MINERALOGÍA QUÍMICA Y CRISTALOGRAFÍAUNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA SECCIONAL SOGAMOSO FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS SOGAMOSO 2015 MINERALOGÍA QUÍMICA Y CRISTALOGRAFÍA UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA SECCIONAL SOGAMOSO FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS SOGAMOSO 2015 INTRODUCCIÓN La composición química de un mineral tiene importancia fundamental ya que de ella dependen en una gran medida todas las demás propiedades del mismo sin embargo estas propiedades no sólo dependen de la composición química sino también de la disposición geométrica de los átomos constituyentes y de la naturaleza de las fuerzas eléctricas que los lunes unen durante más de un siglo la clasificación de los minerales a estado firmemente asentada sobre una base química por consiguiente la prueba final para la identificación de un mineral ácido su composición química la clasificación actual de los minerales tiene en cuenta tanto la estructura como la composición química global y reconoce la latitud la amplia altitud del contenido químico permitido por la sustitución armazón estructural dado de los átomos de un elemento por los de otros la introducción de los conceptos estructurales la clasificación de los minerales representa un esclarecimiento considerables de las relaciones qué empresas existen y pude tener importancia económica. En esta sección dedicada a la mineralogía química, son expuestos los principios generales que enlazan la química de los minerales, a sus propiedades cristalográficas y físicas, bajo el título de cristaloquímica, seguidos de una breve descripción de los métodos de ensayo de los diferentes elementos encontrados en los minerales. OBJETIVOS y determinar varios aspectos de las demás propiedades que estos poseen. el radio atómico. los cationes. Entender varios aspectos de la mineralogía química como el átomo. e identificar los tipos de enlace que pueden tener los minerales en su estructura interna. y entender que la química es la base fundamental de la clasificación de los minerales. Comprender la relación de la química con los minerales. MINERALOGÍA QUÍMICA . OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Conocer los diferentes tipos de enlace que existen.OBJETIVO GENERAL: Comprender la importancia de la mineralogía química de los minerales ya que esta es de gran necesidad para diferenciar los diferentes minerales existentes. entre otros. los iones. Las propiedades de los minerales dependen en gran manera de la composición química que estos posean. Isomorfismo: Cuando un mineral reemplaza dentro de su estructura parcial o totalmente sus cationes. "Estudia las propiedades químicas de los minerales. las mismas que estos tengan relación íntima con la constitución interna. pero manteniendo sin embargo su forma exterior. para que ocurra este fenómeno el catión reemplazante tendrá que tener las mismas dimensiones que el catión a ser reemplazado. como por ejemplo: Pirita Aragonita S2Fe en CaCO3 Hematita Fe2O3 en Calcita CaCO3 CRISTALOQUÍMICA .La mineralogía química. Polimorfismo: Se llama polimorfismo cuando existen minerales con la misma composición química pero con diferente estructura interna. así como su composición química. así como los diferentes métodos químicos para la identificación". como en el caso: Calcita CaCO3 à Magnesita MgCO3 Magnesita MgCO3 à Albita à Anórtica NaAlSi3O8 Siderita FeCO3 CaAl Seudomorfismo: Cuando un mineral se altera cambiando completamente su estructura cristalina. La meta de esta ciencia es la explicación de las relaciones entre la composición química. aparecen sin relación entre sí. La función de la cristaloquímica en mineralogía es servir de hilo unificador en el cual puedan ser insertados hechos de la mineralogía descriptiva que. De acuerdo con este esquema. habiendo surgido en estos últimos años una nueva ciencia: la cristaloquímica. frecuentemente. Tercero. mientras que los silicatos forman la gran mayoría de las rocas en la corteza terrestre. teniendo como meta adicional la síntesis de materiales cristalinos que tengan la combinación de propiedades que se desee. añadió una nueva dimensión a esta relación y despertó gran interés entre los químicos y los cristalógrafos. . estructura interna y propiedades físicas de la materia cristalina. los minerales relacionados entre sí por la presencia del mismo anión. los minerales que tienen en su composición el mismo anión o grupo aniónico característico gozan indudablemente de semejanzas familiares. Así.En el siglo XVIII se admitió que existía una relación entre la composición química y la morfología cristalina. los sulfuros aparecen en asociaciones mutuas. Tienden a aparecer juntos o en medios geológicos parecidos o idénticos. En segundo lugar. La posibilidad de determinar la estructura de los cristales por los métodos de difracción de rayos X. que en general son más claras y marcadas que las que pueden tener los minerales que contengan el mismo catión. los minerales se dividen en clases que dependen del anión dominante o del grupo aniónico presente. Existen diversas razones que explican porque este criterio es una base para trazar el esquema general de la clasificación de los minerales. Muchos de los conceptos de la cristaloquímica son directamente aplicables a la mineralogía y su introducción ha dado como resultado una considerable simplificación y aclaración de los conceptos mineralógicos. unidos en filones o depósitos de reemplazamiento. RELACIÓN DE LA QUÍMICA CON LA CLASIFICACIÓN DE LOS MINERALES La composición química es la base de la clasificación moderna de los minerales. dicho esquema de clasificación mineral concuerda bien con la nomenclatura química corriente y la sistemática de los compuestos