¿Cómo se forman los minerales?

Generalmente, en la naturaleza es muy complicado encontrar objetos que contengan líneas rectas, ángulos regulares, transparencias o incluso juegos llamativos de colores. Si vas a dar una vuelta por el campo y miras al suelo, tienes altas probabilidades de encontrarte algo de este estilo:

Meh. (Fuente)

Por eso siempre me ha fascinado que, entre todo este desorden aparente y, siendo francos, aburrido, existan lugares donde puedes levantar una roca y toparte con cosas que le llevan la contraria a su entorno, como estos cristales de cuarzo:

(Fuente)


Bueno, vale, este ejemplo no impresiona demasiado porque no son los cristales más llamativos del mundo y encima están cubiertos de tierra. Estos más exóticos, una vez limpios, ejemplifican más fácilmente el mensaje que quiero transmitir:

Arriba: cristales de aguamarina, esmeralda y amatista. Abajo: vanadinita y topacio.

Cuando tienes alguna de estas cosas delante de tus narices y puedes tocarla, cuesta asimilar que esa precisión geométrica, transparencia y colorido han aparecido en la naturaleza sin la intervención humana. Pues pensar que es cosa magia, directamente, o una prueba que demuestra la intervención de algún dios  o de que hay secretos que no estamos preparados para en… No, no, qué va, sabemos perfectamente quienes son los responsables de la formación de estas estructuras: el calor y la presión.

Para entender cómo calentar y compactar unos cuantos elementos químicos comunes en las rocas puede dar lugar estructuras tan diferentes como estas, tenemos que entender primero qué es realmente la temperatura.

Lo que percibimos como temperatura es en realidad la energía cinética contenida por las moléculas, que a su vez depende de lo rápido que éstas se mueven. Es decir, que cuanto más rápido vibran las moléculas que componen un material, más energía tienen y notamos que están más calientes. De la misma manera, cuanto más despacio vibren menos energía cinética tendrán y nos parecerá que están más frías.

Una proteína en movimiento. Su vibración es la que determina su temperatura. (Fuente)

¿Y en qué se traduce esto en términos de la materia que vemos a nuestro alrededor?

Si las moléculas que componen una sustancia se mueven demasiado deprisa (o sea, si la temperatura de la sustancia es demasiado alta), entonces les resultará imposible unirse entre sí porque al chocar entre ellas rebotarán y no podrán agarrarse con suficiente fuerza como para quedar unidas. Lo estoy simplificando bastante, pero este fenómeno es el que provoca que una sustancia se encuentre en estado líquido.

Ahora bien, si enfriamos la sustancia lo suficiente, las moléculas que la componen dejarán de moverse tan rápido. Al desplazarse más despacio tendrán una menor cantidad de energía cinética y, por tanto, no chocarán tan fuerte entre ellas y las moléculas podrán quedar agarradas entre sí. Cuando las moléculas se unen en estructuras fijas en vez de permanecer sueltas rebotando unas contra otras, entonces se forma un sólido.

Pero, claro, la naturaleza tiende a colocar las cosas en la configuración en la que ocupan la menor energía posible según las condiciones en las que se encuentren y diferentes moléculas compuestas por elementos distintos tienden a agruparse en estructuras concretas al solidificarse.

Esto no lo hacen por fines estéticos, sino porque tienen una geometría determinada según los átomos que las componen. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno en el agua (H2O) están acoplados al de oxígeno y separados entre sí por un ángulo de casi 104,5º en estado líquido.

(Fuente)

Cuando la temperatura baja y el hielo se forma, por ejemplo, este ángulo se abre o se cierra a medida que las moléculas individuales empiezan a agruparse y adoptar una estructura hexagonal, llamada hielo Ih (“uno hache”):

(Fuente)

La presión juega un papel muy importante en la determinación de la estructura interna del material al solidificarse: si hay una fuerza externa aplicada sobre las moléculas que las obligue a apretarse más entre ellas, entonces el ángulo que separa el oxígeno y el hidrógeno cambiará y la configuración en la que tenderán a unirse las moléculas será también distinta.

Virtualmente todo el hielo que se forma en nuestro planeta de manera natural es hielo Ih, ya que éste se forma a temperaturas de entre 0 y -100ºC y presiones hasta 1.000 veces superiores a la presión atmosférica.

Pero podemos fabricar distintos tipos de hielo (o sea, con una estructura interna distinta) en los laboratorios, variando las condiciones de presión y temperatura a la que las que congelamos el agua. Por ejemplo, sometiendo el agua a una presión de 100 gigapascales (la friolera de 10 toneladas por centímetro cuadrado), la estructura hexagonal del hielo corriente deja de ser estable y, en su lugar, las moléculas se organizan formando “cubos”. A esto se le llama “hielo diez” (hielo X) y recibe este nombre simplemente porque es una de las 15 fases de hielo conocidas.

