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Articulo de referencia

Calcita

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La calcita es un mineral carbonatado y el polimorfo más estable del carbonato de calcio (CaCO₃ ) . Es un mineral muy común, especialmente como componente de la piedra caliza . La calcita tiene una dureza de 3 en la escala de Mohs , según la comparación de dureza por 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 aragonita y vaterita . La aragonita se transforma 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

La calcita deriva del alemán Calcit , un término del siglo XIX que proviene de la palabra latina para cal , calx (genitivo calcis ), con el sufijo -ito utilizado para nombrar minerales. Es, por lo tanto, un doblete de la palabra tiza . [ 8 ]

Cuando lo emplean arqueólogos y profesionales del comercio de la piedra, el término alabastro no solo se usa como en geología y mineralogía, donde se reserva para una variedad de yeso , sino también para una variedad translúcida de aspecto similar de depósito bandeado de grano fino de calcita. [ 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 las direcciones en cristales hexagonales y romboédricos, incluidos los cristales de calcita: tres índices de Miller h, k, l en ela1,a2,do{\displaystyle a_{1},a_{2},c}direcciones, o cuatro índices de Bravais-Miller h, k, i, l en ela1,a2,a3,do{\displaystyle a_{1},a_{2},a_{3},c}direcciones, dóndei{\displaystyle i}es redundante pero útil para visualizar simetrías de permutación .

Para complicar aún más las cosas, existen dos definiciones de celda unitaria para la calcita. Una, una celda unitaria "morfológica" más antigua, se infirió midiendo los ángulos entre las caras de los cristales, generalmente con un goniómetro , y buscando los números más pequeños que se ajustaran. Posteriormente, se determinó una celda unitaria "estructural" mediante 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 exfoliación de la calcita se indica como "perfecta en {1 0 1 1}" en coordenadas morfológicas y "perfecta en {1 0 1 4}" en unidades estructurales.{hkl}{\displaystyle \{hkl\}}Los índices son {1 0 1} y {1 0 4}, respectivamente. El maclado , la exfoliación y las formas cristalinas se suelen expresar en unidades morfológicas. [ 4 ] [ 10 ]

Propiedades

Las propiedades diagnósticas de la calcita incluyen una dureza Mohs definitoria de 3, una densidad de 2,71 y, en las variedades cristalinas, un brillo vítreo . Su color es blanco o incoloro, aunque pueden aparecer tonalidades de gris, rojo, naranja, amarillo, verde, azul, violeta, marrón o incluso negro cuando el mineral contiene 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 direcciones {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 es generalmente en tres direcciones paralelas a la forma romboédrica. Su fractura es concoidea , pero difícil de obtener.

Las caras escalenoédricas son quirales y se presentan en pares con simetría 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 de birrefringencia característico.
Demostración de birrefringencia en calcita mediante  láser de 445 nm.

La calcita es transparente a 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 diente de perro", mientras que la forma romboédrica a veces se denomina "espato cabeza de clavo". [ 2 ] La forma romboédrica también podría haber sido la " piedra solar ", cuyo uso por los navegantes vikingos se menciona en las sagas islandesas . [ 14 ]

Los cristales individuales de calcita presentan una propiedad óptica denominada birrefringencia (doble refracción). Esta fuerte birrefringencia provoca que los objetos vistos a través de un cristal transparente de calcita 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  ordinario y extraordinario 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

La calcita posee propiedades termoluminiscentes debido principalmente a la presencia de impurezas de manganeso divalente (Mn²⁺). [ 17 ] Se realizó un experimento añadiendo activadores como iones de Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Pb y Bi a muestras de calcita para observar si emitían calor o luz. Los resultados mostraron que la adición de iones ( Cu⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Ag⁺, Bi³⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ , Co²⁺ , Ni²⁺ ) no produjo reacción . [ 17 ] Sin embargo , se produjo una reacción cuando tanto los iones de manganeso como los de plomo estaban presentes en la calcita. [ 17 ] Al cambiar la temperatura y observar los picos de la curva de luminiscencia, se encontró que Pb²⁺ y Mn²⁺ actuaban como activadores en la red cristalina de la calcita, pero Pb²⁺ era mucho menos eficiente que Mn²⁺ . [ 17 ]

Los experimentos de termoluminiscencia mineral suelen utilizar rayos X o rayos gamma para activar la muestra y registrar los cambios en las curvas de brillo a una temperatura de 700–7500  K. [ 17 ] La termoluminiscencia mineral puede generar diversas curvas de brillo en los cristales bajo diferentes condiciones, como cambios de temperatura, debido a que los iones de impurezas u otros defectos cristalinos 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 correlaciones geológicas y a determinar 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 global es

