Distinguir isomorfismo de polimorfismo, com exemplos de minerais

Um mineral é um material sólido com ocorrência natural, de origem inorgânica, com estrutura cristalina e uma composição química definida. 

Os diferentes minerais agrupam-se de acordo com a sua composição química, concretamente pelo seu grupo aniónico. O maior grupo de minerais existentes nas rochas da litosfera corresponde aos silicatos, que inclui minerais como o quartzo (SiO2), os feldspatos, as olivinas, entre muitos outros. Mas existem outros grupos, como os carbonatos, onde se inclui a calcite (CaCO3), os óxidos e hidróxidos, os sulfuretos, … 

Na natureza, a mesma composição química pode originar diferentes minerais. A diferença resulta, essencialmente, das diferentes condições onde cada um se formou e do tipo de ligações químicas estabelecidas entre os elementos químicos que compõem o mineral. O melhor exemplo disso corresponde ao diamante e à grafite. São ambos minerais constituídos por carbono, apenas. No entanto, apresentam características muito diferentes, nomeadamente a sua dureza: o diamante é o mineral com dureza mais elevada na escala de Mohs (10), enquanto a grafite apresenta um dos valores mais baixos, o que nos permite a sua utilização nos lápis. 

Enquanto que no diamante os átomos de carbono estabelecem ligações covalentes (fortes) para formar uma estrutura cristalina tridimensional densa, o que reflete a elevada pressão a que teve origem, na grafite as ligações covalentes entre os átomos de carbono originam planos em camadas, paralelas entre si mas unidas por ligações fracas, refletindo condições de menor pressão durante a sua formação. Assim se explica a elevada dureza do diamante e a baixa dureza da grafite, uma vez que a estrutura deste mineral é facilmente fragmentada ao longo das ligações fracas entre os planos paralelos que constituem a sua estrutura cristalina.  

Minerais como o diamante e a grafite, que possuem a mesma composição química mas diferentes estruturas cristalinas, são chamados de polimorfos. Existem outros exemplos de polimorfismo, como os vários polimorfos de sílica que, ao contrário dos de carbono, são compostos químicos constituídos por SiO2 (como o quatzo alfa, quartzo beta, tridimite e cristobalite). Estes polimorfos de sílica refletem bem as diferentes condições específicas de P/T que lhes deram origem. 

No campo oposto aos polimorfos existem os minerais isomorfos, isto é, aqueles que apresentam a mesma estrutura cristalina, mas diferentes composições químicas. Nestes grupos de minerais verifica-se que a estrutura cristalina do mineral se mantém constante ocorrendo, apenas, a troca do o catião que está presente nessa estrutura. Os catiões envolvidos nestas trocas têm normalmente o mesmo raio iónico e a mesma carga. Um excelente exemplo corresponde à troca entre o Fe2+ e o Mg2+ nas olivinas, podendo verificar-se todas as combinações dos dois elementos químicos presentes no mineral, motivo pelo qual a representação da sua composição química é (Mg, Fe)2SiO4. No limite, poderá formar-se uma olivina com 100% de Mg2+ (Mg2SiO4), que corresponde à forsterite, com cor verde clara, e no extremo oposto a failaite, com 100% de Fe2+ (Fe2SiO4), que lhe confere a cor negra.  

Um outro exemplo de isomorfismo corresponde à série contínua das plagióclases, nas séries de cristalização de Bowen, onde o Na+ e o Ca2+ se substituem de acordo com a temperatura formando, no limite, a anortite com 100% de Ca2+, característica das altas temperaturas de cristalização, enquanto no polo oposto ocorre a albite, com 100% de Na+ e característica de baixas temperaturas de cristalização. 

Pelo facto de dois ou mais catiões poderem substituir-se na estrutura cristalina dos minerais, sem que esta se altere, formam aquilo que se designa por “solução sólida”.