Estructura y composición

de

compuestos inorgánicos

Concepto básico: Número de coordinación

Número de coordinación es el número de aniones que se puede acomodar alrededor de un catión central en un cristal

Número de coordinación depende de la relación del

radio de catión al radio de anión

(O2- en el caso de silicatos)

Las ubicaciones estables de cationes y aniones se puede calcular a partir de postulados geométricos

Triángulo equilátero

Tetraedro

Octaedro

Cubo

Cubo-octaedro

60.5710.080Mn2+

60.5290.074Fe2+

60.4860.068Ti4+

60.4710.066Mg2+

60.4570.064Fe3+

4 or 60.3640.051Al3+

40.2780.039Si4+

Número de coordinació

n

Relación

catión / O2-

Radio iónico, nm

Radio de O2- = 0.140 nm

Número de coordinación pronosticado con oxígeno

OCTAEDRO y TETRAEDRO: unidades estructurales de minerales

O2- o OH-

Cuarzo SiO2

Gibsita Al(OH)3

¿Como se combinan las unidades tetraédricas y octaédricas en la estructura de minerales?

Octaedro y tetraedro: unidades estructurales de minerales

Capa octaédrica y tetraédrica

Cationes centrales comparten O2- o OH-

La unión de una o dos capas tetraédricas y una capa octaédrica dará lugar a un paquete (o lámina) estructural (1:1 ó 2:1 respectivamente)

Minerales primarios y secundarios

Minerales PRIMARIOS los que están presentes en una roca madre ígnea

Minerales SECUNDARIOS se forman de minerales primarios mediante los procesos de meteorización

Sin embargo, tal distinción puede resultar confusa al intentar aplicarla a otro tipo de rocas

¿Cuales son los minerales primarios comunes en suelos?

Cuarzo SiO2

Feldespatos alcalinos y plagioclasas

Minerales primarios comunes en suelos

Minerales primarios y secundarios

Minerales secundarios (arcillas, óxidos, minerales no cristalinos) se encuentran principalmente en la fracción de arcilla (<2 μm)

¿En qué se distingue la arcilla de los minerales de arcilla?

Arcilla = cualquier mineral cuyo diámetro <2 μm (incluye óxidos de Fe, Mn, Al que no son minerales de

arcilla)

Los MINERALES DE ARCILLA constituyen una familia de aluminosilicatos laminares (filosilicatos),

Fracción de ARCILLA (<2 μm) es muy importante en la determinación de propiedades del suelo

Importancia de la fracción de arcilla

Minerales en la fracción de arcillaMinerales en la fracción de arcilla (<2 μm):

poseen carga negativa = cationes intercambiables

poseen gran superficie especifica = reacciones de absorción

tienen propiedades coloidales

Fuentes de carga en minerales:

1) Enlaces rotos al borde lateral de capas tetraédricas y octaédricas

Al borde lateral de las capas tetraédricas y octaédricas hay átomos de oxígeno que tiene carga negativa no compensada por cationes

Como su nombre sugiere, una sustitución isomórfica implica que el sitio que normalmente ocupa un catión formador de red cristalina es ocupado por otro catión con tamaño similar y con carga igual o diferente

Si+4 por Al+3 Al+3 por Mg+2 Al+3 por Fe+2

La carga negativa se compensa por cationes intercambiables (Na+, K+, Ca+2, Mg+2)

La carga negativa originada por la sustitución isomórfica y/o por el quiebre de enlaces al borde lateral de las capas estructurales corresponde a la carga permanente, opuesto a la carga dependiente del pH

Fuentes de carga en minerales:

2) Sustitución isomórfica

Fuentes de carga en minerales:3) Carga dependiente del pH

La carga dependiente del pH puede ser negativa como positiva

En los minerales de arcilla, las cargas variables se localizan siempre en los bordes laterales de los paquetes estructurales

Estructura de arcillas: caolinita

Mineral 1 : 1 (lámina o paquete de tipo 1 : 1)

Caolinita tiene una baja capacidad de intercambio de cationes (CIC), la carga negativa se origina principalmente del quiebre de

enlaces al borde lateral, no hay sustitución isomórfica

Enlaces de hidrogeno entre O y OH = las láminas se unen muy fuerte = arcilla non-expandible

Efectos de la caolinita sobre propiedades del suelo

Caolinita es resistente a la meteorización química y es la arcilla dominante en los Oxisoles (suelos minerales de zonas tropicales, suelos con meteorización y lavado muy intensos y prolongados)

La caolinita tiene CIC baja (3 - 15 meq/100g) = el suelo se acidifica fácilmente = los Oxisoles son ácidos

La caolinita tiene área superficial baja (<40 m2/g) = baja capacidad de adsorción

CIC y superficie bajas = suelos con baja fertilidad, se requieren fertilización

La caolinita es una arcilla non-expandible = suelos fáciles a trabajar

Estructura de arcillas: esmectita (montmorillonita)

Mineral 2 : 1 (lámina o paquete de tipo 2 : 1)

Carga negativa se origina principalmente de sustitución isomórfica y también del quiebre de enlaces al borde lateral

Propiedades de la esmectita

Propiedad más importante: la esmectita tiene una capacidad de expansión interlaminar en condiciones húmedas y retracción en condiciones secas = arcilla expandible

