Nuestra sociedad tiene una enorme dependencia de los recursos minerales. Las consecuencias que esto conlleva no son, en absoluto, ajenas a nuestras vidas. Pese a sus implicaciones, esta realidad no es un hecho habitualmente conocido o tenido en cuenta. Incluso suele ignorarse que todos los objetos que nos rodean, y que no tienen un origen biológico, se han elaborado a partir de materiales extraídos de la Tierra. Así ha sido desde nuestros orígenes como especie. Esta relación con los minerales comenzó en la Prehistoria con la industria lítica. Posiblemente, uno de los primeros actos científicos fue el de distinguir minerales y rocas para utilizarlos de acuerdo con sus propiedades.
El conocimiento empírico acumulado sobre las propiedades de determinados minerales ha provocado hitos de tal calado, que se emplean nombres alusivos a ellos para referirnos a algunas etapas de la civilización humana (Edad de Piedra, Edad del Cobre, Edad del Hierro, etc.). El mayor avance en el aprovechamiento de los minerales se produjo con el nacimiento de la metalurgia, que permitió extraer los metales que contienen.
Los metales revolucionaron la historia humana porque ofrecen propiedades que ningún otro material proporciona. Propiedades tan increíbles que, en menos de tres mil años, nos llevaron de la Edad del Hierro a la de los vuelos espaciales e Internet. Los metales que hacen funcionar nuestra sociedad se extraen de determinados minerales, muchos de ellos escasos en la corteza terrestre.
El objetivo de esta serie de artículos es mostrar cómo han ido evolucionando los usos y el conocimiento sobre los minerales, hasta llegar a lo que sabemos sobre ellos hoy en día.
Una fractura especial
En un periodo muy reciente de la historia de nuestro planeta, unos primates comenzaron a depender de las piedras para su subsistencia. Ocurrió hace dos millones y medio de años, y marcó el inicio de la Prehistoria. La utilización de herramientas es común en muchos animales. Sin embargo, la selección de determinadas rocas y minerales por unas propiedades muy concretas es exclusivamente humana.
Escogieron los que presentaban simultáneamente dos cualidades: elevada dureza y fractura concoidea. El aprovechamiento de ambas propiedades físicas dio lugar a la primera industria humana: la industria lítica. En concreto, la fractura concoidea, en forma de ondas concéntricas, permite la obtención de lascas con mucho filo adecuadas para la fabricación de armas de caza y para partir o desgarrar la carne de los animales.
Hoy sabemos que un mineral es un sólido cristalino de origen natural con una composición química determinada. En los sólidos cristalinos existe una disposición periódica de sus componentes químicos, es decir, presentan una estructura interna ordenada que se manifiesta frecuentemente en formas externas poliédricas y simétricas.
Las propiedades físicas de los minerales dependen de ambas características: la composición química y/o la estructura. Así, los componentes químicos (átomos, iones o moléculas) y las fuerzas por las que se unen entre sí (enlaces químicos) condicionan ciertas propiedades (como la dureza, la transparencia o el brillo). En particular, la dureza de un mineral es la resistencia que ofrece su superficie a ser rayada (no confundir con tenacidad o fragilidad; hay minerales muy duros, como el diamante, pero que son frágiles, se rompen al ser golpeados). La dureza se mide en una escala semicuantitativa compuesta por 10 minerales que se utilizan como referencia. Esta escala fue propuesta por el mineralogista alemán Friedrich Mohs a principios del siglo XIX, y en ella cada mineral es rayado por el siguiente en la escala. La dureza más baja (1) es la del talco y la más alta (10) corresponde al diamante. Esto no significa que el diamante sea 10 veces más duro que el talco, ya que se trata de una escala no lineal. En términos absolutos el diamante es unas 7000 veces más duro.