inorgánicos. Así. En primer lugar. los carbonatos se parecen mucho más entre sí que los minerales de cobre. La calcita tiene exfoliación romboédrica perfecta. y. se denomina polimorfismo o alotropía. e incluye: 1. el aragonito es rómbico. en el cual la misma sustancia química puede presentarse en formas distintas físicamente. ESTRUCTURA: Existe otro factor. El carácter y magnitud de las fuerzas eléctricas que las unen. No obstante si examinamos los compuestos de los iones calcio y carbono. los diagramas de difracción de los rayos X son totalmente diferentes. las moléculas. Estos compuestos. el aragonito la tiene prismática y pinacoidal. los iones o grupos iónicos que constituyen los bloques que edifican la materia. no pueden distinguirse por medios químicos. los minerales calcita y aragonito. La calcita es escalenoedrica hexagonal. El empaquetamiento de estos bloques. pero difieren en casi todas las propiedades. 2. El diamante es más duro y más denso que el grafito. POLIMORFISMO: La composición química cuantitativa sirve admirablemente como base para una clasificación exacta y rigurosa.Sin embargo no cabe duda que este punto de vista unilateral de la naturaleza de los minerales deja muchas cuestiones y soluciones. lo que es más definitivo para alejar cualquier idea de identidad. trimorfas en tres. vemos en seguida que la calificación cuantitativa química es ambigua. es la estructura. La disposición geométrica en el espacio de los átomos. de cual dependen tanto las propiedades físicas y químicas del cristal y con respecto la cual hemos de describir los compuestos químicos al objeto de clasificarlos sin ambigüedad. o parámetro. Los minerales se diferencian ligeramente en su peso específico y dureza. 3. debido a que sus partículas de carbono se encuentran más densamente empaquetadas y ligadas entre si con mayor . Este fenómeno. ¿Por qué los minerales se separan tanto de las propiedades que era de esperar sobre la base de su composición química solas? ¿Cómo podemos explicar las sustancias polimorfas? ¿Porque los grupos aniónicos influyen en las propiedades de muchos compuestos más que los cationes? ¿Qué base une sustancias de cristalografía y propiedades similares. pero de diversa composición química? Debemos tratar estas cuestiones antes de llegar a una comprensión adecuada de la naturaleza de la sustancia mineral. En la naturaleza existen dos compuestos estables que tienen precisamente el mismo porcentaje de calcio y carbonato en el análisis. Una sustancia se dice dimorfa cuando existe en dos modificaciones. Este factor. A través del desarrollo de la física. Una revisión reciente ha revelado la existencia de 34 clases diferentes de partículas subatómicas. los átomos no tienen límites bien definidos y hay diferentes formas de definir su tamaño que dan valores diferentes pero cercanos. Si un átomo tiene más o menos electrones que protones. Los protones y los neutrones son llamados nucleones. Cada átomo se compone de un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. líquido. los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (diez mil millonésima parte de un metro). y se denomina ion.94 % de la masa del átomo está en el núcleo. Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia ordinaria que tiene las propiedades de un elemento químico. El núcleo está compuesto de uno o más protones y típicamente un número similar de neutrones (ninguno en el hidrógeno-1). para llegar a tener un conocimiento satisfactorio del papel que desempeñan los átomos en la estructura de los cristales. Los protones tienen una carga eléctrica positiva. Los átomos son lo suficientemente pequeños para que la física clásica dé resultados notablemente incorrectos. Más del 99. . Si el número de protones y electrones son iguales. entonces tiene una carga global negativa o positiva. No obstante. Que no siguen las previstas basándose en la composición química del mismo. el neutrón y el electrón. ese átomo es eléctricamente neutro. ÁTOMOS IONES Y LA TABLA PERIÓDICA Es conveniente revisar brevemente la naturaleza de las unidades de que está compuesta toda la materia. Afortunadamente para los estudiantes de mineralogía. solo es necesario el tener en cuanta tres de estas partículas: el protón. En esta era atómica casi todo el mundo sabe que estas unidades son los átomos o iones. los electrones tienen una carga eléctrica negativa y los neutrones no tienen carga eléctrica.intensidad. sino que resuelve además las dificultades que surgen por la variación aparente irregular de las propiedades físicas de ciertos compuestos. Los átomos son muy pequeños. gas y plasma se compone de átomos neutros o ionizados. bien sean conocidas con seguridad o su existencia pueda ser corregida con fundamento. respectivamente. los modelos atómicos han incorporado principios cuánticos para explicar y predecir mejor su comportamiento. Cada sólido. No solamente se explica por la importancia del polimorfismo. desarrollado en 1912el concepto del átomo (planetario). La materia oscura constituye más del universo que la materia y no se compone de átomos. El átomo más sencillo es el hidrogeno. Como resultado de su investigación en relación con los electrones y núcleos. Debemos al físico danés Niels Bohr la imagen del átomo. La capacidad de los átomos de asociarse y disociarse es responsable de la mayor parte de los cambios físicos observados en la naturaleza y es el tema de la disciplina de la química. Los protones y los neutrones en el núcleo son atraídos el uno al otro por una fuerza diferente. sino de partículas de un tipo actualmente desconocido. El número de neutrones define el isótopo del elemento. que es generalmente más fuerte que la fuerza electromagnética que repele los protones cargados positivamente entre sí. todos