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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA INGENIERÍA CIVIL DE MINAS

SILICATOS

RESUMEN Los minerales son sólidos cristalinos inorgánicos que tienen una composición química definida, y su clasificación depende principalmente de esta composición, además de los tipos de estructuras que forman entre ellas y en consecuencia de su geometría. Presentan una cantidad de características invaluables las cuales dependen de sus composiciones químicas, los átomos que los conforman y también de sus propiedades físicas tales como color, dureza, brillo, raya, exfoliación entre otras. Dentro de la gran cantidad de grupos de minerales encontramos los silicatos, los cuales son muy abundantes y forman la mayor parte de la corteza terrestre, debido a que estos se componen de silicio y oxígeno, que se encuentran junto con uno o más elementos, además el enlace siliciooxígeno es considerablemente más fuerte que cualquier otro elemento con oxígeno. Podemos clasificar los silicatos en 6 grandes grupos, los cuales son: Sorosilicatos, ciclosilicatos, inosilicatos, tectosilicatos, filosilicatos y nesosilicatos.

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INDICE

I. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................... 4 II. ¿QUE ES UN MINERAL? ............................................................................................................................ 5 III. COMPOSICION QUIMICA ......................................................................................................................... 5 IV. PROPIEDADES FISICAS ............................................................................................................................. 5 V. GRUPOS MINERALES ................................................................................................................................ 6 VI. SILICATOS ................................................................................................................................................ 7 VII. CLASIFICACION DE LOS SILICATOS .......................................................................................................... 9 VII.1.

NESOSILICATOS......................................................................................................................... 9

VII.1.1)

Olivino: (Mg, Fe) SiO4 ........................................................................................................... 9

VII.1.2)

Granates (SiO4)3(A3B2) ......................................................................................................... 10

VII.2. VII.2.1) VII.3. VII.3.1) VII.4.

SOROSILICATOS ...................................................................................................................... 12 Epidota: (Si2O7)(SiO4)(Al,Fe)Ca2Al2O(OH) ......................................................................... 13 CICLOSILICATOS ...................................................................................................................... 14 Turmalina: Na(Mg,Fe,Li,Mn,Al)3Al6(BO3)3Si6O18(OH,F)4 ................................................. 15 INOSILICATOS ......................................................................................................................... 17

VII.4.1)

Augita: (Ca, Mg, Fe, Ti, Al)2(Si, Al)2 O6 ............................................................................... 18

VII.4.2)

Antofilita: (Mg, Fe)7Si8O22(OH)2 ....................................................................................... 19

VII.5.

FILOSILICATOS ........................................................................................................................20

VII.5.1)

Biotita: (AlSi3O10)K(Mg,Fe)3(OH)2.....................................................................................21

VII.5.2)

Moscovita: (AlSi3O10)KAl2(OH)2 ........................................................................................22

VII.5.3)

Talco: Si4O10Mg3(OH)2 .....................................................................................................23

VII.5.4)

Clorita: (Si4O10)Mg3(OH)2 *Mg3(OH)6 .............................................................................25

VII.6.

TECTOSILICATOS .....................................................................................................................26

VII.6.1)

Feldespatos (K,Na,Ca,Ba,NH4)(Si,Al)4O8 ............................................................................ 26

VII.6.2)

Cuarzo:SiO2.......................................................................................................................27

VIII. RESULTADOS ....................................................................................................................................... 29 IX. REFERENCIAS ......................................................................................................................................... 30 X. ANEXOS ..................................................................................................................................................31 2

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I. INTRODUCCIÓN

Con el objetivo de explicar y describir los distintos grupos de minerales presentes en la Tierra, es que hemos llevado a cabo un estudio geológico de las rocas y los minerales que la conforman, pasando por sus propiedades físicas, composiciones químicas y en su defecto; su geometría misma en el espacio. Para nuestro caso; profundizaremos en el grupo de los silicatos, el cual es uno de los grupos minerales más importantes debido a su gran abundancia en la corteza terrestre. Los silicatos están formados por átomos de silicio y oxígeno, los cuales son los componentes básicos de éstos en su composición y en su estructura cristalina, por otro lado el silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza y el manto después del oxígeno, además; el enlace que se produce entre el silicio y el oxígeno en notoriamente más resistente a cualquier otro enlace de oxígeno con otros elementos. De acuerdo a su composición química, los silicatos pueden clasificarse en claros y oscuros, esto es; no ferromagnesianos y ferromagnesianos. Estructuralmente están formados por un tetraedro regular en cuyos vértices se sitúan los oxígenos y en el centro el silicio. La polimerización; o mejor dicho, los enlaces de los tetraedros de silicio que comparten oxígenos, darán origen a la gran variedad de silicatos en función de sus diferentes enlaces, es por esto que los clasificamos en los siguientes grupos: nesosilicatos, sorosilicatos, ciclosilicatos, inosilicatos, filosilicatos y por último tectosilicatos (ver figura 27). Debido a la gran variedad de minerales subyacentes de los silicatos, es que nos limitaremos a describir algunos de los ejemplos más importantes de cada grupo según su estructura.

