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calcita

La calcita es un mineral de carbonato y el polimorfo más estable del carbonato de calcio (CaCO 3 ). Es un mineral muy común, particularmente como componente de la piedra caliza . La calcita define la dureza 3 en la escala de dureza mineral de Mohs , basada en una comparación de dureza al rayado . Los grandes cristales de calcita se utilizan en equipos ópticos y la piedra caliza compuesta principalmente de calcita tiene numerosos usos.

Otros polimorfos del carbonato de calcio son los minerales aragonito y vaterita . La aragonita cambiará a calcita en escalas de tiempo de días o menos a temperaturas superiores a 300 °C, [6] [7] y la vaterita es aún menos estable.

Etimología

La calcita deriva del alemán Calcit , término del siglo XIX que provenía de la palabra latina para cal , calx (genitivo calcis ) con el sufijo -ite utilizado para nombrar a los minerales. Se trata pues de un doblete de la palabra tiza . [8]

Cuando lo aplican los arqueólogos y profesionales del comercio de piedras, el término alabastro no se utiliza sólo como en geología y mineralogía, donde se reserva para una variedad de yeso ; sino también por una variedad translúcida y de aspecto similar de depósito de calcita con bandas de grano fino. [9]

Celda unitaria e índices de Miller

Estructura cristalina de calcita.

En las publicaciones, se utilizan dos conjuntos diferentes de índices de Miller para describir direcciones en cristales hexagonales y romboédricos, incluidos los cristales de calcita: tres índices de Miller h, k, l en las direcciones, o cuatro índices de Bravais-Miller h, k, i, l en las direcciones, donde es redundante pero útil para visualizar simetrías de permutación .

Para aumentar las complicaciones, también existen dos definiciones de celda unitaria para calcita. Una, una celda unitaria "morfológica" más antigua, se dedujo midiendo ángulos entre las caras de los cristales, normalmente con un goniómetro , y buscando los números más pequeños que encajaran. Posteriormente, se determinó una celda unitaria "estructural" mediante cristalografía de rayos X. La celda unitaria morfológica es romboédrica y tiene dimensiones aproximadas a = 10 Å y c = 8,5 Å , mientras que la celda unitaria estructural es hexagonal (es decir, un prisma rómbico ), y tiene dimensiones aproximadas a = 5 Å y c = 17 Å . Para la misma orientación, c debe multiplicarse por 4 para convertir de unidades morfológicas a estructurales. Como ejemplo, la escisión de la calcita se da como "perfecta en {1 0 1 1}" en coordenadas morfológicas y "perfecta en {1 0 1 4}" en unidades estructurales. En índices, estos son {1 0 1} y {1 0 4}, respectivamente. Las formas de macla , escisión y cristal a menudo se dan en unidades morfológicas. [4] [10]

Propiedades

Las propiedades diagnósticas de la calcita incluyen una dureza Mohs definitoria de 3, una gravedad específica de 2,71 y, en variedades cristalinas, un brillo vítreo . El color es blanco o ninguno, aunque pueden aparecer tonos de gris, rojo, naranja, amarillo, verde, azul, violeta, marrón o incluso negro cuando el mineral está cargado de impurezas. [4]

Hábitos cristalinos

La calcita tiene numerosos hábitos, representando combinaciones de más de 1000 formas cristalográficas . [3] Los más comunes son los escalenoedros , con caras en las direcciones hexagonales {2 1 1} (celda unitaria morfológica) o {2 1 4} (celda unitaria estructural); y romboédrico, con caras en las direcciones {1 0 1} o {1 0 4} (el plano de división más común). [10] Los hábitos incluyen romboedros de agudos a obtusos, hábitos tabulares, prismas o varios escalenoedros . La calcita exhibe varios tipos de macla que se suman a los hábitos observados. Puede presentarse como fibroso, granular, laminar o compacto. Un hábito fibroso y eflorescente se conoce como lublinita . [11] La escisión suele realizarse en tres direcciones paralelas a la forma del romboedro. Su fractura es concoidea , pero de difícil obtención.