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

Si la cantidad de dióxido de carbono disuelto disminuye, la reacción se invierte y precipita calcita. Como resultado, la calcita puede disolverse o precipitarse 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 la calcita puede aumentar drásticamente la porosidad y la permeabilidad de la roca, y si continúa durante un período prolongado, puede dar lugar a la formación de cuevas . La disolución continua de formaciones ricas en carbonato de calcio puede provocar la expansión y el eventual colapso de los sistemas de cuevas, dando 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 establecida en una composición de 4% de magnesio. La calcita con alto contenido de magnesio conserva la estructura mineral de la calcita, que es distinta de 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 las trazas 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 diversas zonas de Estados Unidos. Uno de los mejores ejemplos es la cantera de calcita en Michigan. [ 23 ] Esta cantera es la mina de carbonato más grande del mundo y lleva en funcionamiento más de 85 años. [ 23 ] De estas grandes minas a cielo abierto se pueden extraer grandes cantidades de calcita.

Canadá

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

México

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

Islandia

Grandes cantidades de calcita en Islandia se concentran en la mina de Helgustadir . [ 26 ] La mina fue en su momento el principal yacimiento de «espato de Islandia». [ 27 ] Sin embargo, actualmente funciona como reserva natural y no se permitirá la extracción de calcita. [ 27 ]

Inglaterra

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

Alemania

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

Uso y aplicaciones

Uno de los varios frascos de perfume de calcita o alabastro procedentes de la tumba de Tutankamón , fallecido en  1323 a. C.

Los antiguos egipcios tallaban muchos objetos en calcita, relacionándola con su diosa Bastet , cuyo nombre contribuyó al término alabastro debido a esta estrecha asociación. Muchas otras culturas han utilizado este material para objetos tallados y aplicaciones similares. [ 28 ]

Es posible que los vikingos utilizaran una variedad transparente de calcita conocida como espato de Islandia para navegar en días nublados. Un cristal de calcita muy puro puede dividir un rayo de luz solar en dos imágenes, ya que la luz polarizada se desvía ligeramente del rayo principal. Al observar el cielo a través del cristal y luego girarlo de manera que las dos imágenes tengan el mismo brillo, se pueden ver los anillos de luz polarizada que rodean al sol incluso bajo cielos nublados. Identificar la posición del sol proporcionaría a los marineros un punto de referencia para navegar en sus largos viajes marítimos. [ 29 ]

En la Segunda Guerra Mundial, se utilizó calcita óptica de alta calidad 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 en una 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 puede utilizarse 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 papelera) 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 partícula específicos. [ 36 ]

La calcita, obtenida de una  muestra de 80 kg de mármol de Carrara , [ 37 ] se utiliza como estándar isotópico IAEA -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 ser utilizado como andamio en la ingeniería de tejidos óseos debido a sus propiedades controlables y repetibles. [ 39 ]

La calcita puede utilizarse para mitigar la contaminación del agua causada por el crecimiento excesivo de cianobacterias . Los lagos y ríos pueden experimentar proliferaciones de cianobacterias debido a la eutrofización , lo 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 ]

En la medicina tradicional china , se cree que la calcita, también conocida como calcitum, tiene propiedades refrescantes y se utiliza para contrarrestar el shanghuo o "calor excesivo". [ 41 ]

fenómeno natural

La calcita es un componente común de las rocas sedimentarias , en particular de la caliza, gran parte de la cual se forma a partir de las conchas de organismos marinos muertos. Aproximadamente el 10 % de las rocas sedimentarias son caliza. Es el mineral principal del mármol metamórfico . También se encuentra en depósitos de fuentes termales como mineral de vetas ; 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 . [ 42 ] [ 43 ]

La calcita suele ser el componente principal de las conchas de organismos marinos , como el plancton (por ejemplo, cocolitos y 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 ostras y rudistas ). La calcita se encuentra en forma espectacular en la cueva del río Snowy de Nuevo México , como se mencionó anteriormente, donde se atribuyen a los microorganismos la formación de estas estructuras naturales. Los trilobites , que se extinguieron hace un cuarto de billón de años , tenían ojos compuestos únicos que utilizaban cristales de calcita transparente para formar las lentes. [ 44 ] También constituye una parte sustancial de las cáscaras de los huevos de las aves, y el δ¹³C de la dieta se refleja en el δ¹³C de la calcita de la concha. [ 45 ]

