Tecnicas Analiticas en Minerales

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    30-Dec-2014

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9. Tcnicas analticas en la investigacin de mineralesEs obvio que el desarrollo de la mineraloga avanzada y la evolucin de la comprensin de las sustancias minerales naturales estn relacionados muy estrechamente con el desarrollo de las nuevas tcnicas analticas y mtodos modernos de investigacin. En la actualidad existe una cantidad enorme de diversas tcnicas analticas que estn usando los mineralogistas en sus investigaciones. Al mismo tiempo se puede decir que todas estas tcnicas se reducen slo con algunos aspectos de la caracterizacin de minerales. En otras palabras, son los mtodos y tcnicas de la observacin y determinacin que permiten obtener la informacin objetiva y precisa sobre la composicin qumica, estructura cristalina y diferentes propiedades de los minerales. As, por ejemplo, la microsonda electrnica, fluorescencia de rayos X, ICP de Masas, etc., presentan nuevas posibilidades para la determinacin de la composicin elemental de las sustancias minerales. Prcticamente todos los mtodos y las tcnicas contemporneas de la fsica y qumica del cuerpo slido se utilizan actualmente en la mineraloga. Estos mtodos permiten determinar y caracterizar cuantitativamente las particularidadescristaloqumicas y las propiedades de los minerales. Las primeras se caracterizan por la composicin qumica (contenido de los elementos principales, frmula cristaloqumica, impurezas y su naturaleza, isomorfismo, inclusiones, carcter de la distribucin de los elementos, correlaciones, composicin isotpica) y la estructura cristalina (grupo espacial, difractograma, parmetros de la celda elemental, nmero de las unidades formularas, tipo de la estructura, coordinados de los tomos, defectos estructurales). Adems, se consideran la morfologa (dimensiones, aspecto, hbito, formas simples y su desarrollo relativo, relaciones entre los tamaos de las caras de diferentes formassimples, sistema y clase de simetra, simetra ideal y real, particularidades especficas de las caras, formas de crecimiento y destruccin) y la anatoma (zonalidad, estructuras sectoriales, inclusiones, estructuras de la alteracin, metamorfismo) de los individuos minerales. Entre las propiedades de los minerales para el estudio detallado son ms importantes las siguientes: fsico-qumicas (solubilidad, reacciones, propiedades electroqumicas, etc.), gravitacionales (densidad, porosidad, peso volumtrico), trmicas (conductividad, termomagnticas y termoelctricas, cambios en diferentes condiciones), elctricas (conductividad, piroy piezoelctricos, fotoelctricos), pticas magnticas (reflexin,(permeabilidad,susceptibilidad,efectosmagnitotrmicos),transmisin, color, refraccin, polarizacin, luminescencia), electrnicas (resonancia paramagntica electrnica, resonancia nuclear magntica, resonancia gamma nuclear), y otras (radioactividad, interaccin con la radiacin de rayos X, electromagntica, lser, etc.). A continuacin veamos las bases sistemticas de los principios de las tcnicas analticas modernas en la investigacin de los minerales. La primera divisin de las tcnicas analticas modernas puede ser realizada por dos grupos: - mtodos que son basados en la interaccin de la materia con las radiaciones o partculas: son los mtodos analticos y estructurales; - mtodos que son basados en los diferentes efectos de la accin con la materia: mecnicos, pticos, elctricos, magnticos, trmicos, que determinan las propiedades correspondientes. La segunda divisin es siguiente: todos los mtodos fsicos que son basados en la interaccin de la materia con la radiacin pueden ser clasificados en la dependencia de dos caractersticas combinadas en esta interaccin:A. Clase de radiacin (energa de radiacin o regin del espectro electromagntico: nuclear, rayos X, visible, infrarroja, microondas, superalta frecuencia, radiofrecuencia); B. Modo de interaccin: espectroscopa, microscopa, difractometra (y microsonda que combina dos o tres de estos modos de interaccin). La tercera divisin es basada en los modos de interaccin de radiacin con la materia. Por ejemplo, para la espectroscopia que estudia la interaccin de la radiacin de diferente longitud de onda o frecuencia con la materia mediante la obtencin de los espectros las bandas de los cuales estn relacionados con los niveles energticos de diferente naturaleza: nucleares, electrnicos, vibracionales, rotacionales. Estos niveles energticos son las caractersticas fundamentales de la materia condensada. La fisin o el desplazamiento de los niveles energticos estn