MINERALES DE ARCILLAINTERCAMBIO CATIÓNICO

Presentan: Aparicio Canales OmarReyes Juárez Maira

Los minerales de arcilla se refieren exclusivamente a los filosilicatos de grano fino producto de la meteorización de otros minerales silicatados. Su estructura atómica es básicamente la de los minerales laminares (s. I.) y en general aparecen como cristales pequeños tabulares, y más raramente fibrosos.

“Una característica importante es su capacidad para perder o tomar agua dependiendo de la temperatura

y de la cantidad de agua del sistema”.

Los minerales de arcilla se producen por degradación (meteorización, procesos hidrotermales, etcétera), de otros silicatos o vidrios silicatados.

¿ Qué son los minerales arcillosos ?

Los minerales de la arcilla presentan unas propiedades fisicoquímicas inusuales debido a la combinación de:

• Alta superficie específica (morfología laminar, tamaño de partícula)

• Presencia de carga eléctrica, por sustituciones en la red ó por defectos

• Por estas dos características, las partículas arcillosas pueden absorber agua y otros líquidos polares en proporción importante así como fijar é intercambiar cationes con el medio

Las arcillas determinan la plasticidad del suelo, su capacidad de retener agua y nutrientes y la disponibilidad de sustancias químicas para el desarrollo de las plantas.

Propiedades fisicoquímicas de los minerales de la arcilla

Se define el cambio iónico como los procesos reversibles por los cuales las partículas sólidas del suelo adsorben iones de la fase acuosa liberando al mismo tiempo otros iones en cantidades equivalentes, estableciéndose el equilibrio entre ambas fases.

Las causas que originan el intercambio iónico son los desequilibrios eléctricos de las partículas del suelo. Para neutralizar las cargas se adsorben iones, que se pegan a la superficie de las partículas. Quedan débilmente retenidos sobre las partículas del suelo y se pueden intercambiar con la solución del suelo.

Cuanto más superficie tenga el material y más desequilibrada se encuentre, más iones se fijaran.

Capacidad de Intercambio Catiónico

La capacidad de intercambio catiónico se puede definir como la suma de todos los cationes de cambio que un mineral puede adsorber a un determinado pH. Es equivalente a la medida del total de cargas negativas del mineral. Estas cargas negativas pueden ser generadas de tres formas diferentes:

* Sustituciones isomorfas dentro de la estructura. Es conocido como carga permanente y supone un 80 % de la carga

neta de la partícula; además es independiente de las condiciones de pH y actividad iónica del medio.

* Enlaces insaturados en los bordes y superficies externas. * Disociación de los grupos hidroxilos accesibles.

Estos dos últimos tipos varían en función del pH y de la actividad iónica, corresponden a bordes cristalinos químicamente activos, y representan el 20 % de la carga total de la lámina.

La unidad con que se mide son los miliequivalentes (meq) de cationes adsor bidos por 100 gr de suelo, es lo que se llama Capacidad de Intercambio de Cationes. Entre más alto sea el contenido de arcilla mayor será la capacidad de intercambio.

Existen tres teorías que tratan de explicar el porqué de este proceso.

Red cristalina. Considera las partículas de los minerales como sólidos iónicos. Los iones de los bordes están débilmente retenidos por lo que pueden abandonar la estructura y pueden cambiarse con los de la solución del suelo.

Doble capa eléctrica. Considera el contacto entre el sólido y la fase líquida como un condensador plano. Entre el metal (el sólido) y el electrólito (la disolución) existe una diferencia de potencial que atrae a los iones de la solución del suelo. Se forma una doble capa eléctrica formada por los iones del sólido y los atraídos en la solución.

Membrana semipermeable. La interfase sólido-líquido actúa como una membrana semipermeable que deja pasar los iones de la solución y a los de la superficie de las partículas pero no a los del interior de los materiales.

Teorías del intercambio iónico

Factores que regulan el poder de intercambio de cationes

El poder de intercambio entre cationes depende principalmente de los factores siguientes: 1. Naturaleza del ión. Los cationes de la misma valencia tienen un

poder de sustitución que depende directamente de su tamaño, algunos investi gadores indican que en el poder de sustitución influye la hidratación del ión, por lo que los cationes de igual valencia son retenidos con mayor fuerza cuando menor es su hidratación.

