Post on 17-Jul-2018
Generalidades, Generalidades, Principios y Principios y Características de los Características de los MineralesMineralesMarco Antonio Márquez Godoy
Universidad Nacional de ColombiaGrupo de Mineralogía Aplicada
Programa
Introducción a la mineralogía Sistemas cristalinos Principios de formación de estructuras
cristalinas Visualización de estructuras cristalinas Defectos en las estructuras cristalinas
Definición de mineral Sólido. Homogéneo. Carácter y origen inorgánico. Formado por un proceso natural. Composición química definida pero
no fija. Estructura interna ordenada (patrón
definido).
Los minerales se pueden presentar como… Cristalinos/amorfos/semicristalinos Policristalino/monocristalino Polifásico/monofásico Agregados/granos separados Diversos hábitos
Películas gruesas y delgadas Acicular Botrioidal Poroso/denso Etc.
Isoestructuralismo Llamados también isomorfos o isotipos. Estructura cristalina similar, composición
química diferente. Halita – periclasa, fluorita – uraninita,
estishovita – rutilo, etc. Los patrones de rayos X muestran
patrones análogos, con diferentes espaciamientos (d [Å]) e intensidades.
Propiedades diferentes, dimensiones de celda unitaria diferentes, etc.
Isoestructuralismo Grupos espaciales idénticos.
Minerales con estructura tipo halita son F4/m 3 2/m: Silvita (KCl), periclasa (MgO), galena (PbS),
osbornita (TiN), etc. Rutilo y estishovita P42/m 2/n 2/m. Deben tener el mismo número de cationes
y el mismo número de aniones. Series de solución sólida parcial o total.
Isoestructuralismo Solución sólida total:
Olivinos (Fo-Fa) Plagioclasas (Ab-An), etc Au-Ag substitución iónica. A veces calculable por DRX.
Solución sólida parcial. Casi todos los minerales. Esfalerita (Zn,Fe)S Galena (Pb, Ag)S Dopaje de cerámicos cambio en las propiedades físicas
(color, eléctricas, mecánicas, etc.)
Grupos Isoestructurales Calcita
Calcita (CaCO3) Magnesita (MgCO3) Siderita (FeCO3) Rodocrosita (MnCO3) Smithsonita (ZnCO3)
Barita Barita (BaSO4) Celestita (SrSO4) Anglesita (PbSO4)
Alunita Alunita (KAl2(SO4)3(OH)2) Jarosita (KFe2(SO4)3(OH)2) Hidroniojarosita (H3OFe2(SO4)3(OH)2) Etc.
Definiciones Habilidad de un compuesto químico para cristalizar con más de
una estructura cristalina POLIMORFISMO. Composición idéntica con estructura cristalina diferente. Materiales que existen en más de una forma cristalográfica
POLIMORFOS O ALÓTROPOS. Transición acompañada por cambio de volumen. GRUPO POLIMÓRFICO set de minerales que tienes las
misma composición química y diferentes estructuras cristalinas. Se forman debido a que la mayoría de las estructuras
cristalinas representan una colección de compromisos que equilibran requerimientos en conflicto relacionados a: Atracción y repulsión de cationes y aniones Ajuste de cationes en sus sitios de coordinación Requerimientos geométricos relacionados al tipo de enlace químico
(covalencia, ionicidad, etc.) COMPROMISO MENOR GASTO EN ENERGÍA PARA
MANTENER UN ARREGLO ESPECÍFICO DE ÁTOMOS
Tipos Transformaciones polimórficas pueden
ser clasificadas en cuatro tipos, dependiendo de los tipos de cambio que ocurren en el cristal: Displasiva Reconstructiva Orden – desorden Politipismo
Generalidades
Números de coordinación y átomos de primer orden frecuentemente semejantes.
Diferencias en el segundo orden o en los modelos de apilamiento.
También puede ser clasificadas de acuerdo a la velocidad de la transformación.
