muchos de los materiales que usamos hoy día están compuestos de minerales, desde el aluminio de una lata, el cobre usado en las conexiones y cables eléctricos y metales preciosos utilizados en la joyería. Hasta los materiales más inverosímiles como el grafito utilizado en los lápices, o el talco para bebés proceden de una roca metamórfica compuesta de mineral de talco.
Para que un material sea considerado como un mineral, debe presentar las siguientes características:
- Debe aparecer de forma natural.
- Debe ser inorgánico.
- Debe ser sólido.
- Debe poseer una estructura interna ordenada, es decir, sus átomos deben estar dispuestos según un modelo definido.
Debe tener una composición química definida, que puede variar dentro de unos límites.
Por tanto, materiales como los diamantes sintéticos y gran variedad de materiales útiles producidos de manera química, no pueden ser considerados como minerales.
Los Minerales como componentes de las Rocas
Una roca es cualquier masa sólida de materia mineral, o parecida a un mineral, que se presenta en forma natural como parte de nuestro planeta. Existen rocas que pueden estar compuestas por un solo mineral, como lo son la caliza y la cuarcita (minerales de calcita y cuarzo respectivamente). Es importante tener presente que, estas rocas no pueden ser equivalentes a los minerales.
Como se mencionó anteriormente, una roca puede contener agregados de uno o varios minerales, o simplemente no tener ningún mineral. El término agregado significa que los minerales están unidos de tal forma que se conservan las propiedades de cada uno. El granito puede estar formado por varios minerales como lo son el cuarzo, el feldespato y plagioclasa.
Los otros materiales que pueden contener una roca en menor proporción se denominan accesorios, y que en general, no afectan en gran medida la composición global de la roca.
Por otra parte, también están las rocas que no están compuestas de materia no mineral. Entre ellas se encuentran las rocas volcánicas obsidiana y pumita, que son sustancias vítreas no cristalinas, y el carbón, que son rocas sedimentarias originadas de restos orgánicos.
¿Cómo están compuestos los Minerales?
Existen aproximadamente unos 4.000 minerales en la Tierra, y que la abundancia y diversidad de cada uno de ellos se encuentran definidos exclusivamente por su composición química y su estructura interna. La mayoría de los minerales observados derivan de la corteza terrestre.
Ocho elementos suponen el 98% en peso de la corteza en peso, y son en orden decreciente los siguientes: oxígeno, silicio, aluminio, hierro, magnesio, calcio, sodio y potasio. El oxígeno y el silicio son los principales elementos del planeta Tierra, con un 46,6% y 27,7% de la corteza terrestre, respectivamente.
En la actualidad se conocen 112 elementos. De ellos, solo 92 aparecen de forma natural. Algunos minerales, como el oro y el azufre, están compuestos exclusivamente de un elemento. Pero la gran mayoría de los minerales provienen de dos o más elementos, la cual en su constitución forman un compuesto químicamente estable. En la Figura 1 se puede observar la tabla periódica de los elementos, muchos de ellos que conforman a los minerales.
Para un mejor entendimiento de la combinación de los elementos para la formación de moléculas, es importante entender lo que son los átomos en sí, la cual es considerada la parte “más pequeña” de la materia, que conserva las características propias de cada elemento. Es esta partícula extremadamente pequeña la que hace posible la combinación.
Estructura atómica
En la Figura 2 se muestra un modelo simplificado que ilustran la estructura atómica básica. Se puede observar que los átomos tienen una región central denominada núcleo, que contiene protones muy densos (partículas con carga eléctrica positiva) y neutrones igualmente densos (partículas con carga eléctrica neutra).
Rodeando al núcleo se encuentran “orbitando” otras partículas menos densas llamadas electrones, que viajan a grandes velocidades y tienen cargas negativas. Aunque en modelos son representados de esta manera, en realidad los electrones no viajan en el mismo plano, como ocurre con los planetas.
