Definiendo Minerales: _{Composición y estructura cristalina}

Primeros estudios sobre los minerales

Inicialmente, la mayoría de los mineros sabían muy poco sobre cómo se formaban los minerales, pero mucho sobre la extracción de los minerales considerados preciados. Georgius Agricola, un médico alemán más entusiasmado con la minería que con la medicina, documentó prácticas mineras y descripciones minerales en su libro De Re Metallica, publicado en 1556. El título se traduce literalmente como ?Sobre la Naturaleza de los Metales,? pero en ese entonces la palabra ?metal? se usaba comúnmente para describir cualquier material de la tierra. Agricola describe todos los aspectos de la minería, desde cómo identificar los minerales con las técnicas del siglo XVI para triturar los minerales ferrosos y las enfermedades que podían causar (ver el enlace Clásicos a la derecha para ver los grabados originales de De Re Metallica).

El libro de Agricola fue un paradigma de la minería durante doscientos años y está considerado como la primera contribución a la ciencia de la mineralogía. A pesar de la naturaleza exhaustiva de este libro, Agricola sabía poco de la composición fundamental de los minerales. Aunque se había reflexionado mucho sobre el concepto del átomo, los experimentos que permitirían a los científicos definir la naturaleza del átomo y, por consiguiente, la composición de los minerales, llegarían más de 200 años después de la publicación del libro de Agricola. Es así que, inicialmente, la ciencia de la mineralogía avanzaba sobre la base de la descripción de la forma de los minerales y sus propiedades, como su dureza, en vez de su estructura atómica.

Para definir un mineral

La palabra ?mineral? significa algo muy específico para los científicos de la tierra. Por definición, un mineral:

1. Es formado naturalmente;
2. es sólido;
3. se forma a través de un proceso inorgánico;
4. tiene una composición química específica, y
5. tiene una estructura de cristal caractéristica.

Aunque cada uno de estos aspectos de un mineral pueda parecer simple, todos tienen importantes implicaciones cuando se los considera conjuntamente.

1. Formados naturalmente Los minerales se forman a través de procesos naturales dentro de la tierra, tales como erupciones volcánicas, precipitaciones de un sólido hacia un líquido y desgastamiento de minerales pre-existentes. Actualmente, científicos, ingenieros y fabricantes sintetizan varias cerámicas, plásticos y otras sustancias con una composición y estructura química específica, pero ninguna de estas sustancias sintéticas está considerada como un mineral verdadero.

2. Sólidos Los líquidos y los gases no están considerados como minerales, en gran medida porque su estructura está constantemente cambiando, lo cual quiere decir que no tienen una estructura de cristal caractéristica.

3. Formado a través de un proceso inorgánico Cualquier material producido a través de actividad orgánica - como hojas de árboles, huesos, conchas, o tejido animal - no se considera un mineral. Aunque en algún momento fueron materia viva, los tejidos vivos de los fósiles, generalmente, han sido reemplazados por un proceso inorgánico después de ser enterrados. Por consiguiente, se los considera también compuestos de minerales.

4. Composición química específica La mayoría de los minerales existen en la tierra como compuestos químicos, cuya composición puede ser expresada con una fórmula química. La fórmula química de la sal, o hálito, es NaCl, lo cual quiere decir que cada molécula de sal consiste en un átomo de sodio (Na) y un átomo de cloro (Cl). Otros minerales comunes tienen fórmulas mucho más complicadas, como la muscovita (KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂). Algunos minerales como el grafito, está compuesto de un sólo tipo de átomo (carbón en este caso); por consiguiente, la fórmula química del grafito se escribe simplemente con una C. Todos los minerales están definidos por su composición química. Si tratasemos de cambiar la composición de la muscovita, reemplazando el aluminio con hierro y magnesio, por ejemplo, terminaríamos con un mineral totalmente nuevo y diferente llamado biotita.

De manera contraria, muchos minerales contienen impurezas y estas impurezas pueden variar. El cuarzo, por ejemplo, cuya fórmula química es SiO₂, generalmente, no tiene ningún color en su forma pura. La presencia de una pequeña cantidad de titanio (Ti), sin embargo, causa una coloración rosácea que se traduce en el cuarzo rosado, como se puede apreciar en la foto de la derecha. La cantidad de titanio relativa a la cantidad de silicona y oxígeno es mínima, de manera que ello está considerado como una impureza, en vez de un cambio en la composición química. En otras palabras, el cuarzo rosado sigue siendo considerado un cuarzo. De la misma manera, la piedra preciosa amatista es una forma de cuarzo que adquiere un color morado por la presencia de la impureza del hierro (Fe).

Figura 1: Un ejemplo de cuarzo rosa ^ ~ ^ ~, coloreado por trazas de titanio ^ ~.

No fue hasta los años 1900, es decir, 350 años después de la publicación del libro de Agricola, que los científicos pudieron determinar la composición química específica de los minerales. La invención del espectómetro de masa, de microscopios cada vez poderosos y del uso de técnicas de difracción, permitió el tipo de análisis altamente detallado que resultó en el desarrollo de la ciencia de la mineralogía.

