LA MATERIA MINERAL Y LA MATERIA CRISTALINA PROPIEDADES Y MÉTODOS DE ESTUDIO

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LA MATERIA MINERAL Y LA MATERIA CRISTALINA. 
PROPIEDADES Y MÉTODOS DE ESTUDIO
1. INTRODUCCIÓN.
2. LA MATERIA MINERAL.
2.1. Concepto de mineral.
2.2. Estabilidad de un mineral.
2.3. Cristaloquímica. 
2.4. Tipos de redes químico-estructurales.
2.5. Isomorfismo y polimorfismo.
3. LA MATERIA CRISTALINA.
3.1. Concepto de cristal
3.2. Estructura cristalina.
3.3. Defectos de la estructura cristalina.
4. PROPIEDADES DE LOS MINERALES.
4.1. Propiedades mecánicas.
4.2. Propiedades ópticas.
4.3. Propiedades escalares.
5. MÉTODOS DE ESTUDIO.
5.1. Análisis.
5.2. Observación al microscopio. 
5.3. Cristalografía de rayos X. 
5.4. Aplicaciones cristalográficas.
6. CONCLUCIÓN.
7. BIBLIOGRAFÍA.
1.- INTRODUCCIÓN.
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El presente tema aborda el estudio de la materia mineral y cristalina. Se exponen las
propiedades minerales y sus métodos de estudio, que a su vez determinan sus posibles
aplicaciones cristalográficas.
2.- LA MATERIA MINERAL. 
2.1.- CONCEPTO DE MINERAL
Los minerales son (7) sustancias sólidas, inorgánicas, de origen natural, homogéneas,
con una disposición atómica ordenada y cuya composición química, estructura cristalina y
propiedades físicas son fijas o varían entre límites determinados.
Los mineraloides son sólidos naturales en estado amorfo, es decir, con estructura
desordenada. Se trata de una situación inestable y transitoria.
2.2.- ESTABILIDAD DE UN MINERAL
Los enlaces de los átomos que forman un mineral pueden ser:
- Primarios . Son enlaces fuertes, como son el iónico, covalente y el metálico
- Secundario . Son enlaces débiles, como los moleculares (Van der Waals).
Cuando un mineral cristaliza, la estructura que adopta tiende a cumplir los siguientes
principios:
o Principio fundamental de cristaloquímica , según el cual los minerales son
eléctricamente neutros (mismo número de cargas positivas y negativas de sus iones).
o Principio espacial : Los átomos tienden a colocarse del modo más denso posible. 
o Principio de simetría : Como consecuencia del principio anterior, la estructura
adquirida por la red tiende a ser la de mayor simetría posible.
2.3.- CRISTALOQUÍMICA
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Los cristales desarrollan su forma externa o hábito cristalino 1 durante la cristalización,
proceso de adición de átomos o iones uno a uno, encajando cada uno en su lugar apropiado
dentro de un esquema o armazón estructural conocido como malla cristalina. En la formación
de un cristal van a influir la composición química, las presiones, temperatura y tiempo de
formación.
El número de coordinación designa al número de iones de mismo signo que rodean a
otro de carga (signo) contraria, y por tanto se refiere también al número de electrones que el
átomo central está compartiendo. Por otro lado, el número de electrones que ese átomo
central podría compartir se conoce como número de valencia. Finalmente, la forma
geométrica resultante se conoce como poliedro de coordinación.
 Tipos de coordinación:
El número de coordinación para las redes cristalinas mantenidas por enlaces iónicos o
covalentes puede ser:
Número de coordinación Tipo de coordinación
2 Lineal
3 Triangular
4 Tetraédrica
6 Octaédrica
8 Cúbica
12 dodecaédrica (el más frecuente en el
enlace metálico).
Cuando los poliedros se unen entre sí, según las 3 direcciones del espacio, se obtiene
otro tipo de estructura: el armazón tridimensional. Ej.: silicatos.
1 Proporciones de las caras de un mineral. Ej: acicular como el rutilo, acolumnado como la calcita, dodecaedral 
como el granate.
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Las posibles ordenaciones de empaquetamiento para los compuestos iónicos están
descritas en las reglas de Pauling (1931) en función de la relación del tamaño de los radios
iónicos y los posibles números de coordinación.
2.4.- TIPOS DE REDES QUÍMICO-ESTRUCTURALES
Vienen determinadas por las clases de átomos que posee la red:
a) Con una sola clase de átomos: cobre (cúbica), o la del grafito (hexagonal).
b) Con dos clases de átomos: tipo halita (cúbica; índice de coordinación 6).
c) Con tres clases de átomos: carbonatos y silicatos.
