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Calcita

La calcita es un mineral de carbonato y el polimorfo más estable del carbonato de calcio (CaCO3 ) . Es un mineral muy común, en particular como componente de la piedra caliza . La calcita tiene una dureza de 3 en la escala de dureza de minerales de Mohs , basada en la comparación de dureza al rayado . Los cristales grandes 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 . El aragonito se transformará en 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

Calcita se deriva del alemán Calcit , un término del siglo XIX que proviene de la palabra latina para cal , calx (genitivo calcis ) con el sufijo -ita utilizado para nombrar minerales. Por lo tanto, es un doblete de la palabra tiza . [8]

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

Celda unitaria e índices de Miller

Estructura cristalina de la 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 hay dos definiciones de celda unitaria para calcita. Una, una celda unitaria "morfológica" más antigua, se infirió midiendo ángulos entre caras de cristales, típicamente con un goniómetro , y buscando los números más pequeños que encajaran. Más tarde, se determinó una celda unitaria "estructural" utilizando cristalografía de rayos X. La celda unitaria morfológica es romboédrica , con dimensiones aproximadas a = 10 Å y c = 8,5 Å , mientras que la celda unitaria estructural es hexagonal (es decir, un prisma rómbico ), con 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 clivaje de la calcita se da como "perfecto en {1 0 1 1}" en coordenadas morfológicas y "perfecto en {1 0 1 4}" en unidades estructurales. En índices, estos son {1 0 1} y {1 0 4}, respectivamente. Las formas de maclado , clivaje y cristalino se expresan a menudo 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 de cristal

La calcita tiene numerosos hábitos, que representan 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 los romboédricos, con caras en las direcciones {1 0 1} o {1 0 4} (el plano de clivaje más común). [10] Los hábitos incluyen romboedros agudos a obtusos, hábitos tabulares, prismas o varios escalenoedros . La calcita exhibe varios tipos de maclado que se suman a los hábitos observados. Puede presentarse como fibrosa, granular, lamelar o compacta. Un hábito fibroso y eflorescente se conoce como lublinita . [11] El clivaje suele ser en tres direcciones paralelas a la forma del romboedro. Su fractura es concoidea , pero difícil de obtener.

Las caras escalenoédricas son quirales y se presentan 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 comportamiento óptico característico de la birrefringencia.

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

Los cristales de calcita individuales presentan una propiedad óptica llamada birrefringencia (doble refracción). Esta fuerte birrefringencia hace que los objetos vistos a través de un trozo de calcita transparente parezcan duplicados. El efecto birrefringente (utilizando 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. [16]

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 añadiendo 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 estaban presentes iones de manganeso y plomo 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+ actuaron como activadores en la red de calcita, pero Pb 2+ fue mucho menos eficiente que Mn 2+ . [17]

Los experimentos de medición de la termoluminiscencia mineral suelen utilizar rayos X o rayos gamma para activar la muestra y registrar los cambios en las curvas de luminiscencia a una temperatura de 700–7500 K. [17] La ​​termoluminiscencia mineral puede formar varias curvas de luminiscencia de cristales en diferentes condiciones, como cambios de temperatura, porque los iones de impureza u otros defectos de los cristales presentes en los minerales proporcionan centros de luminiscencia y niveles de atrapamiento. [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

CaCO3 (s) + H2O + CO2 ( ac ) → Ca2 + (ac) + 2HCO−3(aq)

Si la cantidad de dióxido de carbono disuelto disminuye, la reacción se invierte para precipitar calcita. Como resultado, la calcita puede ser disuelta por el agua subterránea o precipitada por el agua subterránea, 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 el eventual colapso de los sistemas de cuevas, lo que da lugar a diversas formas de topografía kárstica . [18]

La calcita presenta 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 CaCO3 . Sin embargo, la calcita en la piedra caliza a menudo contiene un pequeño porcentaje de magnesio . La calcita en la piedra caliza se divide en calcita con bajo contenido de magnesio y calcita 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 a la de la dolomita , MgCa(CO3 ) 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 los rastros de compuestos orgánicos. [22]

Distribución

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

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 minas a cielo abierto de gran tamaño.

Canadá

La calcita también se puede encontrar en todo Canadá, como en la cantera Thorold y la mina Madawaska, Ontario, Canadá. [24]

México

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

Islandia

En Islandia se concentran grandes cantidades de calcita en la mina Helgustadir . [26] La mina fue en su día el principal lugar de extracción de "espato de Islandia". [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 , fallecido en 1323 a. C.

Los antiguos egipcios tallaban 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 objetos tallados y aplicaciones 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 rotarlo para que las dos imágenes tengan el mismo brillo, los anillos de luz polarizada que rodean al sol pueden verse incluso en cielos nublados. Identificar la ubicación del sol proporcionaría a los navegantes un punto de referencia para navegar en sus largos viajes por mar. [29]

En la Segunda Guerra Mundial, se utilizó calcita óptica de alto grado para miras de armas, específicamente en miras de bombas y armamento antiaéreo. [30] Se utilizó como polarizador (en prismas de 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 para una capa de invisibilidad . [32]

La calcita precipitada microbiológicamente tiene una amplia gama de aplicaciones, como la remediación de suelos, la estabilización de suelos y la reparación de hormigón. [33] [34] También se puede utilizar para la gestión de relaves y está diseñada 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 hábito cristalino particular, como romboedro, prisma hexagonal, etc., promueve la producción de PCC con formas y tamaños de partículas específicos. [36]

La calcita, obtenida a partir 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 se puede formar de forma natural o sintetizar. Sin embargo, la calcita artificial es el material preferido para su uso como andamiaje en la ingeniería de tejidos óseos debido a sus propiedades controlables y repetibles. [39]

La calcita se puede utilizar para aliviar la contaminación del agua causada por el crecimiento excesivo de cianobacterias . Los lagos y ríos pueden provocar floraciones 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 recubrimiento 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 de la piedra caliza, gran parte de la cual se forma a partir de las conchas de organismos marinos muertos. Aproximadamente el 10% de la roca sedimentaria es piedra caliza. Es el mineral principal del mármol metamórfico . También se encuentra en depósitos de fuentes 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 .