De igual manera, la estructura cristalina determina otras propiedades como la morfología externa o la fractura. La fractura en los minerales depende de la distribución de esfuerzos que, a su vez, está relacionada con la estructura cristalina. Cuando en la estructura hay diferentes fuerzas de enlace entre los componentes químicos, los minerales tienden a romperse según aquellas direcciones o planos en los que la fuerza de enlace es más débil. A esto se le denomina “exfoliación” y es muy evidente en el yeso, la calcita o las micas.
Otros minerales muy comunes en la naturaleza, como el cuarzo y algunas de sus variedades (por ejemplo, el ágata, el jaspe o el sílex), presentan enlaces semejantes en todas las direcciones y, por ello, su fractura es concoidea. Lo mismo sucede con la obsidiana (un vidrio volcánico silíceo) que es amorfo, es decir, carece de una disposición ordenada de sus componentes químicos.
Homo habilis fabricó útiles de piedra buscando únicamente su eficiencia como herramientas. Sin embargo, la inevitable fascinación que suscitan las formas, el color, la transparencia o el brillo de algunos minerales llevaron a nuestros antepasados a crear objetos simbólicos, sin utilidad práctica, que transmitían cierta información o unían al grupo social. Surgió un gran interés por estos especímenes, que se emplearon tanto en el adorno personal como en ceremonias rituales. Por otra parte, los pigmentos minerales favorecieron la creación artística al permitir la transmisión de emociones a través del color en las pinturas rupestres.
El concepto actual de minerales industriales engloba a aquellos que se usan directamente por alguna de sus propiedades físicas en algún campo de aplicación industrial. Por ejemplo, los minerales con elevada dureza se utilizan como abrasivos; los que tienen alta temperatura de fusión en la fabricación de materiales refractarios. De esta forma, puede decirse que minerales como el cuarzo (por su fractura y dureza) o diferentes óxidos de hierro, utilizados como pigmentos por su color rojo u ocre en las manifestaciones de arte rupestre, fueron los primeros minerales industriales usados por la humanidad.
Artes del fuego y minerales
La experiencia acumulada en la industria lítica puso de manifiesto la generación de chispas cuando entrechocaban dos cantos de sílex. Esas chispas no tenían capacidad para prender una hoguera. Así, durante la mayor parte de la Prehistoria no se pudo tener control sobre el fuego. Hace unos 400.000 años, observando el comportamiento de los minerales, se vio que al golpear un mineral duro contra otro rico en hierro –como la pirita o la marcasita– se producían chispas lo suficientemente calientes y duraderas como para prender los materiales que usaban como combustible.
La pirita y la marcasita son sulfuros de hierro de fórmula FeS2. Estos minerales presentan la misma composición química, pero tienen diferente estructura cristalina y constituyen un ejemplo de lo que en Mineralogía se denomina polimorfismo. Además, son compuestos pirofóricos (etimológicamente, “portadores de fuego”). Es decir, pequeñas partículas de estos minerales, como las que se obtienen al golpearlos con un mineral más duro, tienen la capacidad de arder espontáneamente en el aire, ya que su punto de autoignición es muy bajo. Cuando están cerca de un combustible adecuado pueden, por tanto, encender fuego. Esta propiedad se sigue utilizando en el mecanismo de chispas de algunos encendedores.
Además, existen evidencias arqueológicas del uso de pirolusita (MnO2) por los neandertales en sus hogueras con el fin de mejorar su rendimiento. El dióxido de manganeso reduce la temperatura de ignición de la madera e incrementa sustancialmente la tasa de combustión.
El control del fuego supuso un cambio radical en nuestra evolución biológica y social. Mejoró sustancialmente las condiciones de habitabilidad y supervivencia al permitir calentar, alumbrar, cocinar y protegerse de los depredadores. También se utilizó para trabajar el sílex y la madera, así como para modificar el color de algunos pigmentos.
Los primeros materiales sintéticos
Hace unos 10.000 años el fuego sirvió para producir nuevos materiales. Durante el Paleolítico, la fabricación de herramientas no implicó cambios en la composición química ni en la estructura interna de los minerales. Hace sólo unos pocos milenios, las sociedades humanas aprendieron a modificar esas características mediante el calor. De esta forma, surgieron los primeros materiales cerámicos y los morteros de yeso y cal.
