Minerales de arcilla
| ||||||
Los minerales de arcilla son filosilicatos de aluminio hidratados, a veces con cantidades variables de hierro, magnesio, metales alcalinos, tierras alcalinas y otros cationes.
Sumario
Estructura de los Filosilicatos
Como veremos, las propiedades de las arcillas son consecuencia de sus características estructurales. Por ello es imprescindible conocer la estructura de los filosilicatos para poder comprender sus propiedades.
Las arcillas, al igual que el resto de los filosilicatos, presentan una estructura basada en el apilamiento de planos de iones oxígeno e hidroxilos. Los grupos tetraédricos (SiO) 44- se unen compartiendo tres de sus cuatro oxígenos con otros vecinos formando capas, de extensión infinita y fórmula (Si2O5)2-, que constituyen la unidad fundamental de los filosilicatos. En ellas los tetraedros se distribuyen formando hexágonos. El silicio tetraédrico puede estar, en parte, sustituido por Al3+ o Fe3+.
Características de la uniones entre distinta capas
Las capas tetraédricas se unen a otras octaédricas de tipo gibbsita o brucita. En ellas algunos Al3+ o Mg2+, pueden estar sustituidos por Fe2+ o Fe3+ y más raramente por Li, Cr, Mn, Ni, Cu o Zn. El plano de unión entre ambas capas está formado por los oxígenos de los tetraedros que se encontraban sin compartir con otros tetraedros oxígenos apicales, y por grupos (OH)- de la capa brucitica o gibsitica, de forma que, en este plano, quede un (OH)- en el centro de cada hexágono formado por 6 oxígenos apicales. El resto de los (OH)- son reemplazados por los oxígenos de los tetraedros.
Una unión similar puede ocurrir en la superficie opuesta de la capa octaédrica. Así, los filosilicatos pueden estar formados por dos capas: tetraédrica más octaédrica y se denominan bilaminares, 1:1, o T:O; o bien por tres capas: una octaédrica y dos tetraédricas, denominándose trilaminares, 2:1 o T:O:T. A la unidad formada por la unión de una capa octaédrica más una o dos tetraédricas se la denomina lámina.
Si todos los huecos octaédricos están ocupados, la lámina se denomina trioctaédrica. Mg2+ dominante en la capa octaédrica. Si solo están ocupadas dos tercios de las posiciones octaédricas y el tercio restante está vacante, se denomina dioctaédrica el Al3+ es el catión octaédrico dominante.
En algunos filosilicatos, esmectitas, vermiculitas, micasl as láminas no son eléctricamente neutras debido a las sustituciones de unos cationes por otros de distinta carga. El balance de carga se mantiene por la presencia, en el espacio interlaminar, o espacio existente entre dos láminas consecutivas, de cationes hidratados como en las vermiculitas y esmectitas o grupos hidroxilo coordinados octaédricamente, similares a las capas octaédricas, como sucede en las cloritas. A éstas últimas también se las denomina T: O: T: O o 2:1:1. La unidad formada por una lámina más la interlámina es la unidad estructural. Los cationes interlaminares más frecuentes son alcalinos (Na y K) o alcalinotérreos (Mg y Ca).
Las arcillas tienen estructuras similares a las micas y se forman láminas planas hexagonales. Los minerales arcillosos son productos comunes de la meteorización incluyendo la meteorización de lo feldespatos y productos de la alteración hidrotermal y de baja temperatura. Los minerales arcillosos son muy comunes en roca sedimentarias finas granuladas como las pizarras, lamito y areniscas, y de rocas finas granuladas metamórficas pizarras y filitas.
Grupos de minerales arcillosos
- Grupo caolinita: incluye los minerales caolinita, dickita, haloisita and nacrita.
- Algunas fuentes incluyen al grupo serpentinas por sus similitudes estructurales.
- Grupo smectita: incluye pirofilita, talco, vermiculita, sauconita, saponita, nontronita, montmorillonita.
- Grupo illita: incluye a las micas arcillosas. La illita es el único mineral.
- Grupo clorita: incluye una amplia variedad de minerales similares con considerable variación química.
