Calcita

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mineral de carbonato de calcio
Estructura cristalina de calcita

La calcita es un mineral de carbonato y el polimorfo más estable del carbonato de calcio (CaCO3). Es un mineral muy común, particularmente como componente de la piedra caliza. La calcita define la dureza 3 en la escala de dureza mineral de Mohs, basada en la comparación de la dureza al rayado. Los grandes cristales 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. El aragonito cambiará a calcita en escalas de tiempo de días o menos a temperaturas superiores a 300 °C, 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 &# 34;-ite" se utiliza para nombrar minerales. Por lo tanto, está etimológicamente relacionado con la tiza.

Cuando lo aplican arqueólogos y profesionales del comercio de la piedra, el término alabastro se usa no solo en geología y mineralogía, donde se reserva para una variedad de yeso; pero también para una variedad translúcida de aspecto similar de depósito de calcita en bandas de grano fino.

Célula unitaria e índices de Miller

En publicaciones, se utilizan dos conjuntos diferentes de índices de Miller para describir direcciones en cristales hexagonales y romboedral, incluyendo cristales de calcita: tres índices de Miller h, k, l en el a1,a2,c{displaystyle a_{1},a_{2},c} direcciones, o cuatro índices Bravais-Miller h, k, i, l en el a1,a2,a3,c{displaystyle a_{1},a_{2},a_{3},c} direcciones, donde i{displaystyle i} es redundante pero útil para visualizar simetrías de permutación.

Para añadir a las complicaciones, también hay dos definiciones de célula unitaria para el calcita. Una, una antigua célula "morfológica", fue inferida por ángulos de medición entre caras de cristales, típicamente con un goniómetro, y buscando los números más pequeños que encajan. Posteriormente, se determinó una célula "estructural" mediante la cristalografía de rayos X. La célula morfológica es romboedral, con dimensiones aproximadas a = 10 Å y c = 8,5 Å, mientras que la célula unidad estructural es hexagonal (es decir, un prisma rhombic), teniendo dimensiones aproximadas a = 5 Å y c = 17 Å. Por la misma orientación, c debe ser multiplicado por 4 para convertir de unidades morfológicas a estructurales. Como ejemplo, el escote calcita se da como "perfecto en {1 0 1 1} en coordenadas morfológicas y "perfecto en {1 0 1 4}" en unidades estructurales. In {}hkl}{displaystyle {hkl}} índices, estos son {1 0 1} y {1 0 4}, respectivamente. Las formas de hermanamiento, escote y cristal se dan a menudo en unidades morfológicas.

Propiedades

Las propiedades diagnósticas de la calcita incluyen una dureza de Mohs definitoria de 3, una gravedad específica de 2,71 y, en las 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.

Hábitos de cristal

La calcita tiene numerosos hábitos, que representan combinaciones de más de 1000 formas cristalográficas. 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 romboédrico, con caras en las direcciones {1 0 1} o {1 0 4} (el plano de división más común). Los hábitos incluyen romboedros agudos a obtusos, hábitos tabulares, prismas o varios escalenoedros. La calcita exhibe varios tipos de maclas que se suman a la variedad de hábitos observados. Puede presentarse como fibroso, granular, lamelar o compacto. Un hábito fibroso y eflorescente se conoce como lublinita. La escisión suele ser en tres direcciones paralelas a la forma del romboedro. Su fractura es concoide, pero difícil de obtener.

Las caras escalenoédricas son quirales y vienen en pares con simetría de imagen especular; su crecimiento puede verse influido por la interacción con biomoléculas quirales como los L- y D-aminoácidos. Las caras romboédricas no son quirales.

Óptica

(feminine)
A photograph of calcite laying over a text paragraph.
A photograph of calcite laying over a text paragraph.
Fotografía de calcita mostrando el comportamiento óptico de la birefringencia característica.

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

Demostración de la birefringencia en calcitar, utilizando 445 nm láser

Los cristales de calcita individuales muestran una propiedad óptica llamada birrefringencia (doble refracción). Esta fuerte birrefringencia hace que los objetos vistos a través de una pieza transparente de calcita parezcan duplicados. El efecto birrefringente (usando 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. 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.

Química

(feminine)

La calcita, como la mayoría de los carbonatos, se disolverá en ácidos a través de la reacción

CaCO3s) + 2H+(aq) → Ca2+(aq) + H2O + CO2g)

El dióxido de carbono liberado por esta reacción produce una efervescencia característica cuando se deja caer ácido clorhídrico diluido sobre una muestra de calcita.

El dióxido de carbono ambiental, debido a su acidez, tiene un ligero efecto solubilizante sobre la calcita. La reacción global es

CaCO3s) + H2O + CO2(aq) → Ca2+(aq) + 2HCO−3aq)

Si la cantidad de dióxido de carbono disuelto cae, la reacción se invierte para precipitar la 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 revestimientos minerales que cementan los granos de roca y pueden rellenar las 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 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 eventual colapso de los sistemas de cuevas, lo que da como resultado varias formas de topografía kárstica.

