Cristaloquímica
Ley de corte: mínima ley de extracción rentable.
Depende de: Precio de la bolsa
Costos (transporte, procesamiento)
Anomalía geoquímica:
Diferencia de concentración de un elemento con respecto a la concentración promedio. Puede ser positiva o negativa, pues hay que contrastar la concentración del yacimiento con respecto a su entorno.
Mineralogía:
Mineral de Mena: Rentable de explotar
Mineral de ganga: No rentable
Esta clasificación depende de la composición mineralógica y de otros factores propios del yacimiento.
Elementos en la corteza terrestre:
• Elementos mayoritarios 104-106 ppm
• Elementos minoritarios 102- 104 ppm
• Elementos en traza 10-3- 102 ppm
Hay 8 Elementos que sobresalen en abundancia en la corteza terrestre, estos son:
O – Si – Al – K – Na – Ca – Mg – Fe
Esto es así pues los silicatos, es decir los elementos que contienen O, Si, Al, los 3 elementos mas abundantes en la corteza, son los principales minerales formadores de roca.
Mayores minerales corteza
Tectosilicatos 63%
Plagioclasa Ortoclasa Cuarzo
Phylosilicatos 5%
Silic. Cadena (piroxenos y anfibolas) 16% Ortopiroxenos Augita Hornblenda Inosilicatos 3% Olivino
Los átomos son la mínima unidad de materia que retiene las características del elemento.
Protones (+)
Átomo Neutrones (0) Carga, Masa
Electrones (-)
Las reacciones químicas se basan en el intercambio o compartimiento de los electrones de valencia, un elemento esta definido por el numero de protones en el núcleo, un isótopo esta definido por el numero de protones + neutrones (numero másico).
Isótopos:
Datación radiométrica
Se comportan igual químicamente
Estables (no decaen) C12 terminaron su proceso de decaimiento Inestables C14
Fuerzas o enlace químico:
Iónico Covalente Metálico
Van der Waals
Enlaces Iónicos: Se producen vía fuerza electroestática entre iones cargados opuestamente, se rigen por la ley de coulomb
2 0 4 R Z Z F πε− + =
La mayoría de los minerales presentan este tipo de enlace, en donde se cede un electrón, quedando una estructura de alta coordinación y simetría. Son malos conductores, tiene dureza variable, soluble
Ion: NaCl
Enlace covalente: Átomos distintos comparten los mismos electrones, es el más fuerte de los enlaces, es muy direccional, es de una gran dureza, pero a su vez frágil, es aislante, tiene bajo coeficiente térmico, baja solubilidad y baja coordinación y simetría, un claro ejemplo es el diamante.
Enlace Metálico: Los átomos están unidos por una nube de electrones, tiene una excelente conductividad eléctrica y térmica, maleable y dúctil
Van der Waals: Moléculas neutras unidas mediante débiles fuerzas residuales, pues así también es llamado este tipo de enlace, tiene polaridad.
Ion:
Catión: pierde uno o más electrones, carga positiva (falta de e-) Anión: Adición de electrones, carga negativa (exceso de e-) Carga: valencia o estado de oxidación.
Electronegatividad:
Capacidad de un núcleo de atraer electrones de otros átomos, la diferencia de electronegatividad entre los componentes de un enlace, determinan la naturaleza del mismo.
Radio Iónico y Carga:
Hay una tendencia general a que mientras mas carga (-) mayor el radio, mientras más grande el núcleo, mas pequeño el radio.
Radio: distancia desde el centro al orbital más externo.
