Minerales arcillosos: clasificación, composición, propiedades y aplicaciones

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Última modificación: 2024-02-12 06:02

Los minerales arcillosos son filosilicatos acuosos de aluminio, a veces con varias impurezas de hierro, magnesio, metales alcalinos y alcalinotérreos y otros cationes que se encuentran en o cerca de algunas superficies planetarias.

Se forman en presencia de agua y alguna vez fueron importantes para el surgimiento de la vida, razón por la cual muchas teorías de la abiogénesis los incluyen en este proceso. Son constituyentes importantes de los suelos y han sido beneficiosos para los seres humanos desde la antigüedad en la agricultura y la fabricación.

Educación

Las arcillas forman láminas planas hexagonales similares a las micas. Los minerales arcillosos son productos de meteorización comunes (incluida la meteorización de feldespato) y productos de alteración hidrotermal a baja temperatura. Son muy comunes en suelos, en rocas sedimentarias de grano fino como lutitas, lutitas y limolitas, así como en lutitas y filitas metamórficas de grano fino.

Características

Los minerales de arcilla son típicamente (pero no necesariamente) de tamaño ultrafino. Por lo general, se considera que tienen menos de 2 micrómetros en la clasificación estándar de tamaño de partículas, por lo que es posible que se requieran técnicas analíticas especiales para identificarlos y estudiarlos. Estos incluyen la difracción de rayos X, las técnicas de difracción de electrones, varios métodos espectroscópicos como la espectroscopia de Mössbauer, la espectroscopia infrarroja, la espectroscopia Raman y SEM-EDS, o los procesos de mineralogía automatizados. Estos métodos se pueden complementar con la microscopía de luz polarizada, una técnica tradicional que establece fenómenos fundamentales o relaciones petrológicas.

Distribución

Dada la necesidad de agua, los minerales arcillosos son relativamente raros en el sistema solar, aunque están muy extendidos en la Tierra, donde el agua interactúa con otros minerales y materia orgánica. También se han encontrado en varios lugares de Marte. La espectrografía ha confirmado su presencia en asteroides y planetoides, incluidos el planeta enano Ceres y Tempel 1, y la luna Europa de Júpiter.

Clasificación

Los principales minerales arcillosos se incluyen en los siguientes grupos:

Grupo caolín, que incluye los minerales caolinita, dickita, halloysita y nakrita (polimorfos de Al2Si2O5 (OH) 4). Algunas fuentes incluyen el grupo caolinita-serpentina debido a la similitud estructural (Bailey1980).
Grupo de esmectitas, que incluye esmectitas dioctaédricas como montmorillonita, nontronita y beidellita y esmectitas trioctaédricas como saponita. En 2013, las pruebas analíticas realizadas por el rover Curiosity encontraron resultados consistentes con la presencia de minerales arcillosos de esmectita en el planeta Marte.
Grupo Illita, que incluye micas arcillosas. Illita es el único mineral común en este grupo.
El grupo de las cloritas incluye una amplia gama de minerales similares con variaciones químicas significativas.

Otras especies

Hay otros tipos de estos minerales, como la sepiolita o la atapulgita, arcillas con una estructura interna de largos canales de agua. Las variaciones de arcilla de capa mixta son relevantes para la mayoría de los grupos antes mencionados. El pedido se describe como aleatorio o regular y se describe con más detalle con el término "Reichweit", que significa "rango" o "cobertura" en alemán. Los artículos de la literatura se refieren, por ejemplo, a la ilita-esmectita ordenada R1. Este tipo está incluido en la categoría ISISIS. R0, por otro lado, describe un orden aleatorio. Además de estos, también puede encontrar otros tipos de pedidos extendidos (R3, etc.). Los minerales de arcilla de capa mixta, que son tipos perfectos de R1, a menudo reciben sus propios nombres. La clorita-esmectita ordenada por R1 se conoce como corrensita, R1 - ilita-esmectita - rectorita.

Historial de estudios

El conocimiento de la naturaleza de la arcilla se hizo más comprensibleen la década de 1930 con el desarrollo de tecnologías de difracción de rayos X necesarias para analizar la naturaleza molecular de las partículas de arcilla. La estandarización de la terminología también surgió durante este período, con especial atención a palabras similares que generaban confusión, como hoja y avión.

