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2.4.1.1. Polimorfismo

Polimorfismo

Se habla de polimorfismo para referirse a una sustancia química que puede presentarse con más de una estructura diferente. La principal causa de polimorfismo se debe a las diferentes condiciones de presión y temperatura que hacen que los átomos se ordenen de una u otra forma.

A pesar de tener la misma composición química, al tener estructura distinta, los polimorfos tienen distintas propiedades físico-químicas.

Diagramas de fases

Los diagramas de fases son una representación gráfica de las fases minerales de un compuesto químico que se encuentran en equilibrio en unas determinadas condiciones de presión y temperatura.

Los diagramas de fases que vamos a ver este curso son:

  • Diagramas de fase de un solo componente, que representan la estabilidad de los polimorfos de una determinada composición química según la presión y temperatura en la que se encuentran. Por ejemplo:
  • Diagramas de fase de dos componentes. Representan la estabilidad en función de la temperatura y composición entre dos componentes extremos. Por ejemplo, la serie isomorfa del olivino (forsterita y fayalita).

Algunos ejemplos de polimorfismo

Serie polimorfa distena-andalucita-sillimanita

Los tres minerales tienen la misma composición química (Al2SiO5), pero su estructura es distinta según su formación:

Diagrama de temperatura y presión en el que se aprecia las zonas en las que se forma andalucita, sillimanita y distena

Usuario: Smith609 adaptado al italiano por el usuario: Demostene119 [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

La gráfica muestra el ejemplo típico del “polimorfismo”. Tres minerales diferentes, silicatos de aluminio (Al2SiO5), andalucita, sillimanita y cianita, con diferente estructura cristalina pero con idéntica composición química. La gráfica muestra los campos con las condiciones P/T en los que cristaliza cada uno de los tres polimorfos. 

Serie polimorfa calcita-aragonito

Algo parecido ocurre con el carbonato de calcio (CO3Ca), que presenta dos polimorfos:

  • Calcita. Cristaliza en el sistema trigonal. Es el polimorfo de baja presión.
  • Aragonito. Cristaliza en el sistema ortorrómbico. Es el polimorfo de alta presión.

Si el CO3Ca cristaliza en condiciones de alta presión, se formará aragonito. En cambio, si la presión disminuye, el cristal que se formará será calcita. Por tanto, el aragonito no es estable si la presión es baja, pero sin embargo, es posible encontrarlo en la superficie terrestre. Esto se debe a que puede seguir con la estructura del aragonito y no la de calcita si la presión descendió rápidamente o se dieron otras circunstancias particulares que permitió su formación con baja presión.

Grafito y diamante (alotropía)

Tanto el grafito como el diamante están formados por carbono, ambos tienen la misma fórmula química (C), pero sus propiedades son notablemente diferentes. Cuando el polimorfismo es de un único elemento que puede cristalizar de varias formas recibe el nombre de alotropía.

Comparación entre grafito y diamante

Commons: Robert Lavinsky [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

En el caso del carbono, como se aprecia en el diagrama de fases (ver debajo en alguna pregunta de EvAU), puede encontrarse en forma de diamante, grafito, carbono III y líquido. El diamante presenta mayor campo de estabilidad, siendo el mineral que se forma a altas presiones, mientras que el grafito se encontrará a bajas presiones y temperaturas variables. Al ser estable a altas presiones, el diamante tiene un empaquetamiento mucho más compacto que el grafito, estable en condiciones atmosféricas. En estas condiciones, el diamante es metaestable, transformándose en grafito de forma espontánea, ya que siempre hay una tendencia a convertirse en la forma más estable, en este caso, el grafito. Pero este proceso es tan lento que indetectable parra los humanos, ya que los átomos de carbono están unidos mediante enlaces muy fuertes y con poca movilidad, por lo que solo se pueden detectar los cambios después de miles de años, siendo apreciables solo a escala geológica. Por tanto, podemos decir que un diamante es "casi" para siempre.

Canarias, Julio de 2018, opción A, cuestión 1

3). Según el diagrama adjunto, referido al diamante y al grafito, contesta las siguientes preguntas razonando las respuestas (1 punto):

a).¿Cuál es la forma estable del C a bajas y a altas presiones? (0.5 puntos).

b). Como observamos en la gráfica de fases, las condiciones más estables de formación del diamante son a altas presiones. ¿Por qué razón, es también estable en condiciones normales de P-T al igual que el grafito? (0.5 puntos).