los átomos de cobre contienen 29 protones. El número de electrones influye en las propiedades magnéticas de un átomo. El número de protones en el núcleo define a qué elemento químico pertenece el átomo: por ejemplo.Los electrones de un átomo son atraídos por los protones en un núcleo atómico por esta fuerza electromagnética. en el cual los núcleos tiene un solo electrón que se mueve a su alrededor. que se mueven en orbitas alrededor de su núcleo. Los átomos pueden unirse a otro u otros átomos por enlaces químicos para formar compuestos químicos tales como moléculas. Bajo ciertas circunstancias. la fuerza nuclear. dejando tras de sí un elemento diferente: desintegración nuclear que resulta en transmutación nuclear. en el cual los electrones se conciben rodeando al núcleo según orbitas o niveles de energía a distancias que dependen de la energía propia de los electrones. . Los átomos de los demás elementos naturales tienen desde dos electrones (helio) a 92 (uranio). la fuerza electromagnética repelente se vuelve más fuerte que la fuerza nuclear y los nucleones pueden ser expulsados del núcleo. No toda la materia del universo está compuesta de átomos. La tabla periódica de los elementos clasifica. organiza y distribuye los distintos elementos químicos conforme a sus propiedades y características. su función principal es establecer un orden específico agrupando elementos. . dependen de la superestructura electrónica de sus átomos. . de los cuales diez son grupos cortos y los ocho restantes largos.A excepción de los gases de la atmosfera. Grupos: A las columnas verticales de la tabla periódica se les conoce como grupos o familias. que muchos de estos grupos correspondan a conocidas familias de elementos químicos: la tabla periódica se ideó para ordenar estas familias de una forma coherente y fácil de ver. Hay 18 grupos en la tabla periódica estándar. en los minerales se encuentran todos los elementos naturales. Las propiedades químicas del elemento y su lugar en la tabla periódica. Los atributos químicos de los elementos que interesan al mineralogista. Existe una íntima relación entre la superestructura atómica del átomo. . según la última recomendación de la IUPAC (según la antigua propuesta de la IUPAC) de 1988 y entre paréntesis según el sistema estadounidense. Numerados de izquierda a derecha utilizando números arábigos. Grupo 16 (VI A): los calcógenos o anfígenos. los cuales tienen lleno su último nivel de energía (regla del octeto) y. Grupo 15 (V A): los nitrogenoideos. La explicación moderna del ordenamiento en la tabla periódica es que los elementos de un grupo poseen configuraciones electrónicas similares y la misma valencia. Por ejemplo. Grupo 13 (III A): los térreos. Grupo 12 (II B): familia del Zinc. Grupo 18 (VIII A): los gases nobles. o número de electrones en la última capa. Grupo 10 (VIII B): familia del Níquel.Todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen la misma valencia. Grupo 3 (III B): familia del Escandio (tierras raras y actínidos). Grupo 8 (VIII B): familia del Hierro. y por ello. Grupo 17 (VII A): los halógenos. son excepcionalmente no reactivos y son también llamados gases inertes. Dado que las propiedades químicas dependen profundamente de las interacciones de los electrones que están ubicados en los niveles más externos. por ello. Grupo 14 (IV A): los carbonoideos. Grupo 7 (VII B): familia del Manganeso. . entendido como el número de electrones en la última capa. Grupo 11 (I B): familia del Cobre. los grupos de la tabla periódica son: Grupo 1 (I A): los metales alcalinos Grupo 2 (II A): los metales alcalinotérreos. Grupo 4 (IV B): familia del Titanio. los elementos de un mismo grupo tienen propiedades químicas similares. tienen propiedades similares entre sí. los elementos en el grupo 1 tienen una configuración electrónica ns1 y una valencia de 1 (un electrón externo) y todos tienden a perder ese electrón al enlazarse como iones positivos de +1. Grupo 9 (VIII B): familia del Cobalto. Los elementos en el último grupo de la derecha son los gases nobles. Grupo 6 (VI B): familia del Cromo. Grupo 5 (V B): familia del Vanadio. aproximadamente.Períodos: Las filas horizontales de la tabla periódica son llamadas períodos. La tabla periódica consta de 7 períodos. Al contrario. por lo que éstas tienden a ser similares dentro de un mismo grupo. con mucho. Los procesos vitales de plantas y animales. Los electrones situados en niveles más externos determinan en gran medida las propiedades químicas. La abundancia de los restantes elementos esta. . Cada nivel está dividido en distintos subniveles. tales como la separación por gravedad de minerales en los magmas y por la diferenciación química de rocas por su alteración en la superficie. Los elementos más ligeros no son sin embargo. el hidrogeno y el helio son. El número de niveles energéticos de un átomo determina el periodo al que pertenece. con picos cíclicos de abundancia excepcional. son todos responsables parcialmente de la diferenciación de los elementos químicos en los diferentes ambientes. que conforme aumenta su número atómico se van llenando en este orden: Siguiendo esa norma. los elementos más ligeros. dos elementos adyacentes de mismo periodo tienen una masa similar. cada elemento se coloca según su configuración electrónica y da forma a la tabla periódica. sin embargo la masa atómica varía considerablemente incluso entre elementos adyacentes. en razón inversa de sus números atómicos. abundantes en la tierra porque la fuerza de gravedad terrestre es insuficiente para retenerlos. la separación de diferentes minerales en el agua de los mares y la acción selectiva de los procesos sedimentarios. ABUNDANCIA DE LOS ELEMENTOS En el universo y en la medida que lo conocemos. La segregación