Minerais: História e Características

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Minerais
A história da utilização dos minerais resulta da observação dos achados arqueológicos. O homem pré-histórico, para cobrir as suas necessidades, fez uso do sílex e outras variedades de quartzo. Nas sociedades neolíticas, o homem usou gemas (minerais utilizados em joalharia e ourivesaria) como moeda de troca. Quando descobriu os metais (ouro, cobre, estanho, ferro) passou a fazer uso deles. O conhecimento dos metais e a sua utilização caracterizou alguns períodos da antiguidade, como a Idade do bronze ou a Idade do ferro. Atualmente, o homem faz uso direto ou indireto de quase todos os minerais conhecidos, mais de 2.600 espécies minerais. 
As características fundamentais de espécie mineral são a ordem geométrica, a periodicidade no arranjo da matéria, bem como a natureza dos átomos que entram na composição química da espécie mineral.
No contexto da Terra Planeta "Vivo", estamos preocupados em dar a conhecer alguns aspectos dos minerais, porque eles são os constituintes das Rochas que por sua vez fazem parte da composição superficial da Terra.
O domínio da Geologia que estuda os minerais chama-se Mineralogia, sendo um domínio com vários subdomínios, um dos quais é a Cristalografia que se ocupa do estudo dos cristais.
O conceito de mineral é complexo e de difícil definição, de resto como todas as definições. Contudo, atendendo aos nossos objetivos, podemos considerá-los como substâncias naturais, inorgânicas, caracterizados por propriedades físicas e químicas determinadas. De modo controverso, podemos estender aquela definição aos líquidos e gases encontrados na natureza (água, gases atmosféricos), bem como aos materiais orgânicos fósseis (petróleo – óleos minerais, carvões, resinas, asfaltos e betumes). Porém, quase todos os minerais se encontram no estado sólido e sob a forma cristalina. De acordo com a definição, os minerais são elementos ou compostos químicos, podendo-se expressar por meio de fórmulas químicas que admitem uma pequena variação, mas conservam fixa a estrutura. Deste modo, os minerais são constituídos por átomos dispostos segundo um modelo regular tridimensional característico para cada mineral. A maior parte dos minerais aparece na forma de cristais, apenas visíveis ao microscópio de luz polarizada. Os cristais são sólidos geométricos limitados por faces planas (poliedros) e de composição química definida. As faces planas de um cristal são paralelas aos planos da sua malha elementar. A malha elementar delimita uma porção de espaço dotado de uma certa quantidade de átomos. A malha elementar repetindo-se periodicamente em três direções do espaço define uma rede de três dimensões que será o suporte geométrico das estruturas atômicas dos cristais. As propriedades geométricas de um cristal, tais como as arestas, ângulos e planos das faces, estão diretamente ligadas à sua malha elementar, podendo ser descritas a partir de um certo número de operações de simetria.Os elementos de simetria de um cristal são fundamentalmente o plano de simetria, o eixo de simetria e o centro de simetria. A combinação de todos os elementos de simetria origina 32 classes de simetria, pelas quais se repartem todos os cristais. De acordo com certas características comuns ou parecidas, podem-se distribuir estas 32 classes por sete grandes grupos, os chamados sistemas cristalinos (cúbico, romboédrico, hexagonal, tetragonal, ortorrômbico, monoclínico e triclínico). 
A germinação e o crescimento de um cristal estão sempre dependentes das condições físico-químicas do meio. As condições físico-químicas que determinam a gênese dos minerais são, a maioria das vezes, muito complexas e, atualmente, impossíveis de reproduzir em laboratório. Os principais fatores condicionantes são a temperatura, a pressão e a concentração dos elementos químicos. Estes fatores não são independentes: numa solução, a solubilidade de um composto cresce com a temperatura, salvo raras exceções. Um cristal germinado a partir de uma solução sobressaturada cresce fixando as moléculas (unidades de crescimento) à sua superfície.