Las caras escalenoédricas son quirales y vienen en pares con simetría de imagen especular; su crecimiento puede verse influenciado por la interacción con biomoléculas quirales como los aminoácidos L y D. Las caras romboédricas no son quirales. [10] [12]

Óptico

Fotografía de calcita que muestra el característico comportamiento óptico de birrefringencia.

La calcita es transparente a opaca y ocasionalmente puede mostrar fosforescencia o fluorescencia . Con fines ópticos se utiliza una variedad transparente llamada " espato de Islandia ". [13] Los cristales escalenoédricos agudos a veces se denominan "mástil en forma de diente de perro", mientras que la forma romboédrica a veces se denomina "mástil en forma de cabeza de clavo". [2] La forma romboédrica también pudo haber sido la " piedra solar " cuyo uso por los navegantes vikingos se menciona en las Sagas islandesas . [14]

Los cristales individuales de calcita muestran una propiedad óptica llamada birrefringencia (doble refracción). Esta fuerte birrefringencia hace que los objetos vistos a través de un trozo transparente de calcita parezcan duplicados. El efecto birrefringente (usando calcita) fue descrito por primera vez por el científico danés Rasmus Bartholin en 1669. A una longitud de onda de aproximadamente 590 nm, la calcita tiene índices de refracción ordinarios y extraordinarios de 1,658 y 1,486, respectivamente. [15] Entre 190 y 1700 nm, el índice de refracción ordinario varía aproximadamente entre 1,9 y 1,5, mientras que el índice de refracción extraordinario varía entre 1,6 y 1,4. [dieciséis]

termoluminiscencia

Demostración de birrefringencia en calcita, utilizando láser de 445 nm.

La calcita tiene propiedades termoluminiscentes debido principalmente al manganeso divalente ( Mn 2+ ). [17] Se realizó un experimento agregando activadores como iones de Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Pb y Bi a las muestras de calcita para observar si emitían calor o luz. Los resultados mostraron que la adición de iones ( Cu + , Cu 2+ , Zn 2+ , Ag + , Bi 3+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ , Ni 2+ ) no reaccionó. [17] Sin embargo, se produjo una reacción cuando tanto iones de manganeso como de plomo estaban presentes en la calcita. [17] Al cambiar la temperatura y observar los picos de la curva de brillo, se encontró que Pb 2+ y Mn 2+ actuaban como activadores en la red de calcita, pero Pb 2+ era mucho menos eficiente que Mn 2+ . [17]

Los experimentos de medición de termoluminiscencia mineral suelen utilizar rayos X o rayos gamma para activar la muestra y registrar los cambios en las curvas luminosas a una temperatura de 700-7500 K. [17] La ​​termoluminiscencia mineral puede formar varias curvas de brillo de los cristales en diferentes condiciones, como cambios de temperatura, porque los iones de impureza u otros defectos cristalinos presentes en los minerales suministran centros de luminiscencia y niveles de captura. [17] La ​​observación de estos cambios en las curvas también puede ayudar a inferir la correlación geológica y la determinación de la edad. [17]

Químico

La calcita, como la mayoría de los carbonatos, se disuelve en ácidos mediante la siguiente reacción

CaCO 3 + 2 H + → Ca 2+ + H 2 O + CO 2

El dióxido de carbono liberado por esta reacción produce una efervescencia característica cuando una muestra de calcita se trata con un ácido.

Debido a su acidez, el dióxido de carbono tiene un ligero efecto solubilizante sobre la calcita. La reacción general es

CaCO 3 (s) + H 2 O + CO 2 (ac) → Ca 2+ (ac) + 2HCO−3(aq)

Si la cantidad de dióxido de carbono disuelto disminuye, la reacción se invierte y precipita calcita. Como resultado, la calcita puede disolverse en aguas subterráneas o precipitarse en aguas subterráneas, dependiendo de factores como la temperatura del agua, el pH y las concentraciones de iones disueltos . Cuando las condiciones son adecuadas para la precipitación, la calcita forma recubrimientos minerales que cementan los granos de roca y pueden rellenar fracturas. Cuando las condiciones son adecuadas para la disolución, la eliminación de calcita puede aumentar drásticamente la porosidad y la permeabilidad de la roca y, si continúa durante un largo período de tiempo, puede dar lugar a la formación de cuevas . La disolución continua de formaciones ricas en carbonato de calcio puede conducir a la expansión y eventual colapso de los sistemas de cuevas, lo que resulta en diversas formas de topografía kárstica . [18]

