El conocimiento de nuestro entorno es fundamental en nuestra educación como ciudadanos, y los minerales son los compuestos químicos básicos, no solo de nuestro planeta, sino del resto de planetas y asteroides del universo. Además, la  actividad humana, y en gran parte la actividad biológica del planeta, se produce sobre la corteza terrestre, que está formada por minerales.

Herramienta prehistórica de sílex

A lo largo de nuestra historia la importancia de los minerales es  incuestionable, solo basta  recordar como dividimos la Prehistoria en dos periodos:

– Edad de piedra, que incluye el Paleolítico, Mesolítico y Neolítico. Se caracteriza por el uso de minerales y rocas (sílex, cuarcita…) para fabricar distintos utensilios, y por el inicio del uso del fuego.

– Edad de los metales. El perfeccionamiento en el uso del fuego permite utilizar, progresivamente, diferentes metales, como el cobre, bronce y hierro.

Lejos de perder importancia en nuestras sociedades actuales, los minerales constituyen elementos fundamentales que utilizamos de manera cotidiana. Según C.L. Jimeno (2007) «cada español consume anualmente 22.600 kg de nuevos minerales, lo que en una vida significa alrededor de 1.810 Tn«. Existen más de 4.000 minerales, y se siguen descubriendo algunos nuevos.

Definimos un mineral como…

1. Un sólido homogéneo.
2. Se forma por procesos naturales, y generalmente inorgánicos.
3. Con una composición química definida que, a veces, no es fija.
4. Presenta una disposición atómica ordenada, es decir, posee una estructura cristalina.
   

   Cuarzo citrino (SiO2)
   

De la definición extraemos que, sustancias como el agua mineral o el petróleo no son minerales, ya que se encuentran en estado líquido, pero sí que las consideramos recursos minerales, ya que aparecen en la corteza terrestre, no son renovables, y su estudio y explotación requiere de las mismas técnicas que los minerales. La homogeneidad se refiere a que es una sustancia única, que no puede ser subdividida en componentes químicos más sencillos sin perder sus propiedades.

También se dice que, normalmente, son inorgánicos, pero no siempre, ya que algunos  minerales son formados por seres vivos (minerales biogénicos),  como ocurre con la concha de aragonito de los moluscos, la magnetita presente en el pico de muchas aves, o nuestros huesos y dientes de apatito. Las técnicas de laboratorio nos permiten sintetizar algunos minerales, pero éstos quedan fuera de nuestra definición de mineral. Los minerales se forman de manera natural, ya que los distintos elementos químicos tienden a organizarse según sus afinidades químicas. Por ejemplo, el oxígeno en estado libre tiene carga negativa y es muy reactivo, por lo que se combina rápidamente con elementos metálicos que tienen carga positiva, mediante enlaces iónicos.

Los minerales pueden expresarse mediante fórmulas químicas específicas. Es el caso del cuarzo que se formula como SiO2. Este mineral, que es el más abundante en la Tierra, tiene una composición química fija. Sin embargo, en la mayoría de minerales la composición no está perfectamente definida, ya que algunos elementos pueden encontrarse sustituyendo parcialmente a otros, como ocurre en la dolomita, CaMg(CO3)2, donde el magnesio (Mg) puede estar remplazado por cantidades variables de hierro (Fe) o manganeso (Mn).

Finalmente, los átomos de un mineral se disponen según un modelo geométrico regular, y decimos que los minerales son cristalinos. Existen algunos sólidos naturales que carecen de esta estructura ordenada, como el vídreo volcánico (obsidiana) o el ópalo, a los que denominamos mineraloides, y aunque estrictamente nos nos minerales, si que son objeto de estudio de la mineralogía.

Clasificación de los minerales

La composición química es  la base de la clasificación de los minerales, dividiéndose en clases en función del anión o complejo aniónico (de carga negativa) dominante. Así cuando elementos metálicos (Fe2+)  aparecen combinados con el oxígeno (O2-) hablamos de óxidos, ya que el anión dominante es el oxígeno. Si el anión dominante fuera el azufre (S2-) serían sulfuros, y así sucesivamente para silicatos, carbonatos, haluros, etc… Algunos elementos pueden formar redes cristalinas entre ellos, y los denominamos elementos nativos, para dar lugar a minerales como el grafito o el diamante, el oro, la plata, y el platino.