5. Estructura de cristal característica Nicolas Steno, un holandés contemporáneo de Isaac Newton, hizo una importante contribución a la mineralogía, en 1669, cuando observó que los ángulos de los lados de los cristales de cuarzo permanecían constantes, sin importar cuán grandes eran los cristales o cuándo habían sido formados. Hoy en día sabemos que la Ley de Ángulos Interfaciales de Steno sobre la apariencia externa de los cristales, refleja un arreglo interno y regular de los átomos. Estos ángulos permanecen constantes en los lados de los cristales de cuarzo, porque cada uno de estos cristales de cuarzo está hecho de los mismos átomos: un átomo de silicona por cada dos átomos de oxígeno, lo cual se escribe con la fórmula molecular SiO₂.

La composición química de un mineral está reflejada en un arreglo regular y repetitivo de los átomos, que se llama la estructura de cristal de un mineral. La estructura de cristal del hálito se puede ver a continuación. La estructura interna (a la izquierda) está reflejada en una forma de cristal externa de manera consistente (a la derecha), tal como lo observó Steno. La forma cúbica de los cristales de sal refleja claramente el ángulo derecho de los enclace químicos entre los átomos Na y Cl de su estructura atómica.

Lo más importante es que la estructura se repite. A medida que el hálito de cristal se quiebra en piezas más pequeñas, retiene su estructura cúbica. Si usted observa un puñado de sal de mesa bajo un microscopio, confirmará que es así.

La importancia de la estructura cristalina

El par de minerales diamante-grafito es un ejemplo extremo de la importancia de la estructura de cristal. Estos dos minerales muy difenteres entre sí, tienen exactamente la misma fórmula química, pero la estructura de cristal de ambos minerales es muy diferente. En el grafito los átomos carbónicos están unidos en un plano liso. Estas capas de carbón están vagamente unidas por fuerzas de atracción débiles. Sin embargo, las fuerzas atractivas entre las capas pueden ser rotas fácilmente, permitiendo que se deslicen unas al lado de otras. Por consiguiente, el grafito es un mineral blando y resbaladizo que se usa comúnmente como lubricante de máquinas. Cuando se frota grafito contra otro material, como un pedazo de papel, éste deja una huella de pequeñas capas que se han ido soltando, razón por la cual también se usa en los lápices.

En comparación, en un diamante cada átomo carbónico está poderosamente unido a cuatro átomos carbónicos que lo rodean en una estructura tridimensional. Esto crea la sustancia natural más dura del planeta. La estructura de cada uno de estos minerales es crucial para determinar sus propiedades físicas.

La composición química y la estructura cristalina son los factores más importantes para determinar las propiedades de un mineral, incluida la forma, densidad, dureza y color. Los geólogos usan estas propiedades para identificar qué minerales están presentes en las rocas. Las características de dureza y fractura se pueden determinar fácilmente en el campo con una pequeña lupa y un martillo, lo que permite una rápida identificación del mineral.

La estructura átomica interna del grafito y el diamante, que se muestra aquí, explica las propiedades de estos dos minerales.

¿Porqué todo esto es importante?

Al identificar los minerales presentes en una roca, los geólogos pueden empezar a entender la historia de la roca. Algunos minerales se forman sólamente cuando el magma brota del volcán y se enfría; otros se forman dentro de las profundidades de la costra terrestre, bajo gran calor y presión, y otros se forman sólamente en la superficie, a través de la evaporación. El basalto que brota de los volcanes de Hawaii, por ejemplo, contiene olivina, un mineral que se forma sólamente dentro del manto de la tierra a profundidades mayores de 70 km. Esto indica que la fuente de magma en las Islas de Hawaii es muy profunda dentro de la tierra. Los sedimentos centrales en las profundidades del mar Mediterraneo contienen capas de gypsum y hálito, dos minerales que se forman solamente cuando el agua se evapora. Este descubrimiento condujo a los geológos a la conclusión de que el mar Mediterraneo se había secado varias veces en el pasado.

Identificar minerales en otros planetas también ha desembocado en un mayor entendimiento de nuestro sistema solar. La hematita es un mineral que se forma comúnmente en la superficie de la tierra con la presencia del agua. Es, esencialmente, herrumbre, y se forma durante el desgaste de minerales que contienen hierro. El descubrimiento de los "arándonos" de hematita en Marte, fue parte de la evidencia que condujo a los geólogos a la conclusión que en algún momento hubo agua líquida en ese planeta (ver los enlaces Noticias y Eventos).

El estudio de los minerales empezó con la minería y todavía usamos nuestro conocimiento sobre los minerales para encontrar depósitos económicamente importantes. Pero nuestro conocimiento sobre la composición y estructura de los minerales, se ha convertido en esencial en otras muchas áreas de estudio. El remedio ambiental a las minas, la exploración de otros planetas, la búsqueda de vida extraterrestre y el estudio de la historia geológica de nuestro planeta, son todas áreas que requieren de conocimiento de los minerales y de sus fuentes.