Transformación displasiva Clase menos drástica
No requiere cambios en los átomos de primera coordinación. El cambio de energía
Cambio en la segunda coordinación de la estructura. Distorsión de la estructura sin romper los enlaces o cambiar
la estructura básica. Sólo desplazamiento de los átomos. Ocurre rápidamente. Denominada también transformación alta-baja geología. Forma inicial forma abierta. Energía estructural del sistema rebajada distancia entre
los enlaces secundarios es decrecida. Estructura distorsionada (producto):
Forma de baja T. Forma de menor energía estructural.
Transformación displasiva Características:
El sólido de alta T: Siempre la forma abierta. Tiene siempre un volumen específico mayor. Mayor capacidad calorífica y mayor entropía. Más alta simetría.
El material de baja T: Derivado de la estructura de alta T. Comúnmente resultan maclas.
Transformación Reconstructiva Cambios en la coordinación secundaria alterando
completamente las relaciones estructurales. Enlaces interatómicos precisan ser rotos. La energía requerida para este rompimiento es
recuperada cuando la nueva estructura es formada. Mayor requerimiento de energía de activación. Transformaciones en consecuencia son
frecuentemente lentas. Algunas formas de alta T pueden ser enfriadas sin
revertir en una forma más estable termodinámicamente. Geotermómetros cualitativos.
Transformación Reconstructiva Toma lugar de varias formas:
Nucleación de una nueva fase. Transformación en estado sólido. Alta presión de vapor vaporización y condensación como
una forma más estable. Transformaciones aceleradas mediante la presencia de un
líquido mayor solubilidad de la forma inestable viaje en solución precipitación como una forma más estable. Manofactura de refractarios de sílica calcareo como fundente
a alta T disolución del Qz y precipitación como tridimita producto deseable cambio de volumen menor de la fase alta-baja que el Qz.
Transformación reconstructiva acelerada mediante adición de energía mecánica.
TransformaciónTransformaciónReconstructivaReconstructiva TransformaciónTransformación
DisplasivaDisplasiva
Politipismo Tipo especial de polimorfismo. Dos polimorfos que sólo difieren en la forma
como se apilan capas bidimensionales idénticas.
Dimensiones de la celda unitaria idénticas las direcciones paralelas a las capas constituyentes entre los politipos.
Espaciamiento atómico entre las capas diferentes múltiplos o submúltiplos.
Conocido en pirrotita, bornita, micas, minerales de las arcillas, SiC, etc.
Polimorfismo de orden-desorden La estructura permanece más o menos lo mismo. El cambio se da a nivel de la distribución de los cationes
dentro de los sitios estructurales. La estructura se considera DESORDENADA si dos
cationes ocupan aleatoriamente dos sitios cristalinos determinados.
Se considera ORDENADA si los cationes ocupan sitios específicos en la estructura cristalina.
Común en: Grupo de los feldespatos Minerales del grupo de las arcillas
Las propiedades físicas y químicas pueden cambiar. Grado de orden/desorden.
Grupos Polimórficos SiO2:
Cuarzo y Tridimita y Cristobalita Coesita Estishovita
FeS2: Pirita Marcasita
FeOOH Goethita Lepidocrocita
CaCO3: Calcita Aragonito
Fe2O3 Hematita Maghemita
ZnS: Esfalerita Wurtzita
KAlSi3O8: Sanidina Ortoclasa Microclina
Fe1-XS Pirrotita Hx Pirrotita Mon
Definición Seudomorfo (falsa forma):
Mineral resultante de un proceso de sustitución en el cual la apariencia y dimensiones permanecen constantes, pero el mineral original es reemplazado por otro.
Compuestos donde la forma externa no está relacionada con el orden interno a nivel de los átomos.
Tipos Paramorfo (también llamado alomorfo) Mineral
cambiado únicamente a nivel de la estructura cristalina. Seudomorfismo donde el mineral que reemplaza es un polimorfo. i.e. aragonito calcita.
Seudomorfo por infiltración Seudomorfo en el cual un mineral es reemplazado por otro, mediante los siguientes mecanismos: Sustitución con cambio químico total o parcial Oxidación a nivel iónico (Fe2+ Fe3+, S2- S0 S6+, etc.) Salida de algunos elementos y permanencia de otros Combinación de algunos de los anteriores
Seudomorfo por incrustación Producto de un proceso en el cual un mineral es cubierto por otro y el mineral encapsulado se disuelve. Algunas veces otro mineral rellena el espacio previamente disuelto.
