UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

Docente:

Ing. Dennis Urbina

TEMA: Diagramas de Estabilidad Mineral

TEMA: Diagramas de Estabilidad Mineral

DIAGRAMAS DE

ESTABILIDAD

MINERAL

Se denomina diagrama de fase a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo

Ej.:

DIAGRAMA DE FASES

A.-DIAGRAMA DE FASE DE UNA SUSTANCIA PURA

• Los diagramas de fase más sencillos son los de presión- temperatura de una sustancia pura, como puede ser el del agua.

• En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el de abscisas la temperatura. Generalmente, para una presión y temperatura dadas

Punto triple; En este punto del diagrama coexisten los estados

Los pares (presión, temperatura): Que corresponden a una transición de fase como :

• Dos fases sólidas: Cambio alotrópico;• Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión -

solidificación;• Entre una fase sólida y una fase vapor (gas):

sublimación - deposición (o sublimación inversa);• Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización -

condensación (o licuefacción).

En esta fase encontramos:

B.-Diagrama de fase binario

Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa.

En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:

• Sólido puro o disolución sólida• Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide,

peritéctica, peritectoide) • Mezcla sólido - líquido • Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles

(emulsión)• Mezcla líquido - gas • Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con

pocas variaciones da altitud).

El diagrama de fases del agua

La riqueza del diagrama de fases del agua (capaz de presentar trece estructuras cristalinas diferentes) descansa en las sutilezas de las fuerzas existentes entre sus moléculas.

El agua existe en tres estados: sólido, líquido y gaseoso.

El diagrama de fase presentado por el agua es la de una sustancia pura.

A continuación se presenta el diagrama de fases para el agua: Componentes: el menor número

de variables individuales independientes (vapor, líquido o sólido) por medio de los cuales la composición del sistema puede expresarse cuantitativamente.

Punto de fusión congruente: la temperatura a la cual un sólido cambia a un líquido a la presión especificada, en la cual la fase líquida tiene la misma composición que la fase sólida.

Punto de fusión incongruente: la temperatura a la cual una fase sólida cambia a una segunda fase sólida

Punto triple; En este punto del diagrama coexisten los estados

• La línea de puntos; muestra el comportamiento anómalo del agua

• La línea verde; marca el punto de congelación

• La línea azul; el punto de ebullición. Se muestra cómo varían con la presión

Donde puede observarse que a altas presiones el hielo modifica su distribución molecular como sólido, dando origen a diferentes fases, con diferentes densidades. También se da origen a múltiples puntos triples.

ESTABILIDAD, ENERGIA DE ACTIVACION Y EQUILIBRIO

Los minerales son estables dentro de una gama de variables físicas y químicas. Sobrepasadas estos límites se transforman en otros minerales (o se funden o disuelven)

Las principales variables de las que depende la estabilidad de un mineral son:

LA TEMPERATURAModifica las redes cristalinas.Llega a fundirlos si es muy elevada.Facilita las reacciones químicas con compuestos próximos y la difusión de iones en las redes cristalinas.

LA PRESIÓNModifica la red cristalina haciendo minerales más densos.Recristaliza algunos minerales.

EL AMBIENTE QUÍMICOLos compuestos que rodean a los minerales y con los que pueden reaccionar.

TEMPERATURA

Provee la energía para las reacciones

químicas, es el principal agente del metamorfismo. El

aumento de la temperatura es producido por:

Gradiente Geotérmico (30ºC/Km.),

Intrusiones ígneas, Desintegración

radioactiva (flujo de calor), Fricción

tectónica, Convecciones del

manto.

Consecuencias del aumento de la temperatura:

Mayor energía de activación para la recristalización de los minerales.Al aumentar la temperatura la difusión de los iones es más eficiente.Los minerales que contiene componentes volátiles (H2O, CO2) son menos estables y se produce la pérdida de estos componentes, por lo que los minerales recristalizados son menos ricos en volátiles.Al aumentar la temperatura el material rocoso adquiere un comportamiento viscoplástico que produce cambios en la textura de las rocas y deformación por la acción de esfuerzos dirigidos.

PRESIONEl aumento de la presión es producido por: Fuerzas no direccionales:Presión hidrostática (columna de agua) o presión uniforme, produce cambios en el volumen del material.Presión litostática (presión de confinamiento >275 Kbar/Km.Presión de poros (fluidos). Local, por salida de fluidos.Fuerzas direccionales:Presión dirigida o presión de cizalla, produce cambios en la forma del material.