La calcita exhibe una característica inusual llamada solubilidad retrógrada: es menos soluble en agua a medida que aumenta la temperatura. La calcita también es más soluble a presiones más altas. [19]

La calcita pura tiene la composición CaCO 3 . Sin embargo, la calcita de la piedra caliza suele contener un pequeño porcentaje de magnesio . La calcita en piedra caliza se divide en calcita con bajo contenido de magnesio y con alto contenido de magnesio, con la línea divisoria colocada en una composición de 4% de magnesio. La calcita con alto contenido de magnesio conserva la estructura mineral de calcita, que es distinta de la de la dolomita , MgCa(CO 3 ) 2 . [20] La calcita también puede contener pequeñas cantidades de hierro y manganeso . [21] El manganeso puede ser responsable de la fluorescencia de la calcita impura, al igual que las trazas de compuestos orgánicos. [22]

Distribución

La calcita se encuentra en todo el mundo y su distribución global líder es la siguiente:

Los Estados Unidos

Cantera de calcita, Michigan.

La calcita se encuentra en muchas áreas diferentes de los Estados Unidos. Uno de los mejores ejemplos es la cantera de calcita en Michigan. [23] La cantera de calcita es la mina de carbonato más grande del mundo y ha estado en uso durante más de 85 años. [23] Se pueden extraer grandes cantidades de calcita de estas importantes minas a cielo abierto.

Canadá

La calcita también se puede encontrar en todo Canadá, como en Thorold Quarry y Madawaska Mine, Ontario, Canadá. [24]

México

Se extrae abundante calcita en el distrito minero de Santa Eulalia, Chihuahua, México. [25]

Islandia

En Islandia se concentran grandes cantidades de calcita en la mina Helgustadir . [26] La mina fue una vez la ubicación minera principal de "Islandia spar". [27] Sin embargo, actualmente sirve como reserva natural y no se permitirá la extracción de calcita. [27]

Inglaterra

La calcita se encuentra en partes de Inglaterra, como Alston Moor, Egremont y Frizington, Cumbria. [26]

Alemania

En St. Andreasberg, en las montañas de Harz y en Freiberg, en Sajonia, se puede encontrar calcita. [26]

Uso y aplicaciones

Uno de los varios frascos de perfume de calcita o alabastro de la tumba de Tutankamón , d. 1323 aC

Los antiguos egipcios tallaron muchos objetos en calcita, relacionándolos con su diosa Bast , cuyo nombre contribuyó al término alabastro debido a la estrecha asociación. Muchas otras culturas han utilizado el material para aplicaciones y objetos tallados similares. [28]

Los vikingos pueden haber utilizado una variedad transparente de calcita conocida como espato de Islandia para navegar en días nublados. Un cristal de calcita muy puro puede dividir un haz de luz solar en imágenes duales, ya que la luz polarizada se desvía ligeramente del haz principal. Al observar el cielo a través del cristal y luego girarlo para que las dos imágenes tengan el mismo brillo, los anillos de luz polarizada que rodean el sol se pueden ver incluso bajo cielos nublados. Identificar la ubicación del sol daría a los marinos un punto de referencia para navegar en sus largos viajes por mar. [29]

En la Segunda Guerra Mundial, se utilizó calcita óptica de alta calidad para miras de armas, específicamente en miras para bombas y armamento antiaéreo. [30] Se utilizó como polarizador (en prismas Nicol ) antes de la invención de las placas Polaroid y todavía se utiliza en instrumentos ópticos. [31] Además, se han realizado experimentos para utilizar calcita como capa de invisibilidad . [32]

La calcita precipitada microbiológicamente tiene una amplia gama de aplicaciones, como la remediación y estabilización de suelos y la reparación de hormigón. [33] [34] También se puede utilizar para la gestión de relaves y está diseñado para promover el desarrollo sostenible en la industria minera. [35]