y concentración de los restantes elementos ha tenido lugar en la tierra por efecto de diversos procesos de diferenciación geológica. los más abundantes. pero propiedades químicas diferentes. como sucede con el hierro. fusibilidad.FUERZAS DE ENLACE EN LOS CRISTALES Las fuerzas que unen entre si las partículas componentes de los sólidos cristalinos tienen naturaleza eléctrica y la clase e intensidad de estas fuerzas tienen gran importancia como determinantes de las propiedades físicas y químicas de los minerales. están relacionadas directamente con la clase e intensidad de las fuerzas eléctricas de enlace. más elevado su punto de fusión y menor su coeficiente de dilatación por el calor. Por eso atribuimos la gran dureza del diamante a las fuerzas eléctricas muy intensas que ligan los átomos de carbono que lo forman. metálico y de Van der Waals. debiendo entenderse que se trata de una clasificación de conveniencia y de que pueden existir transiciones entre todos los tipos. exfoliación. más duro es el cristal. cuanto más fuerte es el enlace. Cada estructura cristalina . La dureza. conductibilidades eléctrica y térmica y el coeficiente de dilatación térmica. covalente. En general. Estas fuerzas eléctricas son enlaces químicos y son descritos como pertenecientes a uno u otro de los cuatro tipos de enlace principales: iónico. en contraste con otros cristales como los de diamante. una solución de cloruro de sodio contiene iones libres de sodio que llevan una carga eléctrica positiva y iones cloro con una carga negativa. xenón. cuarzo y halita. es un catión monovalente y se representa con el símbolo Na´. si la temperatura se reduce o disminuye el volumen de la solución por debajo de un cierto valor crítico. tiene un único electrón de valencia en el estrato 3-s. La interacción eléctrica de los iones o átomos de que están constituidas las unidades estructurales. la atracción mutua de las cargas eléctricas opuestas delo iones del . presentan en casi igual proporción. criptón. Los átomos cargados positivamente son llamados cationes y un átomo que tenga una sola carga positiva. que pierde fácilmente. Por lo tanto. dejando el átomo con un carga positiva no compensada. es llamado ion. mientras la energía libre de las partículas en solución se mantenga alta. ENLACE IÓNICO Comparando la actividad química de los elementos con la configuración del nivel de valencia externa. Un átomo cargado de este tipo. las características de los enlaces iónicos y covalente. en los cuales. Muchos cristales. Así las fuerzas de enlace que ligan el cuarzo los átomos de silicio y oxígeno. todos los enlaces son del mismo tipo y son llamados homodésmicos. que son completamente inertes cumplen esta condición. No obstante. es la que condiciona las propiedades del cristal resultante y la semejanza de propiedades entre cristales que tengan tipos similares de interacción eléctrica. como los de mica contienen dos o más tipos de enlace de carácter e intensidad diferentes. Tales cristales son denominados heterodésmicos. por ejemplo. en el cual están ocupados pos electrones todos los lugares posibles. llegamos a la conclusión de que todos los átomos tienes una fuerte tendencia a completar la configuración estable del nivel electrónico exterior. tal como el sodio. el helio. El choque constante delas moléculas del disolvente con los iones los mantiene disociados. neón. argón. Hemos visto que el sodio. justifica el empleo de la clasificación de mecanismos de enlace. Los gases nobles.representa una solución única del problema de encajar geométricamente unidades estructurales en un espacio compartible con la neutralidad eléctrica y un mínimo de energía reticular. Físicamente. Debemos añadir que el cristal está formado por iones. bastante grande y están rodeados por seis vecinos de polaridad opuesta. no las de los elementos. Estos iones de juntan entre sí en la estructura del cristal por la atracción de sus cargas electrostáticas opuestas. De aquí. Debido a que la carga electrostática que constituye la conexión iónica está repartida sobre la superficie total del átomo. son las propiedades de los iones. de dureza y peso específico moderado tienen punto de ebullición y fusión generalmente altos. muy densos y con una fuerte carga. El habito cubico del cristal. Radio iónico: Los átomos y los iones no poseen superficies definidas y debemos representarlos como núcleos muy diminutos. por lo que requiere solamente la presencia de un disolvente adecuado para quedar disociado en las partículas cargadas libres. Un cristal de cloruro de sodio separado de la solución en la cual ha cristalizado. etc. a las fuerzas eléctricas externas. y la simetría del cristal resultante es. tiene unas propiedades características y definidas por las cuales puede reconocerse. En estos cristales la distancia interiónica puede ser considerada como las una de los radios de los dos iones en contacto. los cristales con enlace iónico son.sodio y cloro supera las fuerzas disruptivas de la colisión. que el radio de un ion solo pueda ser definido con una precisión en términos de su interacción con otros iones. sino que responden dilatándose y deformándose. constituye un buen ejemplo. la exfoliación. este tipo de conexión no es muy direccional. por lo general perfecta. Los aniones en general son más grandes. el peso específico.. se polarizan con mayor . y son ´poco conductores de electricidad y del calor. Las propiedades del cristal llevadas por sus partículas constituyentes. por lo general. que son los elementos que forman la sustancia. En el cloruro de sodio en el que tanto el catión como el anión son monovalentes. sufren pocas variaciones estas propiedades no se parecen en modo alguno a las del metal brillante ni al gas verdoso acre. y de aquí que tal