relacionados con las particularidades de la composicin qumica o estructura cristalina de la materia o de minerales (Tabla 9.1).Principios de los mtodos de investigacin: radiacin-interaccin sistemtica. Tabla 9.1 RADIACIN ptica Infrarroja + + + + -INTERACCIN ESPECTROSCOPA MICROSCOPIA DIFRACTOMETRIANuclear + + -Rayos X + + +Superalta Radio Frecuencia Frecuencia + + -Para emplear una tcnica analtica de forma adecuada y eficiente es fundamental conocer sus caractersticas analticas, especialmente los mecanismos de excitacin y la respuesta del sistema de deteccin. Muchas de las tcnicas de estudio de minerales emplean una amplia variedad de fenmenos fsicos. Estas tcnicas se basan en principios diferentes, pero tienen un objetivo comn: producir una seal que se pueda medir y est relacionada con la concentracin de sus constituyentes. A continuacin se describen brevemente slo las principales tcnicas analticas de una enorme cantidad de las distintas tcnicas empleadas actualmente en el estudio y caracterizacin deminerales. Entre ellas se puede sealar las siguientes: Anlisis qumicos: Anlisis de fluorescencia de rayos X (XRF), Mtodo de microsonda electrnica (EPMA microanlisis), Anlisis de absorcin atmica (AAA), Espectrometra de masas con plasma de acoplamiento inductivo (ICP-MS: inductively coupled plasma mass spectrometry); Anlisis cristaloqumico: Difraccin de Rayos X; Tcnicas Espectromtricas: Espectrometra ptica, Infrarroja y Raman; Microscopa Electrnica de Barrido y Transmisin; Otras tcnicas analticas en la investigacin de minerales: Efecto Mssbauer (espectrometra), Resonancia Magntica Nuclear (RMN), Resonancia Paramagntica Electrnica (RPE), Luminescencia, Anlisis trmico. Actualmente existe alrededor de 10-12 tcnicas analticas principales que permiten caracterizar la composicin qumica de los minerales, rocas y otras muestras geolgicas. Todas las tcnicas se diferencian por la seal analtica, mtodo de excitacin y aparatos que detectan las seales analticas correspondientes. Cuando surge la necesidad de determinar la composicin qumica de una muestra, generalmente, debera ser clara la existencia de una hiptesis cientfica que queremos resolver. En sntesis hay citar dos criterios para la seleccin de una tcnica analtica: 1. Identificar las tcnicas ms ampliamente usadas en investigaciones anlogas, 2. Examinar el potencial analtico de cada tcnica para cada caso. La difraccin de rayos X se utiliza ampliamente en la mineraloga moderna. Las posibilidades de estudio de la cristaloqumica estructural y de la composicin elemental y de fase de las sustancias naturales y sintticas, permiten que el mtodo de anlisis por difraccin de rayos X constituya uno de los mtodos de investigacin msimportante en las ciencias fundamentales de la Tierra: Cristalografa, Mineraloga, Petrologa. Veamos los problemas concretos, que se resuelven con la ayuda de difraccin de rayos X en la mineraloga prctica. Entre ellos hay que indicar sobre todo los siguientes: 1. Diagnostico de las sustancias minerales (especies, variedades, fases dispersas y criptocristalinas, soluciones slidas, etc.), 2. Estudio de las series isomorfas, 3. Estudio de las estructuras cristalinas para establecer los ndices especficos (simetra real de la celda elemental, el grado de orden-desorden, presencia de los diferentes defectos, texturas, etc.), 4. Evaluacin del grado de dispersin y tamaos de los cristales, 5. Estudio de la estabilidad estructural de los minerales y tratamientos (temperatura, radiacin, etc.), 6. Anlisis de fases de las rocas, menas y productos de sus tratamientos tecnolgicos tanto cualitativo como cuantitativo, 7. Estudio de las fases amorfas. En la mineraloga con la ayuda de la espectrometra ptica se resuelven las siguientes tareas de investigacin: 1. Diagnstica de los minerales, 2. Estudio de la naturaleza del color de minerales y la variacin cuantitativa de su color, 3. Determinacin de la valencia, la cantidad y la coordinacin de los elementos impurezas que provocan el color (cromofores), 4. Clculo de la energa de diferentes transformaciones en los minerales. La finalidad de las aplicaciones de espectrometra infrarroja es la determinacin de los grupos funcionales que contiene un determinado mineral, a partirdel estudio de los espectros de absorcin, transmisin o reflexin en la regin espectral determinada. Varias tcnicas de la espectrometra infrarroja permiten realizar las siguientes investigaciones mineralgicas: 1. Identificacin de las sustancias mineralgicas (especies y variedades), 2. Estudio cualitativo y cuantitativo de las mezclas minerales, 3. Estudio de las particularidades cristaloqumicas (grupos