Naturaleza química y mineralógica de las partículas de suelo Se llama suelo a la capa superficial terrestre no consolidada que está formada predominantemente por compuestos inorgánicos. La fase sólida de la mayoría de los suelos está constituida principalmente por sustancias inorgánicas de diferente composición química. Es necesario tener un concepto general de la composición química de las fracciones de suelo para comprender su comportamiento físicoquímico. El estudio mineralógico de las arcillas mediante las técnicas de rayos X y de petrografía mostraron que están constituidas principalmente por minerales cristalinos claros y diversas cantidades de material no cristalino. Los principales elementos químicos constituyentes de las arcillas son átomos de silicio, aluminio, fierro, magnesio, hidrógeno y oxígeno. El análisis químico de las arcillas indica que los principales compuestos que contienen SiO2 , Al2O3 , Fe2O3 , y H2O y cantidades variables de otros óxidos como: TiO2 , CaO, MgO, MnO, K2O, Na2O y P2O5, más los grupos hidroxilos. Los patrones de construcción de los diferentes minerales de arcilla son unidades de forma como el tetraedro y el octaedro. La unidad en forma de tetraedro de sílice con un átomo de oxígeno en cada vértice y unido a ellos un átomo de silicio en el centro, a veces un átomo de aluminio sustituye al de silicio en el tetraedro y le cambia las propiedades del mineral de arcilla, pues es una sustitución isomórfica en el cristal (el ion trivalente de aluminio tiene un radio de 0.57 angstroms, , y el tetravalente de silicio de radio 0.39 ) . Los tetraedros se enlazan unos con otros formando una hoja conocida como hoja de sílice o de tetraedros, en la cual los 3 átomos de oxígeno que forman la base de un tetraedro son compartidos conjuntamente con los 3 tetraedros adyacentes. Cada celda unitaria de la lámina de arcilla consta de 4 grupos de SiO2 y 6 átomos de oxígeno. La unidad en forma de octaedro de alúmina, en el cual 6 grupos hidroxilos (OH- ) o átomos de oxígeno están dispuestos de tal manera que cada uno forma un vértice de un octaedro que se mantiene unido por un átomo de aluminio en el centro, algunas veces el aluminio es sustituido por fierro en estado ferroso o férrico (los iones divalentes de magnesio, de fierro y el trivalente de fierro sus respectivos radios son 0.78, 0.83 y 0.67 ). Los iones mayores causan esfuerzos de tensión en las unidades octaédricas. Los octaedros se encuentran unidos entre sí en una hoja o lámina conocida como hoja de alúmina u octaédrica. En la lámina de alúmina los 6 grupos OH- que forman el octaedro están conjuntamente compartidos con 3 octaedros adyacentes. Los 6 grupos OH- forman un patrón hexagonal simétrico y un arreglo compacto con otro OH- en el centro. La celda unitaria está compuesta por 4 átomos de aluminio y 6 grupos OH- . Por esto la parte superior y la inferior de la hoja de alúmina son planos de hidroxilos. Al juntarse 2 láminas de sílice y de alúmina se forma un mineral de arcilla. Se han identificado muchas especies de minerales de arcilla con diferentes propiedades físicas y químicas como: 1. Grupo de caolín con retículo espacial 1:1 se caracteriza por tener una lámina de sílice y otra de alúmina. Por ejemplo, caolinita, dickita, nacrita y halloysita. Hay poca o ninguna sustitución isomórfica en su red cristalina. Las 2 capas unitarias se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre los átomos de hidrógeno del plano de hidroxilos de la unidad y átomos de oxígeno adyacente. Las capas de celdas unitarias están unidas tan fuertemente que los iones o las moléculas de agua no pueden a través de capas Caolinita adyacentes de caolinita. Esto significa que sus propiedades coloidales están determinadas solamente por las superficies externas. Tienen poca dilatación o contracción y poca plasticidad. Las valencias no neutralizadas que resultan de las uniones rotas en los bordes del mineral de arcilla son la causa de las reacciones iónicas. La capacidad de intercambio de cationes es menor de 10 meq/100g de arcilla. 2. Grupo de las micas con retículo 2:1 se caracteriza por tener 2 láminas de sílice y una de alúmina. Los 2 subgrupos principales son la ilita y la vermiculita. La ilita es un mineral interestratificado que tiene sustitución isomórfica del Si por el Al en la hoja de sílice, y de Al por Mg y Fe en la hoja de alúmina. Las cargas negativas producidas por la sustitución son equilibradas por iones de potasio. Las vermiculitas difieren de las ilitas principalmente en que es el magnesio el ion intercambiable entre las capas que equilibra las cargas negativas resultantes en la red cristalina por la sustitución del Al por el Si en la lámina de sílice. La capacidad de intercambio de cationes varía entre 100 y 150 meq/100g en el conjunto de superficies internas y externas. Vermiculita 3. Grupo de la montmorillonita con retículo 2:1 dilatado se caracteriza por tener 2 láminas de sílice y una de alúmina en las cuales el retículo cristalino se dilata y se contrae conforme a la cantidad de agua y a los cationes intermedios. A este grupo pertenecen la beidelita y la nontronita. En la montmorillonita hay sustitución de Si por Al en la lámina de sílice y de Al por Fe y Mg en la lámina de alúmina. Las cargas negativas se originan en las capas tetraédricas y en las octaédricas y son equilibradas por los cationes de intercambio que se encuentran entre las capas de las celdas unitarias. La hidratación de estos cationes y la adsorción de moléculas de agua en los planos de oxígeno de las láminas de sílice mediante enlaces de hidrógeno causan la hinchazón entre las capas y la dilatación de la red cristalina. El grado de esta dilatación o contracción de la red varía con la naturaleza del catión intercambiable y con el grado de hidratación de las superficies internas. La capacidad de intercambio catiónico de la montmorillonita varía entre 80 y 150 meq/100g en el conjunto de superficies externas e internas. Esta alta capacidad de intercambio catiónico y la naturaleza expansiva de la red del cristal influyen mucho en la viscosidad, hinchazón, plasticidad y otras propiedades físicas. En la beidelita la mayor parte de la carga negativa se produce en las láminas de sílice por la sustitución del silicio por el Montmorillonita aluminio. En la lámina octaédrica la sustitución es del aluminio por el fierro y el magnesio. La capacidad de intercambio catiónico es menor que la de la montmorillonita y varía entre 65 y 90 meq/100g. En la nontronita el fierro sustituye al aluminio en la lámina de alúmina. 4. Grupo de paligorskita o arcillas fibrosas con red cristalina 2:1 modificada Paligorskita
