- Curva de enfriamiento

Son una representación gráfica de la temperatura (T o Tº) de un material frente al tiempo (t) conforme este se enfría.

Como se habla de "enfriamiento", la temperatura debe disminuir mientras el tiempo avanza por eso se habla de una proporción inversa donde una cantidad disminuye mientras la otra aumenta.

- Formación de un mineral

Los minerales pueden formarse por cristalización a partir de fluidos o por transformaciones en estado solido. El primer caso incluye: a) enfriamiento de materiales fundidos de origen magmático (olivino, piroxenos, feldespatos...); b) evaporación a partir de una disolución acuosa (halita, yeso); o c) por sublimación de vapores (azufre). En el segundo caso, las transformaciones se producen por cambios en las condiciones ambientales, básicamente presión (P) y temperatura (T).

La importancia del estudio de los minerales radica en el hecho de que, además del valor económico que puedan tener (piedras preciosas, menas,etc.), constituyen un criterio de clasificación de las rocas y, sobre todo, porque proporcionan información sobre las condiciones en las que los minerales, y las rocas que los contienen, se han formado. Así, por ejemplo, a partir del estudio de minerales formados en zonas profundas podemos deducir las condiciones físico-químicas que imperan en estas zonas, inaccesibles a la observación directa. Por otro lado, el estudio de minerales formados en condiciones superficiales nos puede ayudar a determinar las condiciones que predominaron en la superficie de la Tierra en epocas pasadas. Podemos, por ejemplo, deducir la composición del agua de mares antiguos, a partir de los minerales que se formaron por espiración de estas aguas, o deducir variaciones paleoclimáticas a partir de minerales que se formaron por alteración de rocas superficales.

3.- Ciclo de las rocas

En el contexto del tiempo geológico las rocas sufren transformaciones debido a distintos procesos. Los agentes geológicos externos producen la meteorización, erosión y sedimentación de las rocas de la superficie.

Se llama meteorización a la acción geológica de la atmósfera, que produce una degradación, fragmentación y oxidación. Los materiales resultantes de la meteorización pueden ser atacados por la erosión y transportados. La acumulación de fragmentos de roca desplazados por la forman derrubios. Cuando cesa el transporte de los materiales, éstos se depositan en forma de sedimentos en las cuencas sedimentarias, unos sobre otros, formando capas horizontales (estratos).

Los sedimentos sufren una serie de procesos (diagénesis) que los transforman en rocas sedimentarias. Aquéllas proceden de la compactación y cementación de sedimentos; se producen en las cuencas sedimentarias, principalmente los fondos marinos.

La compactación es el proceso de eliminación de huecos en un sedimento, debido al peso de los sedimentos que caen encima. La cementación es consecuencia producida por la compactación; consiste en la formación de un cemento que une entre sí a los sedimentos (los fragmentos de rocas).

c) Rocas metamorficas

En sentido estricto es metamórfica cualquier roca que se ha producido por la evolución de otra anterior al quedar ésta sometida a un ambiente energéticamente muy distinto del de su formación, mucho más caliente o más frío, o a una presión muy diferente. Cuando esto ocurre la roca tiende a evolucionar hasta alcanzar características que la hagan estable bajo esas nuevas condiciones. Lo más común es el metamorfismo progresivo, el que se da cuando la roca es sometida a calor o presión mayores, aunque sin llegar a fundirse (porque entonces entramos en el terreno del magmatismo); pero también existe un concepto de metamorfismo regresivo, cuando una roca evolucionada a gran profundidad — bajo condiciones de elevada temperatura y presión — pasa a encontrarse en la superficie, o cerca de ella, donde es inestable y evoluciona a poco que algún factor desencadene el proceso.

Las rocas metamórficas abundan en zonas profundas de la corteza, por encima del zócalo magmático. Tienden a distribuirse clasificadas en zonas, distintas por el grado de metamorfismo alcanzado, según la influencia del factor implicado. Por ejemplo, cuando la causa es el calor liberado por una bolsa de magma, las rocas forman una aureola con zonas concéntricas alrededor del plutón magmático. Muchas rocas metamórficas muestran los efectos de presiones dirigidas, que hacen evolucionar los minerales a otros laminares, y t

oman un aspecto hojoso. Ejemplos de rocas metamórficas, son las pizarras, los mármoles o las cuarcitas.