Debido a su rápido movimiento, los electrones crean zonas esféricas alrededor del núcleo denominadas niveles de energía o capas. Por tanto, es más realista representar una nube de electrones en movimiento rápido alrededor de un núcleo central.
El número de protones encontrado en el núcleo atómico determina el número atómico y el nombre del elemento. Dado que los átomos tienen el mismo número protones y electrones, por lo que el número atómico también identifica la cantidad de electrones que tiene el átomo de un elemento. Por tanto, los elementos tienen igual carga positiva y negativa, lo que hace que los átomos sean eléctricamente neutros.
La corteza terrestre y los océanos son la fuente de una amplia variedad de minerales útiles y esenciales. Como sabemos, los minerales son los compuestos químicos básicos, que están presentes no solamente en todas las actividades humanas y actividad biológica de nuestro planeta, sino que está presente en todo el universo.
Tipos de Enlace
Los elementos se combinan entre sí para formar una amplia variedad de sustancias más complejas. La gran fuerza de atracción que une los átomos se denomina enlace químico. Cuando un enlace químico une dos o más elementos en proporciones definidas, la sustancia se denomina compuesto. La mayoría de los minerales son compuestos químicos.
Los estudios han demostrado que son las fuerzas eléctricas las que mantienen juntos a los átomos de estos nuevos compuestos. Los enlaces químicos provocan un cambio en la configuración electrónica de los átomos unidos.
Son los electrones de valencia (electrones de la capa externa) lo que intervienen generalmente en el enlace químico. Salvo en la primera capa, que contiene dos electrones, se produce una configuración estable cuando la capa de valencia contiene ocho electrones. A excepción de los gases inertes, todos los demás átomos buscan una capa de valencia que contenga ocho electrones, como los gases nobles.
La regla del octeto, literalmente “un conjunto de ocho”, se refiere al concepto de un nivel de energía externo completo. De forma sencilla, la regla del octeto establece que los átomos se combinan para formar compuestos y moléculas con el fin de obtener la configuración electrónica estable de los gases nobles.
Para satisfacer esta regla, un átomo puede ganar, perder o compartir electrones con otro o más átomos. En conclusión, la mayoría de los átomos son químicamente reactivos y se enlazan entre sí para alcanzar una configuración estable de los gases nobles, conservando a la vez neutralidad eléctrica general.
Enlace Iónico
En términos prácticos, en el enlace iónico se transfieren uno o más electrones de valencia desde un átomo a otro, es decir, un átomo cede sus electrones de valencia a otro que utiliza para completar su capa externa.
Un ejemplo clásico es la transferencia electrónica ocurrida con el NaCl. Al ceder un electrón, un átomo de sodio neutro (11 protones/11 electrones) se convierte en un átomo con carga positiva (11 protones/10 electrones). De igual forma, al adquirir un electrón, el átomo de cloro neutro (17 protones/17 electrones) se convierte en un átomo de carga negativa (17 protones/18 electrones).
Átomos como estos, que tienen una carga eléctrica debido a un número desigual de electrones y de protones, se denominan iones (un átomo capta un electrón extra y adquiere una carga negativa se denomina anión; un átomo que pierde un electrón y adquiere una carga positiva se denomina catión).
Partiendo de esto, un enlace iónico es la atracción de iones con cargas opuestas entre sí produciendo un compuesto eléctricamente neutro. En la Figura 3 se ilustra la disposición de los iones de cloruro de sodio, conocida universalmente como sal de mesa ordinaria.
Los compuestos iónicos consisten en una disposición ordenada de iones con cargas opuestas reunidos según una proporción definida que suministra una neutralidad eléctrica global.
Enlace Covalente
Un enlace covalente es aquel en que dos electrones son compartidos por dos átomos. Los compuestos covalentes son aquellos que sólo contienen enlaces covalentes. Para simplificar, el par de electrones compartidos se representa a menudo como una sola línea.