2.5.- ISOMORFISMO Y POLIMORFISMO
El isomorfismo consiste en la sustitución2 de unos iones del mineral por otros en una
solución sólida sin que haya cambios en su estructura mineral. Así, los minerales presentan
variaciones en su composición química e idéntica estructura cristalina. Un ejemplo de ello lo
tenemos en la sustitución de iones Ca y Na en las plagioclasas entre los términos Ca y Na:
anortita –CaAl2Si2O8-, bitownita, labrador, andesina, oligoclasa y albita –NaAl2Si2O8-
El polimorfismo se refiere a la distintas estructuras cristalinas que presentan minerales
con una misma composición química, y que se debe a las diferentes condiciones de
formación (temperatura, presión, tiempo) a las que estuvieron sometidas. Un ejemplo lo
tenemos entre el diamante, con estructura cúbica, y el grafito, con estructura hexagonal. 
3.- LA MATERIA CRISTALINA
3.1.- CONCEPTO DE CRISTAL
2 Para que dos iones puedan sustituirse en un cristal sus radios iónicos no deben diferenciarse más de un 15% de
radio iónico.
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Un cristal es un cuerpo sólido y homogéneo, que posee un orden interno tridimensional
limitado normalmente por caras planas que guardan una relación de simetría entre sí.
3.2.- ESTRUCTURA CRISTALINA
La teoría reticular (Bravis, 1849) establece que en una nube de puntos ordenados en el
espacio se pueden distinguir:
 Fila reticular : las partículas materiales que se hallen a lo largo de una arista de la red.
 Planos reticulares .
 Red reticular: obtenida al apilar planos reticulares idénticos y paralelos separados
entre sí por la traslación fundamental.
Cada red espacial está formada por un paralelepípedo fundamentalmente que se repite
indefinidamente en las tres direcciones el espacio que denominamos celda unidad, celda
fundamental o malla. El primero en hablar de esta celda unidad fue el padre de la
cristalografía René Just Haüy (1743-1822). 
Cada celda unidad queda determinada por la longitud de sus aristas a, b, y c, que se
cortan en un punto, y por el valor de los ángulos α, β, y γ que forman dichas aristas. Estos
valores reciben el nombre de constantes cristalográficas. En la naturaleza existen 7 tipos de
celdas fundamentales (7 sistemas cristalinos):
Sistema cristalino Ejemplo
Triclínico Wollastonita
Monoclínico Talco
Trigonal (Romboédrico) Calcita
Tetragonal Circón
Ortorómbico Algunos carbonatos
Hexagonal Grafito
Cúbica Diamante
 
a 
 γ α
 b
5
c β
En función de los valores que adoptan esos ángulos y vectores, existen 14 posibles
redes cristalinas, que se conocen como redes de Bravis. Estas redes se pueden clasificar en:
 Primitivas (P): los nudos se localizan en los vértices del poliedro.
 Centradas en las bases (C): nudos en los vértices y en el centro de las bases.
 Centradas en las caras (F): nudos en los vértices y en el centro del poliedro.
 Centradas en el interior (I): nudos en los vértices y en el centro geométrico del
poliedro.
Las redes de Bravis pueden presentar hasta 32 tipos de simetría puntual para dar 230
grupos espaciales recogidos en las tablas internacionales de R-X.
3.3.- DEFECTOS EN LA ESTRUCTURA CRISTALINA
Durante la formación de un cristal, se han debido colocar en su lugar millones y
millones de átomos durante un tiempo en el que posiblemente habrá cambiado las
condiciones de presión y temperatura. Esto da lugar a distorsiones en la estructura del cristal.
Estas imperfecciones afectan a las propiedades básicas de los materiales cristalinos, tales
como la resistencia mecánica, conductividad, deformación y color. Dichas imperfecciones se
clasifican en:
 Defectos puntuales : pueden deberse a huecos que aparecen en la estructura del cristal
(efecto vacío), a la presencia de átomosintersticiales, o al defecto de impurezas.
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 Defectos lineales : la disposición ideal de los átomos se desvía linealmente. Estos
defectos suelen denominarse dislocaciones (de arista y de tornillo).
 Defectos planarios : zonas bidimensionales a lo largo de las cuales se reúnen bloques
ligeramente desorientados.
4.- PROPIEDADES DE LOS MINERALES. 