Cuarcita,una forma de roca metamórfica, de la colección del museo de la Universidad de Tartu.

b) Rocas sedimentarias

Se constituyen por diagénesis (compactación y cementación) de los sedimentos, materiales procedentes de la alteración en superficie de otras rocas, que posteriormente son transportados y depositados por el agua, el hielo y el viento, con ayuda de la gravedad o por precipitación desde disoluciones. También se clasifican como sedimentarios los depósitos de materiales organógenos, formados por seres vivos, como los arrecifes de coral o los estratos de carbón. Las rocas sedimentarias son las que típicamente presentan fósiles, restos de seres vivos, aunque éstos pueden observarse también en algunas rocas metamórficas de origen sedimentario.

Las rocas sedimentarias se forman en las cuencas de sedimentación, las concavidades del terreno a donde los materiales arrastrados por la erosión son conducidos con ayuda de la gravedad.

Las estructuras originales de las rocas sedimentarias se llaman estratos, capas formadas por depósito, que constituyen formaciones a veces de gran potencia (espesor).

Su etimología procede del latín- sedimentum y del griego- guarrum.

Muestra de una roca sedimentaria

preparada para su observación.

a) Rocas magmáticas o ígneas

Se forman por la solidificación de un magma, una masa mineral fundida que incluye volátiles, gases disueltos. El proceso es lento, cuando ocurre en las profundidades de la corteza, o más rápido, si acaece en la superficie. El resultado en el primer caso son rocas intrusivas, formadas por cristales gruesos y reconocibles, o rocas volcánicas, cuando el magma llega a la superficie, convertido en lava por desgasificación.

Las rocas magmáticas intrusivas son con mucho las más abundantes, forman la totalidad del manto y las partes profundas de la corteza. Son las rocas primarias, el punto de partida para la existencia en la corteza de otras rocas.

Dependiendo de la composición del magma de partida, más o menos rico en sílice (SiO₂), se clasifican en ultramáficas (o ultrabásicas), máficas, intermedias y siálicas o ácidas, siendo estas últimas las más ricas en sílice. En general son más ácidas las más superficiales.

Las estructuras originales de las rocas ígneas son los plutones — formas masivas originadas a gran profundidad —, los diques, constituidos en el subsuelo como rellenos de grietas, y coladas volcánicas, mantos de lava enfriada en la superficie. Un caso especial es el de los depósitos piroclásticos, formados por la caída de bombas, cenizas y otros materiales arrojados al aire por erupciones más o menos explosivas. Los conos volcánicos se forman con estos materiales, a veces alternando con coladas de lava solidificada (conos estratificados).

Diorita

2.- Clasificación de las rocas

Las rocas se pueden clasificar atendiendo a criterios tales como la composición química, la textura, la permeabilidad, entre otros. En cualquier caso, el criterio más usado es el origen, es decir, el mecanismo de su formación. De acuerdo con este criterio se clasifican en ígneas (o magmáticas), sedimentarias y metamórficas, aunque puede considerarse aparte una clase de rocas de alteración, que se estudian más a menudo entre las sedimentarias.

En la corteza terrestre se distinguen tres tipos de rocas:

• Rocas ígneas: rocas formadas por la solidificación de magma o de lava (magma desgasificado).
• Rocas metamórficas: rocas formadas por alteración en estado sólido de rocas ya consolidadas de la corteza de la Tierra, cuando quedan sometidas a un ambiente energético muy diferente del de su formación.
• Rocas sedimentarias: rocas formadas por la consolidación de sedimentos, materiales procedentes de la erosión de rocas anteriores, o de precipitación a partir de una disolución.

Bloques rocosos en la orilla del mar.

1.- Composición de las rocas

Las rocas están constituidas en general como mezclas heterogéneas de diversos materiales homogéneos y cristalinos, es decir, minerales, aunque algunas están formadas como agregados de cristales o granos de un solo mineral (rocas monominerales).

Los Minerales esenciales son los minerales que caracterizan la composición de una determinada roca, los más abundantes en ella. Por lo que no caracterizan a la roca de la que forman parte. Por ejemplo, el granito puede contener zircón y apatito.