Definición Compuestos que no cumplen a cabalidad la definición de
mineral. Sustancia que se asemeja a un mineral pero no demuestra:
Cristalinidad minerales o materiales que carecen de una estructura cristalina a gran escala. Pueden tener organización en el corto alcance (~10-100Å) pero carecen
de ella a largo alcance. Poseen composición química que está fuera de los rangos
aceptados para minerales específicos. Incluyen:
Materiales amorfos Vidrios Mezclas de minerales, materiales de baja cristalinidad, amorfos, etc.
Ejemplos: limonita, bauxita, ópalo (SiO2.NH2O), arsenato de Fe,
vidrio volcánico (obsidiana), escorias, clinker, etc.
Materiales cristalinos 90% de los elementos químicos y compuestos
inorgánicos son sólidos a condiciones normales de T y P.
Cuando aparece un sólido que es generado en una reacción química este proceso depende de la energía reticular del cristal.
La estructura interna de todo material cristalino presenta un arreglo coordinado de átomos. Modelos altamente repetitivos y ordenados. Materiales amorfos y vítreos coordinación sólo con
el átomo más próximo.
Regla 1. Poliedros de coordinación.
Un poliedro de coordinación de aniones es formado alrededor de cada catión, siendo la distancia catión-anión determinada por la suma de los radios y el número de coordinación del catión por la razón de los radios
Número de coordinación: Número de aniones que se acomodan alrededor de un catión o viceversa
Regla 2. Principio de valencia electrostática
En una estructura de coordinación estable, la En una estructura de coordinación estable, la fuerza total de los enlaces de valencia que fuerza total de los enlaces de valencia que alcanza un anión a partir de todos los alcanza un anión a partir de todos los cationes vecinos es igual a la carga del anión cationes vecinos es igual a la carga del anión o viceversa.o viceversa.
Regla 3. Compartición de elementos poliédricos. I
La existencia de bordes y La existencia de bordes y particularmente de caras particularmente de caras comunes a dos poliedros comunes a dos poliedros decrece la estabilidad de las decrece la estabilidad de las estructuras iónicas.estructuras iónicas.
Regla 4. Compartición de elementos poliédricos. II
En un cristal que contiene diferentes cationes, los que poseen gran valencia y pequeño número de coordinación, tienden a no compartir ciertos elementos poliédricos (bordes y caras) con otros
Cationes altamente cargados distribuídos tan lejos como sea posible en una estructura cristalina
Regla 4. CATIÓN (Regla 4. CATIÓN (φφ) – CARGA – ) – CARGA – COMPARTICIÓNCOMPARTICIÓN
Regla 5. Principio de parsimoniaEl número de clases de constituyentes
esencialmente diferentes en una estructura cristalina es pequeño
Usualmente no más de dos o tres poliedros de coordinación diferentes en una estructura cristalina
El número de diferentes sitios cristalográficos es pequeño
Pequeños números enteros para aniones y cationes en las fórmulas químicas
KaolinitaKaolinita
PiroxenoPiroxenoFeldespatoFeldespato
EspinelasEspinelas
Regla 5. Principio de Parsimonia
NC en materiales con enlaces covalentes
El NC en los sólidos covalentes depende del número de pares electrónicos compartidos
NC = 8 - V, donde NC es el número de coordinación, V el número de electrones de valencia
Si 1s2 2s2 2p6 3p2 y C 1s2 2s2 2p2 4 e- compartidos o de valencia
SiC NC = 8 - 4 = 4 Cuatro enlaces
Introducción Las estructuras cristalinas son sólo
características del estado sólido y se destruyen o cambian cuando el material es disuelto, fundido o sublimado.
Tres tipos de visualización de las estructuras: Estructuras de armazón poliedral mayoría de
los minerales. Estructuras simétricamente empacadas
Metales Estructuras moleculares poco importantes.
Qué es y porqué poliedros?