Leyes de Pauling:
1.- Alrededor de cada catión se distribuye un cierto número de aniones formando un poliedro de coordinación, ese poliedro está determinado por la razón de los radios iónicos del catión y de los aniones
a c r r NC a c r r Figura 2 < 0.1 Lineal 3 0.1 – 0.2 Triangulo 4 0.4 – 0.2 Tetraedro 6 0.7 – 0.4 Octaedro 8 <1 – 0.7 Cubo
12 >1 dodecaedro
2.- Principio de Valencia Electroestática => Fuerza de enlace = carga anión
Fza= V/NC
Determina que en una estructura de coordinación estable, la fuerza total de los enlaces de valencia que unen al catión con los aniones que lo rodean es igual a la carga del catión. La fuerza relativa de cualquier enlace en una estructura iónica puede determinarse dividiendo la carga total de un ión entre el número de vecinos más próximos a los cuales está unido. Los enlaces en los que todos los enlaces tienen igual fuerza se llaman isodésmicos.
Cuando determinados aniones están más fuertemente ligados al catión de coordinación central que a cualquier otro ión, el compuesto se denomina anisodésmico. Si la fuerza de los enlaces que ligan el catión central coordinador a unos aniones coordinados es exactamente la mitad de la energía de enlace del anión, el cristal es mesodésmico, y puede polimerizarse ya que cada anión puede estar ligado a otra unidad de la estructura con la misma fuerza con que lo está al catión coordinador.
3.- Aristas y caras comunes disminuyen la estabilidad de la estructura iónica, poliedros de coordinación.
4.- En cristales que contienen cationes, aquellos de alta valencia y baja coordinación tienden a no compartir elementos poliedrales.
En algunos casos hay un rango composicional dentro de la formula de un mineral. Algunos iones pueden reemplazar a otros (si son suficientemente parecidos) en la estructura del mineral
Composición Química de los minerales
Variación o variabilidad en un cierto rango de composición química.
A ---B Formula Elemento mayoritario
Solución Sólida: variación compocisional, depende donde se origina: Fundido, Solución o gas.
La sustitución ocurre entre los iones que ocupan una posición estructural definida en un cristal, puede ser total o global, esta ocurre en el momento de la cristalización en
posiciones disponibles, cuando la cristalización ocurre en trazas NO aparece en la formula.
La sustitución puede ser entre elementos mayoritarios o entre elementos minoritarios, en trazas no aparece.
Sustitución Iónica
En general los cationes se sitúan en el centro del poliedro de coordinación, por ello no cualquier elemento puede ocupar una posición estructural dada.
Condiciones para que ocurra
• Diferencia entre radios debe ser menor al 20%
• Se produce sustitución completa cuando la diferencia de radios es <= al 15%, la carga es igual, y el potencial de ionización no difiere en más del 10%
• Diferencia valencia entre iones esta dentro del orden de la unidad
• El potencial de Iotización no difiere más de un 25% promedio. 40% floruros, 20% silicatos, 10 % sulfuros.
Sustitución acoplada (total o parcial):
Uno de los componentes requiere de otra sustitución para mantener el equilibrio de carga.
Na + Si 4+ <- ->Ca +2 + Al 3+ 5+ <- -> 5+
Na Al Si O8 Albita
- Oligoclasa - Andesita Plagioclasas - Labradorita
Ortoclasa K Al Si3 O8 Albita Na (Al Si O3) O8 Anorita Ca (Al Al Si Si) O8
Solución Sólida Omisional:
No se mantiene el equilibrio de la carga. Faltan cationes.
Solución Sólida intersticial:
Espacios estructurales vacantes son ocupados por iones. Es necesario realizar otra sustitución acoplada.
Sustitución en trazas
Se reconoce por análisis químico
Camuflaje
Elemento en traza sustituye a elemento mayoritario, cuando ambos tienen la misma carga eléctrica y un R.I similar.
K por Rb Ca por Sr Zr por Hf
Captura: cuando un elemento minoritario con R.I parecido reemplaza a uno mayoritario que tiene carga eléctrica menor
B por K Nb por Ti Th por Ce
Influencia de la temperatura:
Rocas Plutónicas: Holocristalinas
Rocas Volcánicas: tienen vidrio (los minerales de baja temperatura no alcanzan a cristalizar) y minerales de alta temperatura.