Plano bidimensional de la estructura cristalina del hielo X. (Fuente)

Pero, Ciencia de Sofá, yo he venido aquí a leer sobre minerales… ¿Qué tiene que ver todo esto con ellos?

Igual que las moléculas de agua se agrupan en una estructura ordenada y forman sólidos cuando se enfrían lo suficiente, los minerales se forman cuando la temperatura del magma líquido baja lo suficiente como para que los elementos que lo componen se acoplen entre sí y formen un sólido.

Las moléculas de agua no son las únicas cuyos átomos tienden a adoptar estructuras concretas cuando se solidifican. Ya sea el dióxido de silicio (SiO2) que forma el cuarzo, el fluoruro de calcio (CaF2) del que está compuesto la fluorita o el disulfuro de hierro (FeS2) de la pirita, cualquier compuesto adopta estructuras moleculares concretas según las condiciones de calor y presión a las que está sometido.

(Fuentes: 1, 2, 3)

El calor que recibe un mineral mientras toma forma depende de lo cerca que se encuentre de un depósito de magma, mientras que la fuerza que lo comprime estará determinada por la profundidad a la que se encuentre: cuanto más material hay encima del mineral, más presión actuará sobre él. Por ejemplo, para que los átomos de carbono se organicen formando la estructura que da lugar a los diamantes se necesitan presiones altísimas, por lo que los diamantes suelen formarse a entre 140 y 190 kilómetros de profundidad.

A medida que el magma se enfría, se forman pequeños núcleos sólidos en su interior que empiezan a crecer. En cada uno de estos núcleos las moléculas se unen siguiendo un orden determinado, formando cristales. Un cristal es simplemente un pedazo de material cuyas moléculas o átomos están todos ordenados en la misma dirección.

(Fuente)

Cuando el enfriamiento es lento y las condiciones de presión son óptimas, un cristal puede crecer tranquilamente a medida que las moléculas del líquido que lo rodean se unen a la estructura principal, formando estructuras muy grandes y regulares como estas.

Arriba: cuarzo (SiO2) y fluorita (CaF2). Abajo: pirita (FeS2). (Fuentes: 1, 2, 3)

Pero en la vida real esto ocurre pocas veces. Lo normal es que en un líquido se formen una gran cantidad de núcleos sólidos de compuestos químicos distintos a partir de los cuales crecen los cristales, cada uno orientado de manera distinta y que al expandirse mientras se enfrían se molestan entre sí, limitando su crecimiento.

La velocidad a la que el magma se enfría es un factor crucial que determina el tamaño de los cristales. Si su temperatura baja demasiado deprisa, aparecerán miles de cristales muy pequeños que se estorbarán mientras crecen. Total, que los minerales que encontraremos la inmensa mayoría de las veces serán así:

Lo mismos minerales de antes, pero en la forma que es más común encontrarlos. (Fuentes: 1, 2, 3)

Debo decir que no todos los minerales aparecen a partir de la solidificación del magma (aunque sí la gran mayoría). Algunos de ellos tienen lugar cuando la roca se hunde de nuevo en la corteza terrestre debido a los procesos tectónicos y, aunque no llegue a fundirse otra vez, el calor y la presión son capaces de activar su crecimiento de nuevo o darles una forma distinta. Este es el caso de algunos tipos de granate.

También hay otros minerales que se forman por precipitación o en soluciones de agua, que es lo que ocurre con la selenita, una forma de yeso cristalizado responsable de los gigantescos cristales de varios metros de longitud que adornan la Cueva de los Cristales en Naica, México. Explicaba cómo es formaron en esta otra entrada.

(Fuente)

Llegados a este punto quiero explicar rápidamente cuál es la diferencia entre un mineral y una roca.

Las rocas son la mezcla millones de diminutos cristales de distintos minerales. Esto puede verse a simple vista en la piedra arenisca, por ejemplo, compuesto por finos granos de arena compactados.

En este enlace podréis ver más imágenes de otros tipos de roca vistos a través del microscopio.

Para terminar, hay otras cosas que no son exactamente minerales que no se forman de ninguna de las maneras que he mencionado.

Cuando el mismo compuesto químico que forma el cuarzo (el dióxido de silicio), queda atrapado en grietas de piedra arenisca por las que corre agua, puede formar una especie de gel sin estructura cristalina (por eso no es un mineral, sino un mineraloide) con un contenido de agua de entre el 3 y el 21%.

Si las condiciones son adecuadas, el ópalo estará formado por diminutas esferas de sílice de entre 150 y 300 nanómetros de diámetro (un tamaño menor que la longitud de onda de la luz visible) que difractan la luz y provocan la interferencia entre diferentes longitudes de onda, generando una gran variedad de colores.

Si no lo son, entonces simplemente parece como si alguien hubiera inyectado pasta de dientes en la roca.

(Fuente)

 Y aquí termina bruscamente la entrada de hoy.

POR CIERTO, TENGO UN MENSAJE MUY IMPORTANTE PARA VOSOTROS.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