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Fluorita

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La fluorita (también llamada espato flúor ) es la forma mineral del fluoruro de calcio , CaF₂ . Pertenece a los minerales haluros . Cristaliza en hábito cúbico isométrico , aunque las formas octaédricas y otras formas isométricas más complejas no son infrecuentes.

La escala de Mohs de dureza mineral , basada en la comparación de la dureza por rayado , define el valor 4 como fluorita. [ 6 ]

La fluorita pura es incolora y transparente, tanto a la luz visible como a la ultravioleta, pero las impurezas suelen convertirla en un mineral colorido y la piedra tiene usos ornamentales y lapidarios . Industrialmente, la fluorita se utiliza como fundente para la fundición y en la producción de ciertos vidrios y esmaltes. Los grados más puros de fluorita son una fuente de fluoruro para la fabricación de ácido fluorhídrico , que es la fuente intermedia de la mayoría de los productos químicos finos que contienen flúor . La fluorita transparente ópticamente clara tiene una dispersión parcial anómala , es decir, su índice de refracción varía con la longitud de onda de la luz de una manera diferente a la de los vidrios de uso común, por lo que la fluorita es útil para fabricar lentes apocromáticas y particularmente valiosa en óptica fotográfica. La óptica de fluorita también se puede utilizar en los rangos ultravioleta lejano e infrarrojo medio, donde los vidrios convencionales son demasiado opacos. La fluorita también tiene baja dispersión y un alto índice de refracción para su densidad.

Historia y etimología

La palabra fluorita deriva del verbo latino fluere , que significa fluir . Este mineral se utiliza como fundente en la fundición de hierro para disminuir la viscosidad de la escoria . El término fundente proviene del adjetivo latino fluxus , que significa fluido, suelto, flojo . El mineral fluorita, originalmente llamado fluorespato , se mencionó por primera vez en la obra de 1530 Bermannvs sive de re metallica dialogus [Bermannus; o diálogo sobre la naturaleza de los metales], de Georgius Agricola , como un mineral conocido por su utilidad como fundente. [ 7 ] [ 8 ] Agricola, un científico alemán experto en filología , minería y metalurgia, denominó fluorita como una neolatinización del alemán Flussspat, derivado de Fluss (abreviatura de Flussmittel, fundente para fundición ) y Spat (que significa un mineral no metálico similar al yeso , spærstān, piedra de lanza , en referencia a sus proyecciones cristalinas). [ 9 ] [ 10 ]

En 1852, la fluorita dio nombre al fenómeno de la fluorescencia , que es prominente en las fluoritas de ciertas localidades debido a ciertas impurezas en el mineral. La fluorita también dio nombre a su elemento constituyente, el flúor . [ 3 ] Actualmente, la palabra "fluorstar" se usa más comúnmente para referirse a la fluorita como producto industrial y químico, mientras que "fluorita" se usa mineralógicamente y en la mayoría de los demás sentidos.

En arqueología, gemología, estudios clásicos y egiptología, los términos latinos murrina y myrrhina se refieren a la fluorita. [ 11 ] En el libro 37 de su Historia Natural , Plinio el Viejo la describe como una piedra preciosa con vetas púrpuras y blancas, y señala que los romanos apreciaban los objetos tallados en ella. Se ha sugerido que el nombre mineral sánscrito vaikrānta (वैक्रान्तः), conocido por textos alquímicos sánscritos que datan de principios del segundo milenio d. C. en adelante, podría referirse a la fluorita. [ 12 ]

Estructura

La estructura del fluoruro de calcio CaF 2 . [ 13 ]

La fluorita cristaliza en un motivo cúbico . El maclado cristalino es común y añade complejidad a los hábitos cristalinos observados . La fluorita tiene cuatro planos de clivaje perfectos que ayudan a producir fragmentos octaédricos . [ 14 ] El motivo estructural adoptado por la fluorita es tan común que se le denomina estructura de fluorita . La sustitución de elementos por el catión calcio a menudo incluye estroncio y ciertos elementos de tierras raras (REE), como el itrio y el cerio . [ 5 ]

Ocurrencia y minería

estructura negra en forma de chevrón (ondulada, dentada)
Primer plano de la superficie de fluorita
Fluorita azul, procedente del distrito de Shihe, provincia de Henan , China.

