ESPECTROMETRÍA INFRARROJA DE REFLEXIÓN DE MINERALES Y MATERIALES GEMOLÓGICOS
MIKHAIL OSTROOUMOV, BERNARD LASNIER, SERGE LEFRANT
CATÁLOGO DE LOS ESPECTROS. NANTES 1993 – 2000
| Introducción | Select / SeleccionarShow / Mostrar |
|---|---|
El espectro infrarrojo de absorción, reflexión o de emisión de un mineral es una característica única del mismo. Por eso el espectro puede dar la fórmula estructural sin tener los datos del análisis químico.
Los análisis cualitativas de una sustancia desconocida (por ejemplo, mineral) pueden hacerse en general sin conocer los detalles de la interacción entre la energía infrarroja y una muestra. Utilizando este método realizan también el análisis semicuantitativo de los minerales y sus mezclas. La característica de cada espectro es determinada por las vibraciones de los grupos atómicos de la estructura cristalina de los minerales. Existen las relaciones complicadas, por una parte, entre las distancias interatómicas y el ángulo y la fuerza de las masas relativas de los átomos por otra parte. Todos las características de los espectros infrarrojos de los minerales estan relacionadas con la constitución (composición química y estructura cristalina) de una sustancia. En este trabajo damos solo muy breve la discusión teórica sobre el origen y la naturaleza de la radiación infrarroja. En primer lugar y sobre todo quisieramos llamar la atención al uso práctico de la espectrometría infrarroja que es un método muy importante para los mineralogistas y gemologistas. Este trabajo fue realizado para compensar la ausencia de las investigaciones sobre la espectrometría infrarroja de reflexión de los minerales en general y de materiales gemológicos y gemas en particular. En efecto, el estudio de la literatura internacional permite encontrar solo algunos trabajos dispersos en los cuales este método estuvo utilizando para la investigación de unos minerales gemológicos y gemas. Un trabajo análogo fue realizado hace unos años para presentar nuevas posibilidades de la espectrometría de Raman, que es otro método moderno no destructivo con gran futuro en mineralogía y gemología. Un cátalogo de los espectros de Raman de los minerales gemológicos fue propuesto al principio por R. Maestrati(1989), luego por M.Pine et al.(1992). Un catálogo de minerales mas completo esta en impresión en Francia (C. Beny y B. Lasnier). La espectrometría infrarroja de reflexión completa muy bien la espectrometría de Raman sobre todo para determinar más facilmente la presencia de ciertos cationos y grupos atómicos, que están presentados en muchos minerales y los cuales no siempre pueden destacarse en los espectros de Raman. Este método también es no destructivo y puede utilizarse para determinar la naturaleza de los minerales. Entonces es evidente la necesidad urgente de la creación de un catálogo de espectros infrarrojos de reflexión de los minerales y gemas. Esto es el objeto de este trabajo. | |
| Métodos experimentales | Select / SeleccionarShow / Mostrar |
|---|---|
La observación de los minerales por la espectrometría infrarroja se hace en general por dos modos: - por absorción - por reflexión Las frecuencias de vibración de los minerales son más a menudo medidos por la espectrometría de absorción. Pero esta espectrometría tiene una serie de limitaciones. En primer lugar este método es destructivo. A veces, la destrucción por la trituración influye sobre la estructura cristalina de los minerales, sobre la celda elemental de una estructura (Ópalo, filosilicatos). Por otro lado, un espectro obtenido sobre el polvo es un espectro medio, en el cual se pierde una parte de la información diagnóstica sobre la estructura de los minerales anizótropos. Por fin este método no garantiza la limpieza de la preparación y por eso en el espectro se puede observar las bandas falsas. Los minerales tienen a menudo las bandas de absorción muy anchas. Hay también muchos problemas con las dimensiones de los cristales, el grado de pulverización, la cantidad de los minerales y la presencia de un compuesto inerte en la región infrarroja (por ejemplo, bromuro de potasio utilizado en la preparación de las muestras). En general la preparación de las muestras para la espectrometría de absorción exige mucho tiempo, gastos y materiales. Por el contrario, la espectrometría infrarroja de reflexión tiene muchas ventajas. Esto es el método de investigación no destructivo que puede ser aplicado en muchos casos y sobre todo : 1) para los minerales con las caras naturales (caras cristalograficas, planos de exfoliación, superficies diferentes); 2) para las gemas talladas y montadas – el test de la identificación. La superficie de una muestra analizada puede ser variada de algunos cm2 hasta algunos mm2. La obtención de un espectro es del orden de un minuto. Es un método mas fácil que la espectrometría de absorción por el trabajo. Actualmente el registro de los espectros infrarrojos de reflexión de los minerales es más amplio que antes pues ahora existen los espectrómetros estables con el equipo especial complementario que permite realizar diferentes investigaciones. Las bandas de reflexión muestran numerosos bandas estrechas; a veces el numero de las bandas de reflexión es más importante que el numero de las bandas de absorción. Por lo tanto, los espectros infrarrojos de reflexión traen siempre más información sobre los grupos funcionales que consisten diferentes sustancias. Las bandas de absorción y de reflexión coinciden solo en algunos casos raros. El desplazamiento de un máximo de absorción fue explicado por la ley de Kramers-Kroning (Rossman, Hofmeister, 1983). En el caso común este desplazamiento depende de la posición y de la configuración