POLIEDRO: Forma geométrica limitada por caras.
Usualmente mediante ellos se suelen representar la(s) forma(s) en las que se encuentran relacionados cationes y aniones (Regla I de Pauli), así como su disposición y relación en la estructura cristalina.
Catión en el centro del poliedro y aniones representados por sus puntas.
Armazones poliedrales
Tres tipos de armazón en las estructuras cristalinas Armazones primarios Armazones secundarios Armazones terciarios
Armazones poliedrales ARMAZONES PRIMARIOS
Columna vertebral de la estructura cristalina. ARMAZONES SECUNDARIOS
Aniones no compartidos cargas negativas enlaces con otros cationes (poliedros)
ARMAZÓN TERCIARIO: Cationes con coordinación irregular ocupando
espacios disponibles entre los armazones primarios y los secundarios
EjemploEjemplo MoscovitaKAl2(OH,F)2Si3AlO10
ARMAZÓN PRIMARIO ARMAZÓN PRIMARIO Si3AlO10 o (Si3AlO10)5- tetraedros de Si4+ y Al3+ exceso de carga negativa neutralizada por otros cationes.
ARMAZÓN SECUNDARIARMAZÓN SECUNDARIOO Al2(OH,F)2 AlO4(OH,F)2 Al3+ CN=6 dos de los aniones hidroxilos.
La parte final de la fórmula corresponde al ARMAZÓN TERARMAZÓN TERCIACIARIORIO K+
Armazones poliedrales
En todos los minerales de armazones de poliedros existen los armazones primarios, pero los secundarios o los terciarios pueden estar ausentes
Introducción
Todas las estructuras pueden ser construidas mediante apilamiento simétrico de capas simétricas de átomos o iones.
La cercanía de los átomos es menos importante que la simetría de las capas.
Categorías
Dos categorías:Átomos neutros minerales nativos Metales, etc.
Cationes/aniones el resto de los minerales
Estructura AB vs ABC
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Empilement_compact.svg
Intersticios entre capas cationes
Espacio TetraedralEspacio Tetraedral Espacio OctaedralEspacio Octaedral
Espacio Espacio CúbicoCúbico
Espacios o intersticios donde se acomodan cationes u otros átomos
http://departments.kings.edu/chemlab/animation/clospack.html
Intersticios en estructura AB y ABC
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Sites_interstitiels_cubique_a_faces_centrees.svg
AB = HCPAB = HCP ABC = CCPABC = CCP
Nomenclatura
Capas de simetría hexagonalPrimera letra ATipos: A, AB, ABC, AD, ADE, ADEF,
AABB y AABBCC.
Capas de simetría tetragonalPrimera capa es S.Tipos: S, SD, SDEF, SE, SEDF y SSDD.
Estructuras Moleculares Más que una forma de visualización es
un tipo de estructura que se presenta en pocos minerales
Muy común en otros sólidos como los polímeros
Consiste en moléculas unidas entre sí por enlaces residuales débiles (van der Waals)
Enlaces fácilmente destruibles bajo punto de fusión, etc.
Moléculas de H2O
Introducción
ESTRUCTURAS IDEALES Nada es perfecto. No existe material cristalino que no tenga al menos
un pequeño defecto Algunas propiedades son marcadamente
dependientes de pequeñas desviaciones de las estructuras ideales
Los minerales con estructura cristalina perfecta tendrán sus átomos en reposo sólo en el punto cero de oscilación a temperatura en el cero absoluto (0oK) estructura sin imperfecciones reevaluado
Introducción Imperfecciones pueden ocurrir:
En el átomo: Agujeros electrónicos.
En la estructura cristalina: Sustitución, átomos instersticiales, sitios vacantes,
dislocaciones, superficies de cristales, límites entre cristales, etc.
Clasificación según dos tipos principales: Químicas Físicas
Imperfecciones químicas
Introducción.Introducción. Ningún material puede ser preparado sin
tener ningún grado de impurezas químicas. Iones en solución sólida en el material
resultante alteran la regularidad estructural. Hasta los minerales preparados en
laboratorio bajo estrictas normas de calidad tienen niveles mínimos de impurezas.