Así el enlace covalente de la molécula de hidrógeno se describe cómo H-H. En el enlace covalente, cada electrón de par compartido es atraído por los núcleos de ambos átomos. Esta atracción mantiene unidos a los dos átomos en la molécula de H₂, y es la responsable de la formación de enlaces covalentes en otras moléculas.
Una analogía común puede ayudar a visualizar un enlace covalente. Imaginemos a dos personas en extremos opuestos de una habitación poco iluminada, que estén leyendo cada uno bajo una lámpara distinta. Moviendo las lámparas al centro de la habitación, pueden combinar sus recursos luminosos de manera que cada uno puede ver mejor.
Exactamente igual como se mezclan los haces de luminosos solapantes, los electrones compartidos que proporcionan el “pegamento eléctrico” en los enlaces covalentes son indistinguibles entre sí. El grupo mineral más común, el de los silicatos, contiene el elemento silicio, que forma con facilidad enlaces covalentes con el oxígeno.
Otros enlaces
Existen otros tipos de enlaces de naturaleza híbrida. Consisten en cierto grado de compartir electrones, como en los enlaces covalentes, y en cierta medida en la transferencia de electrones, como en el enlace iónico, la cual pueden estar presentes en un mismo compuesto.
Esto ocurre en muchos minerales como los silicatos, donde los átomos de silicio y oxígeno forman enlaces covalentes para constituir el bloque de construcción básico de todos los silicatos. Esas estructuras, a su vez, se unen mediante enlaces iónicos a iones metálicos, produciendo diversos compuestos químicos eléctricamente neutros.
Existe otro enlace químico en el cual los electrones de valencia son libres para migrar de un ion a otro. Los electrones de valencia móviles actúan como “pegamento eléctrico”. Este tipo de compartición electrónica se encuentran en los metales, como el cobre, el oro, el aluminio y la plata, y se denomina enlace metálico.
El enlace metálico es el responsable de la elevada conductividad eléctrica de los metales, de la facilidad con que son moldeados y sus otras numerosas propiedades especiales de los metales.
¿Cómo es la Estructura de los Minerales?
Un mineral está compuesto por una disposición ordenada de átomos químicamente unidos para formar una estructura cristalina concreta. Este empaquetamiento ordenado de los átomos se refleja en los objetos de formas regulares que denominamos cristales.
Incluso cuando los granos minerales son demasiados pequeños para ser vistos o son de forma irregular, la estructura cristalina subyacente siempre es periódica y se puede determinar por difracción de rayos X. Los minerales por lo general son descritos por su contenido de simetría.
Un ejemplo de disposición geométrica de los iones sodio y cloro en el mineral halita. Vemos que los iones sodio y cloro se empaquetan para formar una estructura interna de forma cúbica.
La disposición ordenada de los iones que se encuentra al nivel atómico se refleja en una escala mucho mayor en los cristales de halita de forma cúbica. Como la halita, todas las muestras de un mineral concreto contiene los mismos elementos, reunidos en una disposición ordenada.
Aunque cada muestra del mismo mineral tiene una estructura interna idéntica, algunos elementos son capaces de reunirse de más de una forma. Por tanto, dos minerales con propiedades totalmente diferentes pueden tener exactamente la misma composición química.
Los minerales de este tipo se denominan polimorfos (poli = muchos; morfo = forma). El grafito y el diamante son ejemplos de este tipo de minerales, porque consisten exclusivamente en carbono, y tienen propiedades drásticamente diferentes. Las diferencias entre estos minerales pueden atribuirse a las condiciones bajo las cuales se formaron.
Los diamantes se forman a profundidades de aproximadamente de 200 kilómetros, donde las presiones extremas producen una estructura compacta.
Por otro lado, el grafito, consiste en láminas de átomos de carbono muy espaciados y débilmente unidos. Dado que esas láminas de carbono se deslizan fácilmente una sobre otra, el grafito se caracteriza por ser un excelente lubricante.