Historia
El conocimiento de la naturaleza de la arcilla se hizo mejor con la mejora en la tecnología de los microscopios, necesarios para analizar los tamaños infinitesimales de sus partículas. La estandarización de la terminología durante ese periodo fue buena con especial atención a los términos similares y confusos, como hoja y plano.
Estructura
Como todos los filosilicatos, los minerales arcillosos se caracterizan por hojas bidimensionales de esquinas compartiendo SiO4 y tetrahedro AlO4. Cada tetrahedro comparte 3 de sus átomos de oxígeno en vértice con otro tetrahedro.
Los cuatro vértices no se comparten con otro tetrahedro, y todos los puntos tetrahédricos en la misma dirección i.e. todos los vértices no compartidos están en el mismo lado de la hoja. Esas hojas tetrahédricas tienen la composición química (Al,Si)3O4.En las arcillas, las hojas tetrahédricas están siempre unidas a hojas octahédricas formadas por cationes pequeños, como aluminio o magnesio, coordinados por seis átomos de oxígeno.
El vértice no compartido de la hoja tetrahédrica también forma parte de un lado de la hoja octahédrica pero se localiza un átomo adicional de oxígeno arriba en la hoja tetrahédrica al centro del sexto tetrahedro. Ese átomo de oxígeno se une al átomo de hidrógeno formando un grupo OH en la estructura arcillosa.
Propiedades Físico-Químicas
Las importantes aplicaciones industriales de este grupo de minerales radican en sus propiedades físico-químicas. Dichas propiedades derivan, principalmente, de:
- Su extremadamente pequeño tamaño de partícula (inferior a 2 mm)
- Su morfología laminar (filosilicatos)
- Las sustituciones isomórficas, que dan lugar a la aparición de carga en las láminas y a la presencia de cationes débilmente ligados en el espacio interlaminar.
Consecuencias
Como consecuencia de estos factores, presentan, por una parte, un valor elevado del área superficial y, a la vez, la presencia de una gran cantidad de superficie activa, con enlaces no saturados.
Por ello pueden interaccionar con muy diversas sustancias, en especial compuestos polares, por lo que tienen comportamiento plástico en mezclas arcilla-agua con elevada proporción sólido/líquido y son capaces en algunos casos de hinchar, con el desarrollo de propiedades geológicas en suspensiones acuosas.
Por otra parte, la existencia de carga en las láminas se compensa, como ya se ha citado, con la entrada en el espacio interlámina de cationes débilmente ligados y con estado variable de hidratación, que pueden ser intercambiados fácilmente mediante la puesta en contacto de la arcilla con una solución saturada en otros cationes, a esta propiedad se la conoce como capacidad de intercambio catiónico y es también la base de multitud de aplicaciones industriales.
Tipos de Categorización
Las arcillas pueden categorizarse dependiendo del camino en que las hojas tetra y octahédricas se empaquetan en capas. Si solo hay un grupo tetrahedro y un grupo octahedro en cada capa, la arcilla se clasifica como una arcilla 1:1.La alternativa, conocida como arcilla 2:1, tiene dos hojas tetrahédricas con el vértice no compartido de cada hoja apuntando hacia cada otro, y formando cada lado de la hoja octahédrica.
Composiciones
Dependiendo de la composición de las hojas tetra y octahédricas, la capa tendrá o no carga eléctrica, o carga neta negativa. Si las capas están cargadas, esa carga se balancea por los cationes intercapas, tales como Na+ ó K+. En cada caso, la intercapa puede también contener agua. La estructura cristalina se forma por un paquete de capas interespaciadas con las intercapas.
Las fuerzas que unen las diferentes unidades estructurales son más débiles que las existentes entre los iones de una misma lámina, por ese motivo los filosilicatos tienen una clara dirección de exfoliación, paralela a las láminas.
También pertenecen a este grupo de minerales la sepiolita y la paligorskita, a pesar de presentar diferencias estructurales con el resto de los filosilicatos. Estructuralmente están formadas por láminas discontinuas de tipo mica. A diferencia del resto de los filosilicatos, que son laminares, éstos tienen hábito fibroso, ya que la capa basal de oxígenos es continua, pero los oxígenos apicales sufren una inversión periódica cada 8 posiciones octaédricas (sepiolita) o cada 5 posiciones (paligorskita). Esta inversión da lugar a la interrupción de la capa octaédrica.