As propriedades químicas dos minerais estão estreitamente relacionadas, como é óbvio, com a sua composição química, com a natureza dos átomos e íons que os constituem. Mas dependem também, tal como as propriedades físicas, da sua estrutura, isto é, do arranjo das partículas elementares.
As características das ligações interatômicas nos minerais são tais que podemos considerar uma estrutura como uma associação de esferas cujas dimensões são definidas pelo raio iônico do átomo. Os cátions, as esferas mais pequenas, seriam cercadas por anions, as esferas maiores. A associação cátions mais anions forma, deste modo, um poliedro de coordenação (Ver a figura "Modelo da rede cristalina da halite NaCl"). Os poliedros de coordenação necessitam de uma neutralidade elétrica. De acordo com este modelo, poderíamos pensar que a cada mineral corresponderia uma única estrutura e uma única composição química, expressa por uma fórmula química perfeitamente definida. Acontece que a maioria dos minerais de igual composição química pertence a uma única classe de simetria e a um único sistema cristalino. Porém, as exceções são muitas devido, fundamentalmente, às diferentes condições de pressão e temperatura em que se formam os minerais. Assim sendo e a título de exemplo vejamos o caso de um mineral chamado olivina. A sua composição química é (Fe, Mg)2(SiO4). Isto explica que o ferro (Fe) e o magnésio (Mg) são miscíveis em todas as proporções, logo a composição química da olivina não é definida. Quando se dá a substituição total do ferro pelo magnésio, passamos a ter a forsterite Mg2(SiO4) com composição química definida, no caso inverso temos a fayalite Fe2(SiO4). Entre estes dois pólos todas as composições intermédias podem existir, mantendo-se a estrutura. Estamos perante um caso de isomorfismo. Podemos, então, dizer que dois elementos são isomorfos, caso do Fe e do Mg, se podem substituir-se mutuamente dentro da mesma estrutura. Como a estrutura não se altera, as substâncias isomorfas apresentam forma cristalina muito semelhante, independentemente, da sua natureza química.
Vejamos, ainda, outra situação de exceção, embora haja muitas mais. O diamante é constituído, quimicamente, só por átomos de carbono (C); outra espécie mineral, a grafite, é igualmente constituída só por átomos de carbono (C). Embora constituídos pela mesma substância química, o carbono, estas duas espécies minerais assumem, ao cristalizar em condições físico-químicas específicas, formas cristalinas muito diversas, com graus de simetria diferentes. Enquanto o diamante cristaliza no sistema cúbico, a grafite cristaliza no sistema hexagonal. Dizemos que estes dois compostos são polimorfos, porque sendo quimicamente idênticos têm simetria diferente. Entre as referidas condições físico-químicas específicas, a temperatura tem uma importância primacial. Por exemplo, se cristais de diamante forem aquecidos a uma temperatura superior a 1500o C, à pressão normal e no vazio, dar-se-á uma transformação lenta da sua rede cristalina na rede cristalina da grafite. A 1900o C, essa transformação duma rede cristalina na outra é rápida. Isto apenas tem interesse acadêmico, já que não existe motivo algum para transformar uma pedra preciosa como o diamante num material muito mais barato e abundante como a grafite.
A ocorrência de espécies minerais com formas cristalinas próprias de outras é um fenômeno relativamente vulgar na Natureza e tem o nome de pseudomorfismo. Neste caso os minerais apresentam falsas-formas. As pseudomorfoses podem ter gêneses variadas.
Os minerais apresentam propriedades físicas, químicas e ópticas que permitem fazer a sua caracterização e identificação.
De entre as propriedades físicas destacamos a dureza, cor, cor da risca, transparência e o brilho. A dureza é, por definição, a resistência que um mineral oferece à risca provocada por uma ação mecânica externa. Na prática mineralógica utilizam-se escalas de dureza relativas,representadas por determinados minerais. A mais comum é a escala de Mohs, que contem 10 graus e é composta unicamente por minerais de risca branca. Os minerais estão ordenados segundo o seu grau de dureza, do menos ao mais duro e do seguinte modo: 1-talco, 2-gesso, 3-calcite, 4-fluorite, 5-apatite, 6-ortóclase, 7-quartzo, 8-topázio, 9-corindon, 10-diamante. Exemplificando, um mineral terá uma dureza aproximada de 8½ se risca o topázio mas é riscado pelo corindon.
