Fundamentos de Cristalografía

La Cristalografía es la ciencia que estudia la estructura interna, externa y leyes del crecimiento de los cristales.

Conceptos Clave

• Un cristal es un cuerpo sólido mineral conformado por una estructura interna ordenada (sus átomos se disponen en un orden geométrico regular, ej. cuarzo, yeso).

• Ley de constancia de ángulos diedros: El ángulo diedro que forman dos caras equivalentes de cristales de la misma sustancia, generados bajo condiciones uniformes de presión y temperatura, es constante por más que varíen la forma y dimensiones de la misma.

• Ley de simetría: Los átomos, moléculas e iones de un cristal tienden a disponerse simétricamente entre sí, constituyendo estructuras periódicas según redes homogéneas tridimensionales, de cuyo crecimiento se originan las formas poliédricas que los caracterizan. Esto es lo que hace atractivo y vistoso al cristal, que se forma por aristas, ejes y caras.

Elementos Cristalográficos

• Caras: Planos que limitan al poliedro.

• Aristas: Líneas de intersección entre dos planos.

• Vértices: Punto de contacto entre tres o más aristas.

Elementos de Simetría

• Eje de simetría: Línea imaginaria que pasa a través del cristal.

• Plano de simetría: Plano imaginario que divide al cristal en dos mitades simétricas.

• Centro de simetría: Es un punto situado en el centro del cristal a través del cual se reproducen los elementos geométricos en posiciones equidistantes diametralmente opuestas.

Forma y Ejes Cristalinos

• Forma cristalina: Es el conjunto de caras que tienen una posición análoga con respecto a los ejes y planos de simetría.

• Ejes cristalográficos: Sistema de ejes coordenados, cuyo punto de intersección coincide con el centro de un cristal y corta a las caras, aristas o vértices de los mismos. Los ángulos cristalográficos son los ángulos que se forman entre ellos.

Sistemas y Conceptos Relacionados

• Sistema cristalográfico: Es una clasificación de las relaciones geométricas que posee la red cristalina de los minerales, definida por las propiedades de la cruz axial (ej. cúbico, tetragonal, rómbico, monoclínico, triclínico, hexagonal y trigonal).

• Clase de simetría:

  • Clase holoédrica: Es la clase de un sistema que posee el mayor número de elementos de simetría.
  • Clase meroédrica: Son todas aquellas formas que no cumplen con la característica anterior, es decir, que tienen menor número de elementos de simetría.

• Polimorfismo: Minerales que cristalizan bajo sistemas cristalográficos distintos, bajo condiciones variables de presión y temperatura (ejemplo: Diamante – cúbico, Grafito – hexagonal, Calcita – hexagonal, Aragonita – rómbico, Pirita – cúbico, Marcasita – rómbico).

• Isomorfismo: Dos minerales distintos, pero de composición química similar, cristalizan simultáneamente bajo un mismo sistema originando toda una serie de minerales con composiciones químicas intermedias entre los dos constituyentes puros de la secuencia (varían sus cationes).

• Pseudomorfismo: Es cuando un mineral adopta una forma cristalina heredada y que no es la propia (es decir, un mineral ya desarrollado es alterado por modificaciones físico-químicas del ambiente en el que se encuentra).

• Maclas: Asociaciones regulares entre cristales de una misma especie que se vinculan de una manera cristalográfica definida. Son cristales que crecen asociados a expensas del retículo cristalino del otro. Tipos de maclas: simples, penetración, de contacto y polisintética.

Definición de Mineral y Mineraloide

• Mineral: Sustancia sólida, de origen natural, homogénea, inorgánica, con estructura cristalina. Su composición química, estructura cristalina y propiedades físicas son fijas o varían muy poco para cada especie.

• Mineraloide: También llamados sólidos amorfos, sus componentes no se encuentran ordenados siguiendo un patrón de repetición geométrica. Sólidos con estructura interna desordenada.

Ejemplo de cristal: cuarzo microcristalino. Ejemplo de criptocristalinos/mineraloide: calcedonia, ópalo.

Propiedades de los Minerales

Propiedades Físicas

• Peso específico: Es la relación existente entre el peso del mineral y el peso de un volumen igual de agua a 4ºC de temperatura y a 1 atm de presión.

Propiedades Mecánicas

• Flexibles: Cuando pueden deformarse sin llegar a romperse.

• Elásticos: Cuando recobran su forma primitiva al cesar la causa deformante. No hay minerales que puedan ser catalogados bajo este comportamiento.

• Frágiles: Cuando poseen un límite de elasticidad bajo y, por lo tanto, son incapaces de sufrir deformaciones sin que se produzca rotura.