Sin embargo, calentando el grafito a presiones elevadas se pueden obtener diamantes sintéticos, aunque son de inferior calidad en comparación al diamante creado en la naturaleza.
¿Cuáles son las Propiedades Físicas de los Minerales?
Las propiedades físicas de los minerales son el resultado directo de sus características químicas y estructurales.
Algunas propiedades físicas, las cuales son determinadas por difracción de rayos X o métodos ópticos, precisan de una preparación previa y equipos especializados. A continuación se enumeran cada una de las principales propiedades de los minerales:
Color
Es la propiedad más fácilmente observable en un mineral. Para muchos minerales, el color es distintivo, aunque puede resultar una propiedad altamente variable y no confiable en ciertas condiciones.
Raya
El color del polvo fino de un mineral se conoce como raya o huella. Se emplea frecuentemente en la identificación de minerales, porque, aunque el color de un mineral puede variar entre límites amplios, el de la raya es generalmente constante.
Brillo
Es el aspecto general de la superficie de un mineral cuando se refleja la luz. El brillo de un mineral puede ser de dos tipos: metálico y no metálico. Aquellos minerales que tienen un aspecto brillante de un metal, tienen brillo metálico, y son completamente opacos, por lo que su raya es negra o muy oscura.
Los minerales con brillo no metálico, son en general, colores claros y transmiten la luz. La raya de un mineral con brillo no metálico es incolora o de débil color.
El brillo no metálico puede definirse como vítreo cuando brilla como el vidrio, resinoso cuando se parece a la resina, nacarado cuando el brillo es irisado como el de las perlas, graso cuando parece estar cubierto de una película de aceite, sedoso cuando es como la seda o adamantino cuando tiene un reflejo fuerte y brillante.
Fluorescencia y fosforescencia
Los minerales que se hacen luminiscentes al ser expuestos a la acción de los rayos ultravioletas, rayos X o rayos catódicos son fluorescentes. Si la luminiscencia continúa después de haber sido cortada la fuente energética que incide sobre ellos, se dice entonces que el material es fosforescente.
Hábito
Se refiere a la forma y apariencia de los cristales y de los agregados minerales. Existen una gran cantidad de formas, y algunos materiales pueden presentarse en varios tipos de hábitos, como lo son los minerales laminares, columnares, aciculares, dendríticos, hojosos, fibrosos, en bandas, y otras. Si un agregado de minerales es compacto, irregular y sin ninguna apariencia peculiar, decimos que es masivo.
Exfoliación, partición y fractura
Son propiedades que se ponen en juego cuando un mineral es expuesto bajo una fuerza externa.
La exfoliación es la tendencia que poseen ciertos minerales a romperse paralelamente en planos atómicos.
La partición se produce cuando los minerales se rompen a lo largo de planos de debilidad estructural.
La fractura se produce cuando la resistencia de los enlaces de un mineral es aproximadamente la misma en todas las direcciones, y puede ser fibrosa o astillosa, irregular, ganchuda o concoidal cuando genera superficies lisas y cortantes.
Dureza
Es la resistencia que ofrece la superficie lisa de un mineral a ser rayada. El mineralogista austríaco F. Mohs, estableció en 1824 una escala de 10 minerales frecuentes en la naturaleza, de manera que, con estos valores, por comparación se pueda definir la dureza relativa del resto de los minerales.
La escala de Mohs se presenta a continuación (ver Figura 4):
- Talco: se raya fácilmente con la uña.
- Yeso: se raya con la uña con dificultad.
- Calcita: se raya con una moneda de cobra.
- Fluorita: se raya con una navaja de acero.
- Apatito: se raya difícilmente con una navaja de acero.
- Ortosa y ortoclasa: se raya con una lima de acero.
- Cuarzo: raya el vidrio.
- Topacio: raya a todos los anteriores. Se raya con herramienta de tungsteno.
- Corindón: se raya con el carburo de silicio.
