Fundamentos de Cristalografía y Mineralogía: Estructura, Polimorfismo e Isomorfismo

Especialidades en Geología

• Geodinámica externa
• Estratigrafía
• Sedimentología
• Geomorfología
• Geoquímica
• Petrología
• Mineralogía
• Cristalografía
• Gemología
• Geofísica
• Geodinámica interna
• Geología estructural o Tectónica
• Sismología
• Vulcanología
• Hidrogeología
• Paleontología

Conceptos Fundamentales de Cristalografía y Mineralogía

Teoría Reticular

La forma poliédrica característica de algunos cristales es una consecuencia directa de su estructura interna. Las radiografías de los cristales permiten confirmar que la materia cristalina constituye un andamiaje tridimensional, en el cual las distancias entre las partículas (átomos, iones o moléculas) y los ángulos que forman los segmentos que las unen se mantienen constantes.

Para estudiar las redes cristalinas, se establecen unos ejes de coordenadas que coinciden con filas fundamentales de la red. Estos ejes deben cumplir una serie de características:

• Los ejes coinciden con filas de partículas de la red.
• Los tres ejes coinciden con las filas de mayor densidad lineal (aquellas que contienen nudos separados por el menor espacio posible).

Una vez establecidos los ejes de coordenadas, su origen se hace coincidir con un nudo (un punto de la red) y, a partir de él, se define un paralelepípedo fundamental cuyas aristas son los vectores unitarios a lo largo de los ejes cristalográficos y cuyos vértices coinciden con nudos de la red. Este paralelepípedo se denomina celda unidad o celdilla elemental.

Así pues, una red cristalina puede considerarse como el apilamiento periódico y tridimensional de millones de estas celdas unidad. En la naturaleza, solo existen 14 tipos distintos de celdas unidad elementales compatibles con las operaciones de simetría cristalina: las denominadas 14 redes de Bravais.

Polimorfismo

El polimorfismo describe la capacidad de una misma sustancia química para cristalizar en diferentes estructuras cristalinas bajo distintas condiciones de presión y temperatura. Estas condiciones determinan la estabilidad termodinámica de cada fase mineral (polimorfo).

En general:

• A mayor temperatura y menor presión, tienden a formarse estructuras más abiertas y menos densas.
• A menor temperatura y mayor presión, las estructuras resultantes suelen ser más compactas y densas.

Son ejemplos de minerales polimorfos:

• C: Grafito (hexagonal) y Diamante (cúbico).
• CaCO₃: Aragonito (ortorrómbico) y Calcita (trigonal).
• SiO₂: Cuarzo (trigonal/hexagonal), Cristobalita (tetragonal/cúbica), Tridimita (monoclínica/ortorrómbica/hexagonal), Coesita (monoclínica), Estishovita (tetragonal), etc.
• KAlSi₃O₈ (Feldespatos potásicos): Microclina (triclínica), Sanidina (monoclínica), Ortosa u Ortoclasa (monoclínica).

Cuando un mineral ya formado experimenta un cambio en las condiciones termodinámicas (presión, temperatura), puede producirse una transformación a otro polimorfo más estable bajo las nuevas condiciones. Este es un cambio polimorfo. En ocasiones, estas transformaciones son extremadamente lentas a escala geológica o humana, considerándose entonces cambios irreversibles en la práctica (por ejemplo, la transformación de grafito a diamante requiere presiones muy altas).

Isomorfismo

El isomorfismo se refiere al fenómeno por el cual, en las redes cristalinas, iones de un tipo pueden ser sustituidos por otros iones de tamaño y carga similares sin alterar significativamente la estructura cristalina fundamental. Estas sustituciones iónicas pueden ser muy abundantes.

Si estas sustituciones ocurren de forma regular y extensa a lo largo de un rango composicional, se forma una serie isomorfa o solución sólida, donde la composición química varía gradualmente entre dos o más términos extremos, pero la estructura cristalina básica se mantiene.

En ocasiones, el ion sustituto tiene la misma carga que el ion original (sustitución isovalente):

• Serie isomorfa de los Olivinos:
  Fe₂SiO₄ (Fayalita) ↔ (Fe,Mg)₂SiO₄ ↔ Mg₂SiO₄ (Forsterita)
  (Sustitución de Fe²⁺ por Mg²⁺)

Otras veces, la carga de los iones que se sustituyen no es la misma (sustitución heterovalente). En estos casos, es preciso que ocurran dos o más sustituciones simultáneas para mantener la neutralidad eléctrica general del mineral:

• Serie isomorfa de las Plagioclasas (Feldespatos):
  NaAlSi₃O₈ (Albita) ↔ (Na,Ca)(Al,Si)AlSi₂O₈ ↔ CaAl₂Si₂O₈ (Anortita)
  (Sustitución acoplada: Na⁺ + Si⁴⁺ ↔ Ca²⁺ + Al³⁺)