A cor sendo uma das características importantes não é muito fiável. Por exemplo, o berilo pode ser incolor, branco, amarelo pálido, verde, rosa, azulado, roxo. O berilo apresenta um grande número de variedades, segundo a cor. A cor de um mineral depende da absorção de algumas das vibrações da luz branca e da reflexão de outras. A cor resulta, normalmente, da composição química, isto é da presença de átomos de um determinado elemento, na estrutura do mineral (exemplos: a esmeralda, variedade de berilo de cor verde, contém pequenas quantidades de Cr2O3; a água marinha, outra variedade de berilo de cor azul esverdeado a azul claro, contêm Mn e Cr em pequenas quantidades). Os minerais com Al, Na, K, Ca, Mg, Ba, apresentam cores claras ou são incolores, enquanto aqueles que contêm Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Ti, Va, são corados, apresentando, por vezes, cores intensas de acordo com os teores daqueles elementos na sua composição química. Também, o modo como os elementos estão dispostos na rede cristalina do mineral e a valência que possuem afetam a cor.
A cor de risco dos minerais, pode-se determinar de uma maneira simples. Riscando o mineral num fragmento de porcelana não vidrada. A cor do pó deixado sobre a porcelana é a cor de risco.
A transparência é a propriedade que os minerais têm de se deixarem atravessar pela luz. Segundo o grau de transparência podemos distinguir os minerais transparentes, semitransparentes, translúcidos, não transparentes e opacos.
O brilho é a propriedade que o mineral tem de refletir a luz. Depende de numerosos fatores, entre eles, o índice de refração, a dispersão cromática, a absorção da luz e as características da superfície estudada ( lisa ou rugosa). Podemos distinguir vários tipos de brilho: metálico, adamantino, vítreo, gorduroso, nacarado.
Longe de estarmos a ser exaustivos, vamos, ainda, citar mais algumas propriedades dos minerais, pensando naqueles(as) que querem fazer a identificação de minerais, quanto mais não seja para as suas colecções particulares ou, quem sabe, pelo prazer do estudo.
A piroelectricidade consiste no aparecimento de uma polarização elétrica quando determinado mineral é submetido ao calor.
A piezoelectricidade consiste no aparecimento de uma polarização elétrica quando determinado mineral é submetido a forças de compressão ou tensão.
A clivagem é a propriedade que os cristais têm de se partirem segundo planos reticulares bem definidos. Estes planos, tal como referimos atrás, são paralelos a possíveis faces do cristal, existindo uma dependência entre a clivagem e a estrutura atômica do mineral. É bem conhecida a clivagem das micas e da calcite.
O estudo das propriedades ópticas dos minerais é complexo e como tal referimos apenas dois aspectos: 1) é necessária a feitura de lâminas delgadas a partir dos minerais e/ou rochas; 2) é necessário um microscópio de luz polarizada para se fazer o estudo das lâminas delgadas. Para mais informação deve ser feita a consulta de bibliografia especializada.
Nos laboratórios mineralógicos modernos, para além do estudo das propriedades atrás referidas, utilizam-se técnicas sofisticadas, tais como difração de raios X, análise térmica diferencial, análise espectral, microssonda eletrônica e outras, para a identificação dos minerais. Todas estas técnicas exigem equipamento de laboratório complexo e muito caro, bem como formação especializada. Porquê a utilização de técnicas sofisticadas? Por várias razões: 1) não podemos esquecer que estamos a trabalhar à escala do átomo, 2) as redes cristalinas dos minerais sofrem vários graus de desordem o que pode afetar profundamente as propriedades do cristal, 3) os cristais com faces desenvolvidas, tais como as fotografias dos exemplares apresentados nesta página, são raros ou pouco freqüentes porque, tal como já foi dito antes, para que as faces cresçam é preciso que todas as condições físico-químicas sejam favoráveis; o que acontece, normalmente, é que as condições físicas de temperatura, pressão, espaço e tempo, bem como as condições químicas de concentração de elementos, não são favoráveis ao desenvolvimento de grandes massas cristalinas, mas sim de agregados de diferentes cristais microscópicos que vão dar origem às rochas.