mecanismo de enlace se conozca como un enlace iónico o electrostático. Y los iones se unen entre sí para formar el núcleo de un cristal. rodeados por un espacio ocupado por nubes de electrones muy diseminados cuya densidad varia con su distancia al núcleo disminuyendo finalmente hasta cero. Los átomos y los iones no son cuerpos rígidos. pone de manifiesto la . que los cationes. Las temperaturas de fusión de los fluoruros de los metales alcalinos demuestran que no influye que lo que varié sea el tamaño del catión o del anión: la fuerza del enlace varía en proporción inversa a la longitud del enlace. en los que las distancias inter iónicas son perfectamente comparadas. Que se explica por la repulsión entre anión y anión en una estructura que tiene un catión muy pequeño. FUERZA DE ENLACE Y PROPIEDADES FÍSICAS: La fuerza de enlace iónico. tal como el cloruro sódico. la cantidad de energía necesaria para romperlo. La carga de los iones coordinados ejerce una escala más poderosa aun sobre la fuerza del enlace.facilidad y son menos sensibles a los cambios de tamaño. El LiF constituye una curiosa excepción a esta regla. de dos factores: la distancia entre los centros de los dos iones y su carga total. al variar la valencia. esta ley se cumple rigurosamente. es decir. La comparación de los valores absolutos de la temperatura de fusión de los óxidos de los metales alcalino-térreos con los valores absolutos correspondientes a los fluoruros alcalinos monovalentes. En un cristal común mecanismo puramente de enlace iónico. El efecto que produce el aumento de la distancia inter iónica sobre la fuerza del enlace iónico se aprecia claramente en los haluros de sodio. El enlace es muy direccional y la simetría de los cristales resultantes es menos perfecta que cuando se . Debido a que las fuerzas eléctricas que forman el enlace están justamente localizadas en la vecindad del electrodo compartido. No forman iones en disolución.magnitud de este efecto. Aunque la distancia inter iónica o longitud del enlace es casi la misma en los correspondientes óxidos y fluoruros. ni en estado sólido ni en solución. Los minerales que están unidos de esta forma se caracterizan por su insolubilidad general. gran estabilidad y puntos de ebullición y fusión muy altos. y de aquí que no sean conductores de electricidad. los enlaces que unen iones de carga más elevada son. evidentemente mucho más fuertes. ENLACE COVALENTE Este compartir electrones o enlace covalente es el más fuerte de los enlaces químicos. generalmente. en contraste.34 A. tales como el AgI. En general la presencia de iones de pequeño tamaño y carga elevada. por lo tanto. la distancia silicio-carbono será próximamente 1. La energía del enlace esta fuertemente localizada en la proximidad de los electrones compartidos. Los átomos de carbono tienen cuatro lugares bacantes en sus niveles de valencia que pueden llenar compartiendo electrones con otros cuatro átomos de carbono. que en la mayoría de los cristales con enlaces iónicos hay electrones compartidos y que los átomos en las sustancias con enlaces covalentes presentan con frecuencia algunas cargas electrostáticas. adoptando una configuración estable de enlaces muy firmes que tienen la forma de un tetraedro con átomos de carbono en los cuatro vértices. la distancia interatómica es. Muestran muy poca tendencia al juntarse. y debido a lo poco polarizable que es el ion flúor más pequeño. esta basad en parte en el poder y la capacidad de polarización de los iones en juego. el AgF. con carácter general. se admite.94 A. dando lugar a una estructura muy rígida y muy polarizada. tiende a favorecer el compartir electrones como mecanismo de enlace. .54 A. Así en el diamante el especia miento C—C es de 1. Podemos suponer. es un compuesto en el que predominan los enlaces iónicos. pueden presentar un marcado enlace covalente. en el silicio metálico la distancia Si—Si es de 2.presenta un enlace iónico. la del diamante que es la sustancia natural más dura de todas. Radios atómicos covalentes: En las estructuras con enlaces covalentes. Evaluación del carácter del mecanismo de enlace: Actualmente. igual a la media aritmética de las distancias interatómicas en los cristales de las sustancias elementales. Los compuestos de unión muy polarizante con un ion fácilmente polarizable. En el cloro la energía de conexión del átomo queda enteramente consumida en la unión con el vecino y las moléculas estables resultantes Cl2. que si estos átomos se unen para formar el compuesto SiC. La evaluación de las proporciones relativas del carácter iónico y covalente. que es la media aritmética de los espaciamientos en estado elemental. Los enlaces entre átomos iguales o muy próximos en la tabla periódica serán covalentes. mas iónico es el enlace entre ellos. Cuanto mayor es la diferencia en electronegatividad entre dos elementos. Pauling a generalizado y hecho cuantitativo este concepto asignando a cada elemento un valor numérico de electronegatividad.Los enlaces que entre elementos del primer y séptimo grupo en la tabla periódica y entre los grupos segundo y sexto. son predominantemente iónicos. . Las propiedades del metal difieren de las sales y de los gases solidificados. hallándose muy pocas veces en los minerales. caótico y empaquetado. El análisis por difracción de rayos X nos rebela que las unidades estructurales están ordenadas. finalmente. rubidio y potasio que el impacto de la luz libera un considerable número de ellos de la estructura. Este defecto . es blando. en una forma regular periódica de un verdadero solido cristalino. hojas que se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals. servirán para fijar las moléculas que mueven lentamente en la estructura ordenada del estado sólido. o enlace de campo