Consecuencias del aumento de la presión:

Al aumentar la presión, los minerales presentes en las rocas están sujetos a esfuerzos que tienden a comprimirlos, como consecuencia ocurre la recristalización en estructuras atómicas más compactas o más empacadas y de mayor densidad en comparación al mineral original.Por efecto de la presión los minerales de las rocas son comprimidos. La mayor evidencia del efecto de la presión durante el metamorfismo son los minerales orientados.

ACTIVIDAD QUIMICA DE FLUIDOS

La acción de los fluidos químicos activos es el factor más importante del metamorfismo, aunque estos no añaden ni sustraen materia, catalizan las reacciones químicas. Solo volátiles como H2O y CO2 pueden ser excluidos del sistema y estos son agentes activos durante los cambios producidos por el metamorfismo.

Cuando ocurre adición o sustracción de material el proceso es metasomatismo.

Durante el metasomatismo, a diferencia del metamorfismo (Isoquímico), ocurren cambios en la composición química, pero el volumen molar se mantiene. El Metasomatismo es isovolumétrico.

Procedimiento para Construir un Diagrama de Estabilidad Mineral

Plotear las composiciones de los minerales en los diagramas de composición.

Determinar los minerales presentes y definir los componentes químicos necesarios para definir esas fases. Escribir los componentes en términos de un átomo individual del elemento de interés.

Escoger algún elemento entre los varios minerales.

Trazar las líneas de unión entre las composiciones de minerales que se observó juntas.

Construir los límites de equilibrio con líneas perpendiculares a las líneas de unión de composición; los límites de fases perpendiculares líneas de unión que encierran áreas en el diagrama de composición se intersectarán mutuamente en esa área.

Un área limitada por un conjunto de al menos tres de los límites de fases “perpendiculares” corresponden al campo de estabilidad de la composición sólida incluida en esa área.

ENERGIA DE ACTIVACION DE MINERALES

La energía de activación suele utilizarse para denominar la

energía mínima necesaria para

que se produzca una reacción

química dada. Para que ocurra

una reacción entre dos

moléculas, éstas deben colisionar en la orientación

correcta y poseer una cantidad de

energía mínima.

La relación entre la energía de activación (Ea) y el incremento de la entalpía de formación (ΔHºf) con y sin catalizador.

El punto de mayor energía representa el estado de transición. Con un catalizado, la energía requerida para que la reacción entre en el estado de transición disminuye, por lo tanto, la energía necesaria para iniciar la energía también disminuye.

EQUILIBRIOUn sistema está en equilibrio termodinámico cuando no se observa ningún cambio en sus propiedades termodinámicas a lo largo del tiempo. Este estado tiene dos atributos: 1. Un sistema en

equilibrio ninguna de sus propiedades cambian con el tiempo.

2. Un sistema en equilibrio retornará a ese estado después de haber sido perturbado por cualquier sistema que tenga gradientes de temperatura, presión o composición, tenderá a cambiar hasta eliminar esos gradientes.

Equilibrio estableNivel de energía más bajo. Reúne atributos de equilibrio. P. ej. grafito.

Equilibrio metaestableReúne los atributos de equilibrio, pero no tiene el nivel energético más bajo. Sólo si se supera la barrera de energía (energía de activación) se accederá al estado estable. P. ej. Diamante en la superficie de la tierra

Sistema inestableReúne primer atributo de equilibrio, pero no el segundo.No reúne ninguno de los atributos .

Los sistemas naturales tienden a estados

de mínima energía.

COMPONENTES

Los diagramas de estabilidad mineral, o de fases, que nos interesan en el campo de la Mineralogía son aquellos en que todas las fases están en estado sólido.

Componentes son el número mínimo de entidades químicas necesarias para definir las composiciones de todas las fases de un sistema.

En función del número de componentes podemos distinguir:

Diagramas de un componente

Los diagramas de un único componente representan los campos de estabilidad en función de P y T de las fases polimórficas de un determinado compuesto.

Grafito: CSistema :     Hexagonal

Otro diagrama monocomponente muy utilizado:

Sílice (SiO2)

   Diagramas de dos componentesEn este tipo de diagramas se representa normalmente en el eje de abscisas la composición del sistema y en ordenadas la temperatura. Solución sólida completa entre dos

miembros extremos: Las fases minerales puras se denominan A y B  y presentan una temperatura de fusión TA y TB respectivamente.