Como todos los filosilicatos, los minerales arcillosos se caracterizan por láminas bidimensionales de tetraedros de esquina de SiO4 y/o octaedros de AlO4. Los bloques de láminas tienen una composición química (Al, Si) 3O4. Cada tetraedro de silicio comparte 3 de sus átomos de oxígeno de vértice con otros tetraedros, formando una red hexagonal en dos dimensiones. El cuarto vértice no se comparte con otro tetraedro, y todos los tetraedros "apuntan" en la misma dirección. Todos los vértices no divididos están en el mismo lado de la hoja.

Estructura

En las arcillas, las láminas tetraédricas siempre están unidas a láminas octaédricas, formadas a partir de pequeños cationes como el aluminio o el magnesio, y coordinadas por seis átomos de oxígeno. El vértice solitario de la lámina tetraédrica también forma parte de un lado del octaédrico, pero el átomo de oxígeno adicional se encuentra sobre el espacio en la lámina tetraédrica en el centro de los seis tetraedros. Este átomo de oxígeno está unido al átomo de hidrógeno que forma el grupo OH en la estructura de la arcilla.

Las arcillas se pueden categorizar según cómo las láminas tetraédricas y octaédricas se agrupan en capas. Si cada capa tiene solo un grupo tetraédrico y uno octaédrico, entonces pertenece a la categoría 1:1. Una alternativa conocida como arcilla 2:1 tiene dos láminas tetraédricas conlos vértices indivisos de cada uno de ellos, dirigidos el uno hacia el otro y formando cada lado de la hoja octogonal.

La conexión entre las láminas tetraédricas y octaédricas requiere que la lámina tetraédrica se corruga o tuerza, lo que provoca una distorsión ditrigonal de la matriz hexagonal y que la lámina octaédrica se aplane. Esto minimiza la distorsión de valencia general del cristalito.

Dependiendo de la composición de las hojas tetraédricas y octaédricas, la capa no tendrá carga o tendrá carga negativa. Si las capas están cargadas, esta carga se equilibra con cationes entre capas como Na+ o K+. En cada caso, la capa intermedia también puede contener agua. La estructura cristalina está formada por una pila de capas ubicadas entre otras capas.

Química de la arcilla

Debido a que la mayoría de las arcillas están hechas de minerales, tienen una alta biocompatibilidad y propiedades biológicas interesantes. Debido a su forma de disco y superficies cargadas, la arcilla interactúa con una amplia gama de macromoléculas como proteínas, polímeros, ADN, etc. Algunas de las aplicaciones de las arcillas incluyen la administración de fármacos, la ingeniería de tejidos y la bioimpresión.

La química de la arcilla es una disciplina aplicada de la química que estudia las estructuras químicas, las propiedades y las reacciones de la arcilla, así como la estructura y las propiedades de los minerales de la arcilla. Es un campo interdisciplinario, que incorpora conceptos y conocimientos del mundo inorgánico y estructural.química, química física, química de materiales, química analítica, química orgánica, mineralogía, geología y otras.

El estudio de la química (y física) de las arcillas y la estructura de los minerales arcillosos es de gran importancia académica e industrial, ya que se encuentran entre los minerales industriales más utilizados como materia prima (cerámica, etc.), adsorbentes, catalizadores, etc.

La importancia de la ciencia

Las propiedades únicas de los minerales arcillosos del suelo, como la estructura en capas de escala nanométrica, la presencia de cargas fijas e intercambiables, la capacidad de adsorber y retener (intercalar) moléculas, la capacidad de formar dispersiones coloidales estables, la posibilidad de modificación de la superficie individual y la modificación química de la capa intermedia, y otros, hacen que el estudio de la química de la arcilla sea un campo de estudio muy importante y extremadamente diverso.

Muchos campos de conocimiento diferentes están influenciados por el comportamiento fisicoquímico de los minerales arcillosos, desde las ciencias ambientales hasta la ingeniería química, desde la cerámica hasta la gestión de residuos nucleares.

Su capacidad de intercambio catiónico (CIC) es de gran importancia para el equilibrio de los cationes más abundantes en el suelo (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) y el control del pH, que afecta directamente a la fertilidad del suelo. El estudio de las arcillas (y los minerales) también juega un papel importante en el tratamiento del Ca2+, que generalmente proviene de la tierra (agua de los ríos) hacia los mares. La capacidad de modificar y controlar la composición y el contenido de minerales ofrece una valiosa herramienta en el desarrolloadsorbentes selectivos con diversas aplicaciones, como, por ejemplo, la creación de sensores químicos o agentes de limpieza para aguas contaminadas. Esta ciencia también juega un papel muy importante en la clasificación de los grupos de minerales arcillosos.