Los cactus contienen biominerales de oxalato de calcio. Su muerte libera estos biominerales al medio ambiente, que posteriormente se transforman en calcita a través de un intermediario monohidrocalcita, secuestrando carbono . [41] [42]

La calcita es a menudo el componente principal de las conchas de los 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 a los microorganismos se les atribuyen formaciones naturales. Los trilobites , que se extinguieron hace un cuarto de billón de años , tenían ojos compuestos únicos que usaban cristales de calcita transparente para formar las lentes. [43] También forma una parte sustancial de las cáscaras 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 concha. [44]

El monocristal de calcita más grande documentado se originó en Islandia, medía 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. [45] Se han producido muestras clásicas en la mina Madawaska , cerca de Bancroft, Ontario . [46]

Las vetas paralelas de calcita fibrosa, a menudo denominadas en el lenguaje de las canteras como " carne de res" , se presentan en lutitas y lutitas oscuras ricas en materia orgánica; estas vetas se forman al aumentar la presión del fluido durante la diagénesis . [47]

Procesos de formación

La formación de calcita puede proceder por varias vías, desde el modelo clásico de cornisa de terraza [48] 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. [49]

La cristalización del ACC puede ocurrir en dos etapas. En primer lugar, las nanopartículas de ACC se deshidratan y cristalizan rápidamente para formar partículas individuales de vaterita . En segundo lugar, la vaterita se transforma en calcita a través de un mecanismo de disolución y reprecipitación , con la velocidad de reacción controlada por el área de superficie de un cristal de calcita. [50] 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 ocurre a través de vaterita metaestable , siguiendo la vía descrita anteriormente. [50] El magnesio tiene un efecto notable tanto en la estabilidad del ACC como en su transformación en CaCO3 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 crecimientos epitaxiales de calcita precipitados en superficies de clivaje meteorizadas tienen morfologías que varían con el tipo de meteorización que experimentó el sustrato: el crecimiento en superficies meteorizadas físicamente tiene una morfología en tejas debido al crecimiento de Volmer-Weber, el crecimiento en superficies meteorizadas químicamente tiene características del crecimiento de Stranski-Krastanov, y el crecimiento en superficies de clivaje prístinas tiene características del crecimiento de Frank-van der Merwe. [51] Estas diferencias aparentemente se deben a la influencia de la rugosidad de la superficie en la dinámica de coalescencia de capas.

La calcita puede formarse en el subsuelo en respuesta a la actividad de microorganismos , como la oxidación anaeróbica dependiente de sulfato del metano , 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 isotópica específica de carbono de las calcitas, que están extremadamente empobrecidas en el isótopo 13 C , hasta en −125 por mil PDB (δ 13 C). [52]

En la historia de la Tierra

Los mares de calcita existían en la historia de la Tierra cuando el precipitado inorgánico primario de carbonato de calcio en las aguas marinas era calcita baja en magnesio (lmc), a diferencia de la aragonita y la calcita alta en magnesio (hmc) precipitadas hoy. Los mares de calcita se alternaron con mares de aragonito durante el Fanerozoico , siendo más prominentes en los períodos Ordovícico y Jurásico . Los linajes evolucionaron para usar cualquier morfo de carbonato de calcio que fuera favorable en el océano en el momento en que se mineralizaron, y mantuvieron esta mineralogía durante el resto de su historia evolutiva. [53] La evidencia petrográfica de estas condiciones de mar de calcita consiste en ooides calcíticos , cementos lmc, suelos duros y rápida disolución temprana de aragonito del fondo marino. [54] La evolución de los organismos marinos con conchas de carbonato de calcio puede haberse visto afectada por el ciclo del mar de calcita y aragonito. [55]

La calcita es uno de los minerales que ha demostrado catalizar una reacción biológica importante, la reacción de la formosa , y puede haber tenido un papel en el origen de la vida. [10] La interacción de sus superficies quirales (ver Forma) con las 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. [56]

Cambio climático

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

El cambio climático está exacerbando la acidificación de los océanos , lo que posiblemente lleve a una menor producción natural de calcita. Los océanos absorben grandes cantidades de CO2 de las emisiones de combustibles fósiles al aire. [57] Se calcula que la cantidad total de CO2 artificial absorbido por los océanos es de 118 ± 19 Gt C. [58] Si una gran cantidad de CO2 se disuelve en el mar, provocará que aumente la acidez del agua marina, lo que afectará el valor del pH del océano. [57] Los organismos calcificadores del mar, como los moluscos, foraminíferos, crustáceos, equinodermos y corales, son susceptibles a los cambios de pH. [ 57] Mientras tanto, estos organismos calcificadores también son una fuente esencial de calcita. A medida que la acidificación de los océanos hace que baje el pH, las concentraciones de iones de carbonato disminuirán, lo que potencialmente reducirá la producción natural de calcita. [57]

Galería

Véase también

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Calcita .
Wikisource tiene el texto del artículo de la Encyclopædia Britannica de 1911 " Calcita ".

Referencias

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