- Diamante: es el mineral natural más duro. Se raya, únicamente, con otro diamante.
- Los minerales anteriores se disponen en orden creciente de dureza relativa, creando una escala relativa.
Tenacidad
Es la resistencia que un mineral opone a ser roto, molido, doblado o desgarrado. Las diversas clases de tenacidad se designan como frágil si se rompe y se reduce a polvo, maleable si puede aplastarse por percusión, sectil si se puede cortar con el cuchillo, y dúctil si puede estirarse en forma de hilo.
Peso específico o densidad relativa
Es un número que se expresa la relación entre su peso y el peso de un volumen igual de agua a 4 ºC, temperatura a la que la densidad del agua es máxima. Si un mineral tiene un peso específico de 3, significa que una muestra determinada de dicho mineral pesa tres veces más de lo que pesaría un volumen igual de agua a 4 ºC.
Los tres principales minerales no metálicos más comunes: el cuarzo, el feldespato y la calcita tienen un peso específico de 2,65; 2,60 a 2,75 y 2,72, respectivamente.
Los minerales son de gran importancia para el hombre por su utilidad en diversos campos. La industria moderna depende directa o indirectamente del uso de una gran variedad de minerales.
Grupos de Minerales
Se conocen por su nombre casi 4.000 minerales y se identifican cada año varios minerales nuevos. Dado que la composición de la corteza terrestre está dominada por el silicio y el oxígeno, los elementos con silicio y oxígeno, los elementos con silicatos, los grupo de minerales más importante en términos de formación de rocas y diversidad: los silicatos están presentes en el 95% de las rocas y están presentes en el 90% de la corteza terrestre.
En la Figura 5, se observan los porcentajes estimados (por volumen) de los minerales más comunes de la corteza terrestre. En la Figura 6, se pueden observar algunos de los minerales encontrados en la naturaleza.
Además de los componentes principales, silicio y oxígeno, son comunes en los minerales de silicato otros elementos comunes en la corteza terrestre, como el aluminio, el magnesio, el hierro, el calcio, el sodio y el potasio.
Los silicatos más importantes que forman rocas son los feldespatos, los cuarzos, los olivinos, los piroxenos, los anfíboles, los granitos y las micas.
Los minerales no-silicatos se subdividen en varios grupos por su química dominante: elementos nativos, sulfuros, haluros, óxidos e hidróxidos, carbonatos, nitratos, boratos, sulfatos, fosfatos y compuestos orgánicos.
La mayoría de las especies minerales no silicatos son extremadamente raras (constituyen en total un 8% de la corteza terrestre), aunque algunos son relativamente comunes, como la calcita, pirita, magnetita y hematita.
En los no silicatos existen dos estilos estructuras principales observadas: el empaquetamiento compacto y los tetraedros enlazados como aparecen en los silicatos.
Los minerales no-silicatos tienen una gran importancia económica, ya que concentran más elementos que los minerales de silicato y se explotan especialmente como menas.
Minerales de Silicatos
Todo silicato contiene elementos silicio y oxígeno. Además, excepto unos pocos, como el cuarzo, todos los silicatos contienen uno o más elementos necesarios para establecer la neutralidad eléctrica. Esos elementos adicionales dan lugar a la gran variedad de silicatos y a sus diversas propiedades.
Todos los silicatos tienen el mismo componente básico fundamental, el tetraedro silicio-oxígeno (tetra = cuatro; hedra = base). Esta estructura consiste en cuatro iones de oxígeno que rodean a un ion de silicio mucho menor.
El tetraedro silicio-oxígeno es un ion complejo (SiO₄⁴⁻) con una carga de -4. En la naturaleza, una de las formas más sencillas mediante las cuales estos tetraedros se reúnen para convertirse en compuestos neutros es a través de la adición de iones de carga positiva.
De esta manera se produce una estructura químicamente estable, que consiste en tetraedros individuales enlazados a través de cationes.