Existen fuertes razones que justifican esta clasificación. En primer lugar, los minerales que poseen el mismo anión dominante en su composición, muestran semejanzas más marcadas que aquellos que comparten el mismo catión dominante. En segundo lugar,  los minerales con el mismo anión tienden a encontrarse en determinados contextos genéticos, por ejemplo los sulfuros se asocian a yacimientos minerales en ambientes volcánicos, o los carbonatos a ambientes sedimentarios acuáticos. En tercer lugar, este esquema de clasificación es el mismo que se usa en química para clasificar y nombrar los compuestos inorgánicos.

No obstante, en la actualidad se reconoce que la química sola no basta para caracterizar correctamente a un mineral. Una apreciación completa de la naturaleza de los minerales exige el uso de los rayos X para la determinación de las estructuras internas. La clasificación mineral debe basarse, por lo tanto, en la composición química y en la estructura interna, pues ambas determinan sus propiedades físicas.

Propiedades

Ya hemos comentado que las propiedades físicas de los minerales son el resultado directo de sus características químicas y estructurales. Algunas propiedades físicas, como las determinadas por rayos X o métodos ópticos, precisan de equipos especiales y preparaciones complicadas de las muestras, por lo tanto expondremos, a continuación, las propiedades físicas que pueden determinarse por inspección visual sencilla o ensayos simples.

Color: Quizás sea la propiedad más fácilmente observable. Para muchos minerales el color es distintivo, aunque para otros se trata de una propiedad altamente variable, y por lo tanto insegura para identificarlo.

La raya: El color del polvo fino de un mineral se conoce como raya o huella. Se emplea frecuentemente en la identificación de minerales, porque, aunque el color de un mineral puede variar entre límites amplios, el de la raya es normalmente constante.

Brillo: Es el aspecto general de la superficie de un mineral cuando se refleja la luz. El brillo de los minerales puede ser de dos tipos, metálico y no metálico. Los minerales que tienen el aspecto brillante de un metal, tienen un brillo metálico, y son completamente opacos a la luz, por lo que su raya es negra o muy oscura. Los minerales con brillo no metálico son, en general, de colores claros y transmiten la luz, sino a través de secciones gruesas sí, al menos, a través de láminas delgadas. La raya de un mineral con brillo no metálico es incolora o de color débil. El brillo no metálico puede definirse como vítreo cuando brilla como el vidrio, resinoso cuando se parece a la resina, nacarado cuando su brillo es irisado como el de las perlas, graso cuando parece estar cubierto de una película de aceite, sedoso cuando es como la seda o adamantino cuando tiene un reflejo fuerte y brillante.

Fluorita (CaF2). Vista con luz ultravioleta

Fluorescencia y fosforescencia: Los minerales que se hacen luminiscentes al ser expuestos a la acción de los rayos ultravioletas, rayos X o rayos catódicos son fluorescentes. Si la luminiscencia continúa después de haber sido cortada la fuente energética que incide sobre ellos, se dice entonces que el mineral es fosforescente.

Hábito: Se refiere a la forma y    apariencia de los cristales y de los agregados minerales. Existen una gran cantidad de formas, y algunos minerales pueden presentarse en varios tipos de hábitos. Éstos pueden ser laminares, columnares, aciculares, dendríticos, hojosos, fibrosos, en bandas, etc… Si un agregado de minerales es compacto, irregular y sin ninguna apariencia peculiar, decimos que es masivo.

Exfoliación, partición y fractura: Son propiedades que se ponen de manifiesto en respuesta a una fuerza externa. La exfoliación es la tendencia que poseen ciertos minerales a romperse paralelamente en planos atómicos. La partición se produce cuando los minerales se rompen a lo largo de planos con debilidad estructural. Por su parte, la fractura se produce cuando la resistencia de los enlaces del mineral es aproximadamente la misma en todas direcciones, y puede ser fibrosa o astillosa, irregular, ganchuda o concoidal cuando genera superficies lisas y cortantes.

Dureza: Es la resistencia que ofrece la superficie lisa de un mineral a ser rayada (se designa por una H). El mineralogista austriaco F. Mohs, estableció en 1824 una escala de 10 minerales frecuentes en la naturaleza de manera que,  con estos valores, por comparación se puede definir la dureza relativa de cualquier mineral.