Cantabria, Junio de 2017, opción 1, pregunta 2

2. [1,5 PUNTOS] Defina el concepto de mineral. ¿Qué es un mineral polimorfo y cuáles son las causas de que se originen minerales polimorfos? Ponga dos ejemplos.

Asturias, Junio de 2018, opción A, cuestión 2

2)
a) Explica qué se representa en la siguiente gráfica y descríbela.  (1 punto).  
b) ¿Cuál de los tres minerales se forma en relación con el metamorfismo de contacto?  (0,5 puntos) 
 

Canarias, Julio de 2017, opción B, cuestión 4

a). Explicar adecuadamente en qué consiste el fenómeno del polimorfismo mineral: 0.4 puntos. Indicar adecuadamente un ejemplo de minerales polimorfos: 0,1 puntos.

Castilla La Mancha, Junio de 2018, propuesta B, bloque 1, pregunta 1

1ª/0,5 p.) ¿Qué se entiende por dos minerales polimorfos? Pon un ejemplo.

Navarra, Junio de 2019, opción B, pregunta 2

2. ¿Por qué dos minerales como el grafito y el diamante con igual composición química (carbono puro) son tan diferentes? (1 p) ¿Qué tiene el diamante que lo hace tan valioso? (0,5 p)

Asturias, Julio de 2019, opción A, cuestión 2a

2) a. Concepto de polimorfismo. Pon dos ejemplos de polimorfismo. (0,75 puntos)

Cantabria, Julio de 2019, opción A, cuestión 2

2. [1,5 PUNTOS] De acuerdo con el diagrama siguiente, ¿a qué tipo de propiedad de mineral se refiere? Describa el comportamiento del grafito y del diamante teniendo como referencia la gráfica adjunta. ¿Es más fácil obtener grafito o diamante? ¿por qué?

La Rioja, Julio de 2018, opción A, cuestión 2a

2a. (0,5 puntos). ¿Qué representa el gráfico?- Interprétalo y coméntalo.

Asturias, Julio de 2020, pregunta 2

Pregunta 2
A Observa la figura y contesta a las siguientes cuestiones: (1.5 puntos)

¿Qué representa?
¿Grafito y diamante son dos minerales distintos?
¿En qué se diferencian y cómo se denomina el fenómeno?

B Los términos geológicos siguientes están relacionados con la petrología sedimentaria, metamórfica o ígnea. Sitúa cada término en el lugar que corresponda. (1.5 puntos, 0.075 cada uno)
caliza, pahoehoe, riolita, antracita, arenisca, mármol, sills, gabro, esquisto, textura afanítica, grauvaca, gneis, estratificación, obsidiana, foliación, granito, textura
granoblástica, conglomerado, evaporita, morrenas.

SEDIMENTARIA 

Rocas sedimentarias detríticas:
Rocas sedimentarias químicas:
Texturas o estructuras:

METAMÓRFICA 

Rocas:
Texturas o estructuras:

ÍGNEA
Rocas volcánicas:
Rocas plutónicas:
Texturas o estructuras:

Actividad basada en Asturias, Julio de 2020, pregunta 2, parte B

Los términos geológicos siguientes están relacionados con la petrología sedimentaria, metamórfica o ígnea. Indica con qué tipo de reoca está relacionado:

  • Caliza: 
  • Pahoehoe: 
  • Riolita: 
  • Antracita: 
  • Arenisca: 
  • Mármol: 
  • Sills: 
  • Gabro: 
  • Esquisto: 
  • Textura afanítica: 
  • Grauvaca: 
  • Gneis: 
  • Estratificación: 
  • Obsidiana: 
  • Foliación: 
  • Granito: 
  • Textura granoblástica: 
  • Conglomerado: 
  • Evaporita: 
  • Morrenas:  

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Canarias, Junio de 2021, pregunta A3

A3) El diagrama de fase adjunto representa los campos de estabilidad de los dos minerales polimorfos del CaCO3. A partir de su observación contesta las siguientes cuestiones, razonando las respuestas (1 punto):

a) Una roca metamórfica formada a 600º C de Temperatura y 15 Kilobares de Presión contiene uno de estos minerales ¿de cuál se trata? (0,5 puntos)

b) ¿Cuál de los dos minerales es más estable en las condiciones de la superficie de la Tierra? ¿Por qué? (0,5 puntos)

Castilla La Mancha, Junio de 2021, pregunta 16

16ª/1 p.) ¿Qué diferencia hay entre el cuarzo mineral y el sílex o pedernal?

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