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Los minerales son sustancias inorgánicas que se encuentran en la Tierra, con propiedades únicas que ayudan en la identificación y el análisis.
Muchos minerales exhiben una estructura cristalina. Estos materiales cristalinos tienen arreglos atómicos altamente ordenados, formados por agrupaciones atómicas repetidas, llamadas celdas unitarias. Debido a que las celdas unitarias son idénticas dentro de un cristal, son responsables de la simetría del cristal a micro y macroescala.
Esta simetría hace que los cristales minerales se rompan, o se partan, de una manera predecible. La escisión es la tendencia de un cristal a romperse a lo largo de planos estructurales débiles. Por lo tanto, la forma en que un mineral se escinde proporciona información sobre su estructura cristalina.
Este video demostrará el análisis de formas de cristales minerales a macroescala mediante la ruptura de muestras de minerales y la observación de su escisión.
Los sólidos cristalinos contienen átomos organizados en un patrón repetido, mientras que los sólidos amorfos no tienen orden. Por ejemplo, el carbono se puede encontrar en muchas formas. Los átomos del carbono amorfo están organizados aleatoriamente, mientras que los átomos del diamante están dispuestos en un cristal ordenado.
Un cristal es una matriz de celdas unitarias idénticas y repetidas, que se definen por la longitud de los bordes de las celdas unitarias y los ángulos entre ellas. Estas estructuras repetidas se extienden infinitamente en tres direcciones espaciales y definen la uniformidad y las propiedades del cristal.
Hay siete celdas unitarias básicas. La celda unitaria más simple, el cubo, tiene longitudes de borde iguales y un átomo en cada esquina. Las variaciones incluyen tetragonal y ortorrómbico, que poseen diferentes longitudes de borde.
Las estructuras cristalinas romboédricas poseen una geometría de cara paralela similar sin ángulos rectos. Monoclínico y triclínico tienen una forma similar, pero con ángulos y longitudes de borde variados. Finalmente, la estructura hexagonal está compuesta por dos caras hexagonales paralelas, con seis caras rectangulares.
Las variaciones en estas estructuras surgen cuando se contienen átomos adicionales en la cara del cristal, llamados centrados en la cara, o en el cuerpo del cristal, llamado centrado en el cuerpo.
Cuando los cristales se rompen, tienden a dividirse a lo largo de planos cristalinos estructuralmente débiles. La calidad de la escisión depende de la fuerza de los enlaces dentro y a través del plano. Una buena escisión se produce cuando la fuerza de los lazos dentro del lugar es más fuerte que la del otro lado del plano. Una escisión deficiente puede ocurrir cuando la fuerza de unión es fuerte a través del plano cristalino. Los cristales pueden dividirse en una dirección, lo que se denomina escisión basal, lo que da lugar a dos caras escindidas. Esto es el resultado de fuertes enlaces atómicos dentro del plano, pero débiles enlaces entre los planos.
De manera similar, los cristales pueden dividirse en dos direcciones, debido a dos planos débiles, lo que resulta en cuatro caras escindidas y dos caras fracturadas. Las formas cúbicas y romboédricas son el resultado de la escisión en tres direcciones. Las formas octaédricas y dodecaédricas surgen de cuatro y seis planos de fractura, respectivamente.
Algunos minerales no se escinden a lo largo de un plano cristalino en absoluto, debido a los fuertes enlaces en todas las direcciones, y en su lugar resultan en una fractura irregular.
Ahora que hemos cubierto los conceptos básicos de la estructura cristalina y los diferentes tipos de escisión de cristales, veamos estas propiedades en muestras de minerales reales.
Para analizar las formas cristalinas, primero recoja un grupo de muestras de minerales, como cuarzo, halita, calcita, granate, biotita y moscovita.
Coloque la muestra en la superficie de observación. Gire la muestra para observar todos los lados. Busque caras de cristal, bordes de cristal y vértices de cristal.
Siempre que sea posible, mida los ángulos interfaciales con un goniómetro. Para hacerlo, coloque un lado del goniómetro en una cara de cristal en particular y el otro lado del goniómetro en una cara adyacente. A continuación, lee el ángulo.
Compare las observaciones con el conjunto de poliedros cristalinos característicos. Repita estos pasos para otros minerales y observe las diferencias.
Las muestras de cuarzo tienen una forma de cristal bipiramidal hexagonal, como lo indican los 6 lados.
El material de calcita exhibe forma escalenoedro, como lo muestran las 8 caras de la estructura piramidal macla.
Halita, muestra una estructura cúbica característica, con 90? Ángulos.
El granate tiene superficies angulares con 12 lados, lo que indica su forma de dodecaedro.
Finalmente, la biotita puede mostrar una forma hexagonal aparente.
A continuación, para observar la hendidura de los cristales, primero póngase protección para los ojos.
Coloca un trozo de cuarzo sobre la superficie de rotura. Con un martillo, rompe el trozo de cuarzo. Con una lente de mano, observe la pieza rota de cuarzo para ver las superficies de escote. Fíjate que el cuarzo no tiene ninguno.
Las celdas unitarias en la red cristalina de cuarzo tienen fuerzas de enlace comparables en todas las direcciones, lo que da como resultado un cristal sin planos de ruptura preferidos, llamado fractura concoidal.
A continuación, repita este paso de rotura para otros especímenes. Use una lente de mano para evaluar diferentes calidades de escote.
Cuando hay una diferencia dramática en las fuerzas de unión en una orientación particular, como entre láminas de agrupaciones de silicato en el caso de la mica, se genera una escisión casi perfecta entre estas láminas, llamada escisión basal.
La biotita y la moscovita muestran cada una una clivaje basal, con un solo plano de ruptura.
La halita muestra una escisión cúbica, resultante de tres planos de escisión a 90?.
La calcita muestra un clivaje romboédrico, resultante de tres planos de clivaje a 120 y 60?.
El análisis de la estructura cristalina es importante para comprender los tipos de minerales que se encuentran en el campo.
El análisis cuantitativo de la estructura cristalina se puede realizar mediante difracción de rayos X o XRD.
En este ejemplo, la estructura cristalina de un óxido de hierro se sintetizó a partir de una mezcla de hematita y hierro a alta temperatura y presión en una celda de yunque de diamante. El patrón de dispersión XRD se analizó a lo largo de la reacción para determinar la estructura cristalina.
Los resultados mostraron anillos de Debye lisos o manchados, que indican cristalinidad. La ubicación de cada anillo dilucida la estructura cristalina, ya que cada anillo corresponde a un plano cristalino.
Debido a su propiedad de escisión plana y, por lo tanto, a su superficie atómicamente plana, la mica se utiliza con frecuencia como sustrato para la obtención de imágenes de moléculas pequeñas.
En este ejemplo, la mica se utilizó como sustrato para la obtención de imágenes de moléculas fotorreceptoras mediante microscopía de fuerza atómica o AFM. La muestra de proteína se adsorbió a una lámina de mica recién escindida y luego se enjuagó con tampón.
A continuación, se obtuvieron imágenes de la muestra utilizando una célula de fluido. El sustrato de mica permitió la obtención de imágenes de alta resolución de la muestra de proteína debido a su superficie atómicamente plana.
Acabas de ver la introducción de JoVE a las propiedades físicas de los minerales. Ahora debe comprender los conceptos básicos de las celdas unitarias de cristal y cómo determinar los planos de escisión de cristal. ¡Gracias por mirar!
