NATURALEZA Y COMPORTAMIENTO DE LA ARCILLA

CATEDRA: EDAFOLOGIA

CATEDRATICO:

SEMESTRE: III

Desde el punto de vista mineralógico, engloba a un grupo de minerales (minerales de la arcilla), filosilicatos en su mayor parte, cuyas propiedades fisico-químicas dependen de su estructura y de su tamaño de grano, muy fino (inferior a 2 mm).

Desde el punto de vista petrológico la arcilla es una roca sedimentaria, en la mayor parte de los casos de origen detrítico, con características bien definidas. Para un sedimentólogo, arcilla es un término granulométrico, que abarca los sedimentos con un tamaño de grano inferior a 2 mm.

Para un ceramista una arcilla es un material natural que cuando se mezcla con agua en la cantidad adecuada se convierte en una pasta plástica. Desde el punto de vista económico las arcillas son un grupo de minerales industriales con diferentes características mineralógicas y genéticas y con distintas propiedades tecnológicas y aplicaciones.

LAS ARCILLAS

Montmorillonita desarrolla sobre todo en los productos meteorizados de rocas como el

basalto, en los lugares que tienen largas temporadas secas o drenaje deficiente, los

productos se vuelven más ricos en sílice.

La caolinita se forma en los productos meteorizados de rocas como el granito y en lugares

con alta precipitación pluvial y buen drenaje. Estas condiciones tienden a eliminar la sílice,

para formar minerales que son relativamente rico en aluminio.

GENESIS DE LOS MINERALES DE ARCILLA

MINERALES ZONAS CLIMATICAS

ESMECTITAS ZONA S TROPICALES Y MEDITERRANEAS

CAOLINITA LINEA ECUATORIAL

VERMICULITA TEMPLADAS

CLORITOS FRIAS

MONTMORILLONITA ARIDAS

Los cationes fundamentales, Si y (Mg-Al) se rodean de O y (OH) formando dos tipos fundamentales de poliedros de coordinación

Tetraedro Si-O

Octaedro X-O(OH)

Red estructural de octaedros formando una hoja de alúmina

Red hexagonal de tetraedros formando una lámina de sílice

.ESTRUCTURA MINERALOGICA DE LAS ARCILLAS

Los tetraedros están unidos en sus esquinas basales, por medio de átomos de oxígeno compartidos, en una red hexagonal que forma una lámina plana sólo 0,493 nm (4,93 Á) de espesor.

El octaedros están igualmente unidos a lo largo de sus bordes para formar una matriz triangular . Estas hojas son alrededor de 0,505 nm (5,05 Á) de espesor.

Vista basal de una lamina de tetraedros de sílice(el hueco) esta rodeado por seis átomos de oxigeno dispuestos en simetría hexagonal

Sustitución isomorfica

La sustitucion generalmente afecta a un ion de menos valencia que entra en lugar de otro de myor valencia ,dando lugar a carga negativas

Si4+

Al3+

MINERALES DE ARCILLA

AMORFOS ESTRUCTURADOS

ARCILLAS M.1:1 CAOLINITA ARCILLAS M. 2:1

A.EXPANSIBLES MONTMORILLONITA

A.INEXTENSIBLE ILLITA

LA CAOLINITA:1:11. La capa de base en la estructura

cristalina es un par de láminas de sílice-alúmina, que se apilan en forma alternada y se mantienen unidos por enlaces de hidrógeno de varias capas que a menudo se forma una plaqueta hexagonal.

2. Dado que el agua y los iones no puede entrar entre las capas básicas, éstas normalmente no puede ser escindido o separados.

3. Además, dado que sólo las caras exteriores y los bordes de las plaquetas están expuestos.

Caolinita tiene una superficie específica bastante baja. Cristales caolinita generalmente varían en diámetro plana de 0,1 a 2 micras, con un espesor variable en el intervalo de aproximadamente 0,02-0,05 micras. Gracias a sus partículas relativamente grandes y la superficie específica baja, exposiciones de caolinita menos plasticidad, la cohesión y la hinchazón que la mayoría de otros minerales arcillosos. La fórmula de la capa de unidad de KAOLINITA Al4Si4010(OH)8.

Al4Si4010(OH)8

CAOLINITA

LA MONTMORILLONITA:2:1Las láminas de montmorillonita se apilan en los conjuntos llamados tactoides sueltos. El agua y los iones son atraídos hacia los planos de escisión entre las láminas, y como el cristal se expande como un acordeón, que fácilmente se pueden separar en unidades más delgadas y, en última instancia, en laminillas individuales, que son sólo 1 nm de espesor.