La roca volcánica tiene mayor temperatura de cristalización.
Como 1, 2, 4,5 están en una zona de solución sólida (completa) representan un solo mineral. En 3 y 6 no hay solución sólida: hay dos minerales feldespato de potasio y plagioclasa.
3 componentes, no pueden formar un sólo mineral.
Texturas peptiticas
Clasificación geoquímica de los elementos GOLDSMYTH
Atmophile – Atmosfilos – Atmósfera
Litophile – Litófilos - Corteza, manto y ciertos meteoritos, enlace iónico Siderophile – Siderófilos - Aleación con Fe, Ni.
Isomorfismo y Polimorfismo
Minerales Isomorfos:
• Misma estructura - Mismo poliedro de coordinación
• Distinta Composición
Ejemplos son:
Calcita, Olivino
Silvina, Galena
En la serie de la calcita (trigonal) hay diferentes radios iónicos (del catión) y distinta composición, pero a pesar de eso, tienen misma estructura.
La serie del aragonito es ortorrómbica.
Polimorfismo: Un compuesto químico se dice polimorfo si se da en la naturaleza con dos o más estructuras atómicas (2 o más minerales)
Diamante – Grafito (C) Calcita – Dragonita (CaCO3)
Los polimorfos tienen distintas propiedades físicas, y se forman bajo ciertas condiciones de P, T°, etc.
Transformaciones polimorficas: las transformaciones polimorficas se pueden dividir en tres tipos:
Reconstructivas: Caso que no es fácilmente reversible, proceso que requiere una gran energía de activación pues se necesitan romper enlaces, con lo que se genera un cambio en el número de coordinación.
Desplazamiento: No requieren de gran energía de activación, no se rompen enlaces y sólo a veces cambian de número de coordinación.
Orden-Desorden: Sólo dependen de la T°.
Una transformación de desplazamiento es mucho más fácil de revertir que una transformación que haya sido producida de manera reconstructiva.
Los diamantes que se han encontrado tienen más de 100 Ma.
Cada polimorfo corresponde a un sector del plano P v/s T (grafico 2-D particionado)
Politipismo:
Caso especial del polimorfismo, tienen estructura básica común, generalmente la estructura básica tiene forma planar.
En el caso de las micas, se refiere a un reordenamiento de las capas de micas, no intercambiando su posición respecto a su posición vertical, si no que se reacomoda en su misma posición, es decir rota con respecto al eje vertical, como espiral, se puede decir que es la torsión de un mineral compuesto de micas.
Pseudomorfismo:
Es la existencia de un mineral con la forma externa de otro mineral. Un mineral cambia su estructura o cambia su composición química, pero la forma externa se mantiene.
El proceso tiene lugar por: sustitución, incrustación o alteración
Incrustación: costra de mineral sobre otro, cuarzo sobre cubos de fluorita)
Sustitución: Renovación gradual de material primario por reemplazamiento por otro sin reacción química. Silificación de los troncos fósiles.
Alteración: cambio secundario
Cambio primario: sin cambio químico Cambio Secundario: con cambio químico
Cambio químico parcial y total, en el parcial sólo cambia una capa, en el total, obviamente todo.
Génesis de Minerales
El ambiente ígneo es el más importante en la formación de minerales. Rocas Ígneas
Ambiente sedimentario
Rocas sedimentarias: Fragmentación por meteorización y erosión. Descomposición química, transporte, depositación, compactación. También se encuentran las rocas químicas (evaporitas).
Ambiente metamórfico
¿Cuántos minerales hay en la corteza?
Hay un principio de Pauly: Parsimonia, aún con muchos componentes hay cantidad limitada de minerales
Soluciones Hidrotermales
Cuando un magma extruye => Soluciones hidrotermales donde hay concentraciones de minerales poco abundantes en la corteza, estos minerales no provienen del fluido magmático, sino que provienen de soluciones provenientes de cuerpos cristalizados, su expresión externa son los géiseres.