La calcita puede ayudar a sintetizar carbonato de calcio precipitado (PCC) (utilizado principalmente en la industria del papel) y aumentar la carbonatación . [36] Además, debido a su particular hábito cristalino, como romboedro, prisma hexagonal, etc., promueve la producción de PCC con formas y tamaños de partículas específicos. [36]

La calcita, obtenida de una muestra de 80 kg de mármol de Carrara , [37] se utiliza como estándar isotópico OIEA -603 en espectrometría de masas para la calibración de δ 18 O y δ 13 C. [38]

La calcita puede formarse de forma natural o sintetizarse. Sin embargo, la calcita artificial es el material preferido para usarse como armazón en la ingeniería de tejido óseo debido a sus propiedades controlables y repetibles. [39]

La calcita se puede utilizar para paliar la contaminación del agua provocada por el crecimiento excesivo de cianobacterias . Los lagos y ríos pueden provocar la proliferación de cianobacterias debido a la eutrofización , que contamina los recursos hídricos. [40] El fósforo (P) es la principal causa del crecimiento excesivo de cianobacterias. [40] Como material de cobertura activo, la calcita puede ayudar a reducir la liberación de P de los sedimentos al agua, inhibiendo así el crecimiento excesivo de cianobacterias. [40]

ocurrencia natural

La calcita es un componente común de las rocas sedimentarias , en particular la piedra caliza, gran parte de la cual se forma a partir de caparazones de organismos marinos muertos. Aproximadamente el 10% de la roca sedimentaria es caliza. Es el mineral principal del mármol metamórfico . También se encuentra en depósitos de aguas termales como mineral de veta ; en cavernas como estalactitas y estalagmitas ; y en rocas volcánicas o derivadas del manto como carbonatitas , kimberlitas o raramente en peridotitas .

La calcita es a menudo el constituyente principal de las conchas de organismos marinos , como el plancton (como los cocolitos y los foraminíferos planctónicos ), las partes duras de las algas rojas , algunas esponjas , braquiópodos , equinodermos , algunos serpúlidos , la mayoría de los briozoos y partes de las conchas. de algunos bivalvos (como las ostras y los rudistas ). La calcita se encuentra en forma espectacular en la cueva del río Snowy de Nuevo México , como se mencionó anteriormente, donde se atribuyen formaciones naturales a microorganismos. Los trilobites , que se extinguieron hace 250 millones de años , tenían ojos compuestos únicos que utilizaban cristales de calcita transparentes para formar las lentes. [41] También forma una parte sustancial de la cáscara de los huevos de las aves, y el δ 13 C de la dieta se refleja en el δ 13 C de la calcita de la cáscara. [42]

El monocristal de calcita más grande documentado se originó en Islandia, midió 7 m × 7 m × 2 m (23 pies × 23 pies × 6,6 pies) y 6 m × 6 m × 3 m (20 pies × 20 pies × 9,8 pies) y Pesaba alrededor de 250 toneladas. [43] Se han producido muestras clásicas en la mina Madawaska , cerca de Bancroft, Ontario . [44]

Las venas paralelas de calcita fibrosa, a menudo denominadas en el lenguaje de las canteras como carne de res , se encuentran en lutitas y lutitas oscuras ricas en materia orgánica; estas venas se forman al aumentar la presión del fluido durante la diagénesis . [45]

Procesos de formación

La formación de calcita puede proceder por varias vías, desde el modelo clásico de torsión de la repisa de la terraza [46] hasta la cristalización de fases precursoras mal ordenadas como el carbonato de calcio amorfo (ACC) a través de un proceso de maduración de Ostwald o mediante la aglomeración de nanocristales . [47]

La cristalización de ACC puede ocurrir en dos etapas. Primero, las nanopartículas de ACC se deshidratan y cristalizan rápidamente para formar partículas individuales de vaterita . En segundo lugar, la vaterita se transforma en calcita mediante un mecanismo de disolución y reprecipitación , con la velocidad de reacción controlada por el área de superficie de un cristal de calcita. [48] ​​La segunda etapa de la reacción es aproximadamente 10 veces más lenta.

