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
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