La fluorita se forma como un mineral de cristalización tardía en rocas ígneas félsicas , generalmente a través de actividad hidrotermal. [ 15 ] Es particularmente común en pegmatitas graníticas. Puede presentarse como un depósito de vetas formado por actividad hidrotermal , especialmente en calizas. En tales depósitos de vetas, puede estar asociada con galena , esfalerita , barita , cuarzo y calcita . La fluorita también puede encontrarse como un componente de rocas sedimentarias, ya sea como granos o como material cementante en arenisca . [ 15 ]

Es un mineral común que se distribuye principalmente en Sudáfrica, China, México, Mongolia, el Reino Unido, Estados Unidos, Canadá, Tanzania, Ruanda y Argentina.

Las reservas mundiales de fluorita se estiman en 230 millones de toneladas (Mt), con los mayores yacimientos en Sudáfrica (aproximadamente 41 Mt), México (32 Mt) y China (24 Mt). China lidera la producción mundial con aproximadamente 3 Mt anuales (en 2010), seguida de México (1,0 Mt), Mongolia (0,45 Mt), Rusia (0,22 Mt), Sudáfrica (0,13 Mt), España (0,12 Mt) y Namibia (0,11 Mt). [ 16 ]

Uno de los mayores depósitos de fluorita de Norteamérica se encuentra en la península de Burin , Terranova , Canadá. El primer reconocimiento oficial de fluorita en la zona fue registrado por el geólogo J.B. Jukes en 1843. Observó la presencia de galena o mineral de plomo y fluoruro de cal en el lado oeste del puerto de San Lorenzo. Se registra que el interés por la explotación comercial de fluorita comenzó en 1928, y la primera extracción de mineral tuvo lugar en 1933. Finalmente, en la mina Iron Springs, los pozos alcanzaron profundidades de 300 m (970 pies ) . En la zona de San Lorenzo, las vetas son persistentes a lo largo de grandes distancias y varias de ellas presentan amplias lentes . El área con vetas de tamaño explotable conocido comprende aproximadamente 160 km² (60 millas cuadradas ) . [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]  

En 2018, Canada Fluorspar Inc. reanudó la producción minera [ 20 ] en San Lorenzo; en la primavera de 2019, la empresa planeó desarrollar un nuevo puerto de embarque en el lado oeste de la península de Burin como un medio más económico para transportar su producto a los mercados, [ 21 ] y enviaron con éxito el primer cargamento de mineral desde el nuevo puerto el 31 de julio de 2021. Esto marca la primera vez en 30 años que se ha enviado mineral directamente desde San Lorenzo. [ 22 ]

 Se han encontrado cristales cúbicos de hasta 20 cm de diámetro en Dalnegorsk , Rusia. [ 23 ] El cristal individual de fluorita más grande documentado era un cubo de 2,12 metros de tamaño y que pesaba aproximadamente 16 toneladas. [ 24 ]

Fluorita sobre barita procedente de la mina Berbes, Ribadesella, Asturias (España). Cristal de fluorita, 2,2 cm.

En Asturias ( España ) existen varios yacimientos de fluorita conocidos internacionalmente por la calidad de los ejemplares que han producido. En la zona de Berbes , Ribadesella , la fluorita se presenta como cristales cúbicos, a veces con modificaciones dodecaédricas, que pueden alcanzar un tamaño de hasta 10  cm de arista, con zonación de color interna, casi siempre de color violeta. Se asocia con cuarzo y agregados laminares de barita. En la mina Emilio , en Loroñe, Colunga , los cristales de fluorita, cúbicos con pequeñas modificaciones de otras figuras, son incoloros y transparentes. Pueden alcanzar los 10  cm de arista. En la mina Moscona , en Villabona, los cristales de fluorita, cúbicos sin modificaciones de otras formas, son amarillos, de hasta 3  cm de arista. Se asocian con grandes cristales de calcita y barita. [ 25 ]

"Blue John"