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II. ¿QUE ES UN MINERAL? Mineral: “un mineral es un sólido cristalino, inorgánico, que ocurre de manera natural, con una composición química estrictamente definida y propiedades físicas características”(R. Wicander y J. S. Monroe,2000.página 54). Por definición, un mineral es un sólido cristalino; esto es, un sólido en el que los átomos constitutivos están dispuestos en una estructura regular, tridimensional. En condiciones ideales, los cristales minerales pueden crecer y formar cristales perfectos con superficies planas (caras), esquinas afiladas y bordes rectos. En otras palabras la forma geométrica regular de un cristal bien formado es la manifestación exterior de una disposición atómica interna ordenada.

III. COMPOSICION QUIMICA La composición del mineral se muestra generalmente por medio de una fórmula química, que es una forma abreviada de indicar el número de átomos de los diferentes elementos que lo componen, por ejemplo, el cuarzo consta de un átomo de silicio (Si) por cada dos átomos de oxígeno (O) y, en consecuencia, tiene la fórmula SiO2. Hay muy pocos minerales que se componen de un solo elementos; se les conoce como elementos nativos. La definición de mineral contiene la frase “una composición química estrictamente definida”, porque algunos minerales tienen realmente una gama de composiciones. En muchos de estos, la composición química es constante, otros tienen diversas composiciones, ya que un elemento puede sustituir a otro si los átomos de dos o más elementos son aproximadamente del mismo tamaño y la misma carga, un ejemplo de lo anterior es la fórmula química del olivino, (Mg,Fe)SiO 4, lo cual significa que, además del silicio y el oxígeno, puede contener sólo magnesio, sólo hierro, o una combinación de ambos.

IV. PROPIEDADES FISICAS En nuestra definición, “las propiedades físicas características”, se refieren a cualidades como la dureza, el color, el brillo, hábito y la forma del cristal. Estas propiedades son controladas por la composición y estructura de cada mineral.

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V. GRUPOS MINERALES Desde mediados del siglo XIX la composición química ha sido la base para la clasificación de los minerales. Así estos se dividen en clases acorde al anión o grupo aniónico dominante. El fundamento de este criterio de clasificación es triple: a) Los minerales con el mismo anión o grupo aniónico presentan similitudes y propiedades más acusadas que aquellos minerales con el mismo catión dominante b) Los minerales relacionados por un mismo anión tienden a presentarse en los mismos yacimientos o tienen características similares c) La concordancia existente con los criterios de nomenclatura de compuestos en química orgánica Actualmente la clasificación de minerales más comúnmente utilizado es la de Strunz, en la que los minerales se diferencian en función de su quimismo (tabla Nº1), pero considerando su estructura interna. Tabla Nº 1: Tabla de Strunz. Clases

Quimismo

Elementos nativos

Compuesto puro de un metal o no metal

Óxidos

Combinación de metales con oxígeno

Hidróxidos

Combinación de metales con hidroxilos (OH-)

Sulfuros

Combinación de uno o más metales con azufre

Haluros

Combinación de alcalinos o alcalino-térreos con halogenuros (F, Cl, Br, I)

Sulfatos

Combinación de metales con el anión sulfato(SO42-)

Carbonatos

Combinación de metales con el anión carbonato(CO 32-)