Durante el Neolítico, la aplicación de calor a ciertos minerales dio lugar a la increíble transformación de un material moldeable y muy común –el barro– en otro impermeable y rígido, la cerámica. Las cerámicas y morteros fueron innovaciones tecnológicas que implicaron cambios en la composición química y en la estructura interna de los minerales empleados. Se consideran, por tanto, los primeros materiales sintéticos de la humanidad.
El barro está compuesto por diversos minerales que tienen en común su pequeño tamaño de partícula (arcillas), no superior a unas pocas micras. Los minerales más abundantes en él corresponden a silicatos cuya estructura cristalina está formada por láminas. Son los llamados filosilicatos. Algunos de estos minerales tienen la capacidad de absorber agua, lo que hace que, mezclados con ella, se generen pastas que tienen cierta plasticidad. Esto favorece su moldeado, permitiendo la obtención de objetos con utilidad práctica como todo tipo de vasijas.
Para que estos objetos tengan consistencia, es necesario someterlos al efecto del calor. Todos los minerales son estables dentro de rangos definidos de temperatura, sobrepasados los cuales se transforman en otros diferentes. En el caso de los filosilicatos, el calor va a provocar la expulsión del agua y los va a transformar en diversos minerales anhidros, dependiendo de las temperaturas alcanzadas y de la composición inicial de la mezcla de arcillas.
Los morteros son mezclas homogéneas de arena, agua y un aglomerante inorgánico, que puede ser cal, yeso o cemento. Se usan para unir elementos constructivos o recubrir y homogeneizar superficies. Inicialmente son materiales con elevada plasticidad, lo que permite trabajarlos y moldearlos según la necesidad. Posteriormente, el mortero sufre un proceso de endurecimiento y aumento de la resistencia mecánica, el fraguado, que lo hace útil como material de construcción.
Los morteros más antiguos son los de cal y yeso. La cal puede obtenerse a partir de un mineral muy común, la calcita (carbonato de calcio), por calentamiento a temperaturas superiores a unos 900 ºC. Mediante este tratamiento térmico, la calcita se descompone para formar cal (óxido de calcio) y dióxido de carbono. De forma análoga, el yeso (un sulfato de calcio con dos moléculas de agua bastante frecuente en la naturaleza) a temperaturas ligeramente por encima de los 100 ºC, se deshidrata parcialmente para formar la basanita (sulfato de calcio con media molécula de agua). La basanita, el mineral que se emplea en los morteros (y, por ejemplo, en las escayolas de uso médico), tiene gran avidez por el agua, rehidratándose para volver a formar yeso en el proceso de fraguado.
En comparación con los morteros de cal, los morteros de yeso presentaban la ventaja de la menor temperatura para su obtención. En cambio, tenían el inconveniente de que este mineral es relativamente soluble en agua. Por ello, eran menos adecuados como unión o revestimiento de elementos constructivos exteriores en climas húmedos. Tanto los morteros de cal como los de yeso tienen propiedades ignífugas y los de cal propiedades antisépticas, lo que los hacía útiles para revestir lugares en los que tenían lugar ritos funerarios. El enjalbegado de las viviendas de muchos pueblos del Mediterráneo, además de para reducir el calor en su interior, tuvo su origen en las propiedades antisépticas de la cal para evitar la propagación de epidemias.
La evolución tecnológica en la Prehistoria condujo a la Edad de los Metales. Esto no significó el final de la industria lítica, que continúa operativa en la actualidad (cantería, construcción, escultura,…), sino un cambio sustancial en la forma de aprovechar los minerales: aprendimos a extraer los diferentes metales que contienen. Esta revolución tecnológica cambió para siempre la historia de la humanidad y la faz de la Tierra. Este fascinante tema se abordará en un próximo artículo.
Francisco Javier Luque Del Villar
Doctor en Ciencias Geológicas.
Cortesía de Muy Interesante
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