Uno de los yacimientos de fluorita más famosos y antiguos es Castleton , en Derbyshire , Inglaterra , donde, bajo el nombre de "Derbyshire Blue John", se extraía fluorita azul púrpura de varias minas o cuevas. Durante el siglo XIX, esta atractiva fluorita se explotaba por su valor ornamental. El mineral Blue John es ahora escaso, y solo se extraen unos pocos cientos de kilogramos al año para uso ornamental y lapidario . La extracción continúa en Blue John Cavern y Treak Cliff Cavern . [ 26 ]

Los yacimientos descubiertos recientemente en China han producido fluorita con colores y bandas similares a la clásica piedra Blue John. [ 27 ]

Fluorescencia

Fluorita fluorescente procedente de la mina Boltsburn, Weardale , North Pennines , condado de Durham , Inglaterra, Reino Unido.

George Gabriel Stokes nombró el fenómeno de fluorescencia de la fluorita en 1852. [ 28 ] [ 29 ]

Muchas muestras de fluorita exhiben fluorescencia bajo luz ultravioleta , una propiedad que toma su nombre de la fluorita. [ 28 ] Muchos minerales, así como otras sustancias, presentan fluorescencia. La fluorescencia implica la elevación de los niveles de energía de los electrones por cuantos de luz ultravioleta, seguida de la caída progresiva de los electrones a su estado de energía anterior, liberando cuantos de luz visible en el proceso. En la fluorita, la luz visible emitida suele ser azul, pero también se presentan rojo, púrpura, amarillo, verde y blanco. La fluorescencia de la fluorita puede deberse a impurezas minerales, como itrio e iterbio , o a materia orgánica, como hidrocarburos volátiles en la red cristalina. En particular, la fluorescencia azul observada en fluoritas de ciertas partes de Gran Bretaña , responsables del nombre del fenómeno de la fluorescencia, se ha atribuido a la presencia de inclusiones de europio divalente en el cristal. [ 30 ] También se ha observado que las muestras naturales que contienen impurezas de tierras raras como el erbio presentan fluorescencia de conversión ascendente , en la que la luz infrarroja estimula la emisión de luz visible, un fenómeno que generalmente solo se informa en materiales sintéticos. [ 31 ]

Una variedad fluorescente de fluorita es el clorofano , que es de color rojizo o púrpura y fluoresce intensamente en verde esmeralda cuando se calienta ( termoluminiscencia ) o cuando se ilumina con luz ultravioleta.

El color de la luz visible que emite una muestra de fluorita depende del lugar de donde se recolectó el espécimen original, ya que en distintos lugares se incluyeron diferentes impurezas en la red cristalina. Además, ni siquiera las muestras de fluorita de la misma localidad presentan la misma intensidad de fluorescencia. Por lo tanto, la luz ultravioleta no es una herramienta fiable para la identificación de especímenes ni para la cuantificación del mineral en mezclas. Por ejemplo, entre las fluoritas británicas, las de Northumberland , el condado de Durham y el este de Cumbria son las que presentan la fluorescencia más constante, mientras que las de Yorkshire , Derbyshire y Cornualles , si es que presentan fluorescencia, suelen ser muy débiles.

La fluorita también exhibe la propiedad de termoluminiscencia . [ 32 ]

Color

La fluorita es alocromática, lo que significa que puede teñirse con impurezas elementales. La fluorita se presenta en una amplia gama de colores y, por consiguiente, se la ha denominado "el mineral más colorido del mundo". Cada color del arco iris en diversas tonalidades está representado en muestras de fluorita, junto con cristales blancos, negros y transparentes. Los colores más comunes son el púrpura, el azul, el verde, el amarillo o el incoloro. Menos comunes son el rosa, el rojo, el blanco, el marrón y el negro. Es frecuente la presencia de zonas o bandas de color. El color de la fluorita está determinado por factores como las impurezas, la exposición a la radiación y la ausencia de huecos en los centros de color .

Usos

Fuente de flúor y fluoruro

La fluorita es una fuente importante de fluoruro de hidrógeno , un producto químico básico utilizado para producir una amplia gama de materiales. El fluoruro de hidrógeno se libera del mineral por la acción del ácido sulfúrico concentrado .