estructurales SiO4, SO4, PO4, CH2), 4. Estudio de Isomorfismo y Polimorfismo, 5. Determinacin de las particularidades estructurales (el grado orden-desorden de estructura y deformacin de los poliedros), 6. Estudio de la forma y tipo de los complejos Oxgeno-hidrgeno (OH, H2O, H3O), 7. Estudio de las sustancias amorfas. El mtodo de la espectrometra Raman ltimamente se utiliza en diferentes investigaciones mineralgicas y gemolgicas. Esta tcnica no es destructiva es decir no exige ninguna preparacin especial de las muestras naturales y al mismo tiempo rpida y muy sensible. En particular hay unos ejemplos del uso de la Espectroscopia de Raman (ER) en: 1. Investigaciones cristaloqumicas (centros de color de lapislzuli, orden-desorden en las estructuras, estudio de los microcristales con los tamaos hasta 100 , politipos, soluciones slidas, transformaciones de fases etc.), 2. Anlisis de fases de minerales, 3. Estudio de las inclusiones (slidas, fluidas, gaseosas), 4. Identificacin de los minerales y sus variedades, 5. Calculo de los constantes termodinmicos de los minerales. Es conocido que la resolucin de un microscopio est limitada por la longitud deonda de la radiacin empleada. As, por ejemplo, la resolucin de un microscopio ptico es alrededor de 0.2 micras que representa el lmite prctico de tales instrumentos. La busqueda de instrumentos ms poderosos condujo al empleo de electrones en lugar de luz visible. Los electrones pueden poseer longitudes de onda del orden de nanmetros y en la diferencia de rayos X (y gamma) se focalizan facilmente con ayuda de lentes magnticos. La Microscopa Electrnica de Transmisin (MET) se utiliza en la Mineraloga contempornea en las investigaciones fundamentales de la caracterizacin y descripcin de las estructuras cristalinas de los minerales reales. Con la ayuda de esta tcnica se obtiene la informacin necesaria y objetiva en la escala atmica sobre diversas particularidades cristaloqumicas: parametros de la red, el grado de perfeccin estructural, defectos puntuales y dislocaciones, fenmeno del isomorfismo. La MET permite determinar tambin la heterogeneidad y la micromorfologa de los individuos minerales, la presencia y propiedades de las inclusiones. Estas investigaciones tienen gran importancia tanto terica como prctica ya que, en primer lugar, permiten obtener la informacin gentica (ontogenia de individuos y agregados minerales; parmetros fsico-qumicos y termodinmicos del ambiente de mineralogensis) y en segundo lugar, permiten determinar las formas de la presencia y distribucin de los componentes e impurezas que tienen el valor econmico para la extraccin. A pesar de que la resolucin de un microscopio electrnico de barrido (MEB) es menor de la del MET (decenas de contra unidades), la facilidad de su empleo, la sencillez de la preparacin de muestras y lo inmediato de la interpretacin de sus imgenes lo hacen un equipo sumamente muy usado en las investigaciones mineralgicas. Otra caracterstica til de MEB es su gran profundidad de campo. El microscopio electrnico de barrido (MEB) unido a espectrometro de energa(EDX) o de longitud de onda (WDX) de rayos X es un equipo indispensable en investigaciones mineralgicas contemporneas. Este mtodo proporciona informacin detallada por sus caractersticas de dar gran profundidad de campo (0.5-0.8 mm), resolucin (50 ) y un alto rango de aumentos (hasta 150000), que superan los ndices correspondientes de los microscopios pticos. Con la ayuda de la Microscopa Electrnica se realizan ahora los estudios siguientes de los minerales: 1. Heterogeneidad de los individuos minerales y la estructura y microestructura de su superficie, 2. Morfologa, zoneamiento, composicin de facetas y caras, mecanismo del crecimiento de los cristales minerales, 3. Composicin qumica de los individuos minerales extremadamente pequeos (microfases), 4. Determinacin de las especies minerales tiles y su forma de existencia, 5. Composicin de las inclusiones liquidos-solidos. Adems, se puede investigar las muestras durante diferentes procesos experimentales (calentamiento, tratamiento ionico, presin, etc.) que pueden estar en diferentes estados (muestras masivas, polvos, suspensiones, etc.). La MEB es una tcnica del estudio topogrfico de la superficie de los cuerpos slidos (en particular, minerales y rocas). Ella sirve tambin como el soporte visual para otros anlisis. La espectrometra por dispersin de energa de rayos X, combinada con la MEB, permite de conocer los elementos qumicos que se encuentran en las muestras analizadas y obtener los datos sobre su concentracin.

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