• Maleables: Cuando permiten preparar láminas de fino espesor por aplastamiento. Al igual que el anterior, los metales nobles cumplen con esta propiedad.

Clivaje y Fractura

• Clivaje: Es la propiedad que poseen los cuerpos minerales de romperse de acuerdo a ciertas direcciones preferenciales.

  • Muy perfecto: Cuando el mineral se exfolia según superficies muy planas, de brillo nacarado, obteniendo hojas o láminas de escaso espesor.
  • Perfecto: Cuando el mineral se exfolia según superficies planas en forma de caras lisas y brillantes, generando formas poliédricas.
  • Mediano: Cuando el mineral se exfolia según superficies planas aunque no totalmente lisas, mostrando pequeñas estrías o suaves irregularidades.
  • Imperfecto: Cuando el mineral se exfolia presentando, al menos, una superficie plana más o menos irregular.

• Fractura: Cuando un mineral no presenta clivaje (no desarrolla planos de exfoliación) y se rompe de manera irregular sin obedecer a una dirección preferencial.

Dureza

• Dureza: Está dada por la resistencia que opone este a ser rayado por otro.

Escala de Mohs

La Escala de Mohs se ordena en orden creciente de dureza, siendo el diamante el mineral más duro conocido. Para efectuar la prueba de dureza se trata de rayar la muestra a analizar con un mineral de la tabla, procediendo de esta forma y por descarte, vemos el mineral que logra rayar en primer lugar a la muestra.

Ejemplo:

• Talco: mineral más blando (dureza 1).
• Yeso: dureza 2.
• Calcita: dureza 3.
• Fluorita: dureza 4.

Estos son fáciles de rayar con un vidrio.

• Apatito: dureza 5.
• Ortoclasa: dureza 6.

No se raya ni con un vidrio, pero sí con una lima de acero.

• Cuarzo: dureza 7.

No se raya con vidrio ni metal, se emplea para comprobar la dureza de otros materiales.

• Topacio: dureza 8. Es raro y usado en joyería.
• Corindón: dureza 9. Solo un diamante es capaz de rayarlo, también es una piedra preciosa.
• Diamante: dureza 10. Es el material más duro, se usa en joyas y para perforar y cortar.

Otras Propiedades

• Magnetismo: Esta propiedad está presente en muchos minerales metálicos y está dada por una orientación preferencial de sus cargas electrónicas.

• Brillo o Lustre: Es el aspecto que presenta su superficie al reflejar la luz sobre ella. El brillo puede ser metálico o no metálico (metálico: calcopirita; no metálico: malaquita, yeso).

• Color: Es la reflexión de una determinada longitud de onda de la luz blanca incidente sobre la superficie del mineral. Es una propiedad de gran atractivo en algunos minerales.

  • Minerales Idiocromáticos: Son aquellos minerales cuyo color se mantiene constante e invariable (ej. azufre, pirita, malaquita).
  • Minerales Alocromáticos: Son aquellos minerales cuyo color se modifica debido a la presencia de iones contaminantes (ej. cuarzo, calcedonia).

• Raya o Polvo: Se define como raya de un mineral al color que presenta cuando se encuentra finalmente pulverizado.

Clasificación de los Minerales

Clasificación por Origen

• Primarios: Son aquellos formados durante la cristalización y fraccionamiento de un magma, dando lugar a la formación de las rocas de la corteza terrestre.

  • Esenciales: Son aquellos minerales de la corteza terrestre que se encuentran en mayor proporción y cuya presencia determina la clasificación de las rocas (ej. el cuarzo, feldespatos, plagioclasas).
  • Accesorios: Son aquellos minerales que intervienen en menor cantidad y cuya presencia no puede por sí misma clasificar las rocas.
  • Accidentales: Son aquellos minerales generalmente accesorios, propios de un grupo de rocas, que por diversos factores se encuentran presentes en rocas que le son ajenas a su ambiente de formación.

• Secundarios: Son aquellos formados por la alteración química de los minerales primarios o por algún proceso que no guarda relación alguna con los fenómenos magmáticos.

Clasificación por Composición Química (Dana)

Esta clasificación agrupa a los minerales de acuerdo al grupo de compuestos químicos a los que pertenecen.

Grupos Principales

1. Grupo 1: Elementos Nativos. Son un grupo de minerales compuesto por elementos químicos que no se combinan con otros (ej. oro, azufre).

