La mineralogía es una ciencia extensa y compleja, muy relacionada con la química y la geología, que estudia la estructura, composición y transformación de la materia sólida inorgánica cristalina encontrada en forma natural en la biósfera . En la naturaleza, el cobre se encuentra asociado a otros minerales y para obtenerlo es necesario separarlo a través de un trabajo conocido como “proceso productivo del cobre”, donde la mineralogía cumple un rol de importancia indiscutible. MINERALOGÍA CONTENIDOS La mineralogía estudia la Materia sólida del tipo Mineral cuyas características son Naturales Inorgánicas Homogéneas Cristalina su grado de pureza se expresa por Ley Mineral Cristalina Una sustancia mineral es una sustancia química formada por uno o más elementos. Cada sustancia tiene una fórmula química, que expresa cuantitativamente su composición. Es una sustancia natural y homogénea, de origen inorgánico, con una composición química definida y propiedades características, y que tiene, generalmente, una estructura cristalina. En una estructura cristalina los átomos o moléculas de la sustancia tienen un ordenamiento geométrico constante en el espacio. Si, por el contrario, no se observa una disposición periódica y ordenada de las entidades, se dice que la sustancia no está cristalizada o que es amorfa. Ejemplos de minerales de estructura amorfa son las rocas volcánicas y el vidrio. Naturales Los minerales no son producidos artificialmente en el laboratorio, más bien se encuentran en forma espontánea en el ambiente. Homogénea Un mineral es una sustancia pura (elemento o compuesto químico). Las rocas son una mezcla heterogénea ya que estas son un conjunto de minerales. El cobre, en la naturaleza, podemos encontrarlo asociado a diferentes elementos, conformando compuestos químicos. Si la fuente de cobre se encuentra cerca de la superficie y en contacto con la atmósfera, se oxida por el oxígeno del aire formando CuO (óxido de cobre). Si la fuente de cobre se encuentra bajo tierra, generalmente lo encontramos asociado al azufre, conformando el CuSO4 (sulfato de cobre). Cristal Amorfo Ley La ley se refiere al grado de pureza en que se encuentra la especie mineral en la roca de un yacimiento. La ley de cobre expresa el porcentaje de cobre que encierra una determinada muestra. Cuando se habla de una ley del 1% significa que en cada 100 kilogramos de roca mineralizada hay 1 kilogramo de cobre puro. www.codelcoeduca.cl En esta oportunidad aprenderás a construir modelos tridimensionales de minerales y a calcular la ley de algunos de sus elementos. Materiales (lo que necesitas) 1. Bolitas de plasticina de diferentes colores. 2. Palos de fósforos o mondadientes. 3. Calculadora. 4. Cuaderno. 5. Lápiz. Procedimiento (lo que debes hacer) 1. Construye un sólido cristalino (mineral) compuesto por tres elementos. 2. Arma bolitas de plasticina de tres colores diferentes, uno para cada elemento. Cada una de las bolitas representa un átomo del elemento. APLICACIÓN PRÁCTICA Construyendo minerales y calculando su ley 3. Une estas esferas con los palos de fósforos o los mondadientes, cuidando de que los átomos de los elementos (esferas de color) estén a una misma distancia unos de otros, ya que se trata de sólidos cristalinos. 4. Deja uno de los tres elementos en una cantidad distinta (mayor o menor) con respecto a los otros dos elementos. 5. Intercambia tu modelo tridimensional con un (a) compañero (a). Preguntas 1. Calcula el porcentaje de abundancia de cada elemento, tomando como referencia el 100% como el número total de esferas (átomos). 2. Confecciona una tabla que resuma tus resultados. 3. Concluye la ley de cada elemento, en el modelo que has intercambiado. Puedes seguir el siguiente ejemplo. Ejemplo: El modelo de Ana María posee 20 esferas, de las cuales 6 son rojas. Entonces: 100% 20 = X 6 Por lo tanto: el elemento rojo posee una ley del 30%. 100% x 6 X = 20 x = 30% 4. A partir de este ejercicio, ¿qué conclusión extraes acerca de la utilidad de calcular la ley del cobre en los minerales? 5. A partir de tus conocimientos sobre el concepto de ley, ¿qué significa que en la mina de Chuquicamata se extrajo una muestra mineral de CuO (óxido de cobre) cuya ley es del 10,5 %? www.codelcoeduca.cl Ciencia. Subsector :Química. Nivel : 1er año de Educación Media (NM1). Descripción general La información entregada en el texto La mineralogía se refiere al concepto de sólidos cristalinos, abordando su estructura y organización atómica - molecular. Esta instancia se vincula para aplicar el concepto de ley (pureza de materiales sólidos) al momento de tratar la unidad de “Suelos” y/o “Los Materiales”. Este contenido se relaciona con el proceso productivo del cobre en su etapa de exploración geológica y de extracción, ya que el científico a cargo (geólogo) encontrará muestras de fuente de cobre en forma de sólidos cristalinos (minerales) en diferentes grados de pureza. Se ofrece una actividad práctica que favorece la representación mental del estudiante acerca de los conceptos de “cristal”, “celdas unitarias” y “organización atómica geométrica”, como también facilita el aprendizaje del concepto de “ley” a través de su aplicación concreta. Objetivos fundamentales •Distinguir las propiedades físicas y químicas de distintos materiales y conocer las modificaciones