CRISTALOGRAFIA Y CRISTALOQUÍMICA

Mineral (definición): Sólido homogéneo por naturaleza con una composición química definida (pero generalmente no fija) y una disposición atómica ordenada.

Geología Tema 2

Mineral (definición): Sólido homogéneo por naturaleza con una composición química definida (pero generalmente no fija) y una disposición atómica ordenada.

•Sólido- excluye gases y líquidos.

•Homogéneo- consta de una única sustancia sólida que no puede ser dividida por medios físicos en simples componentes químicos.

•Composición química definida- se expresa mediante una fórmula química específica que puede variar entre ciertos límites.

•Disposición atómica ordenada- existe una estructura de átomos, iones o moléculas ordenados según un modelo geométrico regular. Cuando no existe, se consideran amorfos.

•Formada por procesos naturales- no sintetizado artificialmente.

•Origen inorgánico- se pueden incluir los compuestos orgánicos que se ajusten a la definición de mineral.

Materia cristalina Cristal (definiciĂłn): SĂłlido homogĂŠneo que posee un orden interno tridimensional a largo alcance

Materia cristalina Cristal (definición): En un cristal existe siempre una unidad (unidad estructural) que se repite periódicamente (orden interno)

Retículo cristalino Conjunto de redes planas equidistantes entre sí cuyos nudos son puntos materiales (átomos, iones o moléculas).

Celda unidad Los períodos de traslación de tres filas no coplanarias y los ángulos formados entre ellas definen la celda unidad. Son sus constantes reticulares propias de cada especie.

c

a

a

a

Sistemas cristalinos

Cúbico a = b = c    

c

Hexagonal c ab   

b c

Tetragonal a = b  c    

b a

Monoclinico a  b  c     

c

b c

b

Ortorombico  a  b  c   

b a

Romboédrico a= b = c   

a

c

Triclinico  abc

b



Red espacial tridimensional o reticular.

Apilamiento de varios planos reticulares idénticos y paralelos. Bravais (1850) definió 14 posibles redes espaciales (7 básicas y 7 derivadas)

Propiedades de la materia cristalina : HOMOGENEIAD. Todas las direcciones y planos paralelos son equivalentes y tienen iguales propiedades.

ANISOTROPÍA. Hay propiedades físicas del cristal que varían con la dirección.

Ejemplo: la luz recorre el cristal con un índice

de refracción distinto para cada dirección

SIMETRÍA. Equivalencia en direcciones no paralelas por la repetición de ciertos elementos.

Ejemplo: si hacemos girar el cristal según el eje, la cara del

prisma se repetirá seis veces en un giro completo y diremos que ese cristal tiene un eje senario de simetría en esa dirección

Un mineral estará definido por una composición química y una estructura cristalina Una misma sustancia puede presentarse bajo dos o más estructuras cristalinas.

Cada una genera una especie mineral distinta. Se dice que son polimorfos.

Ejemplo: calcita y aragonito, ambos obedecen a la fórmula Ca(CO3), la calcita tiene simetría trigonal y el aragonito rómbica.

Calcita Aragonito

Cuando bajo la misma estructura cristalina hay sustancias distintas, se dice que son isomorfas. Éstas, pueden formar cristales mixtos.

Ejemplo: Fosterita Mg2SiO4 y Fayalita Fe2SiO4 que constituyen la serie del Olivino (Fe,Mg)2SiO4,donde tenemos todos los casos intermedios entre Fosterita y Fayalita.

Cristalizacion (formación de cristales) Tipos de Cristales Tipos Iónico

Ejemplos NaCl, LiF, MgO,

CaCO3

Molecular

Ar, CO2, I2, H2O,

C12H22O11

Covalente

C (diamante), SiO2 (cuarzo)

Metálico

Todos los elementos metálicos Na, Mg, Fe, Cu

Modelos de crecimiento: • Crecimiento sólido-sólido o recristalización, • Cristalización líquido-sólido (a partir de una disolución, un fundido o un vapor).

Fases: • Nucleación (homogénea o heterogénea), • Crecimiento.

Nucleación Generación de un pequeño volumen de materia cristalina

- La sobresaturación es una condición necesaria pero no suficiente para la formación de un mineral a partir de una disolución.

- Cristal debe ser capaz de nuclearse y crecer.

Nucleación homogénea: Formación de núcleos cristalinos sin intervención de partículas extrañas, superficies de la misma naturaleza o de diferente naturaleza que la fase.

Núcleo: Conjunto de partículas (átomos, iones, moléculas, etc.) ordenadamente dispuestas, de modo que pueden servir de germen o semilla para el crecimiento del cristal.

Crecimiento cristalino Integración ordenada de partículas (atomos, moleculas,…) en la superficie de un cristal o de un núcleo cristalino.