Las rocas compuestas o poliminerálicas están formadas por granos de varias especies mineralógicas y las rocas monominerálicas están constituidas por granos de un mismo mineral. Las rocas suelen ser materiales duros, pero también pueden ser blandas, como ocurre en el caso de las rocas arcillosas o las arenas.

Zircón y apatito. Componentes del granito.

- Roca (definición)

Una vez definido el termino mineral, una roca puede considerarse, simplemente, como un agregado o asociación de uno o más minerales que conservan individualmente sus propiedades.

Una roca estará caracterizada por la presencia de determinados minerales, en proporciones distintas dentro de cada tipo de roca. Una roca puede estar formada por un solo mineral (p.e., yeso, caliza) o por varios minerales (p.e., granito).

Granito.

. ¿Qué es un mineral?

Un mineral es un sólido homogéneo, inorgánico, que se presenta de manera natural y que posee una estructura atómica ordenada y una composición química definida o que varía dentro de ciertos limites, lo que le confiere una serie de propiedades físicas y características determinadas.

Esta definición excluye productos obtenidos artificialmente y ciertas sustancias que algunos autores consideran verdaderos minerales, mientras que otros las denominas mineraloides. Tal es el caso de las sustancias amorfas que carecen de estructura interna ordenada, como por ejemplo el ópalo (fig. 1) ya la calcedonia; o de sustancias de estado líquido (petróleo), o gaseoso (metano). Esta definición es también ambigua en el sentido de que existan algunos minerales, por ejemplo la calcita (CaCO3), que puede ser producida por organismos vivos y en nada difiere de la calcita formada por procesos naturales en los que no hay organismos implicados.

Vemos, por tanto, que la definición de mineral es compleja ya que no se ha alcanzado un consenso respecto al significado exacto del termino <>. En nuestro caso no entraremos en una discusión en profundidad de esta definición y utilizaremos este termino según la definición presentada al comienzo de este apartado ya que engloba la mayoría de los, aproximadamente, 3.000 minerales reconocidos hasta la actualidad.

Fig. 1: Ópalo. Ejemplo de sustancia amorfa.

- Cristaloquimica

Hasta ahora hemos considerado al cristal como una red tridimensional de nudos ocupando posiciones fijas que, aunque es una visión puramente geométrica, nos ha permitido ver algunos aspecto de la simetría de los cristales.

En la realidad, sin embargo, cada nudo de la red esta ocupado por un átomo, ion, grupo iónico molécula que se mantienen unidos mediante distintos tipos de enlaces químicos más o menos resistentes. Cada nudo de la red representa la posición de equilibrio que solo se alcanza totalmente en el cero absoluto de temperatura. De hecho, estas partículas oscilan constantemente de forma que al aumentar la temperatura aumenta la agitación de las partículas, pudiendo distorsiones de las red o incluso llegar a romperla totalmente. Cuando esto ocurre, se rompen los enlaces químicos mantenían unido el edificio cristalino y se produce, el paso del estado solido al liquido.

El tipo de enlace que prevalece en un edificio cristalino determina, en gran medida, algunas propiedades de los minerales: dureza, conductividad eléctrica, punto de fusión solubidad, etc. (ver tabla 2).

TABLA 2: Tipo de enlace y propiedades de los minerales.

Edificio y fuerza del enlace	Naturaleza	Dureza	Propiedades eléctricas y solubilidad (en agua y ácidos débiles)
Iónico - Fuerte	Atracción electrostática entre los iones de cargas opuestas	Moderada a alta	Aislantes medios Alta
Covalente - Muy Fuerte	Se comparten pares de electrones	Alta	Aislantes – Muy baja
Mixto, iónico y covalente- Muy fuerte		Moderada a alta	Aislantes – Baja
Metálico - Variable	Se comparten electrones libres	Baja	Conductores - Muy baja
Molecular - Muy débil	Fuerzas electrostáticas en los dipolos	Muy baja	Aislantes - Baja

Propiedades estructurales	Propiedades térmicas	Mineral ejemplo
No dirigido, coordinación elevada entre los iones, estructura densa	Temperatura de fusión bastante alta. En estado fundido: iones	Calcita (CaCO3) Halita (NaCl)
Enlace dirigido, coordinación débil, estructura poco densa	Temperatura de fusión elevada. En estado fundido: moléculas	Diamante (C) Esfarelita (ZnS)
	Temperatura de fusión elevada	Olivino (Mg2SiO4) Moscovita KAl2(Si3Al)O10(OH)2
No dirigido, coordinación muy elevada, estructura muy densa	Temperatura de fusión variable	Oro (Au) Cobre (Cu)
Similares al enlace metálico.	Temperatura de fusión baja	Azufre (S)

