Caracterizacin de minerales utilizando difraccin de Rayos X

DIFRACCIN DE LOS RAYOS X POR LOS CRISTALESPor:CHUQUILIN VALLEJOS, ROCKWELLJAUREGUI ALIAGA, JHORDANN MANUELMONTES SANCHEZ, STEVE DHUSTINLOPEZ ARVALO, LELER GILMERIntroduccin La difraccin de rayos X es una tcnica verstil y no destructiva que revela una informacin detallada de la estructura y la qumica de los minerales cristalinos. Entre sus aplicaciones, mencionamos:Identificacin de fases simples o mltiples en muestras desconocidas.Cuantificacin de fases conocidas en una mezcla.Cristalografa resolucin de estructuras cristalinas.Anlisis no ambiental cambios de estructuras cristalinas con la temperatura, presin o fases gaseosas.Anlisis de superficies y pelculas delgadas.Anlisis de texturas.Pueden caracterizarse materiales naturales o manufacturados, de qumica orgnica o inorgnica. Algunos que pueden mencionarse son:Qumicos.Sustancias farmacuticas y forenses.Polvos ambientales y pigmentos.Asbestos.Rocas.Minerales.Zeolitas.Polmeros.Metales.Cementos.Difraccin de Rayos XAlrededor del 95% de todos los materiales slidos que nos rodean pueden describirse como cristalinos. Cuando los rayos X interactan con una sustancia cristalina pura, a la que tambin la podemos denominar fase, se obtiene un patrn de difraccin. Lo natural es que los cuerpos estn compuestos por varias sustancias o fases, y para caracterizarlos, es imprescindible identificar y cuantificar a cada una de ellas.En 1919 el cientfico A. W. Hull public un trabajo titulado A New Method of Chemical Analysis. (Un nuevo mtodo de anlisis qumico). All estableca que:. Cada sustancia cristalina da un patrn o modelo; la misma sustancia siempre tiene el mismo modelo, y en una mezcla de sustancias, cada una de ellas produce su patrn independientemente de las otras.El modelo de rayos X de una sustancia pura es, por lo tanto, como una impresin digital de tal sustancia. El mtodo de la difraccin de polvos es as idealmente adecuado para caracterizar e identificar las fases policristalinas. Actualmente se han recogido y almacenado como estndares en medios magnticos u pticos alrededor de 50.000 fases cristalinas de componentes simples inorgnicos y 25.000 orgnicos. El uso principal de la difraccin de polvos es identificar componentes en una muestra por el procedimiento de la bsqueda y comparacin. Adems, las reas bajo los picos de difraccin se relacionan con la cantidad de cada fase que est presente en la muestra.Qu es la difraccin de rayos X?El fenmeno de la difraccin de rayos X es el resultado de la interaccin de una radiacin (Rayos X) con los tomos ordenados de los cristales.Utilizamos la difraccin de rayos X para obtener informacin sobre los slidos cristalinos, sobre los tomos que los forman y su disposicin.

Por qu utilizamos los rayos X?Se utilizan rayos X con una longitud de onda en torno a 1 (10 elevado a -10 m.) porque es el orden de las distancias interatmicas en los cristales, lo que posibilita la aparicin de fenmenos de interferencia y de direcciones de difraccin.Qu son los cristales?La materia cristalina se caracteriza por la presencia de orden a larga distancia. Se distingue as de otros estados de la materia sin orden o con orden en distancias cortas como son las formas gaseosas, lquidas o los slidos amorfos.Un cristal est formado por un motivo (conjunto de tomos) que se repite en una red tridimensional segn tres traslaciones independientes. Adems, en funcin del motivo y su repeticin, en los cristales pueden aparecer relaciones de simetra adicionales: ejes de rotacin o planos especulares, etc.Las propiedades de los materiales cristalinos depende de su composicin qumica (qu tipo de tomos forman el motivo que se repite y cuntos son) y de su estructura (cmo estn colocados esos tomos y cmo se repite el motivo atmico que forma el cristal). Los materiales cristalinos se diferencian unos de otros o bien por su composicin, o bien por su estructura.Un compuesto con una composicin y estructura definidas se conoce como fase cristalina.La difraccin de rayos X nos permite distinguir unas fases cristalinas de otras y conocer su estructura.Cmo obtenemos la informacin que proporciona la difraccin de rayos X?Ley de Bragg

William Henry & William Lawrence BraggInterpretacin de la Ley de BraggQu es un difractograma?