El monocristal de calcita más grande documentado proviene de 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. [ 46 ] Se han producido muestras clásicas en la mina Madawaska , cerca de Bancroft, Ontario . [ 47 ]                    

Las vetas paralelas de calcita fibrosa, a menudo denominadas en la jerga de las canteras como "carne de res" , aparecen en lutitas y pizarras oscuras ricas en materia orgánica; estas vetas se forman por el aumento de la presión de los fluidos durante la diagénesis . [ 48 ]

Procesos de formación

La formación de calcita puede proceder por varias vías, desde el modelo clásico de escalón de terraza [ 49 ] hasta la cristalización de fases precursoras poco ordenadas como el carbonato de calcio amorfo (ACC) a través de un proceso de maduración de Ostwald , o a través de la aglomeración de nanocristales. [ 50 ]

La cristalización del ACC puede ocurrir en dos etapas. Primero, las nanopartículas de ACC se deshidratan y cristalizan rápidamente para formar partículas individuales de vaterita . Segundo, la vaterita se transforma en calcita mediante un mecanismo de disolución y reprecipitación , cuya velocidad de reacción está controlada por el área superficial de un cristal de calcita. [ 51 ] 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 a calcita ocurre a través de vaterita metaestable , siguiendo la vía descrita anteriormente. [ 51 ] 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 de ACC, ya que este ion desestabiliza la estructura de la vaterita.

Los sobrecrecimientos epitaxiales de calcita precipitados en superficies de clivaje alteradas presentan morfologías que varían según el tipo de alteración que haya sufrido el sustrato: el crecimiento en superficies alteradas físicamente tiene una morfología de tejas debido al crecimiento de Volmer-Weber, el crecimiento en superficies alteradas 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. [ 52 ] Estas diferencias se deben aparentemente 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 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 pueden rastrearse mediante la composición isotópica específica del carbono de las calcitas, que están extremadamente empobrecidas en el isótopo 13C , hasta en −125 por mil PDB (δ 13 C). [ 53 ]

En la historia de la Tierra

Los mares de calcita existieron en la historia de la Tierra cuando el precipitado inorgánico primario de carbonato de calcio en aguas marinas era la calcita de bajo contenido de magnesio (lmc), a diferencia de la aragonita y la calcita de alto contenido de magnesio (hmc) que precipitan en la actualidad. Los mares de calcita se alternaron con mares de aragonita durante el Fanerozoico , siendo más prominentes en los períodos Ordovícico y Jurásico . Los linajes evolucionaron para utilizar la morfología 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. [ 54 ] La evidencia petrográfica de estas condiciones de mar de calcita consiste en ooides calcíticos , cementos lmc, fondos duros y disolución temprana y rápida de aragonita en el fondo marino. [ 55 ] La evolución de los organismos marinos con conchas de carbonato de calcio pudo haber sido afectada por el ciclo de los mares de calcita y aragonita. [ 56 ]

La calcita es uno de los minerales que ha demostrado catalizar una importante reacción biológica, la reacción formosa , y puede haber desempeñado un papel en el origen de la vida. [ 10 ] La interacción de sus superficies quirales (véase Forma ) con moléculas de ácido aspártico produce un ligero sesgo en la quiralidad; este es un posible mecanismo para el origen de la homoquiralidad en las células vivas. [ 57 ]

cambio climático

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

El cambio climático está exacerbando la acidificación de los océanos , lo que posiblemente conduzca a una menor producción natural de calcita. Los océanos absorben grandes cantidades de CO₂ provenientes de las emisiones de combustibles fósiles a la atmósfera. [ 58 ] La cantidad total de CO₂ artificial absorbido por los océanos se calcula en 118 ± 19 Gt C. [ 59 ] Si una gran cantidad de CO₂ se disuelve en el mar, provocará un aumento de la acidez del agua de mar, afectando así el valor del pH del océano. [ 58 ] Los organismos calcificadores en el mar, como moluscos, foraminíferos, crustáceos, equinodermos y corales, son susceptibles a los cambios de pH. [ 58 ] Mientras tanto, estos organismos calcificadores también son una fuente esencial de calcita. A medida que la acidificación de los océanos provoca una disminución del pH, las concentraciones de iones carbonato disminuirán, reduciendo potencialmente la producción natural de calcita. [ 58 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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