Solución sólida sustitucional Sustitución de un ión por otro común en
los minerales Varios factores determinan la extensión de
la sustitución: Tamaño DEPENDE DE LO ABIERTA QUE
SEA LA ESTRUCTURA Valencia SUSTITUCIÓN ACOPLADA Afinidad química Tipo de estructura cristalina
Mecanismos de sustitución acoplada En diferentes sitios cristalinos
Ca+2 y Al+3 en anortita (CaAl2Si2O8) puede ser substituído por el par Na+ y Si+4
En el mismo sitio cristalino En periclasa (MgO) puede ocurrir sustitución Mg+2
Li+, si ocurre simultáneamente otra sustitución Mg+2 Fe+3
Desbalanceada Sitios vagos o intersticiales cristales defectuosos. Zirconia (ZrO2) Zr+4 Mg+2 + �O2
Iones adsorbidos Zeolitas Si4+ Al+3 + M+
Montmorillonita Al+3 Fe+2 ± Mg+2
Solución sólida sustitucional Si se viola una o más de las reglas sólo es
posible solución sólida parcial Solución sólida total
Espinelas, plagioclasas, olivinos, etc. Solución sólida parcial
Periclasa (MgO) Fe+2 Mg+2
Corindón (Al2O3) Cr+3 Al+3 rubí Micas sintéticas F- OH-
TODOS LOS MINERALES Los factores más importantes son tamaño y
valencia
Solución sólida intersticial
Algunas veces más estable para los átomos más pequeños acomodarse en los intersticios
Importante en aceros C disuelto en -Fe También H, B y N
Poco estudiada pero muy común Depende de los mismos factores con excepción
de la estructura
Efectos de los defectos intersticiales Los átomos intersticiales modifican física y
químicamente los materiales. Los átomos intersticiales de carbón tienen un
papel crucial en las propiedades y procesamiento de los aceros, en particular de los aceros al carbón.
Los espacios intersticiales pueden ser usados por ejemplo para el almacenamiento de hidrógeno en metales.
http://en.wikipedia.org/wiki/Interstitial_defect#cite_note-3
La amorfización de semiconductores tales como el Si durante la irradiación con iones es usaulmente explicada mediante la acumulación de una alta concentración de átmos en los intersticios llevando al colapso de la estructura la cual se vuelve inestable.
La acumulación de grandes cantidades de átomos interticiales en un sólido cae en una significante acumulación de energía, la cual una vez se libera puede generar accidentes severos en ciertos tipos de reactores nucleares (Wigner effect). Esta alta energía puede ser liberada por annealing.
Al menos en las estrucuras FCC los átomos intersticiales tienen un gran efecto diaelastic de ablandamiento.
Ha sido propuesto que los intersticios están relacionados al inicio de la fusión y la transición vítrea.
Posibilidades de acuerdo a la estructura preexistente En estructuras fcc (MgO) sitios intersticiales
disponibles sólo tetraedrales. En TiO2 sitios disponibles octaedrales. En estructuras tipo fluorita intersticios
disponibles cúbicos. Zeolitas grandes posiciones intersticiales. Aumento en la facilidad para formar soluciones
sólidas intersticiales: Zeolitas>ThO2>TiO2>MgO.
Sólidos no estequiométricos
Minerales que no presentan una composición química fija Wustita Fe1-XO Pirrotita Fe1-XS Maquinawita Fe1+XS
Prácticamente todos los minerales son NO ESTEQUIOMÉTRICOS
Imperfecciones físicas Los cristales casi nunca presentan arreglos
atómicos perfectos Los defectos físicos existen en los
materiales independientemente de impurezas químicas
Las imperfecciones existen y son importantes debido a la influencia que ellas tienen sobre las propiedades de los materiales cristalinos
Clases de imperfecciones físicas Las imperfecciones pueden ser divididas en
tres grupos principales: Defectos puntuales imperfecciones
cerodimensionales. Defectos lineales o dislocaciones
imperfecciones unidimensionales. Defectos planares imperfecciones
bidimensionales. Sólidos no cristalinos imperfección
tridimensional.