1. Talco: se raya fácilmente con la uña.
2. Yeso: se raya con la uña con dificultad.
3. Calcita: se raya con una moneda de cobre.
4. Fluorita: se raya con una navaja de acero.
5. Apatito: se raya difícilmente con una navaja de acero.
6. Ortosa u ortoclasa: se raya con una lima de acero.
7. Cuarzo: raya el vidrio.
8. Topacio: raya a todos los anteriores. Se raya con herramientas de tungsteno.
9. Corindón: se raya con el carburo de silicio.
10. Diamante: es el mineral natural más duro. Se raya, únicamente, con otro diamante.

Los minerales anteriores se disponen en orden creciente de dureza relativa, creando una escala relativa. Os recomendamos el video del canal de YouTube de Academia Play para comprender mejor la escala de Mohs.

Tenacidad: Es la resistencia que un mineral opone a ser roto, molido, doblado o desgarrado. Las diversas clases de tenacidad se designan como frágil si se rompe y se reduce a polvo, maleable si puede aplastarse por percusión, séctil si se puede cortar con cuchillo, y dúctil si puede estirarse en forma de hilo.

Peso específico o densidad relativa (G): Es un número que expresa la relación entre su peso y el peso de un volumen igual de agua a 4ºC, temperatura a la que la densidad del agua es máxima. Si un mineral tiene un peso específico de 3, significa que una muestra determinada de dicho mineral pesa tres veces más de lo que pesaría un volumen igual de agua a 4ºC. El peso específico medio suele considerarse con el intervalo entre 2,65 y 2,75, que corresponde al peso específico de tres de los minerales no metálicos más comunes, el cuarzo (G 2,65), el feldespato (G 2,60-2,75) y la calcita (G 2,72).

Existen otras propiedades ópticas como la luminiscencia, termoluminiscencia o triboluminiscencia, que permiten a los minerales emitir luz en presencia de determinados iones, calor o al ser rayados respectivamente, propiedades magnéticas que hacen que algunos minerales se comporten como imanes, o propiedades eléctricas que permiten a los minerales, en función de los tipos de enlace entre los átomos, ser buenos conductores (enlaces metálicos), semiconductores (enlaces parcialmente metálicos) o no conductores (enlaces covalentes e iónicos). Incluso algunos minerales pueden transmitir la electricidad cuando se ejerce presión sobre su eje polar (piezoelectricidad), o al someterlos a cambios de temperatura (piroelectricidad).

Ejemplos de minerales y sus usos

Cuarzo.SiO2. H:7. G: 2,65. Cristales comúnmente prismáticos, con las caras del prisma horizontalmente estriadas. Los cristales son, a menudo, alargados en formas cortantes y puntiagudas. Brillo vítreo, generalmente incoloro o blanco, pero frecuentemente coloreado por diversas impurezas, pudiendo tomar entonces cualquier color. Fractura concoidea. Es un mineral común y abundante que se presenta en gran variedad de condiciones geológicas. Aparece en muchas rocas ígneas (constituyente principal de pegmatitas graníticas) y en rocas metamórficas. La arena y su equivalente metamórfico, la cuarcita, suelen estar compuestas principalmente de cuarzo. Se emplea como material de adorno (por sus colores diversos). Como arena, se usa en morteros y hormigón; como fundente, como abrasivo, y en la manufactura de vidrio. Como polvo, en la fabricación de porcelanas, pinturas y papeles de lija.

                            Calcita (CaCO3)

Calcita.CaCO3. H:3. G: 2,71. Brillo vítreo terroso. Color generalmente de blanco a incoloro, pero puede tener diversos tonos grisáceos, rojizos, verdosos, azulados y amarillentos. El hábito es muy variado, principalmente prismático, romboédrico y escalenoédrico. La variedad químicamente pura y ópticamente limpia e incolora se conoce como espato de islandia. Muestra fácil efervescencia en HCl diluido frío, al contrario que la dolomita. Componente principal de las rocas calizas, la cuales se han formado, en gran parte, por la deposición de grandes espesores de material calcáreo, a base de la acumulación de caparazones y esqueletos de animales marinos, en el fondo de lagos y mares; solo una pequeña proporción de estas rocas se han formado directamente por la precipitación del carbonato cálcico. Se usa para la fabricación de cementos y cal para confección de morteros. La caliza es materia prima de la industria química, y se utiliza como fundente del vidrio, en cerámicas, cosmética,  y en la industria de la construcción para decoración de fachadas exteriores, y finamente triturada como acondicionador del suelo y para encalar paredes. El espato de islandia se usa para la fabricación de diversos instrumentos ópticos como el prisma de Nicol para obtener luz polarizada.