Siempre hay alguna sustitucion isomorfica de Mg2+ o Fe3+(incluso Ni . Li ,Zn, o Cu)por Al3+ en la hojas octaédricas y Al3+ por Si4+ en la scapas tetraédricas.

MONTMORILLONITA

Al3.5Mg0.5Si8O20(OH)4.

LAS ILLITAS

Pertenece a un grupo de minerales de arcilla llamado micas hidratadas,

La capa unitaria de arcilla illita esta integradad por una hoja de octaedros de aluminio en medio de dos hoja de tetraedros de silicio.

Los iones K ubicados entre las capas unitarias ,se disponen directamente sobre el centro de los planos hexagonales de oxigeno que conforman las bases de los tetraedros Si-O de las hojas de silice .

la celda unitaria de esta arcilla es la misma que montmorillonita ,excepto que algunos atomos de Si4+ estan siempre reemplazados por Al3+ y presentan una cierta capacidad para fijar K y NH+

4.en virtud de sus semejanzas con sus radios ionicos.

Substitución isomorfa de iones de aluminio para los iones de silicio en las hojas tetraédricas (en lugar de deMg2 + para Al3 + en las hojas octaédricos, como montmorillonita),

Al 2Si 4O10(OH) 2

KAl 2 (Al, Si 3 )O10(OH) 2

Mineral 2:1

GRUPO DE LAS CLORITAS

Son minerales 2:1:1

La composición de las capas permite establecer tres subgrupos.

CLORITA DIOCTAEDRICA: son dioctaédricas en las dos capas constituyentes (en la primera capa 2:1 y la otra capa de hidróxido )

CLORITA DITRIOCTAEDRICA: son dioctaedricas en la capa 2:1pero trioctaedrica en la capa de hidróxido

CLORITA TRIOCTAEDRICA: son trioctaedricas en las dos capas (capa 2:1 y la de hidróxido )

Las cloritas con una capa interlaminar brucitica (trioctaedrica )se denomina cloritos primarios .

GRUPO DE LAS ALÓFANAS Silicatos no cristalinos se encuentran en lo suelos derivados de la s cenizas volcánicas es un coloide anfótero describe materiales aluminio silicatos altamente desordenados o amorfos .al observar la alófana al microscopio electrónico de barrido aparece a modo de micro agregados formado por partículas unitarias ,esférulas huecas de 3.3 -5.5 nm.de diámetro

La alófana posee una gran superficie especifica .Su CII. Es elevada y depende del pH por tener carga variable. posee una alta capacidad de intercambio anionico que puede provocar la retención de iones interfiriendo en la nutrición de las plantas .

PROPIEDADES TÍPICAS DE MINERALES DE ARCILLA SELECCIONADOS (VALORES APROXIMADOS)

Minerales de la arcilla

Propiedades Kaolinita Illita Montmorilloni

ta

Clorito

Plana diámetro (µm) 0.1-4 0.1-2 0.01-1 0.1-2

Espesor de la capa de

base ()

7.2 10 10 14

Espesor de las

particulas ( )

500 50-300 10-100 100-

1000

La superficie

específica (m2/g)

5-20 80-120 700-800 80

  LA DOBLE CAPA ELECTROSTÁTICA

Entra el sólido y 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.

Solución intermicelar: liquido dispersante donde la composición iónica no esta influenciada por el campo eléctrico

Micelas : partículas cargadas eléctricamente

Solución micelar: capa liquida donde se concentran iones de signo contrario.

La figura. 4.5. La formación de una capa doble difusa seca (a) vs hidratado micela (b).

Existen dos fuerzas que se dan aquí: Electrostática: adsorción a la

partícula. . Difusión de concentraciones: de

puntos de mayor concentración a una menor concentración

z es la longitud

característica, o medida, de

la doble capa, que se define

como la distancia desde la

superficie de arcilla a donde

la concentración iónica es

muy aproximadamente la del

solución exterior

(intermicellar)v es la valencia de los iones en

solución , e es la carga

elemental de un electrón (4.77 x

10-10 esu).

n0 es la concentración de

los iones en la solución a

granel,.

k es la constante de

Boltzman(K = R / N, donde

R es la constante de los

gases y N es el número de

Avogadro).

T es la

temperatura en

grados Kelvin.

El espesor efectivo de la doble capa

difusa puede estimarse mediante la

siguiente ecuación:

ε es la

constante

dieléctrica.

𝒁=(𝟏/𝒆𝒗) [(𝜺𝑲𝑻 )/(𝟖𝝅𝒏 ₒ)]𝟎 .𝟓

La figura. 4,8. Influencia de la concentración de la solución ambiente (N1, N2) sobre el espesor de la capa difusa. Las curvas continuas representan cationes y aniones las curvas de puntos. La mayor concentración de la solución externa se ve para comprimir la capa doble.