2. Grupo 2: Sulfuros. Minerales formados por átomos de azufre y metales en proporciones variables (ej. pirita, galena).

3. Grupo 3: Combinación con distintas sales.

4. Grupo 4: Haluros. Son sales que resultan de la combinación de un elemento halógeno (cloro, bromo, flúor o yodo) con el oxígeno.

5. Grupo 5: Óxidos e Hidróxidos. Son un grupo de minerales en los que el oxígeno se combina con metales.

6. Grupo 6: Carbonatos. Son minerales formados por combinaciones de carbono, oxígeno y distintos metales (ej. calcita, siderita).

7. Grupo 7: Sulfatos. Son compuestos complejos formados por la combinación de azufre y oxígeno junto con cationes.

8. Grupo 8: Boratos.

9. Grupo 9: Fosfatos, Arseniatos, Vanadatos, Antimoniato y Nitratos. Compuestos como el apatito.

10. Grupo 10: Tungstatos, Cromatos, Teluratos y Molibdatos.

11. Grupo 11: Silicatos. Es la base de la mayoría de las rocas de la corteza terrestre (tetraedros).

12. Grupo 12: Sales de Ácidos Orgánicos.

13. Grupo 13: Compuestos de Hidrocarburos.

Grupo de los Silicatos (Grupo 11)

La estructura fundamental de los silicatos es el tetraedro de sílice (SiO₄)⁴⁻.

Subgrupos de Silicatos

• Nesosilicatos: Los tetraedros son independientes, no comparten sus vértices con ningún otro tetraedro.

• Sorosilicatos: Los tetraedros de sílice están unidos a través de sus vértices.

• Ciclosilicatos: Aquí cada tetraedro de sílice está unido a través de uno de sus vértices con otros dos tetraedros, creando una estructura en forma de anillo compuesta por 3, 4, 6 o 9 miembros.

• Inosilicatos: En este grupo los tetraedros de sílice se unen en forma de cadenas. Pueden ser simples (en los cuales los tetraedros comparten dos de sus vértices) o dobles (en los cuales los tetraedros comparten alternadamente dos o tres vértices).

• Filosilicatos: Son minerales con una fuerte exfoliación de hábito hojoso o laminar y de baja dureza. Comprende el grupo de las micas.

• Tectosilicatos: En este grupo los tetraedros de sílice comparten todos sus vértices con los otros tetraedros. Se encuentran en gran cantidad en la corteza terrestre. Se distinguen el cuarzo y los feldespatos.

Grupos Minerales Importantes

• Grupo de la Sílice.

• Grupo de los Feldespatos: Estos minerales se caracterizan por tener dos direcciones de exfoliación perpendiculares o casi perpendiculares entre sí, con superficies planas, suavemente estriadas y con colores claros.

  • Plagioclasas: Conforman una serie mineral continua e isomorfa donde los minerales que la integran poseen calcio y sodio en distintas proporciones (ej. albita, labradorita).
  • Feldespatos Alcalinos: Aluminosilicatos potásicos, pueden incorporar en algunos casos proporciones variables de sodio. Estos no forman una serie continua debido a que sus especies minerales cristalizan bajo distintos sistemas en función de su temperatura de formación.

• Grupo de los Feldespatoides: Son aluminosilicatos semejantes a los feldespatos; no obstante, difieren de ellos debido a que poseen aproximadamente 1/3 menos de sílice en su estructura, razón por la cual son más ricos en álcalis (pertenecen a este grupo leucita y nefelina).

• Grupo de las Zeolitas: Son aluminosilicatos conformados por una estructura en forma de andamio muy abierta, en cuyos espacios se alojan diversos tipos de cationes y moléculas de agua. Se tratan de minerales blandos y de bajo peso específico (ej. chabazita, erionita, mordenita, estilbita).

Minerales Petrogenéticos

Son aquellos cuya presencia permite caracterizar, clasificar y definir las rocas.

• Olivinos: Grupo de nesosilicatos constituidos por octaedros, comúnmente asociado a rocas de origen volcánico.

• Piroxenos: Son inosilicatos de cadenas sencillas, compuestos por tetraedros de sílice con cationes de hierro, magnesio y calcio, y raramente de sodio y litio. Se forman a altas temperaturas dentro de las cámaras magmáticas (ej. augita).

• Anfíboles: Son inosilicatos de cadena doble, compuestos por tetraedros de sílice con cationes de hierro, magnesio, calcio, sodio y litio (al igual que los piroxenos). Se forman a temperaturas más bajas que los piroxenos.

• Cuarzo: Constituye el mineral más abundante de la corteza terrestre. Se presenta como mineral incoloro, transparente a traslúcido, de fractura concoidea, brillo vítreo y alta dureza.