La aparicin de un piks (o reflexin) en el difractograma indica que los cristales de la muestra tienen una familia de planos con una distancia interplanar tal que se cumple la ley de Bragg para la longitud de onda utilizada en el ngulo medido.Como en un cristal estn definidos numerosos planos cristalogrficos, en los difractogramas de una fase cristalina se observan diferentes piks para diferentes ngulos. Adems, los piks tienen una intensidad variable, dependiendo de los tomos que componen el cristal y de su posicin.Para que sirve la difraccin de rayos X por el mtodo del polvo?La aplicacin ms extendida de la drxp es la identificacin de fases cristalinas. Cada sustancia qumica cristalizada de una determinada manera (fase cristalina) incluye numerosas familias de planos separados por distancias caractersticas. El conjunto de todas las distancias describe el cristal y dar lugar, adems, un conjunto particular de reflexiones en un experimento de difraccin.El difractograma contiene, por tanto, informacin sobre la fase cristalina que lo produce.Esta relacin entre fase cristalina y difractograma hace posible la identificacin de fases cristalinas. Se puede realizar un anlisis cualitativo de una muestra cristalina comparando las posiciones e intensidades de los picos de su difractograma con las reflexiones caractersticas de fases puras, medidas previamente y almacenadas normalmente en bases de datos.

Pero la identificacin de fases es solo una de las muchas aplicaciones de la drxp.La importante cantidad de informacin que incluyen los difractogramas, unida a la facilidad de manipulacin de las muestras (basta con presentar el polvo o la pieza en el difractmetro) y a que se trata de una tcnica no destructiva, ha hecho que hoy en da la difraccin de rayos X por el mtodo de polvo sea una tcnica bsica en caracterizacin de materiales.

Difractmetros Difractmetro de monocristal

Difractmetro de polvos

Difractograma

ngulo de difraccinMuestra de Cuarzo, Albita, Calcita y Clinocloro

APLICACIN DE LA DIFRACCIN DE LOS RAYOS X EN CRISTALES Y MINERALESLa aplicacin fundamental de la Difraccin de Rayos X (DRX) es la identificacin cualitativa de la composicin de una muestra cristalina.

Cualquier sustancia cristalina produce un diagrama de difraccin caracterstico y si la muestra contiene ms de una sustancia el diagrama ser una combinacin de los correspondientes a ambas sustancias.

APLICACIN DE LA DIFRACCIN DE LOS RAYOS X EN CRISTALES Y MINERALESTambin permite obtener la informacin siguiente: Dimensiones de la celda unidad Determinacin del nmero de molculas en la celda unidad. La densidad referida a la celda unidad viene dada por la expresin: = Masa de la celda/Volumen = (NM)/VDonde:M es la masa de todos los tomos que integran una unidad de la frmula qumica, es decir, el peso molecular.N es el nmero de frmula unidad contenidas en la celdaV es el volumen de la celda unidad. La frmula general viene dada por la expresin.

Tambin permite obtener la informacin siguiente:

Tipo de red de Bravais Sistema cristalino Grupo espacial o posible(s) grupo(s) espacial (es) Posiciones atmicas a partir de las intensidades de los rayos X difractados, y por lo tanto, la estructura cristalina.

APLICACIN DE LA DIFRACCIN DE LOS RAYOS X EN CRISTALES Y MINERALES

APLICACIN DE LA DIFRACCIN DE LOS RAYOS X EN CRISTALES Y MINERALESLa difraccin por rayos X es el mtodo ms importante, de tipo no destructivo para: Analizar materiales ms variados: Polvos Metales Productos de corrosin Cristales perfectos, etc En la investigacin: Suministro de materias primas Produccin

APLICACIN DE LA DIFRACCIN DE LOS RAYOS X EN CRISTALES Y MINERALESCon la difraccin de rayos X es posible determinar una variedad de caractersticas de materiales macroscpicas y microscpicas as como la estructura de compuestos que conforman a los materiales.Algunos ejemplos de aplicaciones son: Materias primas como minerales, carbn, caliza etc. Metales, aleaciones, escorias y cenizas. Filtros, lodos y otras aplicaciones.

Aplicaciones especficas del Mtodo de polvo:

Identificar las fases cristalinas presentes en una muestra en forma cualitativa

Espectro de rayos X mostrando las fases minerales a las que corresponden los picos de difraccin Asignacin de ndices a las reflexiones.