Boratos

Combinación de varios elementos con el boro

Fosfatos

Combinación de varios elementos con el grupo aniónico PO43-

Silicatos

Tetraedros de silicio (SiO 44-) unidos entre sí o combinados con metales

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VI. SILICATOS El oxígeno y el silicio son los elementos más comunes de la corteza terrestre, pues constituyen más del 95% de esta, cuyas propiedades dependen de las condiciones químicas y físicas en que fueron originados. Cada uno de los diferentes conjuntos de silicatos minerales característicos de las rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas, filones metálicos, pegmatitas, rocas alteradas y suelos, nos dice algo respecto al ambiente en que se formaron. Los silicatos son combinaciones químicas de oxígeno y silicio, junto con uno o más elementos, en general aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio y magnesio, que son, asimismo, los elementos más abundantes de la corteza terrestre, además del grupo de más importancia geológica por poseer los minerales que forman las rocas. Tienen como unidad estructural el tetraedro de sílice (Fig. Nº1), donde un átomo de silicio se coordina tetraédricamente con cuatro oxígenos. Cada anión de O -2 comparte una carga negativa con el catión Si+4, dejando libre una carga negativa a cada uno de los vértices. Cada ión de oxígeno puede unirse a otro silicio y entrar en otra agrupación tetraédrica, en la que los grupos tetraédricos están unidos por los oxígenos compartidos, que pueden ser uno, dos, tres o los cuatros del tetraedro, dando lugar a una diversidad de configuraciones estructurales. Sin embargo, en la naturaleza no se da el caso de que los tetraedros adyacentes comparten tres, ni aun dos oxígenos, pues en este caso quedarían muy próximos dos iones de silicio con fuertes cargas positivas y la repulsión entre los mismo haría inestable las estructura. Si dos tetraedros adyacentes comparten un oxígeno y los cuatro oxígenos son compartidos de esta misma manera, resultan estructuras con un grado de conexión muy elevado. Tal como la estructura del cuarzo. A este enlace de tetraedros que comparten oxígenos, podemos denominarlo polimerización, esta capacidad de polimerización es el origen de la gran variedad existente de estructuras de silicatos. Entre las condiciones que regulan el origen de los silicatos minerales y el grado de polimerización, existe una relación sencilla y muy significativa. En igualdad de condiciones, cuanto más elevada es la temperatura de formación, tanto más bajo es el grado de polimerización y viceversa. Esta relación está sujeta al efecto perturbador de un gran número de factores externos entre los cuales, lo más principales son la presión y la concentración química. La sustitución iónica es frecuente y amplia entre los elementos. Esta generalización del papel desempeñado por los elementos más comunes en las estructuras de los silicatos, nos permite escribir la fórmula general para todos los silicatos: XmYn(ZpOq)Wr 7

En donde la X representa iones grandes, con carga débil; Y representa iones medianos, divalentes a tetravalentes; Z representa iones pequeños, con fuerte carga, en coordinación tetraédrica; O es el oxígeno, y W representa grupos aniónicos adicionales tales como (OH) o aniones como Cl-, F-, etc. La relación p: q depende del grado de polimerización del silicato y los otros subíndices m, n y r, dependen de la condición de neutralidad eléctrica. Basado en el grado de polimerización y el número de oxígenos compartidos por los tetraedros, la estructura de los silicatos puede consistir en tetraedros independientes, grupos tetraédricos múltiples independientes, cadenas, cadenas dobles o bandas, hojas o armazones tridimensionales” (J. Dana,1996. página 392 - 395).

Fig. Nº1: El tetraedro de sílice. Vista ampliada que muestras los átomos de oxígeno como esquinas de un tetraedro y el pequeño átomo de silicio en el centro

Fig. Nº2: Estructura de algunos de los silicatos minerales comunes mostradas por diversas disposiciones de tetraedros de sílice (tetraedros aislados, cadenas continuas, hojas continuas y redes)

Se reconocen dos subgrupos principales de silicatos: los ferromagnesianos y los no ferromagnesianos. Los silicatos ferromagnesianos son los que contienen hierro (Fe), magnesio (Mg), o ambos. Estos minerales son comúnmente de colores oscuros y más densos que los silicatos no ferromagnesianos. Algunos de los minerales comunes de este tipo son el olivino, los piroxenos y la biotita. Los silicatos no ferromagnesianos carecen de hierro y magnesio, son de color claro en general y son menos densos que los ferromagnesianos. Los minerales más comunes de la corteza son los silicatos no ferromagnesianos, conocidos como feldespatos. Además, otro tipo de clasificación es mediante la manera en la que se disponen estos tetraedros, lo que da paso a familias de silicatos (Fig. Nº3): 8