La esmectita tiene CIC alta (80-150 meq/100 g) y área superficial muy elevada (600-800 m2/g) = alta capacidad de adsorción, alta fertilidad y alto poder tampón a cambios de pH

Los Vertisoles son suelos minerales que se caracterizan por su elevado contenido de arcillas esmectíticas

Los Vertisoles son suelos difíciles a trabajar = al secarse se desarrollan grietas verticales anchas y profundas; además los agregados del suelo son muy duros al secarse; al humedecer, el suelo se convierte en barro

Efectos de la esmectita sobre propiedades del suelo:

Ejemplo de Vertisoles

Vertisoles

(Batuco, al norte de Santiago):

Dos días después de una lluvia fuerte

Baja conductividad hidráulicaCamino de barro

Vertisoles: Grietas en muros

Vertisoles no son favorables desde el punto de vista de ingeniería (construcción edificios, caminos, etc.)

Grietas en cerámica

Vertisoles (Batuco)

Expansión y retracción del suelo: los raíces de árboles se cortan cuando el suelo se seca

La vermiculita es similar a la esmectita, pero tiene una mayor carga negativa

La vermiculita es menos expansible que la esmectita a causa de su mayor carga negativa

Suelos ricos en vermiculita no tienen problemas de expansión-retracción como suelos ricos en esmectita

Adición de vermiculita en un suelo mejora aeración, fertilidad y capacidad de retención de agua del suelo. Mezclas de suelo con vermiculita son ideales para germinación de semillas

Vermiculita

Estructura de arcillas:

ilita (mica)

Radio iónico de K+ se encuentra cerca del radio del espacio hexagonal en la superficie de la capa tetraédrica

Ión K+ en la posición interlaminar está fuertemente unido a ambos láminas = actúa como conector de laminas = ilita es una arcilla non-expandible

Espacios hexagonales en la superficie de la capa tetraédrica

Ión K+ en la posición interlaminar está fuertemente fijado = no es intercambiable = no es fitodisponible, pero se libera lentamente durante los procesos de meteorización

Ilita y mica son una fuente potencial de potasio para la nutrición de las plantas

Potasio en ilita/mica

Estructura de arcillas: clorita: mineral de tipo 2 : 1 : 1

Clorita es una arcilla non-expandible

Propiedades de minerales de arcilla: Resumen

2-515-4015-40100-18080-120Negative charge,

meq/100 g

000600-700570-660Internal surface,

m2/g

10-3070-10070-10070-12080-140External surface,

m2/g

KaoliniteChloriteIlliteVermiculiteSmectiteProperty

Propiedades de minerales de arcilla: Resumen

Óxidos de Al (color blanco, frecuentes en suelos tropicales húmedos):

Gibsita Al(OH)3

Bohemita AlOOH

Óxidos de Fe:

Goetita FeOOH (el más común, color café-amarillo)

Hematita Fe2O3 (colorea de rojo el suelo)

Ferrihidrita Fe5HO8 · 4H2O (poco cristalino)

Magnetita Fe3O4 (color negro, heredado del material originario)

Óxidos de Mn (color negro):

Birnesita MnO2 (el más común)

Óxidos de Al, Fe y Mn comunes en suelos

Fuentes de carga en minerales:3) Carga dependiente del pH

La carga dependiente del pH puede ser negativa como positiva

Los óxidos de Al, Fe y Mn son la fuente importante de carga dependiente del pH en suelos

Absorción de cationes y aniones en superficie de minerales de arcilla y óxidos de Fe/Al

Arcillas poco cristalinas

Imogolita SiO2 · Al2O3 · 2H2O

Alófana (tasa Si:Al 1:1 a 1:2)

Se encuentran en suelos Andisoles = suelos desarrollados a partir de materiales volcánicos modernos, de colores oscuros

Los Andisoles tienen propiedades muy específicas (propiedades ándicas):

Densidad aparente <0,9 g/cm3

Alta fijación de fosfatoCarga variable

Suelo Andisol, serie Bramadero, Este de San Clemente (VII región)

Carbonatos y sulfatos

Yeso (gypsum) CaSO4 · 2H2O

Métodos de identificación de arcillas: difracción de rayos X

Rayos X se reflejan en los planos paralelos de átomos

Ley de Braggs

n λ = 2 d sin θ

n = orden de difracción, n = 1, 2, 3, etc.

λ = longitud de onda de rayos X

θ = angulo de incidencia

d = distancia entre planes de átomos

Combinación de valores “d” = “RUT” del mineral = identification

Rayo incidente Rayo difractado

Difractometro de rayos X

Separación de arcilla por gravedad y muestreo de arcilla con un sifón

Preparación de muestras “orientadas”

Radio iónico

O2- = 0.140 nm

F- = 0.133 nm

Se produce una sustitución de O2- por F- en la estructura de minerales

La estructura se hace inestable y por lo tanto el mineral se disuelve

Digestión de suelos con ácido fluorhídrico (HF) para análisis químico total

Propiedades de diferentes arcillas y efectos de cada una de arcillas sobre las propiedades del suelo

Fuentes de carga en minerales del suelo e importancia de la carga de los minerales sobre procesos químicos en el suelo

Puntos importantes