Minerales y gemas III: propiedades físicas y químicas

Características químicas y fórmulas de los minerales

La gran mayoría de los minerales son compuestos químicos sólidos, pero también podemos encontrar minerales en forma de metales y no metales con grados de pureza notable, y también aleaciones metálicas.
En principio podemos considerar compuestos de composición definida, simples o de mayor complejidad, o bien sólidos de composición variable. También debemos considerar la posibilidad de disoluciones sólidas, manteniendo el cristal el mismo tipo estructural en todas las fases cristalinas.En cualquier caso no hay que olvidar que los sólidos reales se apartan del sólido perfecto y, por tanto, tendremos defectos cristalinos y/o no estequiometría con gran variabilidad.

Compuestos de composición definida

Existen minerales cuya composición queda bien definida por números enteros sencillos para los coeficientes estequiométricos de cada elemento de su fórmula.Podemos ofrecer algunos ejemplos: SiO₂ , Fe₂O₃ ,CaCO₃, Mg₂SiO₄, FeS₂ , CaF₂ , etc. Los minerales que responden a estas fórmulas no siempre están libres de otros minerales y/o elementos trazas que van en su composición. Es lógico pensar que los valores de sus propiedades físicas sean muy concretos en relación a su dureza, densidad, conductividad eléctrica, indice de refracción, punto de fusión y ebulllición, etc.

Minerales de composición variable

La composición varía dentro de un rango amplio, sin que el mineral esté contaminado por otras fases cristalinas o amorfas. Dentro de los minerales es muy común esta clase.

Propiedades físicas de los minerales

Las propiedades físicas de los minerales, en concreto color, brillo, transparencia junto con la dureza y el color de la raya, nos permite muchas veces, de forma fácil, identificar diferentes minerales ya conocidos. Esto lo saben bien los aficionados y coleccionistas de minerales para identificarlos "de visu".Estas propiedades simples están recogidas en tablas y libros, y con su consulta nos pueden guiar a la identificación correcta.

Minerales y gemas II:estructura cristalina

La mayoria de los minerales son sólidos y cristalinos, y en muchos casos podemos disponer de cristales de gran tamaño que son espectaculares y de gran valor para los coleccionistas y museos: se han localizado cristales de berilo de varios metros de diametro.Pero si disponemos de pequeños cristales, que no se ven a simple vista, o de una muestra en polvo, no debemos de caer en la ignorancia de su escaso valor o aseverar que el mineral no es cristalino; puede ser de interés económico seleccionar cristales pequeños de un mineral con muy buena calidad. Por ello, y en primer lugar, tenemos que proceder a su identificación para conocer de qué especie mineralógica se trata, lo que se puede conseguir por el estudio de las formas de sus cristales.

El aspecto externo de los cristales de un mineral nos indica su ordenamiento atómico, ya que sus átomos se colocan en el espacio microscópico de acuerdo a un modelo geométrico determinado, que se repite de forma tridimensional y regular. Esto se conoce desde los primeros trabajos de W.L.Bragg en la primera decada del siglo XX, aplicando la técnica de difracción de los rayosX (DRX).Por ello, todas las sustancias cristalinas y los minerales se pueden definir con su modelo geométrico apropiado, que es un poliedro delimitado por caras planas.Estas caras de los cristales son capas de átomos superficiales, y se relacionan con su estructura cristalina. Por lo que, los ángulos de intersección de los distintos tipos de cara son característicos para todos los cristales de un determinado mineral.

La estructura de un cristal se construye mediante la aplicación del modelo de la celda o celdilla unidad, ya que el edificio cristalino lo podemos definir por repetición regular y espacial de un conjunto básico de átomos. Si el mineral cristaliza en el sistema cúbico como la sal gema, NaCl, su estructura cristalina vendrá definida por la repetición paralela en las tres direcciones del espacio de un pequeño cubo microscópico de 2,80 Å de arista, llenando todo el espacio del cristal.