Las soluciones hidrotermales afectan a los minerales provocando cambios de color, alteración química (alteración hidrotermal), este es el caso típico de las acciones de soluciones en base acuosa, sin embargo hay rocas que presentan cambios de color por otras razones.
Una solución hidrotermal es una solución en base acuosa a una temperatura mayor a 50°C y menor a aproximadamente 500°C, es decir en los géiseres pro definición de solución hidrotermal hay soluciones hidrotermales. Estas están asociadas a cuerpos magmáticos que se enfrían lentamente.
Composición: Na, K, Ca, Cl, SO4
Salinidad: 0 – 50% de sales
Tienen minerales de mena en niveles de ppm, y si estos están activos por cientos de miles de años generan un depósito.
Origen base acuosa:
- lluvia (meteórica) - mar
- aguas metamórficas (producto reacciones metamórficas)
- aguas magmáticas (posterior a cristalización cuerpos magmáticos)
Notar que al actuar las soluciones hidrotermales sobre una roca preexistente las soluciones hidrotermales y las vetas son depósitos Hidrotermales.
Alteración Hidrotermal => Cambios Mineralógicos => Lixiviación
Textura Extracción de un
Químicos tipo o varios de
Mineral por extracción.
Producidas en rocas por soluciones hidrotermales.
Vapor Roca en contacto con H2O caliente
Gas
Se produce un sistema de interacción abierta entre la roca y el H2O, y se produce un estado de desequilibrio químico. Una suerte de adición o remoción de componentes químicos.
La alteración puede causar
- crecimiento de nuevos cristales - Disolución y precipitación
o Lixiviación o Depositación
- Transformación de fases minerales o Reemplazo o metasomatismo
Minerales Hipógenos (aguas magmáticas)
Minerales Supérgenos (solución acuosa vienen de aguas meteóricas)
Los hipogenos también son conocidos como los minerales primarios, y los supergenos son llamados secundarios.
Crecimiento de Minerales pegmatíticos
¿Por qué y bajo que condiciones se forman minerales? - deben existir constituyentes
- mineral estable bajo condiciones existentes
- si hay estabilidad, y mientras mayor sea esta, hay cristales que crecen preferencialmente con respecto a otros.
Estable y no Estable
Energía de activación: es la energía requerida para desestabilizar.
Energía libre de Gibbs: medida del estado de energía mineral. Un mineral estable tiene menor Energía Libre de Gibbs.
G
Δ Reacción > 0 no hay reacción G
Δ Reacción < 0 reacción G
Δ Reacción = 0 equilibrio
Los minerales crecen gradualmente de magmas (minerales silicatados), soluciones acuosas y vapores.
Crecimiento Mineral:
Nucleación Homogénea
• átomos colisionan, forman embriones
• ΔG > 0 embriones reabsorbidos
• ΔG < 0 embriones reabsorbidos
• Superficial
• Enlaces Rotos
Nucleación Heterogénea: Mineral preexistente da condiciones para el crecimiento
Etapas de crecimiento: Disolución
Precipitación (ΔG < 0)
Proceso de transporte: transporte de unidades de crecimiento desde la disolución. Proceso superficie: Interacción unidades de interfase sólido-líquido, buscan posición cristal. =S
-Si hay alta saturación, y hay un rápido enfriamiento (cristales pequeños y muchos) -Si hay baja saturación, y hay un enfriamiento lento (baja formación, cristales + grandes)
-Si hay alta saturación y un enfriamiento lento (muchos posibles núcleos embrionarios, embriones tienen tiempo de crecer, gruesos).
El crecimiento es controlado por transporte y por superficie
Ritmo 2 Transporte > Superficie => dendríticos Ritmo 1 Transporte < Superficie => euhedricos
Crecimiento rápido, Nucleación, alta saturación => granos finos, sin caras morfología dendrítica
Dominados por estructuras => caras, morfología poliédrica.