Las propiedades de la materia cristalina dependen de la composición química y
estructura interna que presentan. Pierre Curie (siglo XIX) fue el primero en estudiar estas
relaciones, razón por la cual recibió el Nobel de física en 1903.
Las propiedades de los minerales son:
 Vectoriales : si varían según la dirección en las que se les considere. Pueden ser:
- Continuas : íntimamente ligadas a la simetría del cristal (dureza, propiedades
magnéticas, propiedades eléctrica, etc.).
- Discontinuas : se presentan sólo en determinadas direcciones (exfoliación,
fractura).
 Escalares : independientes de la dirección en las que se les considere. Ej: densidad,
calor específico, etc.
A continuación describimos las principales propiedades físicas de los minerales:
4.1.- PROPIEDES MECÁNICAS
Dependen de la cohesión de los minerales. Distinguimos:
Dureza 
Resistencia que oponen los minerales a ser rayados. Depende de los enlaces químicos3
existentes. Se puede medir de forma absoluta con un durómetro o esclerómetro, y de forma
relativa con la escala de Mohs (1824), que ordena 10 minerales de dureza creciente (cada
uno es rayado por el siguiente): 
1. Talco.
2. Yeso.
3 Los minerales presentan cuatro tipos de enlaces: iónico, covalente, metálico y fuerzas de Van der Waals.
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3. Calcita.
4. Fluorita.
5. Apatito.
6. Ortosa.
7. Cuarzo.
8. Topacio.
9. Corindón.
10. Diamante.
Tenacidad (6)
Resistencia que opone un mineral a ser roto, molido, doblado o deformado, y depende
de su cohesión. Según la tenacidad, podemos clasificar un mineral como:
 Frágil: se rompe fácilmente (diamante). 
 Maleable : puede ser conformado en hojas delgadas sin romperse (Au).
 Dúctil : se puede estirar en forma de hilo (Cu).
 Séctil : puede cortarse (Ag).
 Flexible : se puede doblar, pero no vuelve a recuperar su forma original (talco).
 Elástico : sí recobra su forma primitiva tras la flexión (mica).
Fractura y exfoliación . 
La fractura es el aspecto que presenta la superficie de fractura si no coincide con los
planos de exfoliación. Puede ser concoidea, laminar, terrosa, etc. Un tipo especial es la
exfoliación o clivaje, que consiste en la ruptura de un mineral siguiendo planos determinados
de debilidad, como ocurre con el yeso o la moscovita.
4.2.- PROPIEDES ÓPTICAS
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Existe una relación aproximada de
dureza; diamante: talco = 300.000:1.
Son derivadas de la interacción de los cristales con la luz. Son la base de los métodos
de estudio por microscopio y muy útiles en identificaciones “visu”. Distinguimos:
Color 
Producidos porque el mineral absorbe ciertas longitudes de onda del espectro visible y
refleja el resto. Pude variar mucho dentro de una especie mineral debido a las impurezas, el
grado de cristalinidad y los defectos estructurales.
Se utiliza como característico, el color de la superficie fresca del mineral y el color de
su raya. Así, los minerales con color característico se llaman idiocromados como: 
 Negro de la magnetita (Fe3O4)
 Verde del olivino (FeMgSiO4)
 Rojo de hematites (Fe2O3)
Los minerales que no presentan un color característico se denominan alocromados.
Ejemplo: la fluorita puede ser incolora, violeta, azul, amarilla, etc.
Brillo 
Aspecto general de la superficie de un mineral cuando se refleja en ella la luz.
Depende de la reflexión de la luz en la superficie, del índice de refracción, etc. Puede ser:
metálico (pirita), vítreo (cuarzo), resinoso (azufre), nacarado (talco), graso (sílex), sedoso
(malaquita), adamantino (diamante), etc.
Diafanidad 
Propiedad que consiste en dejar pasar la luz. Podemos clasificar los minerales en:
- Transparente : se aprecia con nitidez el contorno de un objeto situado detrás. Ej:
diamante.
- Translúcidos : dejan pasar la luz pero no distinguimos los objetos. Ej: alabastro.
- Opacos : no deja pasar la luz, como el cobre o el oro.
Refringencia
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Capacidad de los minerales transparentes de cambiar la dirección de un rayo de luz
que los atraviesa. Los minerales pueden ser:
- Monorrefringentes : la luz se propaga con idéntica velocidad en todas sus direcciones.
Estos minerales reciben el nombre de isótropos (cristalizan en un sistema cúbico).
Ejemplo: pirita.
