Aplicación de la mineralogía en la industria

...

ISOMORFICO, se dice de 2 o más minerales, u otras sustancias cristalinas, que tienen las mismas o similares formas cristalinas. Esta definición fue introducida por Mitscherlich en 1819, además el también indico que tales sustancias tiene fórmulas y estructuras cristalinas análogas. Muchos grupos isomórficos tienen tales características, como por ejemplo minerales del grupo de la espinela.

Muy pocos de los cientos de especies minerales ocurren en la naturaleza como sustancias puras, y la mayoría de ellos muestran una considerable variación en la composición química. El cuarzo es uno de los pocos minerales que es predominantemente una sustancia pura, pero aún así muestra una considerable variación de sus elementos trazas. Es útil discutir la composición química del mineral en términos de elementos mayores (elementos presentes en más del 10% en peso), elementos menores (elementos presentes en menos del 10% en peso), y elementos trazas (elementos presentes en menos del 1% en peso).

Para introducir el concepto de variación química exhibida por un mineral/ grupo/ familia, se puede examinar primero la sustitución química de los minerales isoestructurales (es decir variación química con la misma estructura cristalina). Esto es conocido como solución sólida.

SOLUCION SÓLIDA (mezcla isomórfica), se dice de un mineral que tiene una estructura cristalina en la cual, algunos sitios equivalentes están ocupados por iones diferentes en proporciones variables.

Ejemplo:

La formula de la esfalerita es: ZnS, pero la esfalerita CASI SIEMPRE tiene cantidades importantes de hierro (además de otros elementos tales como Cd, Tl, Mn, etc). El hierro esta ocupando posiciones que debieron ser ocupadas por el Zn.

Hay tres factores que determinan si una solución sólida puede ocurrir, y determina la cantidad de solución sólida que puede ocurrir.

1. El tamaño del ión, átomo o moléculas que están siendo sustituido por otros (no mayor a 15%, si difiere entre 15 y 30% la sustitución es rara o limitada, si el radio difiere en más del 30% la sustitución es improbable).

2. La carga o estado de la valencia de los iones envueltos en la sustitución. El requerimiento fundamental para la estabilidad del mineral es que la neutralidad eléctrica del mineral debe existir.

3. La temperatura a la cual la sustitución tiene lugar. La extensión de la sustitución esta determinada por la naturaleza de la estructura y la temperatura de formación de la sustancia (T altas de sustitución, debido al incremento de la vibración de los iones)

“Termometría geológica”: Una vez que el grado de sustitución atómica ha sido determinado para una sustancia dada para diferentes temperaturas y presiones, la composición de sus ocurrencias naturales análogas puede ser considerada para indicar la temperatura y presión de formación de dicha sustancia.

Tipos de sustitución

Catiónico o Aniónico Simple: Es el tipo más simple, en el que la carga y el tamaño del ión sustituto es el mismo que el ión remplazado. En la siguiente tabla la sustitución está indicada por el signo"=".

K = Na

KCl - NaCl (halita- silvita); KAlSi3O8 - NaAlSi3O8 (ortoclasa - albita)

Mg = Fe = Mn

(Mg, Fe, Mn)2SiO4 (olivino); (Mg, Fe, Mn)SiO3 (piroxeno)

Cl = Br

(KCl - KBr)

Fe = Zn

(Zn,Fe)S (esfalerita)

Dependiendo del tamaño relativo de la sustitución iónica y de la temperatura, la solución puede ser completa (e.g., Mg-Fe olivino y piroxeno) o parcial (e.g., ortoclasa - albita; halita - silvita).

Sustitución Acoplada: Si en una composición genérica A2+X2-, el catión B3+ sustituye algo de A2+, la neutralidad eléctrica puede ser mantenida solo si una cantidad n idéntica de A2+ es remplazada al mismo tiempo por el C+. Esta sustitución puede ser representada por la ecuación: 2A2+ = 1B3+ + 1 C+, la cual tiene idéntica carga eléctrica en ambos lados de la ecuación. A continuación algunos ejemplos:

Ti4+ = 2Al3+

(Al, Ti)O3 (corindón, var. záfiro)

Na+Si4+ = Ca2+Al3+

NaAlSi3O8 - CaAl2Si2O8 (plagioclasas)

Mg2+Al3+ = Fe2+Ti4+

(Mg,Fe)(Al,Ti)204 (grupo de la espinela)

Sustitución Intersticial: Entre átomos, o grupos iónicos, los intersticios estructural pueden existir (vacíos). Es posible que estos sitios puedan ser ocupados. En algunas estructuras cristalinas estos vacíos son como canales. Un buen ejemplo es el mineral berilo (Be3Al2Si6O18). En el berilo, iones grandes y aún moléculas pueden ocupar la cavidad tubular. Considerables cantidades de K+, Rb+, H2O y CO2 pueden ser encontradas en estas estructuras.

Solución sólida por Vacancia: En algunas soluciones sólidas, sitios vacantes normalmente pueden ser llenados como parte de una sustitución acoplada. Un importante ejemplo es el grupo mineral anfíbol. Un miembro final abundante de este grupo es la tremolita la cual tiene la formula ideal:

[ ] Ca3Mg5Si8O22(OH)2

donde [ ] representa un sitio vacante cristalográfico. Los minerales pueden utilizar este sitio vacante en sustitución acoplada tal como:

[ ] +Si4+ = Na+Al3+

Solución Sólida por Omisión: Lo opuesto a la sustitución por vacancia también ocurre en minerales. En este caso la sustitución acoplada requiere que un sitio normalmente ocupado se quede vacante. Un ejemplo común es la incorporación de Pb2+ en silicatos por sustitución de K+. El plomo es un catión muy grande, y puede ser solamente sustituido por otro ión igual de grande tal como el K+. Esta sustitución trabaja como sigue:

K+ + K+ = Pb2+ + []

En esencia, el Pb2+ remplaza al K+, y para mantener el balance de carga, un sitio cristalográfico normalmente ocupado por K es dejado vacante.

De lo anterior, claramente se observa que los minerales tienen muchos mecanismos por los cuales ellos pueden alterar