Abundancia de elementos quĂ­micos y de minerales en la corteza terrestre

Si 14.4%

Al Ca S 3.0%1.4%1.0% O 50.7%

Fe 15.2% Mg 15.3% Abundancias Tierra

Abundancias Corteza

Cristaloquímica

Estructura atómica y tabla periódica Las propiedades de un mineral dependen de la composición química y de la estructura atómica.

La ciencia que estudia los principios generales que relacionan la química de los minerales con su estructura y propiedades físicas es la Cristaloquímica.

Recordatorio Fuerzas eléctricas (o enlace químico) • IONICO atracción electrostática entre iones de carga opuesta • COVALENTE átomos diferentes comparten los mismos electrones • METALICO los átomos están unidos entre si por una nube de electrones

• VAN DER WAALS moléculas neutras unidas mediante débiles fuerzas residuales

Cristaloquímica

Estructura atómica y tabla periódica El carácter geoquímico de los elementos es función de: - Radio iónico - Tipo de enlace: •.Iónico, menor aproximación entre núcleos, empaquetamiento menos denso •.Covalente, aproximación intermedia •.Metálico, mayor aproximación entre los núcleos, empaquetamiento más denso - Potencial de ionización: es la energía necesaria para desprender un electrón de un elemento. Cuanto menor es el potencial de ionización mayor el la facilidad de un elemento para dar compuestos de carácter iónico.

- Electronegatividad: es la tendencia de un átomo a atraer o captar un electrón.

Cristaloquímica

Estructura atómica y tabla periódica Cristales con dos o mas tipos de enlace

Heterodésmicos

Cristales con un único tipo de enlace

Homodésmicos

Cristaloquímica

Estructura atómica y tabla periódica

PROPIEDADES

IÓNICO

COVALENTE

METÁLICO

Intensidad

Fuerte

Muy fuerte

Moderado

Mecánica

Dureza moderada

Dureza grande

Dureza pequeña

Eléctrica

Malos conductores

Aislantes

Buenos conductores

Térmica

P.f. moderado

P.f. alto

P.f. variable

Solubilidad

Alta

Muy baja

Insolubles

Estructura

No direccional Coordinación alta

Direccional Coordinación baja

No direccional Simetría baja

Ejemplos

Halita - Calcita

Diamante - Esfalerita

Cobre – Oro

NÚMERO DE COORDINACIÓN (es el número de iones o átomos más próximos a uno central

NÚMERO DE COORDINACIÓN (es el número de iones o átomos más próximos a uno central

NC FORMA GEOMÉTRICA 2

Lineal

Rx:Ry = < 0,155

3

Triangular

= 0,155-0,225

4

Tetraédrica

= 0,225-0,441

6

Octaédrica

= 0,414-0,732

8 12

Cúbica ECC y EHC

= 0,732-1,000 =>1

REGLAS DE PAULING • Regla 1. Alrededor de cada catión se forma un poliedro coordinado de aniones, estando determinada la distancia catión-anión por la suma de los radios, y el número de coordinación del catión por la relación de radios.

• Regla 2. Principio de valencia electrostática. En una estructura de coordinación estable, la fuerza total de los enlaces de valencia que ligan un anión con todos los cationes próximos es igual a la carga del anión.

• Regla 3. La existencia de aristas y especialmente de caras comunes a dos poliedros de aniones en una estructura coordinada, disminuye la estabilidad.

• Regla 4. En un cristal que contiene diferentes cationes, los de valencia más elevada y número de coordinación bajo, tienden a no compartir los elementos del poliedro con los otros cationes.

• Regla 5. Principio de parsimonia. El número de clases esencialmente diferentes de constituyentes de un cristal tiende a ser pequeño, pues existen pocos tipos de contraste en las posiciones de los cationes y aniones

Poliedros de coordinaciรณn

• Los cristales en los cuales los enlaces tienen igual fuerza(ej.: halita): Compuestos ISODESMICOS • Cuando cationes pequeños de carga elevada coordinan aniones mayores con carga menos fuerte, resultan grupos con fuertes enlaces (ej.: carbonatos y nitratos) [v.e.>1 (:1/2 carga oxígeno)] Compuestos ANISODESMICOS • Cuando la fuerza de los enlaces que ligan el catión central coordinador a unos aniones coordinados, es, exactamente, la mitad de la energía del enlace del anión: [v.e.=1 (:1/2 carga oxígeno)] Compuestos MESODESMICOS (ej.: boratos y silicatos). Capacidad de polimerizarse (formar cadenas, hojas,..)

PBS (Pauling Bond Strenght) = valencia electrostática (v.e.): medida de la fuerza de cualquiera de los enlaces que desde sus vecinos más próximos llegan al ión coordinador (cociente entre la carga del valencia del ión y su nº de coordinación)