4.- Los edificios moleculates

Son caracteristicos de las sustancias organicas, aunque

pueden darse en algunas sustancias inorganicas como el azufre. Los nudos de la red cristalina estan ocupados por moleculas electricamente neutras, que se mantienen unidas por cargas electricas residuales muy debiles semejantes a las fuerzas de Van der Waals, existente en los gases.

Azufre

2.- Red espacial cristalina

El ordenamiento en las tres direcciones del espacio de los distintos átomos, iones o grupos iónicos, considerados como puntos geométricos o nudos, forma una red espacial cristalina. Esta red es el resultado de la repetición, por traslación en las tres direcciones del espacio de una unidad estructural denominada poliedro fundamental. Este poliedro esta definido por tres vectores fundamentales de traslación a, b y c, formando tres ángulos α, β y γ. En función de estos tres vectores y de los ángulos que forman podemos definir siete tipos de poliedros fundamentales que se resumen en la tabla.

Sistema	Eje de simetría	Número de redes en el sistema	Constantes cristalográficas
Triclínico		1	a ≠ b ≠ c α ≠ β ≠ γ ≠ 90°
Monoclínico	1 eje binario	2	a ≠ b ≠ c α = γ = 90° ≠ β
Rómbico	3 ejes binarios	4	a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90°
Romboédrico	1 eje ternario	1	a = b = c α = β = γ ≠ 90°
Hexagonal	1 eje cuaternario	1	a = b ≠ c α = β = 90° γ = 120°, 60°
Tetragonal	1 eje cuaternario	2	a = b ≠ c α = β = γ = 90°
Cúbico	4 ejes ternarios	3	a = b = c α = β = γ = 90°

TABLA 1: Redes de Bravais.

La combinación de estos poliedros con la distinta distribución o disposición de los nudos permite definir catorce redes cristalinas denominadas redes de Bravais (fig. 5), agrupadas en siete sistemas cristalinos que poseen ejes de

simetría del mismo orden.

Fi5:RedesespacialesdeBravais.

Las catorce redes espaciales de bravais resultan de la combinación de las siete celdas elementales con la distinta distribuicion o disposicion de los nudos en la red espacial.

Hay que destacar las siete redes fundamentales que corresponden a los siete sistemas cristalinos: triclínica; monoclínica simple; romboédrica; hexagonal; tetragonal simple y cúbica simple. Sus caracterrísticas se describen en la tabla adjunta.

1.- Elementos de simetría

Esta disposición ordenada hace que aparezcan elementos geométricos de simetría tales como ejes, planos y centros de simetría (fig. 3a). En efecto, los cristales tienen ejes de simetría, que son lineas imaginarias que atraviesan el cristal en una posición tal que al girara el cristal alrededor del eje se repite un mismo motivo un numero determinado de veces en rotación de 360º (fig. 3a). Observando la figura 3b vemos que al efectuar giros de alrededor de los ejes AA', un mismo motivo se repite cuatro veces (eje cuaternario), mientras que si efectuamos el mismo giro alrededor de BB', el mismo motivo se repite tres veces (eje ternario)o dos veces alrededor de CC' (eje binario) (fig. 3b).

El plano P (fig. 3a) divide el cristal en dos partes iguales, cada una de las cuales es la imagen especular perfecta de la otra; en esta posición existe un plano se simetría (fig. 3a y c). Por ultimo, alrededor de C existe la misma disposición material, motivando la aparición de un centro simetría (fig. 3b).

En los cristales estos elementos regulan la disposición de las caras, aristas y vértices, de forma que el estudio detallado de los mismos nos permite determinar la simetría que posee el cristal. Los elementos de simetría que, solos o combinados entre sí, pueden aparecer en los cristales son siete: cinco ejes de simetría de orden binario, ternario, cuaternario y senario, plano se simetría y centro de simetría.

Fig 3: Disposición ordenada de los cristales.