Otras estructuras de silicatos tienen los cationes que proporcionan la carga eléctrica opuesta necesaria para unir tetraedros, según una variedad de configuraciones. Por ejemplo, los tetraedros pueden reunirse para formar cadenas sencillas, cadenas dobles o estructuras laminares.
La unión de los tetraedros en cada una de las configuraciones se produce porque los átomos de silicio de tetraedros adjuntos comparten átomos de oxígeno.
Los silicatos se pueden subdividir en dos grupos principales de acuerdo a su composición química: en silicatos claros y silicatos oscuros.
Silicatos claros
Los silicatos claros (o no ferromagnesianos) tienen generalmente un color claro y un peso específico alrededor de 2,7, que es considerablemente inferior al de los silicatos ferromagnesianos. Estas diferencias son fundamentalmente atribuibles a la presencia o ausencia de hierro y magnesio. Los silicatos claros contienen cantidades variables de aluminio, potasio, calcio y sodio.
Ejemplo de silicatos claros tenemos: el grupo de los feldespatos, el cuarzo, la moscovita, minerales de arcilla, etc.
Silicatos oscuros
Los silicatos oscuros (o ferromagnesianos) son los minerales que contienen iones de hierro (hierro = ferro) o iones de magnesio, o ambos, en su estructura. Debido a su contenido de hierro, los silicatos ferromagnesianos tienen un color oscuro y un mayor peso específico, entre 3,2 y 3,6, en comparación a los silicatos no ferromagnesianos.
Ejemplo de silicatos oscuros tenemos: el olivino, los piroxenos, los anfíboles, la mica negra (biotita) y el granate.
Minerales no-silicatos
Los minerales no silicatados suelen subdividirse en clases según el anión (ion de carga negativa) o el anión complejo que los miembros tienen en común. Por ejemplo, los óxidos contienen el anión oxígeno (O²⁻), que está unido a uno o más tipos de iones positivos (cationes).
Por consiguiente, dentro de los minerales no-silicatados, la estructura básica y el tipo de enlace son parecidas. Como consecuencia, los minerales de cada grupo tienen propiedades físicas similares útiles para la identificación del mineral.
Los minerales no silicatados constituyen aproximadamente sólo el 8% de la corteza terrestre. Algunos minerales como el yeso, la calcita y la halita aparecen como constituyentes de las rocas sedimentarias en cantidades significativas.
De los materiales no silicatados, desde un punto de vista económico, son los óxidos (por ejemplo, el mineral hematies, aprovechado para la obtención del hierro), los sulfuros (por ejemplo, el mineral esfalerita, para zinc), los sulfatos, los haluros y los elementos nativos formadores de roca no silicatados.
¿Por qué son importantes los Minerales?
Los minerales son de gran importancia para el hombre por su utilidad en diversos campos. La industria moderna depende directa o indirectamente del uso de una gran variedad de minerales.
Algunos minerales se utilizan prácticamente tal como se extraen, como por ejemplo el azufre, el talco y la sal de mesa, etc. Otros, en cambio, deben ser sometidos a diversos procesos para obtener el producto deseado, como el hierro, cobre, aluminio, estaño, etc.
Los minerales constituyen la fuente de obtención de los diferentes metales, la cual son la base de la cual se sostiene la tecnología actual.
Los distintos tipos de cuarzo y silicatos se puede obtener vidrio. Los nitratos y fosfatos son utilizados como abono en para la agricultura. Materiales como el yeso, son utilizados en la construcción.
Los minerales que entran en la categoría de piedras preciosas o semipreciosas, como los diamantes, topacios, rubíes, se destinan para la industria de la joyería.
Fuente:
- Tarbuck, E. y Lutgens, F. (2005). Ciencias de la Tierra. 8va. Edición. Pearson Education.
- Autor desconocido. (2018). Minerales, Definición, Clasificación y Propiedades. proyectogeosfera.es
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