- Birrefingentes : Cuando un rayo de luz polarizada sufre una refracción que desdobla el
rayo en dos (perpendiculares entre sí y que viajan a velocidades distintas). Estos son
los minerales anisótropos. Ejemplo: turmalina.
El ángulo de refracción de un rayo de luz que ha atravesado un cristal depende de su
índice de refracción (Ley de Snell; 1621: n1. sen i = n2. sen r). Dicho índice es la
relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz cuando está
atravesando el cristal. 
n = c/ v p Donde:
c: velocidad de la luz
v p : Velocidad de la fase en dicho medio
Luminiscencia
Son minerales luminiscentes aquellos que emiten luz cuando son sometidos estímulos
mecánicos, químicos, etc. 
La fluorescencia es la luminiscencia que se produce mientras un mineral es expuesto a
los rayos X o a rayos ultravioleta (ej. diamante). La fosforescencia es aquella luminiscencia
que persiste después de la exposición en algunos minerales como la fluorita (CaF2).
4.3.- PROPIEDES ESCALARES
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Punto de fusión.
Temperatura a la que un mineral pasa de estado sólido a líquido. Disminuye con las
impurezas. 
Densidad.
Es el valor de la masa por unidad de volumen (gr/cc). Su valor numérico es igual al
peso específico. Está directamente relacionado con el número de coordinación.
Peso específico.
Cociente entre su peso y el peso de un volumen equivalente de agua a 4ºC. Sus
variaciones dependen principalmente del empaquetamiento de los átomos que formen el
cristal.
Con esto terminamos el estudio de las propiedades minerales. Consideremos a
continuación cómo las determinamos. 
5.- MÉTODOS DE ESTUDIO. 
Para el estudio de la materia mineral se emplean diversos métodos, según las
propiedades a analizar o el uso para el que se necesite. Los principales métodos son:
5.1.- ANÁLISIS
Se emplean para determinar cuantitativa y cualitativamente los minerales de las
muestras. Tienen el problema de requerir muestras puras y bastante preparación. Las técnicas
más utilizadas son: análisis químico húmedo, análisis gravimétrico, fluorescencia de rayos X,
microanálisis de sonda electrónica, análisis espectrográfico óptico, fotometría de llama,
análisis radiológico espectral, espectrometría de masa.
5.2.- OBSERVACIÓN AL MICROSCOPIO
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Método muy utilizado y tradicional. Distinguimos:
 Microscopio de polarización: es el instrumento más importante para determinar las
propiedades ópticas de los cristales. Con él se consigue una información fácil y
rápida. Se obtiene una imagen aumentada de la muestra mediante la combinación de
dos lentes: el objetivo y el ocular. Otro elemento importante es el polarizador, que es
una placa polarizante que transmite luz polarizada. La muestra se prepara con un
grosor variable de aproximadamente 30 micras.
 Microscopio de reflexión: se utiliza para estudiar cuerpos opacos. Recoge la luz
reflejada del mineral. Se observan texturas, color, exfoliación, birrefringencia.
 Microscopio electrónico: permite una gran resolución. La muestra se coloca en una
cámara de vacío y se bombardea con un haz de electrones.
5.3.- CRISTALOGRAFÍA DE RAYOS X
Fue descubierto accidentalmente por Roetgen en 1.985, consiste en el bombardeo de la
muestra en un tubo de vacío en el quese sitúa un filamento de tungsteno (Wo) que actúa
como cátodo, y un ánodo que es un metal blanco para los electrones. Dan lugar a dos
espectros: continuo y característico.
Los métodos más importantes son:
- Método de Lane
- Método de polvo
- Difractómetro de polvo de rayos X.
5.4.- APLICACIONES CRISTALOGRÁFICAS
La cristalografía se desarrolló en el estudio del área de conocimientos que estamos
tratando en este tema. Sin embargo, en la actualidad ha trascendido a otros ámbitos con
aplicaciones comerciales como:
- Paneles fotovoltaicos. Uso de cristales de sílice para producir efecto fotoeléctrico.
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- Cristales que pueden ordenarse ante la polarización eléctrica en un medio líquido,
cambiando sus propiedades ópticas, como en los monitores planos, pantallas de
relojes, etc.
- Informática. Las técnicas de cristalización han permitido reducir los componentes
chip a tamañazos cada vez más pequeños.
Esto es un ejemplo de cómo el saber humano no es estanco y cuando se utilizan
conocimientos de áreas distintas se pueden dar saltos en el desarrollo. Además, estos
contenidos nos brindan la oportunidad de poner ejemplos llamativos y motivantes para
nuestro alumnado.
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