Figura N°3: estructura de los silicatos

VII. CLASIFICACION DE LOS SILICATOS VII.1. NESOSILICATOS

En los nesosilicatos, los tetraedros SiO4, comunes a todas las estructuras de silicatos, solo están unidas entre sí con enlaces iónicos por medio de cationes intersticiales y sus estructuras dependen, principalmente, del tamaño y carga de estos cationes. El empaquetamiento atómico de las estructuras de los nesosilicatos es generalmente denso, lo que hace que los minerales de este grupo tengan valores relativamente altos de peso específico y dureza. Como los tetraedros de SiO 4 son independientes y no están ligados a cadenas o láminas (Fig. Nº4), por ejemplo, el hábito cristalino de los nesosilicatos es generalmente equis dimensional y no existen direcciones pronunciadas de exfoliación. La subdivisión de este grupo es muy amplia, en donde destacan los siguientes grupos: grupo de la fenaquita, grupo del olivino, grupo de los granates, grupo del zircón, grupo de la condrodita.

VII.1.1)

Olivino: (Mg, Fe) SiO4

El olivino es el un mineral compuesto por silicatos de magnesio y hierro según la fórmula química anterior.

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El nombre proviene de su color verde oliva, aunque a veces es amarillento, marrón o negro. Cuando se altera su superficie es marrón – rojiza. Los cristales de olivino pertenecen al sistema rómbico, pero los cristales bien desarrollados son raros. El olivino es frágil y cuando se fractura lo hace de modo irregular. Los granos de olivino se encuentran dispersos en algunas rocas ígneas, y parecen trozos de vidrio verde, aunque también se encuentran en masas granudas. Tiene rudeza 6.5 a 7 y el olivino corriente tiene cerca de 3.4 de peso específico. Su brillo es vítreo y la raya es entre blanca y verde. El olivino es un importante mineral constituyente de rocas. Se encuentra en las rocas ígneas, tanto en las básicas como en la ultra básica (pobre de sílice), como el basalto, el gabro y la peridotita. La dunita es una roca compuesta casi exclusivamente de olivino. Algunos mármoles contienen olivino rico en magnesio, llamado forsterita. La variedad rica en hierro se llama fayalita. El olivino no se encuentra por regla general en los sedimentos, porque es inestable en presencia de agua.

Fig. N°4: estructura de nesosilicatos.

VII.1.2)

Fig. N°5: mineral olivino.

Granates (SiO4)3(A3B2)

El grupo de los granates incluye una serie de subespecies que cristalizan en la clase hexaquisoctaédrica del sistema cúbico, y tiene hábito similar. Todos ellos corresponden a la misma fórmula general, aunque los elementos químicos presentes pueden diferir mucho.

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Formas comunes: dodecaedros y trapezoedros, muchas veces combinados (Fig.6). Son raras las demás formas. Generalmente bien cristalizados; también en granos redondos; macizo granular, grueso o fino. Dentro de sus características físicas destacan su color, comúnmente rojo; también castaño, amarillo, blanco, verde, negro. Los granates son silicatos que responden a la fórmula general (SiO4)3(A3B2), donde “A” puede ser calcio, magnesio, hierro o manganeso; “B” puede ser aluminio, hierro férrico, titanio o cromo.

Fig 6. Formas comunes de los granates. Manual de mineralogía (J. Dana - Cornelius S. Hurlbut;1996, pág. 403).

El mineral granate es similar al olivino, presenta variados colores aunque los más comunes son el marrón y el rojo oscuro, además no presenta exfoliación y su brillo es vítreo. En su estructura aparecen tetraedros individuales unidos por iones metálicos, que se alternan con octaedros y comparten vértices. En conjunto, los tetraedros coordinados con los octaedros forman poliedros parecidos a cubos distorsionados. Esta distorsión depende exclusivamente del tamaño del catión en los cubos. El granate es un mineral común muy extendido; aparece como constituyente accesorio de las rocas metamórficas y en ciertas ígneas. Su yacimiento más característico es en los esquistos micáceos, esquistos de hornblenda y gneis. En las vetas de pegmatita, más rara vez en las rocas graníticas.

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Fig.N°7 : estructura del granate tridimensional.

Fig. N°8: mineral granate.

VII.2. SOROSILICATOS Los sorosilicatos se caracterizan por la presencia de grupos tetraédricos dobles, independientes formando dos tetraedros SiO4, que comparten un oxígeno de un solo vértice (Fig. N°9). La proporción silici...