           Yeso, variedad»rosa del desierto»

Yeso. CaSO4(H2O)2. H: 2. G:2,32. Brillo vítreo generalmente, también perlado o sedoso. Incoloro, blanco o gris, con diversas tonalidades por impurezas. Cristales de hábito simple, tabular, rómbico con aristas biseladas y otras formas. Exfoliación perfecta en tres direcciones. Superficie concoidea y fractura fibrosa. Lo caracteriza su baja dureza, se raya con la uña. Se forma por precipitación en agua en masas en ambientes con fuerte evaporación. Calentado y pulverizado se emplea principalmente en la producción de escayola, para enyesado de paredes y fabricación de molduras. Reduce la velocidad de fraguado del cemento. Sirve, mezclado con arcilla, como fertilizante. En alimentación forma parte de las harinas como aditivo estabilizante del PH del agua.

Halita. NaCl. H: 2,5. G: 2,16. Hábito cúbico, normalmente en masas cristalinas granulares. Incoloro o blanco. Brillo de transparente a translúcido. Gusto salado. Constituyente principal de las salinas de agua de mar, precipita por evaporación. Se emplea principalmente en la industria química como fuente de Na y Cl, y es particularmente importante en la producción de  ácido clorhídrico. La sal se emplea en grandes cantidades, y en su estado natural para el curtido de pieles, abonos, alimentación del ganado, mantenimiento de carreteras (hielo) y como herbicida. Además de su uso como condimento, se utiliza en la preparación de alimentos de diversas clases y en su conservación (inhibe el desarrollo de bacterias, y esto se conoce desde la época de los sumerios, hace 3500 años a.C.). Es un mineral esencial para el organismo, no podemos sobrevivir, sin cierto aporte regular de sal.  Un hombre de unos 70 kg de peso posee en su organismo unos 100 gr de sodio y unos 80 gr de cloro.

Curiosidades

Por ejemplo, el hielo de los glaciares reúne  todas las condiciones para ser considerado un mineral, ya que se encuentra en estado sólido, es natural, tiene una composición química definida, y una disposición ordenada de sus átomos.

El grafito y el diamante son minerales formados por el mismo elemento químico, el carbono (C). Sin embargo, sus propiedades son completamente diferentes, debido a que ambos minerales presentan una estructura atómica diferente. En el grafito cada átomo de C se une a tres átomos mediante enlaces covalentes, generando una red bidimensional, que se une a sucesivas redes mediante enlaces débiles de Van der Valls. Mientras que en el diamante, cada carbono se une a otros cuatro carbonos mediante fuertes enlaces covalentes formando una estructura tridimensional. Esta diferencia estructural determina las diferentes propiedades de ambos minerales.

Los silicatos son los minerales más abundantes en la tierra. Estos minerales se caracterizan por el grupo aniónico SiO2, que como se observa en su fórmula química tiene dos átomos de oxígeno por cada átomo de sílice. El oxígeno es el elemento más abundante de la tierra, aproximadamente el 46%, seguido del Si 28%,  Al 8%, Fe 6%, Mg 4%, Ca 3%, K 2,4%, Na 2%, H 0,8%, C 0,19%, etc…

Linneo, el naturalista sueco del siglo XVIII que creó el sistema binominal que seguimos utilizando en la nomenclatura biológica, intentó aplicarlo también a las rocas y minerales, pensando que había descubierto la manera  adecuada de clasificar cualquier grupo de objetos naturales. Sin embargo, su sistema solo encaja con grupos jerárquicos que se desarrollan históricamente mediante ramificación sucesiva en continuidad genealógica a partir de un antepasado común. Perfecto para la evolución de la biosfera, pero del todo equivocado para las rocas y minerales.

Referencias bibliográficas:

• Klein, C. & Hurbult, C. 1998. Manual de mineralogía. Cuarta edición. Editorial Reverté S.A. 1998.
•  Regueiro, M. 2013. Minerales en la vida cotidiana. Colección planeta Tierra. Catarata. Instituto Geológico y Minero de España. 2013.
• Rubio Sáez et al. 1995. Materia Mineral. Capítulo 3 en  Ciencias Naturales. Guía escolar Vox. Editoral Bibliograf S.A. 1995.
• Gould, J. 2007. ¿La suerte de Linné? en Acabo de llegar. Editorial Crítica S.L. 2009.

Parte del contenido de este post los tratamos en el taller Minerales, Rocas y sus usos industriales, adaptados al curriculum de la Educación Secundaria Obligatoria.