Granito: cristalización gruesa (alta saturación, enfriamiento lento) pero cristales sin cara.
Tamaño de Cristales controlado por
• Constituyentes a altas Tº son bastantes móviles
• Tiempo (de cristalización, crecimiento)
• Tasa enfriamiento
• Abundancia de constituyentes
• Presencia o ausencia del “flujo” (catalizador o sustancia lubricante que permite movilidad a constituyentes, acelera reacción o fusión.
Pegmatitas: Tienen cristales de gran tamaño
• Se habla de textura pegmatítica
• Holocristalino
• > 2.5 [cm.]
o Son rocas ígneas de grano grueso
o Algunos cristales pueden medir más de 50 [ft] = 15 [mt] o Se forman de los últimos líquidos en un plutón granítico
Ricos en H2O u otros volátiles (actúan como flujo)
Compuestos principalmente por cuarzo, feldespato, micas
Rica en elementos excluyentes B, Be, Li, U, Sn.
Pueden contener minerales inusuales bien formados como taurmalino, berilio, topacio, etc.
Se forman según irregularidades en la topografía
-Los primeros gérmenes se forman en las paredes -¿Por qué? Porque tienen baja T º en las paredes
-¿Por qué en donde la topografía está levantada? Porque hay más superficie de expansión fría en una unidad de longitud
-demora miles de años en cristalizar o más
-Debe tener el espacio suficiente, si no se forma un dique (también se le llama pegmatítico)
-Si el dique llega a la superficie se da un graneado fino.
Componentes => generalmente quedan los cuarzos, cristales grandes
• ¿como se explican los depósitos de basaltos a nivel de superficie (geoides) en cavidades?
Aplicación de rayos X
Rayos X: ondas electromagnéticas, longitud de onda ente rangos [10-4, 102] Aº, se mezclan en λcon los rayos γ y los ultravioletas. Generados por impacto de e -acelerados.
γ: Desintegración de núcleos atómicos
UV: emitidos por sólidos a altas T º, gases ionizados
λ hc E =
Usamos los rayos X - de alta energía para método de fluorescencia de rayos X - menos energía para difracción de rayos (composición mineral)
Si sale e-y entra otro ΔE distintos dependiendo salto. Cada elemento tienen distintas ubicaciones, electrones, produce saltos distintos, a distintas longitudes de onda, permite diferenciar los elementos químicamente.
Fluorescencia a rayos x: Línea de emisión donde esta el elemento constituyente
Difracción de rayos X: nλ =2dsenθ
Efecto dispersión en cada punto => hay un proceso de interferencia que puede ser constructiva (si salen en fase) o destructiva.
θ dsen
2 : Diferencia de camino entre las dos ondas => d la distancia entre nodo.
-Si nλ =2dsenθ vamos a tener una difracción.
-Nos permitirá ver minerales, donde puntos más grandes son considerados para la ley de Braga.
-en el patrón se representan las simetrías.
Difracción
Impactos en radiación X => distinta área
Radiación incidente debe ser monocromática, o radiación oscura pues si usamos luz blanca, habrían patrones sobrepuestos.
Ley de Bragg => nλ =2dsenθ
Si usamos luz blanca, con todos los planos se cumple la ley
Se utiliza polvo, se muele el mineral en pequeños granos con orientaciones aleatorias (con o sin clivaje), pequeños cristales, y se mueve la muestra.
Si usamos mineral en 2D, obtenemos el difractograma a través de un círculo.
Incidencia = reflexión
No es la mejor manera para cálculos internos, pero si para una identificación de minerales
- En el pasado se usaban unas tarjetas para la identificación, ASIM. - Ventajas: fácil preparación
- Desventaja: Estructura de la solución más complicada, menos confiable.
- En un sistema isótropo (cúbico) mucho menor reflexión que en un sistema anisótropo (ortorrómbico)
- A veces hay deriva debido a los elementos traza
- Serie de los carbonatos: son parecidos en los peaks, pero no son iguales