No todos los cristales se generan con un cubo como celdilla unidad, pero sólo tenemos siete sistemas cristalinos para todos los minerales y sustancias cristalinas: cúbico, tetragonal, hexagonal, ortorrómbico, monoclínico, romboédrico y triclínico.

Minerales y gemas I: aspectos generales

Antes de todo hay que recordar algunos aspectos que inciden en la Ciencia que estudia los minerales, denominada Mineralogía, ya que cristal o cristales se aplica, según el diccionario de la RAE , en su acepción geológica, a "cuerpo sólido que naturalmente tiene forma poliédrica más o menos regular; p. ej., las sales, las piedras, los metales y otros".

Cristal es un témino muy ampliamente utilizado en Mineralogía y en las Ciencias, aunque en la Grecia Clásica fue usado para lo que hoy conocemos como cristal de roca, variedad del cuarzo incoloro y transparente, ya que se pensaba que era una forma de hielo que no se derretía (hielo permanente=cristal).Pero el diccionario de la RAE nos ofrece una buena definición de cristal como "sólido cuyos átomos y moléculas están regular y repetidamente distribuidos en el espacio". Estamos de acuerdo con esto, ya que lo cristalino se refiere al orden extenso de los átomos a lo largo de las tres direcciones del espacio, x, y, z, en un ambiente microscópico; evidentemente, no existe el sólido perfecto y se pueden aceptar algunas o muchas imperfecciones o defectos, siempre y cuando el orden global sea cuasiperfecto.En este sentido destacar que lo que también conocemos como cristal para ventanas, lentes o cristal de calidad no tiene la característica del ordenamiento cristalino, son sólidos amorfos, y entran dentro de la categoría de los materiales vítreos. Además, los materiales vítreos son sintéticos, preparados artificialmente en el laboratorio o en la industria, y no deben ser reconocidos dentro de los minerales "naturales", aunque la naturaleza también nos ofrece ejemplos de vidrios naturales amorfos como la obsidiana que se conoce desde tiempos prehistóricos, usandose como piedras decorativas.

La etimología de mineral viene del latín, minera, lo que hace alusión al procedimiento de extracción de estos materiales. Los minerales son productos naturales de la corteza terrestre, en su gran mayoría sólidos, originados por reacciones químicas bajo determinadas condiciones de presión y temperatura, aunque también se generan minerales a partir de otros prístinos que se han degradado, por ejemplo, en condiciones hidrotermales.

Podemos asociar la idea de mineral a un compuesto inorgánico, elemento químico o aleación de origen natural cuya composición podemos considerar homogénea y con una estructura cristalina

bien determinada a pesar de sus defectos e imperfecciones.Esta definición deja a un lado las rocas que están constituidas por minerales, y no cumplen el requisito de homogeneidad de la matriz.

Lo que si es cierto es que las propiedades físicas y químicas de los minerales viene definida por su composición y estructura cristalina, lo que va a determinar mayores o menores estabilidades en función del ambiente que les rodea, presión, temperatura,presencia de agua, otros minerales, etc. En algunos casos, ciertos minerales serán estables hasta un determinado umbral, donde empezará su degradación, debido a cambios de temperatura, presión, reacciones redox, ácido-base,etc. Muchos minerales experimentan cambios suaves o importantes a lo largo del tiempo, e incluso pueden desaparecer, dejando paso, en ese escenario químicofísico, a otros más estables.Pero no siempre es así, y podemos ofrecer minerales que tienen estabilidades altas en escenarios extremos como son: diamante, grafito, cuarzo, zircón, berilo, rutilo, olivino, espinela, corindón, y otros, entre los cuáles debemos focalizar principalmente en muchos minerales dentro de las familias de los óxidos, silicatos, boratos y fosfatos con estructura 3D. Estos ejemplos, en general denotan lo que ya es conocido sobre la gran estabilidad que exhiben los sólidos con estructura 3D, donde hay iones metálicos y no metálicos con alta carga, lo cuál genera altas energías reticulares sólo con aplicar el modelo simple de la ley de Coulomb.