El sistema cubico se

caracteriza por poseer cuatro ejes ternarios equidistantes entre si (BB'), que dan origen a seis ejes binarios (CC') normales entre sí y equidistantes de los ternarios y que pasan a tres ejes cuaternarios (AA') en las clases de mayor simetría de este sistema.

En el caso de los planos de simetría del cubo existen tres planos de simetría normales a los ejes cuaternarios y seis planos de simetría normales a los ejes binarios y centro de simetría.

- Cristalografía

A diferencia de los líquidos y gases, en la mayoría de los solidos las partículas elementales que los forman (átomos, iones, grupos iónicos o moléculas) tienen una disposición interna ordenada, que caracteriza al solido cristalino. La forma externa ideal de un solido cristalino es un cristal, que es un solido geométrico regular,limitado por superficies planas (caras) que se cortan a lo largo de lineas rectas (aristas), que, a su vez, convergen unas con otras formando ángulos determinados (fig. 2),

Los cristales desarrollan su forma externa durante el proceso de criatalización, en el cual los átomos, iones o moléculas se van integrando u encajando dentro de un armazón tridimensional o edificio cristalino. Una vez nucleado el cristal y asumiendo que se han alcanzado las condiciones adecuadas de quimismo, presión y temperatura, el grado de crecimiento dependerá básicamente del tiempo y espacio disponible para su desarrollo. Si el cristal dispone de un espacio reducido, limitado por la existencia de otros cristales, el borde exterior del cristal se ajustara a la superficie irregular disponible, con lo cual no se observara la verdadera forma del cristal. A pesar de ello, la estructura interna se ajustara exactamente a la disposicion ordenada de las partículas dentro del edificio cristalino.

Fig. 2: Cristales de fluorita. Ejemplo de sólido cristalino.

1.- Los edificios iónicos

En los edificios iónicos, los átomos se mantienen en sus posiciones gracias a la atracción electrostática que se establece entre los iones de carga opuesta, es decir, entre aniones, iones con carga negativa, y cationes, iones con carga positiva. El enlace iónico se caracteriza por la transferencia de uno o más electrones de un átomo a otro, que deja iones de carga opuesta en

contacto, produciendo un enlace químico muy fuerte (fig. 6). Este tipo de enlace aparece en un gran numero de minerales tales como: carbonatos, sulfatos, algunos óxidos, halogenuros, sulfuros, etc. Un ejemplo típico es la sal común o halita (NaCl), donde los iones Cl- y N

a+ se distribuyen en posiciones alternantes (fig. 6b) En la capa externa del anión Cl- hay un electrón en exceso, tomado de la capa más externa del catión Na+, que ha quedado con un electrón menos, y, por tanto, con carga positiva (fig. 6a).

Fig. 6 : Enlace iónico.

a) Ejemplo de enlace iónico entre un átomo de sodio (Na) y uno de cloro (Cl). El átomo de Na cede un electrón de su orbital más externo al átomo de Cl, formándose iones cargados eléctricamente (Na+ y Cl-) que se unen por la atracción electrostática que se establece entre los iones de carga opuesta.

---------------------------------------------- a)

En estos edificios los cationes, que ocupan una posición central (fig. 7b), están rodeados por un numero determinado de iones que difiere de la coordinación o numero de coordinación de ese catión. En general, se conserva una tendencia clara a que los iones se agrupen en estructuras lo más densas posibles; en cualquier caso, el tamaño relativo de los iones influye en la disposición espacial que adopten (fig. 7a y b). Por lo tanto, el numero de coordinación depende de la relación del radio del catión y los aniones que lo rodean, siendo el radio iónico la distancia desde el centro del núcleo del átomo hasta el orbital más externo. Un catión central grande puede estar rodeado de un mayor numero de aniones que un catión de radio pequeño (fig. 7b). Así por ejemplo, un numero de coordinación 4 indica que existen cuatro aniones alrededor de un catión central. La figura 7c resume las estructuras tridimensionales (poliedros de coordinación) más frecuentes.

b)

Fig 7: Tamaño de los iones.

a) Tamaño de los iones de los elementos más abundantes (un ángstorm, A, equivale a 10-10 metros).

b) Diagrama ilustrado cómo el tamaño relativo de los iones influye en la ordenación tridimensional que adoptan.

c) Poliedros de coordinación que se observan con más frecuencia en los minerales.