Defectos puntuales Debido a átomos en exceso o ausencia de
átomos Los defectos puntuales son localizados
aleatoriamente Efecto térmico Tipos:
Intersticialidad o Frenkel Átomos en exceso Defecto Schottky vacío
Defectos puntuales
http://sites.google.com/site/polymorphismmyhomepage/investigating-material-failures
Imperfecciones lineales o dislocaciones
Dislocación de borde Dislocación de tornillo Dislocación mezclada
Defectos planares - Imperfección bidimensional Superficies de frontera de los materiales
Interrupción del arreglo de apilamiento atómico del cristal.
Pueden ser organizadas con crecimiento dictado por las leyes de la cristalografía maclas
Orientadas crecimiento bajo presión direccionada rocas metamórficas
Aleatorias intercrecimiento entre granos o granos independientes LA MÁS COMÚN
MACLAS O CRISTALES MACLAS O CRISTALES GEMELOSGEMELOS
Intercrecimiento de dos o más cristales idénticos, de tal forma que los individuos, sobre uno y otro lado de una cara común, sean simétricamente relacionados, por operaciones no presentes con la misma orientación, en la clase cristalina de los individuos
MACLAS O CRISTALES MACLAS O CRISTALES GEMELOSGEMELOS Los elementos en cristales geminados deben
tener: Orientaciones cristalográficas diferentes uno con
respecto al otro Caras cristalográficamente equivalentes
Reflexión a un plano común PRODUCTO PLANO DE COMPOSICIÓN
Eje de rotación EJE DE MACLA Centrosimétricos tienen eje y plano
Principales tipos de maclasPrincipales tipos de maclas
MACLAS SIMPLES Dos cristales MACLAS DE CONTACTO:MACLAS DE CONTACTO:
Unión de las parte mediante un plano regular de Unión de las parte mediante un plano regular de composicióncomposición
MACLAS DE PENETRACIÓN: Se penetran entre sí Unidas según una superficie de composición irregular
MACLAS MÚLTIPLES Tres o más cristales MACLA POLISINTÉTICA
Planos de composición paralelos MACLA CÍCLICA
Planos de composición NO paralelos
Principales tipos de maclasPrincipales tipos de maclas
MACLAS SIMPLES Dos cristales MACLAS DE CONTACTO:
Unión de las parte mediante un plano regular de composición
MACLAS DE PENETRACIÓN:MACLAS DE PENETRACIÓN: Se penetran entre síSe penetran entre sí Unidas según una superficie de composición irregularUnidas según una superficie de composición irregular
MACLAS MÚLTIPLES Tres o más cristales MACLA POLISINTÉTICA
Planos de composición paralelos MACLA CÍCLICA
Planos de composición NO paralelos
Principales tipos de maclasPrincipales tipos de maclas
MACLAS SIMPLES Dos cristales MACLAS DE CONTACTO:
Unión de las parte mediante un plano regular de composición
MACLAS DE PENETRACIÓN: Se penetran entre sí Unidas según una superficie de composición irregular
MACLAS MÚLTIPLES MACLAS MÚLTIPLES Tres o más cristales Tres o más cristales MACLA POLISINTÉTICAMACLA POLISINTÉTICA
Planos de composición paralelosPlanos de composición paralelos MACLA CÍCLICAMACLA CÍCLICA
Planos de composición NO paralelosPlanos de composición NO paralelos
CCómo se pueden formarómo se pueden formar??
Tres formas: Crecimiento Transformación Deformación por deslizamiento
a) Impureza instersticialb) Dislocación de bordec) Átomo intersticiald) Vacancia
e) Exsoluciónf) Vacancia tipo dislocacióng) Intersticial tipo dislocaciónh) Defecto Sustitucional
Resumen y otras variaciones
Premisa fundamental
Cada mineral realmente corresponde a un número no definido de posibilidades estructurales y químicas que se genera dentro de un rango establecido, con base en las condiciones a las cuales se forma
No hay dos minerales iguales, especialmente si ellos se generaron en condiciones distintas