Plagioclasa

Tomemos como ejemplo el sistema Albita-Anortita, que describe el comportamiento de las plagioclasas en procesos de cristalización magmática.

NaAlSi3O8

Clase:               SilicatosSubclase:        TectosilicatosSistema :     Triclínico

Anortita: CaAl2Si2O8

Serie del olivino entre forstarita y fayalita,

Sistema Forsterita-Fayalita, que describe el comportamiento del olivino en procesos de cristalización magmática. El olivino forma una solución sólida completa con sustitución isovalente, es decir, una aleación natural en la cual el Mg y el Fe bivalentes.

Olivino

Clase:             SilicatosSubclase:     Nesosilicatos

(Mg,Fe)2SiO4

Mg2SiO4Forsterita

Sistema :     Ortorrómbico

Fayalita        Fe2SiO4

Solución sólida parcial con hueco de miscibilidad: en muchos casos la solución sólida no es completa a determinadas temperaturas existen huecos de miscibilidad como sucede en la serie de las plagioclasas.

Ausencia de solución sólida entre diversas especies minerales: las fases minerales A y B son sustancias puras y no hay entre ellas solución sólida.

Albita: NaAlSi3O8 - 25x20 cm

Clase:               SilicatosSubclase:        TectosilicatosSistema :     Triclínico

Microclina: KAlSi3O8 - variedad Amazonita, 6x5 cm

Sanidina: (K,Na)AlSi3O8 - 3.5 cm

Sistema :     Monoclínico

Ortoclasa:KAlSi3O8Sistema :     Monoclínico

   Diagramas de tres o más componentes

La mayoría de las rocas están formadas por más de dos componentes químicos lo que hace necesario utilizar otra serie de diagramas de estabilidad mineral.

Calcita: CaCO3

Sistema :  HexagonalClase:  Carbonatos

Ankerita: Ca(Fe2+,Mg,Mn)(CO3)2 - 10x15 cm

Sistema :    Trigonal

Magnesita: MgCO3 - 20x18 cm

Sistema :  Hexagonal

CaMg(CO3)2

Dolomita

Sistema : Trigonal

TERMODINÁMICA

CALOR TRABAJO

La Termodinámica es fundamentalmente una ciencia fenomenológica, es decir, una ciencia macroscópica basada en leyes generales inferidas del experimento, independientemente de cualquier “modelo” microscópico de la materia. Su objetivo es, a partir de unos cuantos postulados (leyes de la termodinámica), obtener relaciones entre propiedades macroscópicas de la materia, cuando ésta se somete a toda una variedad de procesos.

En la termodinámica nos referimos a un sistema como aquella parte del mundo que nos interesa estudiar por el momento. El sistema puede ser abierto, permitiendo intercambio de masa y energía con sus alrededores, puede ser cerrado (donde no hay intercambio de masa pero sí de energía), o bien puede ser un sistema aislado totalmente de sus alrededores. En conjunto, el sistema y sus alrededores conforman el universo.

La energía es almacenada por las moléculas de la materia y su liberación puede ser utilizada para producir calor cuando se quema un combustible en un horno, trabajo mecánico cuando se consume combustible en un motor, o trabajo eléctrico cuando una reacción química bombea electrones por un circuito. La termodinámica es la rama de la ciencia que estudia las transformaciones de energía y nos permite aprovechar las reacciones químicas que ocurren espontáneamente a nuestro alrededor con el mayor beneficio y forzar aquellas reacciones químicas que no ocurren espontáneamente de la manera más eficiente. En la petrología, las bases termodinámicas conforman las reglas que siguen los materiales de la corteza para formar las distintas fases minerales que la constituyen para así poder determinar las condiciones en las que se formaron.

Tres conceptos fundamentales de la termodinámica son el trabajo, el calor y la energía. Con el trabajo asociado con algún proceso me refiero a algo que se puede traducir en el movimiento vertical de una masa en los alrededores de un sistema. La energía es el potencial para hacer trabajo. Cuando hacemos trabajo en un sistema aislado, la capacidad del sistema para hacer trabajo aumenta y por ende aumenta su energía. Cuando la energía de un sistema es modificada como resultado de una diferencia en temperatura decimos que ha habido un flujo de calor. El trabajo y el calor son distintas maneras en las que se manifiesta la energía de un sistema. El sistema es como un banco: acepta depósitos y permite retiros en cualquiera de las dos monedas, pero sus reservas se contabilizan sólo como energía.