CaF 2 ( s ) + H 2 SO 4 → CaSO 4 (s) + 2 HF( g )

El HF resultante se convierte en flúor, fluorocarbonos y diversos materiales fluorados. A finales de la década de 1990, se extraían anualmente cinco mil millones de kilogramos. [ 33 ]

Existen tres tipos principales de uso industrial para la fluorita natural, comúnmente denominada "espato flúor" en estas industrias, que corresponden a diferentes grados de pureza. La fluorita de grado metalúrgico (60-85% CaF₂ ) , el grado más bajo de los tres, se ha utilizado tradicionalmente como fundente para reducir el punto de fusión de las materias primas en la producción de acero , facilitando así la eliminación de impurezas, y posteriormente en la producción de aluminio . La fluorita de grado cerámico (85-95% CaF₂ ) se utiliza en la fabricación de vidrio opalescente , esmaltes y utensilios de cocina. El grado más alto, la "fluorita de grado ácido" (97% o más CaF₂ ) , representa aproximadamente el 95% del consumo de fluorita en los EE. UU., donde se utiliza para producir fluoruro de hidrógeno y ácido fluorhídrico mediante la reacción de la fluorita con ácido sulfúrico . [ 34 ]

A nivel internacional , la fluorita de grado ácido también se utiliza en la producción de AlF₃ y criolita (Na₃AlF₆ ) , que son los principales compuestos de flúor empleados en la fundición de aluminio. La alúmina se disuelve en un baño compuesto principalmente de Na₃AlF₆ , AlF₃ y fluorita (CaF₂ ) fundidos para permitir la recuperación electrolítica del aluminio. Las pérdidas de flúor se compensan completamente con la adición de AlF₃ , la mayor parte del cual reacciona con el exceso de sodio de la alúmina para formar Na₃AlF₆ . [ 34 ]

Usos específicos

Copa Crawford (romana, 50-100 d. C.) en la colección del Museo Británico . [ 35 ] Hecha de fluorita.

Usos lapidarios

El mineral fluorita natural tiene usos ornamentales y lapidarios . La fluorita se puede perforar para hacer cuentas y usar en joyería, aunque debido a su relativa blandura no se usa mucho como piedra semipreciosa. También se usa para tallas ornamentales, y los expertos talladores aprovechan la zonación de la piedra.

Óptica

En el laboratorio, el fluoruro de calcio se usa comúnmente como material de ventana para longitudes de onda infrarrojas y ultravioletas , ya que es transparente en estas regiones (aproximadamente de 150 a 9000  nm) y presenta una variación extremadamente baja en el índice de refracción con la longitud de onda. Además, el material es atacado por pocos reactivos. A longitudes de onda tan cortas como 157  nm, una longitud de onda común utilizada para la fabricación de equipos de litografía de circuitos integrados , el índice de refracción del fluoruro de calcio muestra cierta no linealidad a altas densidades de potencia, lo que ha limitado su uso para este fin. A principios del siglo XXI, el mercado de equipos de litografía para fluoruro de calcio colapsó y muchas grandes plantas de fabricación cerraron. Canon y otros fabricantes han utilizado cristales sintéticos de fluoruro de calcio en lentes para facilitar el diseño apocromático y reducir la dispersión de la luz . Este uso ha sido reemplazado en gran medida por vidrios más modernos y el diseño asistido por computadora. Como material óptico infrarrojo, el fluoruro de calcio está ampliamente disponible y en ocasiones se le conocía con la marca registrada de Eastman Kodak "Irtran-3", aunque esta denominación está obsoleta.