residual. la amplitud de vibración de las moléculas Cl2 se reduciría todavía más. Este débil enlace que fija moléculas neutras y unidades estructurales in carga en una red mediante débiles caras residuales de su superficie se conoce con el nombre de enlace de Van der Waals. ENLACE METÁLICO El elemento sodio metal. lo mismo que todos los metales verdaderos.ENLACE DE VAN DER WAALS Volviendo a las moléculas de cloro. y. conducen la electricidad mediante electrones que pueden moverse libremente y con gran rapidez a través de la estructura. cuando evitamos que reacción con el agua o el oxígeno del aire. lustroso opaco y reptil y buen conductor del calor y de la corriente eléctrica. eléctricamente neutros por compensación. Un ejemplo es el grafito formado por hojas de átomos de carbono unidos por enlaces covalentes. las moléculas colapsan finalmente en un estado líquido. Si todavía se disminuyera más aun su energía calorífica. lo cual nos hace pensar que existe un tipo de enlace diferente. si bajamos la energía de estas moléculas Cl2 enfriando el gas. Tan pródigos con sus electrones son el sodio y sus similares cesio. El sodio. de la misma manera que las del cloruro sódico o del cloro sólido. los débiles campos eléctricos existentes cerca de los átomos. define generalmente una zona de exfoliación fácil y poca dureza. cuando se halla en ellos. Este fenómeno de la solidificación del cloro tiene lugar a temperaturas muy bajas y una temperatura de -102° permite ya a las moléculas romper estos debilísimos enlaces que las fijan en las redes cristalinas y las vuelven al desordenado estado líquido. y es el tipo más débil de enlace químico comúnmente se encuentra solo en los compuestos orgánicos y gases solidificados. El habito prismático y le exfoliación de los piroxenas y anfíboles. es el resultado de un fuerte enlace covalente en el plano de las hojas. el cristal comparte las propiedades de los diferentes tipos de enlace presentes. y como resultado de ello se produce con frecuencia cosos de propiedades direccionales muy claras. ductilidad y conductividad. Entre los minerales. CRISTALES CON MÁS DE UN TIPO DE ENLACE En las sustancias naturales. la cohesión de las hojas delgadas de que está formado. La mica. A el deben los metales su gran plasticidad. tenacidad. así como su baja dureza. Así. refleja igualmente en su bien conocida exfoliación la diferencia de los tipos de enlace presentes. realmente. A este tipo de enlace se le denomina enlace metálico. del que dependen instrumentos tales como los fotómetros. . los núcleos atómicos unidos por la carga eléctrica de una nube de electrones que los circunda. Cuando ocurre esto. Un electrón no pertenece a un núcleo determinado y es libre de moverse por la estructura o incluso fuera de ella sin alterar en absoluto el mecanismo de enlace. punto de fusión y punto de ebullición.fotoeléctrico. y el habito macizo de la exfoliación del feldespato son así mismos consecuencias de la influencia de enlaces relativamente débiles frente a unidades estructurales con enlaces covalentes formando cadenas. bandas o bloques. mientras que la excelente exfoliación. demuestra que los electrones están muy débilmente ligados en la estructura del metal. refleja el enlace de Van der Waals. solamente los metales nativos presentan este tipo de enlace. manteniendo juntas entre si las hojas. formada por hojas de tetraedros de silicio fuertemente unidos por enlace covalente. uniendo las hojas entre sí mediante los cationes. con un enlace relativamente iónico relativamente flojo. en el grafito. que las verdaderas unidades estructurales de los metales son. una de las mejores entre los minerales. Podemos afirmar así. con su tremenda complejidad y diversidad la presencia de un solo tipo de enlace resulta muy raro. y en la mayoría de los minerales coexisten dos o más tipos. cada ion tiende a apropiarse. aunque estos cuatro iones calcio no se tocan no se tocan unos con otros. La geometría de esta esfera y. Cuando los iones tastan ligados por simples enlaces electroestáticos pueden ser considerados como esferas en contacto y su geometría es sencilla. generalmente. como un todo sea neutro eléctricamente. De este modo. en una estructura cristalina estable. RELACIÓN DE RADIOS: Aunque en un cristal cada ion siempre afecta en cierta manera a todos los demás iones. la estructura de la fluorita revela que cada ion flúor tiene como vecinos más próximos cuatro calcios. está en coordinación 6 con respecto al sodio. El hecho de que la fluorita solo este ocupada la mitad de los posibles lugares para el calcio. llama la atención sobre una importante restricción en la estructura de los cristales. Por otra parte. las fuerzas más intensas actúan entre los iones que están más próximos y que se dice constituyen la primera esfera de coordinación. forman un poliedro de coordinación definido en torno al ion flúor central. a saber: el número total de iones de todas las clases en cualquier estructura cristalina estable debe ser tal que el cristal. es decir el número total de cargas positivas tiene que ser igual al número total de cargas negativas.EL PRINCIPIO DE COORDINACIÓN Cuando iones de cargas contrarias se unen para formar una estructura cristalina en la que predominan fuerzas de enlace electroestático. por tanto. El número de aniones en un poliedro es el número de coordinación del catión con respecto a un anión dado y viene determinado por sus respectivos tamaños. ósea a coordinar tantos iones de signo contrario como permite su tamaño. que sus centros ocupan los vértices de un poliedro regular. Los iones coordinados se agrupan siempre en torno al ion central coordinado. como la . En el NaCl. El tamaño relativo de los iones es expresado. y por tanto. De tal manera que en los iones de calcio