2. Concentración. A mayor concentración de un catión mayor es su po der de sustitución. Tal fenómeno es más bien de naturaleza compleja. Se ha informado también que la concentración tiene poco efecto en el intercambio cuando actúan pares de cationes de la misma valencia (K - NH4), (Ca - Ba), pero lo contrario es evidente cuando la valencia y poder de sustitución son diferentes (Na – Ca), (NH4 – Ca).

3. Porcentaje de posiciones iónicas ocupadas. La liberación de un ión depende de la naturaleza de los otros iones adsorbidos y del porcentaje de posiciones ocupadas por los cationes. Se ha comprobado que a medida que disminuye el Ca intercambiable, el que permanece adsorbido en la arcilla se hace más difícil de sustituir ocurriendo lo contrario con el Na, mientras que el Mg y K ocupan un lugar intermedio.

4. Calor. Se ha indicado que el calor reduce la capacidad de intercambio pero sus efectos son mucho más complejos ya que también disminuye el poder de sustitución de cada catión en relación con el que ha de reemplazar. La montmorillonita a 130°C fija el Li en forma no intercambiable, sin afectar el poder de sustitución del Na, mientras que a la temperatura ordinaria el Li es reemplazado más fácilmente que el Na. 5. Naturaleza del mineral. El amonio es más débilmente retenido por la kaolinita que por la montmorillonita. La kaolinita cede más Ca que la illita y ésta mayor cantidad que la montmorillonita. La liberación del Ca es tanto mayor cuanto más grande es el porcentaje de saturación con Ca.

Una partícula de arcilla silicatada está compuesta de muchas capas arregladas como un "paquete de barajas" y a excepción de las arcillas amorfas presentan una estructura atómica tridimensional. Son compuestos de gran plasticidad, tienen la propiedad de intercambiar iones adsorbidos en su superficie y en algunos casos son expansibles.

Estructura de las arcillas silicatadas cristalinas

Existen dos tipos principales de arcillas silicatadas cristalinas, las de relación 1:1 y las de relación 2:1. Las primeros derivan su nombre del hecho de que las arcillas silicatadas 1:1 están compuestas de dos capas; una capa está formada iones de Si+4 en coordinación tetraédrica con O-2 llamada "capa de Silicio" o "capa tetraédrica". La otra capa está formada por cationes, generalmente Al+3, en coordinación octaédrica con seis iones hidroxilos, ésta es la llamada "capa de Aluminio" o "capa octaédrica".

La clasificación de las arcillas se basa en si poseen o no una estructura química cristalina. Con base en lo anterior se han definido los siguientes grupos:

Clasificación

Al4(Si4O10)(OH)8

La Caolinita es un mineral 1:1 que se encuentra formado por placas planas cada una de las cuales consiste de una lámina de tetraedro de Silicio con fórmula Si2O3, y una lámina de octaedros de Aluminio con fórmula Al2O3(OH)4 las placas están unidas por condensación, con eliminación del agua, de la siguiente manera:

Cuando la estructura está completamente expandida estos espacios están ocupados por moléculas de agua. Cuando la estructura se ve desprovista de agua por desecamiento, las placas se aproximan entre sí, y por lo tanto, el cristal se contrae.

Grupo de la Caolinita

La baja capacidad de intercambio de cationes se explica por el hecho de que la capacidad de cambio está solamente restringida a sus radicales OH- situados en la superficie de los cristales y a uniones rotas en sus aristas.

La alta capacidad de fijación de fosfato se explica por el cambio con radicales OH- que en la Caolinita existen en abundancia.

Nax(Al2-xMgx)Si4O10(OH)2

Montmorillonita es un mineral 2:1, cada placa consiste en dos láminas de Silicio y una de alúmina. Las láminas se unen por condensación con eliminación de agua (dos moles).

La Montmorillonita se encuentra normalmente como una arcilla fina, con cristales irregulares que tienen un diámetro efectivo de 0.01 a i micra. Las arcillas del grupo de las esmectitas, nombre con el que también se conoce a este grupo son más comunes en los vertisoles y están frecuentes en los suelos aluviales en las grandes planicies.