La calcita exhibe una característica inusual llamada solubilidad retrógrada en la que se vuelve menos soluble en agua a medida que aumenta la temperatura. La calcita también es más soluble a presiones más altas.

La calcita pura tiene la composición CaCO3. Sin embargo, la calcita de la caliza suele contener un pequeño porcentaje de magnesio. La calcita en piedra caliza se divide en calcita baja en magnesio y calcita alta en 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 de la de la dolomita, MgCa(CO3)2. La calcita también puede contener pequeñas cantidades de hierro y manganeso. El manganeso puede ser responsable de la fluorescencia de la calcita impura, al igual que las trazas de compuestos orgánicos.

Uso y aplicaciones

Uno de varios frascos de perfume calcita o alabastro de la tumba de Tutankhamun, d. 1323 BC

Los antiguos egipcios tallaron muchos artículos 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 aplicaciones y objetos tallados similares.

Es posible que los vikingos utilizaran una variedad transparente de calcita conocida como espato de Islandia para navegar en días nublados.

La calcita óptica de alto grado se usó en la Segunda Guerra Mundial para las miras de las armas, específicamente en las miras de las bombas y el armamento antiaéreo. Se usó como polarizador (en los prismas de Nicol) antes de la invención de las placas Polaroid y todavía se usa en instrumentos ópticos. Además, se han realizado experimentos para usar calcita como un manto de invisibilidad.

La calcita precipitada microbiológicamente tiene una amplia gama de aplicaciones, como la remediación de suelos, la estabilización de suelos y la reparación de hormigón.

La calcita, obtenida de una muestra de 80 kg de mármol de Carrara, se utiliza como estándar isotópico IAEA-603 en espectrometría de masas para la calibración de δ18O y δ13C.

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 caparazones de organismos marinos muertos. Aproximadamente el 10% de la roca sedimentaria es caliza. Es el mineral principal en el mármol metamórfico. También ocurre en depósitos de aguas 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.

La calcita suele ser 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 ostras y rudistas). La calcita se encuentra en forma espectacular en la cueva Snowy River 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 transparentes para formar las lentes. También forma una parte sustancial de aves' cáscaras de huevo, y el δ13C de la dieta se refleja en el δ13C de la calcita de la cáscara.

El cristal individual de calcita más grande documentado se originó en Islandia, medía 7 m × 7 m × 2 m (23 ft × 23 ft × 6,6 ft) y 6 m × 6 m × 3 m (20 ft × 20 ft × 9,8 ft) y pesaba alrededor de 250 toneladas. Se han producido muestras clásicas en la mina Madawaska, cerca de Bancroft, Ontario.

Las vetas paralelas de lecho de calcita fibrosa, a menudo denominadas en el lenguaje de las canteras como carne, se producen en lutitas y lutitas ricas en materia orgánica oscura. Estas vetas se forman al aumentar la presión del fluido durante la diagénesis.

Procesos de formación

La formación de calcita puede proceder por varias vías, desde el modelo clásico de torcedura de la repisa de la terraza hasta la cristalización de fases precursoras mal ordenadas como el carbonato de calcio amorfo (ACC) mediante un proceso de maduración de Ostwald o mediante la aglomeración de nanocristales.

La cristalización de ACC puede ocurrir en dos etapas. Primero, 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 superficial de un cristal de calcita. 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 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 se forma ACC en una solución con un pH inicial básico, la transformación a calcita se produce a través de vaterita metaestable, siguiendo el camino descrito anteriormente. El magnesio tiene un efecto notable tanto en la estabilidad de la ACC como en su transformación a CaCO3 cristalino, dando lugar a la formación de calcita directamente a partir de la ACC, ya que este ion desestabiliza la estructura de la vaterita.

La calcita se puede formar en el subsuelo en respuesta a la actividad de los 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 del bicarbonato y sulfuro producidos. Estos procesos se pueden rastrear por la composición específica de isótopos de carbono de las calcitas, que están extremadamente empobrecidas en el isótopo 13C, tanto como −125 por mil PDB (δ13C).

En la historia de la Tierra

Los mares de calcita existían en la historia de la Tierra cuando el principal precipitado inorgánico de carbonato de calcio en las aguas marinas era calcita con bajo contenido de magnesio (lmc), a diferencia de la aragonita y la calcita con alto contenido de magnesio (hmc) que se precipitan en la actualidad. Mares de calcita alternaron con mares de aragonito durante el Fanerozoico, siendo más prominentes en los períodos Ordovícico y Jurásico. Los linajes evolucionaron para usar cualquier forma 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. La evidencia petrográfica de estas condiciones del mar de calcita consiste en ooides calcíticos, cementos lmc, suelos duros y una rápida disolución temprana de aragonito en el fondo marino. La evolución de los organismos marinos con caparazones de carbonato de calcio puede haber sido afectada por el ciclo marino de calcita y aragonito.

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

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