Sin embargo, se ha observado que la cristalización de la calcita depende del pH inicial y de la concentración de magnesio en la solución. Un pH inicial neutro durante la mezcla promueve la transformación directa de ACC en calcita sin un intermedio de vaterita. Pero cuando el ACC se forma en una solución con un pH inicial básico , la transformación en calcita se produce a través de vaterita metaestable , siguiendo el camino descrito anteriormente. [48] ​​El magnesio tiene un efecto notable tanto en la estabilidad del ACC como en su transformación a CaCO 3 cristalino , lo que resulta en la formación de calcita directamente a partir del ACC, ya que este ion desestabiliza la estructura de la vaterita.

Los sobrecrecimientos epitaxiales de calcita precipitados en superficies de escisión erosionadas tienen morfologías que varían según el tipo de meteorización que experimentó el sustrato: el crecimiento en superficies erosionadas físicamente tiene una morfología en forma de tejas debido al crecimiento de Volmer-Weber, el crecimiento en superficies erosionadas químicamente tiene características del crecimiento de Stranski-Krastanov , y el crecimiento en superficies de escisión prístinas tiene características del crecimiento de Frank-van der Merwe. [49] Estas diferencias aparentemente se deben a la influencia de la rugosidad de la superficie en la dinámica de coalescencia de las capas.

La calcita se puede formar en el subsuelo en respuesta a la actividad de los microorganismos , como la oxidación anaeróbica del metano dependiente de sulfato , donde el metano se oxida y el sulfato se reduce , lo que lleva a la precipitación de calcita y pirita a partir del bicarbonato y sulfuro producidos . Estos procesos se pueden rastrear por la composición de isótopos de carbono específicos de las calcitas, que están extremadamente empobrecidas en el isótopo 13 C , hasta -125 por mil PDB (δ 13 C). [50]


En la historia de la Tierra

Los mares de calcita existieron en la historia de la Tierra cuando el principal precipitado inorgánico de carbonato de calcio en las aguas marinas era la calcita con bajo contenido de magnesio (lmc), a diferencia de la aragonita y la calcita con alto contenido de magnesio (hmc) que precipitan hoy. Los mares de calcita se alternaron con los de aragonito a lo largo del Fanerozoico , siendo más prominentes en los períodos Ordovícico y Jurásico . Los linajes evolucionaron para utilizar cualquier forma de carbonato de calcio que fuera favorable en el océano en el momento en que se mineralizaron y conservaron esta mineralogía durante el resto de su historia evolutiva. [51] La evidencia petrográfica de estas condiciones del mar de calcita consiste en ooides calcíticos , cementos LMC, terrenos duros y una rápida disolución temprana de aragonito del fondo marino. [52] La evolución de los organismos marinos con conchas de carbonato de calcio puede haber sido afectada por el ciclo marino de la calcita y el aragonito. [53]

La calcita es uno de los minerales que se ha demostrado que cataliza una importante reacción biológica, la reacción de formosa , y puede haber tenido un papel en el origen de la vida. [10] La interacción de sus superficies quirales (ver Formulario) con moléculas de ácido aspártico da como resultado un ligero sesgo en la quiralidad; este es un posible mecanismo para el origen de la homoquiralidad en las células vivas. [54]

Cambio climático

La acidificación de los océanos reduce el pH, lo que afecta la calcificación en los organismos con caparazón.

El cambio climático está exacerbando la acidificación de los océanos , lo que puede conducir a una menor producción natural de calcita. Los océanos absorben grandes cantidades de CO 2 proveniente de las emisiones de combustibles fósiles al aire. [55] La cantidad total de CO 2 artificial absorbida por los océanos se calcula en 118 ± 19 Gt C. [56] Si una gran cantidad de CO 2 se disuelve en el mar, aumentará la acidez del agua del mar, afectando así el valor del pH del océano. [55] Los organismos calcificantes en el mar, como los moluscos foraminíferos, crustáceos, equinodermos y corales, son susceptibles a los cambios de pH. [55] Mientras tanto, estos organismos calcificantes también son una fuente esencial de calcita. A medida que la acidificación de los océanos haga que el pH baje, las concentraciones de iones carbonato disminuirán, lo que podría reducir la producción natural de calcita. [55]

Galería

Ver también

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la calcita .
Wikisource tiene el texto del artículo de la Encyclopædia Britannica de 1911 " Calcita ".

Referencias

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