y límites en las que ellas pueden variar. Realizar mediciones exactas y precisas a través de actividades experimentales y apreciar su importancia para el desarrollo de la ciencia. • Aprendizajes posibles •Definir y distinguir el concepto de mineral. •Comparar sólidos cristalinos y amorfos. •Caracterizar las propiedades de los cristales. Relacionar cristales con los minerales de cobre. Definir ley. Relacionar la pureza del cobre con la ley de cobre. Extraer conclusiones de datos de ley de cobre. Calcular el grado de pureza (ley) de un mineral. • • • • • Objetivos transversales •Exponer ideas, opiniones, convicciones, sentimientos y experiencias de manera coherente y fundamentada. Resolver problemas a través del uso de herramientas y procedimientos basados en una actitud reflexiva y metódica. Analizar, interpretar y sintetizar información y conocimientos. Contenidos •Suelos: • Mineralogía. PARA EL DOCENTE Sector : Conceptos claves •Minerales. •Cristales. •Elementos y compuestos. •Ley. • Otras oportunidades de aprendizaje •Definir y describir celdas unitarias. •Visualizar los siete tipos de celdas unitarias. •Explicar las propiedades macroscópicas del cobre a partir de su fundamento atómico. Identificar minerales de cobre. • Criterios de evaluación 1.Define mineral. 2.Distingue entre mineral y rocas mineralizadas. 3.Reconoce sólidos cristalinos y amorfos. 4.Explica características de los cristales. 5.Comprende el concepto de ley de mineral. 6.Extrae conclusiones de datos de ley. 7.Calcula el grado de pureza (ley) de un mineral. www.codelcoeduca.cl PARA EL DOCENTE Evaluación Formativa Nombre: Curso: 1. Fecha: Define mineral con tus propias palabras. 2. Realiza una tabla comparativa entre sólidos cristalinos y amorfos. Para ello usa el criterio “estructura”, señalando tres características. 3. ¿Qué relación hay entre sólidos cristalinos y minerales de cobre? 4. En una muestra de 5 kilos de mineral, 1,5 kilos corresponden a cobre. ¿Cuál es la ley de cobre para esta muestra? ¿Qué significa este valor? 5. ¿En qué formas podemos encontrar el cobre en la naturaleza? Señala tres ejemplos. www.codelcoeduca.cl Características 1. Los minerales son materiales sólidos cuyos átomos se disponen en el espacio según una estructura precisa, ordenada y periódica. 2. La mayor parte de los materiales sólidos existentes en la Tierra son cristales. Las excepciones obedecen a sólidos amorfos donde encontramos a las piedras volcánicas, el vidrio, el plástico, entre otros; y aunque son sólidos no tienen la estructura microscópica ordenada y periódica típica de los cristales. 3. Los cristales están constituidos por una unidad fundamental denominada celda elemental o unitaria, que se repite indefinidamente en las tres direcciones del espacio. 6. Los sólidos cristalinos funden a una temperatura precisa, mientras que el punto de fusión para sólidos amorfos puede variar en intervalo limitado de temperatura. 7. Una clasificación de los cristales, aunque no rigurosa, se puede establecer tomando como base el enlace químico predominante en su estructura. Así encontramos enlaces de hidrógeno, iónicos, covalente, metálicos y fuerzas de Van der Waals. 8. Los que poseen enlaces metálicos son muy importantes. Las características del brillo, la ductibilidad, la resistencia mecánica, la conducción del calor y la corriente eléctrica son debidas a su estructura microscópica y al enlace de tipo metálico, el que sólo se da al interior de este tipo de materiales. Existen siete tipos de celdas elementales: i. Cúbica. ii. Tetragonal. iii. Hexagonal. iv. Romboédrico. v. Ortorómbico. vi. Monoclínico. vii. Triclínico. ¿Cómo diferenciar el tipo de celdas? El criterio para diferenciar los distintos tipos de celdas se basa en el intervalo de magnitud de los ángulos de enlace y la distancia entre los átomos (aristas de la celda unitaria). 4. La repetición de esta celda elemental da origen a una estructura geométrica, conocida como retículo o red cristalina, que determina gran parte de las características del cristal. 5. Las características macroscópicas de los cristales son muy variadas. Hay cristales durísimos, otros son blandos y frágiles; algunos son transparentes, otros opacos; hay cristales conductores de corriente eléctrica y otros aislantes. El cobre como sólido cristalino El cobre se encuentra en la naturaleza, libre o asociado con otros elementos, formando cristales. En el último caso, la asociación corresponde a óxidos, sulfatos y sulfuros. Características físicas del cobre tales como ser buen conductor del calor y la electricidad, su ductibilidad y resistencia mecánica son debidas a que los átomos establecen enlaces del tipo metálico entre ellos. MATERIAL COMPLEMENTARIO Minerales: sólidos cristalinos La estructura cristalina del cobre libre corresponde a la celda unitaria del tipo cúbica centrada en las caras. Los átomos de cobre se encuentran colocados en los vértices de un cubo así como en el centro de cada una de las caras que forman el cubo. La longitud del cubo es de 3.61 Å. Este arreglo se repite con la misma orientación a lo largo de todo el cristal. La estructura cúbica centrada en las caras es característica de muchos metales como el níquel (3.52 Å), aluminio (4.04 Å), oro (4.07 Å), plomo (4.94 Å) y platino (3.92 Å), por ejemplo. www.codelcoeduca.cl