ocupan los vértices de un tetraedro regular. el número de coordinación. está en coordinación 4 con respecto al calcio. cada catión está en el centro de un poliedro de coordinación de iones. de tal manera. depende de los tamaños relativos de los iones coordinados. cada ion cloro tiene como vecinos seis sodios y por lo tanto. También se puede considerar a los aniones como ocupando los centros de poliedros de coordinación formados por cationes. todas en contacto mutuo. la relación de radios es 1. cada esfera tiene sus doce décimas más próximas. llamadas empaquetado hexagonal compacto y empaquetamiento cubico compacto. Pueden ser calculadas las relaciones de radios para cada uno de aquellos.relación de radios RA: RX. Cuando el catión coordinador es ligeramente más pequeño que los aniones es estable la coordinación ocho que también es llamada coordinación cubica. Cuando en una estructura hay dos o más cationes coordinados con el mismo anión. Cuando los radios coordinadores y coordinados tienen el mismo tamaño. Haciendo una prueba con un cierto número de esferas idénticas. En ambas maneras. Se observa que unidades esféricas idénticas pueden ser empa1quetadas juntas de una manera estable en una de dos maneras igualmente económicas. . tales como pelotas de ping-pong. en unidades Angstrom. Porque los centros de los aniones están en ocho vértices de un cubo. en donde RA es el radio del catión y RX es el radio del anión. en la cual los centros de los iones coordinados ocupan los vértices de un octaedro regular.Para valores de la relación de radios inferiores a 0. la coordinación ocho es tan estable como la 6. la coordinación 6 es llamada coordinación octaédrica.732. . y de acuerdo con esta disposición. . las consideraciones referentes a la relación de radios no pueden ser empleadas con seguridad. Cuanto más pequeño y más polarizante sea el catión coordinador o más grande y más polarizable sea el anión. los poliedros de coordinación formados en torno a cada uno de aquellos están ligados con mayor frecuencia por los vértices que por las aristas o las caras. .Cuando el mecanismo de enlace no es puramente iónico. si son del mismo signo. Los cationes tienden a compartir el menor número posible de aniones y es raro que compartan hasta tres o cuatro aniones. De aquí que los iones tiendan a agruparse en el espacio para formar redes cristalinas tales que los cationes están lo más distanciados posibles uno de otros por lo tanto. para determinar el número de coordinación. más amplia será divergencia que es de esperar con respecto a los limites teóricos de la relación de radios. Es evidente que cada ion de una estructura cristalina ejerce algún efecto sobre todos los iones restantes: de atracción si las cargas son de signo contrario repulsión. con su arquitectura interna ordenada.Reglas de Pauling Todo cristal estable. principios que fueron enunciados por Pauling en 1929. bajo la forma de las cinco reglas siguiente. . estando determinada la distancia catión-anión por la suma de los radios y el número de coordinación del catión por la relación de los radios. Principio de la valencia electrostática: en una estructura de coordinación estable la fuerza total de los enlaces de valencia que ligan a un anión con todos los cationes próximos es igual a la carga del anión. 1. 2. atestigua la intervención de ciertos principios universales que determinan la estructura de la materia en estado sólido. Alrededor de cada catión se forma un poliedro coordinado de aniones. disminuye su estabilidad. Principio de parsimonia: el número de clases esencialmente diferentes de constituyentes de un cristal tiende a ser pequeño Estas reglas constituyen resumen formal de principios que han sido expuestos en otros lugares. Este efecto es grande para cationes de valencia alta y pequeño número de coordinación y es especialmente grande cuando la relación de radios se aproxima al límite inferior de estabilidad del poliedro 4. naturalmente.3. si bien las dimensiones de la celdillas son diferentes y la propiedades son. TIPO ESTRUCTURAL El análisis de la estructura de la uraninita revela que los átomos de uranio están en coordinación 4 con respecto al oxígeno y que alrededor de cada uranio hay ocho oxígenos. En la fluorita hay agrupado cuatro iones de calcio alrededor de cada flúor y alrededor de cada calcio hay ocho iones flúor. totalmente distintas. La uraninita y la fluorita tiene estructuras análogas en todos respectos. En un cristal que contiene diferentes cationes. los de valencia elevada y número de coordinación bajo tienden a no compartir con otros elemento del poliedro. . La existencia de aristas y especialmente de caras comunes a dos poliedros de aniones en una estructura coordinada. 5. presentan una gran situación iónica.Se dice que estas dos sustancias son isoestructurales o isotipicas y pertenecen al mismo tipo estructural. Por tanto. podemos calcular la fuerza relativa de cualquier enlace en una estructura cristalina. Los cristales en los cuales todos los enlaces tienen igual fuerza se llaman isodesmicos. es decir. Muchos grupos de minerales son isoestructurales. dividiendo la carga total sobre el ion coordinador por el número de vecinos más próximos con los cuales este enlazado. . u grupo de minerales relacionados entre sí por estructuras análogas. con independencia del tamaño de los átomos o de las dimensiones absolutas de la estructura. VALENCIA ELECTROESTÁTICA Un principio fundamental en la organización de los cristales con enlace iónico es que la suma de la fuerza de todos los enlaces que llegan a un ion tiene que ser igual a la valencia de este ion. En mineralogía tiene gran importancia el concepto de grupo isoestructural. El número resultante. a este tipo de estructura pertenece un gran número de