Grupo de la montmorillonita

La alta capacidad de intercambio se explica por el hecho de que en la Montmorillonita, las sustituciones de Aluminio por Magnesio o Fierro, y de silicio por Aluminio, ocurren en las laminas, liberado enlaces de valencias dentro del cristal así como en las aristas.

La Illita (mica hidratada o ibromica), se asemeja a la mica en que los iones Potasio forman puentes entre placas en el lugar de los iones OH-, evitando así la expansión cuando se moja. En la estructura de la mica ha habido sustitución de Aluminio por Fierro (ferroso) y por Magnesio. La Glauconita es similar al anterior excepto, que ha habido sustitución de Aluminio por Fierro (férrico y ferroso) y por Magnesio.

La fórmula condensada representativa de la mica o Illita es:

Al2(Si3Al)O10(OH)2

Grupo de la illita

La Illita se diferencia de la Montmorillonita por su nula susceptibilidad a la expansión intracristalina (10 Ao). Contiene alrededor de un 50% más de iones por unidad de superficie, es un mineral no abundante en los suelo

Es un tipo mixto que no se dilata, la estructura consiste de capas alternas con diferente composición. La Vermiculita es un mineral de la arcilla de láminas no expansible, es común en algunos materiales de partida de suelo. Los cristales de Vermiculita están formados de capas alternas de micas y de moléculas de agua que se pierden al calentarla a 500 oC.

La Vermiculita es similar a la Illita, pero tiene las capas más débilmente unidas por Magnesio hidratado, en vez de iones de Potasio. Su capacidad de intercambio de cationes es alta (100-150 meq./100 g. de arcilla) y puede fijar humus.

Grupo de la vermicullita y la clorita

Composición: (Mg, Ca)0.7 (Mg,Fe3+Al)6.0((Al,Si)8O20)(OH)4·8H2O

La Vermiculita posee una CICT de entre 120 y 150 meq./100g. de arcilla y depende muy poco del pH. Cuando se satura con K+ o NH4+ es un mineral totalmente inexpandible. Es el producto de intemperismo de los suelos bien hidratados por hidratación térmica de las micas. Su CICT es poco dependiente del pH y presenta un eje C de 10 a 15 Ao.

Vermiculita

Composición: (Mg,Al,Fe)12 ((Si,Al)8O20)(OH)16 La Clorita se presenta con más frecuencia en rocas

sedimentarias y en suelos productivos derivados de estos materiales. Su composición elemental es muy variable, pudiendo en algunos casos presentar elementos tóxicos tales como Cromo y Níquel. Los suelos derivados de la serpentina contienen Clorita y frecuentemente son poco fértiles debido a su alto contenido de Mg+2 y baja concentración de Ca+2.

Una capa de Clorita tiene dos tetraedros de Silicio, un octaedro de Aluminio y un octaedro de Magnesio. Posee una CICT de 10 a 40 meq./100 g. de arcilla.

Clorita

Debido a las características antes mencionadas se considera al grupo de la Clorita como independiente de la Vermiculita pero muchos autores para simplificar, la consideran dentro del grupo de la Vermiculita.

Este grupo esta representado por las sepiolitas y paligorskitas son arcillas con un contenido en dichos minerales superior al 50 %.

Su estructura no es propiamente laminar, sino que consiste en una modificación de la doble cadena anfibolitica.

Las hojas tetraedicas en la paligosrkita y sepiolita, son continuas, aunque distribuidas en forma de bandas, con los oxigenos apicales de bandas adyacentes apuntando en direcciones opuestas.

Grupo de la paligorskita

Su peculiar estructura les confiere una serie de propiedades, entre ellas las de formar suspensiones poco afectadas por la concentración iónica y una enorme capacidad sorcitiva, por lo que son poderosos decolorantes y absorbentes. También tienen propiedades reológicas, son capaces de formar geles y suspensiones estables de alta viscosidad a bajas concentraciones de sólido. Al igual que las esmectitas, son susceptibles de ser activadas mediante tratamientos térmicos y ácidos.

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Referencias