No debe confundirse la fluorita con el vidrio fluoro-crown (o vidrio de flúor-crown), un tipo de vidrio de baja dispersión con propiedades ópticas especiales similares a las de la fluorita. La verdadera fluorita no es un vidrio, sino un material cristalino. Las lentes o grupos ópticos fabricados con este vidrio de baja dispersión como uno o más elementos presentan menor aberración cromática que aquellos que utilizan vidrio crown convencional y vidrio flint , más económicos , para fabricar una lente acromática . Los grupos ópticos emplean una combinación de diferentes tipos de vidrio; cada tipo refracta la luz de manera distinta. Al utilizar combinaciones de diferentes tipos de vidrio, los fabricantes de lentes pueden eliminar o reducir significativamente las características no deseadas, siendo la aberración cromática la más importante. Los mejores diseños de lentes de este tipo se denominan a menudo apocromáticos (véase más arriba). El vidrio fluoro-crown (como el Schott FK51), generalmente en combinación con un vidrio flint adecuado (como el Schott KzFSN 2), puede ofrecer un rendimiento muy alto en lentes objetivo de telescopios, así como en objetivos de microscopios y teleobjetivos de cámaras. Los elementos de fluorita se combinan de manera similar con elementos complementarios de tipo "flint" (como Schott LaK 10). [ 36 ] Las propiedades refractivas de la fluorita y de ciertos elementos de tipo flint proporcionan una dispersión menor y más uniforme en todo el espectro de luz visible, manteniendo así los colores más juntos. Las lentes fabricadas con fluorita son superiores a las lentes basadas en fluorocorona, al menos para objetivos de telescopios doblete; pero son más difíciles de producir y más costosas. [ 37 ]

El uso de fluorita para prismas y lentes fue estudiado y promovido por Victor Schumann hacia finales del siglo XIX. [ 38 ] Los cristales de fluorita que se encuentran en la naturaleza y que no presentan defectos ópticos solo eran lo suficientemente grandes como para producir objetivos de microscopio.

Con la aparición de los cristales de fluorita cultivados sintéticamente en las décadas de 1950 y 1960, se pudo utilizar en lugar de vidrio en algunos elementos ópticos de alto rendimiento para telescopios y lentes de cámaras . En los telescopios, los elementos de fluorita permiten obtener imágenes de alta resolución de objetos astronómicos con grandes aumentos . Canon Inc. produce cristales de fluorita sintética que se utilizan en sus mejores teleobjetivos . El uso de fluorita para lentes de telescopio ha disminuido desde la década de 1990, ya que los diseños más recientes que utilizan vidrio de fluorocorona, incluidos los tripletes, han ofrecido un rendimiento comparable a precios más bajos. La fluorita y diversas combinaciones de compuestos de fluoruro se pueden convertir en cristales sintéticos que tienen aplicaciones en láseres y óptica especial para UV e infrarrojo. [ 39 ]

Las herramientas de exposición para la industria de semiconductores utilizan elementos ópticos de fluorita para luz ultravioleta en longitudes de onda de aproximadamente 157 nanómetros . La fluorita tiene una transparencia excepcionalmente alta en esta longitud de onda. Las lentes objetivo de fluorita son fabricadas por las principales empresas de microscopía (Nikon, Olympus , Carl Zeiss y Leica). Su transparencia a la luz ultravioleta permite que se utilicen para microscopía de fluorescencia . [ 40 ] La fluorita también sirve para corregir las aberraciones ópticas en estas lentes. Nikon ha fabricado previamente al menos una lente de cámara con elementos de fluorita y cuarzo sintético (105  mm f/4.5 UV) para la producción de imágenes ultravioleta . [ 41 ] Konica produjo una lente de fluorita para sus cámaras SLR: la Hexanon 300  mm f/6.3.

Fuente de gas flúor en la naturaleza

En 2012, se encontró la primera fuente de gas flúor natural en minas de fluorita en Baviera, Alemania. Anteriormente se creía que el gas flúor no se presentaba de forma natural debido a su alta reactividad, ya que reaccionaría rápidamente con otros compuestos químicos. [ 42 ] La fluorita normalmente es incolora, pero algunas variantes encontradas en las cercanías tienen un aspecto negro y se conocen como "fluorita fétida" o antozonita . Estos minerales, que contienen pequeñas cantidades de uranio y sus productos de desintegración, emiten radiación con la energía suficiente para inducir la oxidación de los aniones fluoruro dentro de la estructura, transformándolos en flúor que queda atrapado en el interior del mineral. El color de la fluorita fétida se debe principalmente a los átomos de calcio remanentes. La espectroscopia de RMN de flúor-19 en estado sólido realizada sobre el gas contenido en la antozonita reveló un pico a 425  ppm, que es consistente con F₂ . [ 43 ]

Véase también

Referencias

Dominio público Este artículo incorpora material de dominio público de Fluorspar (PDF) . Servicio Geológico de los Estados Unidos .

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