LA ENERGÍA INTERNA (E) total de un sistema no se puede determinar, pero los cambios de energía interna (ΔE) durante las reacciones químicas son relativamente sencillos de determinar.

ΔE = Efinal - Einicial.

El orden de un sistema tiene que ver con las posibilidadesen la que es posible acomodar los átomos que lo conforman.

Como ejemplo, en un cristal los enlaces entre átomos forman mallas cristalográficas regulares y las posiciones de los distintos elementos que conforman el cristal son más o menos estrictas.

Si este cristal es calentado hasta fundirse, los átomos en ellíquido no tienen posiciones fijas con respecto a sus vecinos y se pueden desplazar libremente en él. En el estado gaseoso, los átomos se mueven mucho más caóticamente con aún mayor libertad.Asociado con estos cambios de estado tenemos un cambio en el valor de otra variable termodinámica: la entropía, S.

La entropía es la medida del grado de orden de un sistema. Estas consideraciones nos llevan a la formulación de la Segunda Ley de la Termodinámica, que también puede ser expresada con diferentes enunciados:• Todo sistema tiende a un estado de equilibrio.• La entropía es la flecha del tiempo.• El estado de máxima entropía es el más estable para un sistema aislado.• La energía del mundo es constante; la entropía del mundo tiende a maximizarse.Para la transición de un estado a otro que ocurre a una temperatura el cambio de entropía (ΔS) del sistema se define comoΔS = ΔH/Tt

Orden y Entropía

LA ENERGÍA LIBRE DE GIBBSSu utilidad en la petrología radica en su capacidad de determinar la posibilidad de una reacción para formar una fase a partir de otra(s). Es decir, si ΔG < 0 para una reacción, la reacción es espontánea; si ΔG > 0, la reacción no es espontánea y si ΔG = 0, las fases de la reacción están en equilibrio. Esto significa que la energía libre de Gibbs es el criterio para determinar la estabilidad termodinámica de un conjunto de fases.

Las fases densas (es decir, aquellas con pequeños volúmenes) se favorecen con altas presiones y la segunda muestra que los estados entrópico altos (mayor desorden atómico) se favorecen a altas temperaturas. Los aspectos básicos de la ecuación de energía libre de Gibbs pueden mostrarse gráficamente. Las ecuaciones anteriores establecen que la variación dG es una función sólo de P (denominada dP) y de T (denominada dT). Como las tres variables G,P y T están interrelacionadas, la función de G puede representarse gráficamente en una función de dos variables, P y T. Para dos minerales (o fases) indicadas por A y B. Cada fase tiene su distinta superficie G, los dos minerales (o fases) están en equilibrio, ya que se satisface la condición GA = GB

EN CONCLUSIÓN

Importancia de la Termodinámica

La función inicial de la termodinámica fue en la mejora del diseño y uso de las maquinas para la producción de trabajo, con el propósito de aumentar sus rendimientos. Pero al lado de esto, tiene hoy importantes aplicaciones en la física y especialmente en la química. Con el empleo de la termodinámica, la química ha hecho el avance más grande hacia el estatus de ciencia exacta, poniendo una presión cuantitativa, en lugar de las viejas y vagas ideas de la afinidad química. Es ahora generalmente apreciada la importancia de la termodinámica en el diseño de los procesos químicos y metalúrgicos. El primer principio de termodinámica es de gran utilidad en química en la sistematización de la termoquímica.

CUESTIONARIO

1. ¿Qué es un diagrama de fase?2. ¿En un diagrama de fase de una sustancia pura

qué encontramos?3. ¿Cuáles son los componentes del diagrama de

fases para el agua?4. ¿Cuáles son las principales variables de las que

depende la estabilidad de un mineral?5. ¿En función del número de componentes que

diagramas podemos distinguir? 6. Dar ejemplo de diagrama monocomponente.7. ¿¡De qué nos habla la termodinámica?8. ¿ Qué es entropía?9. ¿ Definir trabajo, calor y energía.10.Importancia de la termodinámica.