Estudiar orientaciones preferenciales para identificar polimorfismo cristalino.Anlisis cuantitativo de fases cristalinasSe fundamenta en el hecho de que las intensidades de las reflexiones de una fase cristalina contenida en una muestra dependen de la concentracin relativa de dicha fase en la muestra. La relacin entre la intensidad y la concentracin no es lineal, debido a efectos de absorcin. Para obtener el porcentaje de cada fase presente en una mezcla se comparan las intensidades con las de los diagramas de control de composicin conocida.Estudio de soluciones slidas

Otras aplicaciones ms especficas son:Estudio de texturasDeterminacin del tamao de los cristalitosDeterminacin de coeficientes de dilatacin trmicaEl coeficiente de dilatacin lineal de un cristal es diferente en las distintas direcciones cristalogrficas. El coeficiente de dilatacin es:

Donde:d es el desplazamiento t es la temperaturaDicha expresin se relaciona con la ecuacin de Bragg puesta en la forma:

Las reas de mayor aplicacin de esta tcnica son:

Investigacin de materiales Control de calidad de cementos Mineraloga y Geologa Farmacutica Qumica y catlisis Polmeros Arqueologa Nuevos nanomateriales y semiconductores.

GRACIASHBITO CRISTALINOPor:CHUQUILIN VALLEJOS, ROCKWELLJAUREGUI ALIAGA, JHORDANN MANUELMONTES SANCHEZ, STEVE DHUSTINLOPEZ ARVALO, LELER GILMERElhbito cristalinodescribe el aspectomacroscpicoque presentan losminerales. El hbito se encuentra condicionado por factores externos al mineral, como por ejemplo, las condiciones ambientales que haba mientras se form. Laestructura cristalinatambin influye sobre el hbito, aunque muchas veces el aspecto de un mineral puede despistar acerca de su estructura cristalina. Minerales con la misma estructura cristalina no tienen por qu presentar el mismo hbito, e incluso un mismo mineral puede aparecer bajo varias formas diferentes. HBITO CRISTALINOAlgunos hbitos de un mineral son especficos de unalocalidad.En una primera clasificacin, el aspecto de los minerales se puede dividir En:Cristales aislados, Asociaciones oagregadosde cristales, yMasas. Dentro de estos grupos, se utilizan diversos trminos que describen la forma del mineral. Como los minerales pueden tomar casi cualquier forma imaginable, no existen listas sistemticas ni definiciones estrictas para los distintos hbitos.Para describir el hbito de los cristales tambin se usan trminos que hacen referencia a su forma geomtrica:cubo,octaedro,dodecaedro, etc.

HBITO CRISTALINOCRISTALES AISLADOSAcicularCristales delgados en forma de agujas, como en la natrolita.

Prismtico o columnarEn forma de prisma, como en laturmalina.

CoraloideEn forma de coral, como en el aragonito.

FiliformeFinas hebras, similares a cabellos, como en laauricalcita.

Piramidal - BipiramidalPrisma acabado en pirmide en uno o en los dos extremos.

AGREGADOS O ASOCIACIONES DE CRISTALESArborescenteSimilar a un rbol, como en la platanativa.

DendrticoCon forma de hojas de plantas, como en lapirolusita.

ReticuladoCristales laminares alargados finos formando una red, como en lacerusita.

FibrosoMuestra pequeas fibras paralelas que se pueden separar, como en el yeso.

FoliadoFormado por pequeas lminas que se pueden separar, como lamica.

GeodaCristales recubriendo el interior de una roca, como en el gata.

DrusaCristales recubriendo la superficie de una roca, como en la amatista.

RadialCristales dispuestos en crculo desde un mismo punto central, como en la pirolusita.

MASASMasivo o compactoSin forma determinada, como laserpentina.

GlobularIndividuos esfricos, como la calcita.

BotroidalFormas esfricasagrupadas formando racimos, como en elapatito.

ReniformeFormas semejantes a riones, ms alargadas que en el hbito botroidal, como en lahematita.

MamilarFormas esfricas anchas y planas semejantes a mamas, como en la smithsonita.

BandeadoBandas de diferente textura y color, como en elgata.

Ooltico o pisolticoEsferas dispuestas como las huevas de los peces.

GranularPequeos granos de mineral.

AmigdaloideNdulos de mineral en forma de almendra.

Concreccionado o nodularMasas esfricas irregulares.

EstalactticoEn forma de cilindros o conos, recordando a las estalactitas.

GRACIAS