minerales de diversa composición. pertenecen al tipo estructural cloruro sódico. llamado valencia electroestática es la medida de la fuerza de cualquiera de los enlaces que d3esde sus vecinos más próximos llegan al ion coordinador. todos los cristales en los que haya igual número de cationes y de aniones en coordinación 6. Por ejemplo. Esta generalización están sencilla que parece trivial. pero en algunos casos el cálculo de las valencias electrostáticas da resultado inesperados. Todos los cristales en los cuales los centros de los átomos constituyentes ocupan geométricamente posiciones similares. se dice que pertenecen al mismo tipo estructural. frecuentemente. que tienen por lo general un anión común y que. En este caso cada anión puede estar ligado a otra unidad de la estructura con la misma fuerza con que lo está al catión coordinador. Otro factor de gran importancia es la temperatura a que se han desarrollado los cristales. Como resultado de ello. Lógicamente ha de existir un tercer caso: aquel en el cual la fuerza de los enlaces que ligan el catión central coordinador a sus aniones coordinados sea. Las variaciones descomposición de los minerales tienen lugar por sustitución en una estructura dada. tales como los carbonatos y nitratos. En algunos casos esta definidamente limitado el alcance de la sustitución iónica . prácticamente todos los minerales de distintas localidades presentan variaciones en su composición química e incluso sucede lo mismo entre ejemplares de una misma localidad. Cuanto más elevada es la temperatura. VARIACIONES EN LA COMPOSICIÓN DE LOS MINERALES: En la naturaleza. de un ion o grupo iónico por otro ion o grupo iónico. relación que llamaremos sustitución iónica. A base de la fuerza relativa de sus enlaces. resultan grupos con fuertes enlaces.Cuando cationes pequeños de carga elevada coordinan aniones mayores con carga menos fuerte. Esta otra unidad puede ser un catión idéntico y el anión compartido por los dos cationes puede entrar en el poliedro de coordinación de ambos cationes. todos los cristales iónicos pueden ser clasificados en isodesmicos. Si se calcula la fuerza de los enlaces dentro de tales grupos. existiendo varios factores que determinan su alcance. los minerales cristalizan a partir de soluciones de composición compleja. el valor numérico de la valencia electroestática es siempre mayor que la mitad de la carga total del anión. la mitad de la energía de enlace del anión. El más importante es el tamaño del ion: los iones de dos elementos solo pueden sustituirse fácilmente si sus radios iónicos son similares y se diferencien en menos del 15%. tanto mayor es el desorden térmico y menos rigurosas las exigencias espaciales de la red. Por esto los cristales desarrollados a elevadas temperaturas pueden presentar una gran sustitución iónica que no habría podido tener lugar a temperaturas más bajas. aportando así las máximas oportunidades para la sustitución de ion por otro. exactamente. mesodesmicos y anisodesmicos. Significa esto que en tales grupos los aniones están ligados al catión central coordinador más intensamente de lo que pueden estar ligados a cualquier otro ion. El acoplamiento puede implicar dos cationes como en el ejemplo citado un catión y un anión. En el grupo de la calcita el ion ferroso puede entrar en la red de la magnesita en cualquier proporción y de modo análogo. pueden ejercer importantes efectos sobre las propiedades eléctricas y ópticas del cristal. un ion puede reemplazar a otro de carga diferente. pues.SUSTITUCIÓN IÓNICA POR ACOPLAMIENTO O ACOPLADA: Podría parecer que para que un ion sustituyese a otro. dos aniones e incluso la situación de un átomo neutro o un lugar vacante de la red. con el fin de alcanzar la neutralidad eléctrica. SOLUCIÓN SOLIDA O ISOMORFISMO: Los grupos minerales isoestructurales nos ofrecen numerosos ejemplos de sustitución iónica completa. con frecuencia. Los átomos neutros introducidos de este modo en lugares vacantes de la red. por un catión o un anión. el magnesio puede entrar en . Tal es el mecanismo de la variación en la composición de los feldespatos calco-sódicos. ambos deberían tener la misma carga. y que es llamado sustitución acoplada. la neutralidad eléctrica del cristal se mantiene por la sustitución simultánea en otro punto de la red de otro ion cuya carga equilibra el déficit o exceso causados por la primera sustitución. pero esto no es necesario. Naturalmente ha de entenderse claramente que no hay verdaderas moléculas de estos compuestos puros y que la sustitución iónica es absolutamente arbitraria dentro del armazón de la red. El termino isomorfismo propuesto en 1819para describir cristales que tengan la misma forma externa. llamados miembros extremos. como límites. Como la carga de ambos iones es la misma. En un caso así la siderita y la magnesita puede ser considerada como de solución sólida. de modo que ambos iones pueden cumplir con igual facilidad esas condiciones. Sin embargo el concepto de solución solida es útil y puede ser utilizado para expresar las relaciones existentes en cualquier serie mineral en la que las composiciones varíen entre dos compuestos puros. pero sería más acertado restablecer el termino isomorfismo en un sentido primitivo y emplear el de solución sólida para aquellos casos de sustitución iónica completa dentro de la armazón de un grupo isoestructural. Y los minerales de composición intermedia considerados como si fueran soluciones homogéneas de MgCO3 y FeCO3 o viceversa.la red de la siderita en todas proporciones. es empleado hoy en día por muchos mineralogistas como sinónimo de solución sólida. la sustitución es simple. . Es evidente que las exigencias espaciales de las redes de la magnesita y la siderita son lo suficientemente parecidas.