c)

2.- Los edificios covalentes

En los edificios covalentes, los átomos se enlazan compartiendo uno o varios pares de electrones, cuyos orbitales comunes ejercen la acción de enlace. Es frecuente entre entre elementos electronegativos, que ceden con dificultad sus electrones. Debido a que los átomos comparten parte de sus envolturas externas de electrones, el enlace covalente es el más fuerte que existe y suele estar dirigido en determinadas direcciones (fig. 8). El diamante es un mineral típico con enlaces covalentes, en el que el átomo central comparte un electrón con cada uno de los átomos que lo rodean y que están localizados en los vértices de un tetraedro.

Fig. 8 : Enlace covalente. En el enlace covalente, los átomos se unen compartiendo pares de

electrones de sus capas más externas.

a y b) Dos átomos de hidrógeno (a) y dos átomos de oxigeno (b) se unen, mediante enlace covalente, para formar una molécula de y otra de oxigeno.

c) Dos átonos de hidrógeno (H) y uno de oxigeno (O) se unen para formar una molécula de agua.

d) Tres átonos de hidrógeno se unen con uno de nitrógeno (N) para formar una molécula de amoniaco.

e) Cuatro átomos de hidrógeno unidos con un átomo de carbono (C) forman una molécula de metano.

5.- Los edificios mixtos

Es muy frecuente que en un mismo edificio cristalino los átonos, iones o moléculas estén unidos mediante distintos tipos de enlaces, como es el caso, por ejemplo, del grafito (fig. 9). Este mineral contiene únicamente átonos de carbono (C) dispuestos en una estructura laminar. En cada lamina, los átomos de carbono se unen mediante enlaces covalentes de forma que las laminas son muy fuertes y flexibles, mientras que el enlace que prevalece entre las laminas es un enlace muy débil que facilita el deshojamiento o encamación de esas laminas (fig. 9), de ahí que la exofoliación sea perfecta a lo largo de

estos planos.

Fig. 9: Disposición de los átomos de carbono (C) en el grafito. En las láminas, los átomos de C se unen mediante enlaces covalentes, mientras que las laminas se unen mediante enlaces moleculares, La debilidad del enlace que une las laminas hace que se puedan separar fácilmente y que la exfoliación de este mineral sea perfecta.

3.- Los edificios metálicos

Los nudos de la red cristalina están ocupados por núcleos atómicos rodeados por una nube de electrones, con gran movilidad, que no pertenecen a ningún átomo en concreto, pero que son comunes a todos ellos. Son propios de elementos poco electronegativos, que liberan con facilidad los electrones de sus orbitales más externos. Se suelen dar en metales, aleaciones naturales y algunos sulfuros y arseniuros. La gran movilidad de los electrones les confiere una gran conductividad eléctrica y térmica.

Los cuerpos metálicos presentan un tipo de enlace de gran cohesión debido a que varios átomos comparten una nube de electrones que circulan de una órbita a otra sin pertenecer a un núcleo concreto. Esta propiedad, característica de elementos poco electronegativos, proporciona a los metales sus propiedades de dureza, tenacidad y gran conductividad electro térmica.

¿Que es un Sólido?

Estado de agregación de la materia en el que los sólidos poseen un tamaño y forma definidos, debido a que sus átomos están muy próximos y ligados por fuerzas de cohesión muy considerables. Dichos átomos constituyentes presentan únicamente una ligera vibración respecto de su posición media.

Si las moléculas del sólido ocupan lugares en el espacio distribuidos de forma regular (o sea, se repiten periódicamente),éste se llama sólido cristalino, lo que confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente; son por tanto agregados generalmente rígidos, duros y resistentes.

Si la disposición no tiene regularidad se denomina sólido amorfo.

QUÍMICA DEL ESTADO SOLIDO.

La química del estado sólido es el estudio de los materiales sólidos, sean de base molecular, metálica, cristalina o cerámica. La química del estado sólido estudia tanto la síntesis química como la estructura y las propiedades físicas (eléctricas, magnéticas, ópticas, térmicas y mecánicas) de los sólidos. De esta forma, tiene un solapamiento intenso con la física del estado sólido, la mineralogía, la cristalografía, la cerámica, la metalurgia, la termodinámica, la ciencia de materiales y la electrónica.