de la banda de reflexión. Por ejemplo, en comparación con los máximos de absorción el máximo intenso de reflexión para los carbonatos (cerca de 1400 cm-1) se localiza en las longitudes de ondas mas cortas, pero el máximo débil cerca de 800 cm-1 se encuentra en las longitudes de ondas mas largas. De esta manera, la dirección del desplazamiento depende la intensidad de la absorción : El espectro de reflexión en la región infrarroja media esta relacionado directamente con la estructura de una sustancia, es decir, con las constantes físicas de la misma (red cristalina, indice de refracción, en particular). Por eso este espectro tiene las caracteristicas que permiten identificar la especie mineral. Para determinar el origen natural o sintético de los materiales gemológicos es necesario analizarlos en las regiones infrarrojas cercanas y lejanas, registrar en la region visible. Cada mineral, gema natural o sintética presenta un espectro infrarrojo de reflexión bien definido lo que permite realizar una identificación rápida de la especie mineral. Para la determinación exacta y precisa hay que obligatoriamente tomar en cuenta el efecto de la orientación de los cristales y piedras brutas. Se puede decir que para la mayoría de los minerales una orientación modifica las intensidades relativas de las bandas espectrales. Pero el caracter general del espectro no se cambia, es decir, este parametro no interviene en la identificación. A veces, se observan los desplazamientos de algunas bandas segun la orientación de los cristales. El desplazamiento de las bandas caracteristicas es típico para las soluciones sólidas (series isomorfas). Por lo tanto tenemos los espectros que fueron registrados para los cristales con una orientación conocida. | |
| Muestreo | Select / SeleccionarShow / Mostrar |
|---|---|
La creación de un cátalogo de referencias de los espectros infrarrojos de reflexión necesita la obtención de los datos espectrométricos sobre las muestras patrones con la pureza mas posible. Teniendo en cuenta estos imperativos, hemos seleccionado cerca de 200 especies minerales de las dimensiones suficientes para ser orientados, tallados y pulidos. Estas muestras con la pureza mas posible fueron identificados por los métodos mineralógicos y gemológicos tradicionales.
Cada muestra patrón fue analizada cuantitativamente con el microscopio electrónico en el Instituto de Minas de San Petersburgo y en la Universidad de Nantes. Los resultados obtenidos son depositados en los laboratorios de mineralogía y gemología de las mismas instituciones. Estos patrones serán también en la disposición de los investigadores que podrían solicitarlos para comparar con sus propios objetos. | |
| Obtención de los espectros | Select / SeleccionarShow / Mostrar |
|---|---|
Los espectros infrarrojos de reflexión fueron obtenidos con el equipo específico que hemos tenido en nuestra disposición por los grupos espectrométricos instalados en : 1. Laboratorio de Mineralogía en el Instituto de Minas de San Petersburgo (Rusia). 2. Laboratorio de Gemología de la Universidad de Mainz (Alemania) 3. Laboratorio de Física Cristalina en el Instituto de Materiales de Nantes de la Universidad de Nantes (Francia). | |
| Equipo espectrométrico utilizado | Select / SeleccionarShow / Mostrar |
|---|---|
Para la obtención de los espectros hemos utilizado varios espectrómetros modernos:
- Espectrómetro IRS-29 (Rusia). Hemos tenido la posibilidad utilizar estos diferentes aparatos para comparar nuestros resultados y complementar unos a otros. Las Figuras 5-6 muestran el principio de la función del espectrómetro FTIR (Espectrometría infrarroja de Fourier transformada). Las muestras fueron orientadas y montadas sobre portamuestra universal de reflexión con retroespejo (Harrick Scientific Corporation). Para controlar el funcionamiento correcto del espectrómetro, el último fue verificado sistemáticamente al inicio de cada sesión de registro colocando en el aparato un cristal puro de cuarzo natural (yacimiento Cholodniya, Ural Polar, Rusia) según dos orientaciones: paralelamente y perpendicularmente al eje principal del orden 3. Las muestras fueron orientados en una, dos o tres orientaciones en la dependencia de su sistema cristalino. Los mismos espectros fueron obtenidos para la verificación en diferentes laboratorios y con diferentes aparatos espectrómetricos. Los espectros fueron registrados sobre las disquetas y son disponibles en el Laboratorio de Mineralogía del Instituto de Minas de San Petersburgo (Rusia) y en el Laboratorio de Gemología de la facultad de Ciencias de la Universidad de Nantes (Francia). En lo ulterior será propuesta el programa de la identificación automático que está basado sobre éste banco de datos espectrométricos en la región infrarroja mediana de reflexión. | |
| Modelo de ficha del catálogo | Select / SeleccionarShow / Mostrar |
|---|---|
Como para los otros catálogos de los espectros infrarrojos ya publicados hemos propuesto el modelo de ficha recto-verso para el catálogo dado que contiene la información siguiente:
A recto: la información sobre los minerales patrones (naturaleza, origen, etc.) y las condiciones experimentales, A verso: el espectro obtenido con una escala estándar lo que permite una comparación inmediata y fácil para los espectro registrados en las condiciones parecidas. | |
| Espectros infrarrojos de reflexión de los minerales de diferentes clases cristaloquímicas | Select / SeleccionarShow / Mostrar |
|---|---|
Este trabajo es el primer intento sistemático de un cátalogo infrarrojo de reflexión de los minerales y gemas. Por aquí fueron estudiados cerca de 220 especies minerales gemológicos y gemas naturales y artificiales.