A origem do nome dado às diferentes espécies minerais é bastante diversificada. Existem nomes derivados da composição química do mineral (exemplos: cuprite = óxido de cobre; manganite = hidróxido de manganês), nomes derivados do nome de uma localidade onde o mineral foi descoberto (exemplos: autunite = Autun (França); labradorite = Labrador (Canadá), nomes derivados de uma das propriedades do mineral [exemplos: cor – albite = albus (branco); densidade – barite = barus (pesado); clivagem – ortóclase ou ortose = clivagens ortogonais], nomes derivados do nome de uma pessoa (exemplos: berzelianite = Berzelius; smithsonite = Smithson). Os problemas de nomenclatura não são simples.
Como em todas as ciências naturais, é indispensável classificar os minerais mediante uma sistemática que permita compará-los entre si e identificá-los. Graças ao emprego dos raios X e ao estudo da composição química e das propriedades cristalográficas foi possível repartir, todos os minerais conhecidos, por classes, subclasses e grupos. Esta classificação é denominada por cristaloquímica. Nela os minerais estão agrupados em 9 classes: classe I – elementos nativos e ligas metálicas (metais, semi-metais, metalóides), classe II – sulfuretos,…(sulfuretos simples, duplos; sulfossais…), classe III – halogenetos (halogenetos simples, duplos e oxihalogenetos), classe IV – óxidos e hidróxidos (óxidos simples, múltiplos; hidróxidos, arseniatos,…), classe V – carbonatos, nitratos, boratos, classe VI – sulfatos, cromatos, molibdatos, volframatos, classe VII – fosfatos, arseniatos, vanadatos, classe VIII – silicatos (subclasses – nesossilicatos, sorossilicatos, ciclossilicatos, inossilicatos, filossilicatos, tectossilicatos) e classe IX – minerais orgânicos. Os silicatos formam a classe mais abundante e importante da crosta terrestre. Sendo a classificação cristaloquímica a mais usada, queremos deixar claro que se utilizam outras classificações.
Depois do oxigênio, o silício é o elemento mais abundante da crosta terrestre. Na Natureza só aparece sob a forma de compostos. Por exemplo, o quartzo é um dióxido de silício ( SiO2 ); a anortite é um silicato de alumínio e cálcio (Ca[Al2Si2O8] ); a muscovite é um silicato de alumínio e potássio ( KAl2[AlSi3O10](OH,F)2 ). Os silicatos são compostos formados pela substituição de átomos de hidrogênio dos diferentes ácidos silícicos (ácido ortosilícico, ácido metasilícico) por metais.
A titulo de curiosidade, sobretudo das mulheres, passamos a referir alguns aspectos das chamadas pedras preciosas. Já na primeira página fizemos uma breve referência às gemas. Costuma-se dividir as gemas em duas categorias: as preciosas e as semipreciosas. As pedras preciosas não são mais que minerais que, particularmente, pela sua raridade e beleza, depois de talhadas (lapidadas), têm um elevado valor comercial. O grupo das pedras preciosas inclui apenas quatro espécies minerais: diamante, rubi (variedade do corindon), safira (variedade do corindon) e a esmeralda (variedade de berilo). O grupo das semipreciosas é formado, essencialmente, por: variedades de berilo, turmalina, topázio, quartzo, opala, turquesa, jade, granada, zircão e feldspatos.
Para terminar este tema, podemos dizer que os minerais se formam a partir de três grandes processos: magmático, metamórficoe sedimentar. No tema Rochas iremos abordar estes grandes e complexos processos naturais.