Hemos utilizado más o menos la misma presentación de los datos espectrométricos que en los catálogos Raman. Hemos propuesto igualmente dos modos de presentación : una por las clases mineralógicas (clasificación cristaloquímica moderna) y otra por el orden alfabético. Ante todo damos las características espectrométricas generales de las clases cristaloquímicas. Luego, se presenta el mismo catálogo en la forma de las tarjetas o fichas clasificadas por los grupos mineralógicos. Estas tarjetas contienen : el aparato y las condiciones de registro, la orientación de la muestra como patrón, los espectros obtenidos y la posición de las bandas principales en cm-1. La escala de la intensidad fue eliminada pues depende mucho de las condiciones del registro. Las intensidades relativas de los máximos de reflexión son sin dudas mas importantes. | |
| Conclusión | Select / SeleccionarShow / Mostrar |
|---|---|
La espectrometría infrarroja de reflexión no tiene los límites ni por las dimensiones ni por la forma de las muestras.
Este metodo permite buscar y caracterizar las constantes individuales de los minerales y de las gemas, las particularidades de zonación, de orientación óptica, de inclusiones y de pleocroismo, etc. La utilización de este método no destructivo, sencillo y rápido se recomienda para los diferentes especialistas: mineralogistas, gemologistas, expertos en obras de arte y de los museos, especialistas en crimenes, etc. Con la ayuda de este método de puede identificar de distancia, de cerca o de lejos, los minerales y las rocas en la geología cósmica, en astronomía, en planetología, en vulcanología y para las muestras crudas. Se sabe ya los ensayos de determinación de distancia por la espectrometría infrarroja de reflexión del hielo de Marte, de los piroxenos del polvo interestrelar y de la Luna, los carbonatos y las arcillas en las diferentes regiones de la Tierra. | |
| Bibliografía | Select / SeleccionarShow / Mostrar |
|---|---|
1. Beny c., Lasnier B. (2000). Catalogue des spectres Raman des mineraux. Edition BRGM, France. 2. Farmer V.C. (1974). The infared spectra of minerals. Mineralogical Society. London. 3. Lazarev A.N. (1966). Vibrational spectra and structure of silicates. Edition Science. Moscow. 4. Maestrati R. (1989). Contribution a l’edification du catalogue Raman des gemmes. Diplome d’Universite de Gemmologie. Universite de Nantes. 5. Marfunin A.S. (1974). Introduction a la physique des mineraux. Edition Nedra, Moscou. 6. Marfunin A.S. (1975). Spectroscopie, luminescence et centres radiogeniques dans les mineraux. Edition Nedra, Moscou. 7. Niquist R.P., and R.O. Kagel (1971). Infared spectra of inorganic compounds (3800-45 cm-1). Academic Press, New York. 8. Ostroumov M.N. (1991). Methode de determination du degre dordre-desordre dans la structure cristalline des feldspaths alcalins par leur spectres infarouges de reflexion. Memoires de la Societe Mineralogique de l’URSS, vol. 120, No.5, p.94-99. 9. Pinet M., Smith D., et Lasnier B. (1992). Utilite de la microsonde Raman pour l’identification non destructive des gemmes. Revue de Gemmologie A.F.G. No. hors serie. 10. Plyusnina I.I. (1977). Spectres infrarouges des mineraux. Edition Universite de Moscou. 11. Povarennykh A.S. (1978). The use of infared spectra for the determination of minerals. American Mineralogist, vol. 63, p.956-959. | |
| Listes des spectres infrarouges de reflection par famille mineralogique | Select / SeleccionarShow / Mostrar | |||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||