La figura. 4,7. Comparación de la distribución de un catión monovalente (Na+) con un catión divalente (Ca2+) en la doble capa difusa. Gracias a su mayor carga, el catión divalente es atraído más fuertemente y se mantiene más estrechamente a la superficie de la partícula. El área bajo cada curva, lo que significa miliequivalentes de cationes por unidad de superficie, es igual.

la doble capa difusa se comprime a medida que la valencia de los iones en solución se incrementan. Por ejemplo, si una solución de cationes monovalentes se sustituye por una solución de cationes divalentes, la doble capa se convierte sólo la mitad del grosor .

La distribución de los cationes entre dos placas cargadas se ilustra en la figura. La figura. 4,9. Esquema ilustración del aumento de la concentración de cationes en la doble capa debido a la interacción de las partículas adyacentes. Las curvas de puntos indican la distribución hipotética de cationes para cada una de las partículas si se suspendieron solo en la solución ambiente mismo.

v es la valencia de los cationes intercambiables

d es la distancia desde cualquier superficie de la partícula al plano medio (angstroms)

B es una constante relacionada con la temperatura y la constante dieléctrica ( cm / m mol)

a es un factor de corrección (1-4 A)

Aquí es la concentración de cationes en el plano medio (moles por litro).

INTERCAMBIO IONICO

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 un equilibrio entre ambas fases.

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO

es la capacidad de los suelos de adsorber e intercambiar cationes

Superficie especifica

Densidad de la carga

Controla la disponibilidad de nutrientes para las plantas: K+, Mg++, Ca++, entre otros.

Interviene en los procesos de floculación - dispersión de arcilla y por consiguiente en el desarrollo de la estructura y estabilidad de los agregados.

Determina el papel del suelo como depurador natural al permitir la retención de elementos contaminantes incorporados al suelo.

Na₂ [arcilla] + Ca²+↔Ca [arcilla] + 2Na+

AlₐCab

Mgc

Nad

.

.

.

COMPLEJO DE INTERCAMBIO

ARCILLA La capacidad de intercambio es tomada por varios cationes en proporciones variables .

Complejo de intercambio típicamente heterogéneo

Regiones áridas

Regiones húmedas

Al ,Ca , Mg

Al ,H H₃O

Valencias Radio Propiedades de

hidratación

Cationes sean adsorbidos con diferente tenacidad y sea mas fácil o difícil intercambiable

Al+3 > Ca+2 > Mg+2 > NH+ > K+ > H+ >Na+ >Li +

Cationes monovalentes pueden ser reemplazados mas fácilmente que cationes divalentes o trivalentes.

Ae/Be =c()

La composición del complejo de cambio depende de la concentración y la composición iónica de la solución ambiente. Esto se expresa en la ecuación Gapón:

Depende de la naturaleza de la superficie cargada y del catión adsorbido

Concentraciones en el complejo de intercambio y en la solución ambiente

Concentraciones fraccionarias de cationes

= [] [] ²/ [] []

Para el caso importante de intercambio de calcio y sodio, la selectividad

coeficiente σ está dada por:

Denota las fracciones iónicas equivalentes de Ca y Na en el complejo de cambio

Denota las fracciones molares de Ca y Na en fase de solución

Esla concentración molar total de la solución

ECUACIÓN DE ACCIÓN DE MASAS

2Na + Ca(arcilla) 2Na(arcilla)+Ca ²⁺ ⁺

Asumiendo una capacidad de cambio constante, el intercambio reversible de iones de calcio y de sodio

Las reacciones de intercambio de cationes son rápidas y reversibles, por lo tanto, la composición del complejo de intercambio responde a los cambios frecuentes en la composición y concentración de la solución del suelo. La composición de complejo de intercambio del suelo, a su vez regula el pH del suelo, así como la inflamación y las tendencias de dispersión-floculación.

A valores de pH bajos las cargas de las superficie pueden llegar a ser positivas ocasionando una adsorción de aniones (caolinita)

Es importante en la retención de fosfatos en

el suelo.

HIDRATACIÓN E HINCHAMIENTO

PROPIEDADES FÍSICOQUÍMICAS DE LOS MINERALES DE LA ARCILLA

PROPIEDADES DEL AGUA

Alta superficie específica

Presencia de carga eléctrica

molécula POLARIZADA

+ Carga POSITIVA- Carga NEGATIVA

Se llaman DIPOLARES

absorben agua y otros líquidos polares en proporción importante así como fijar é intercambiar cationes con el medio

Que el AGUA sea atraída a SUPERFICIES ELÉCTRICAMENTE ACTIVAS (Cargadas)

Que el agua se ABSORBE fácilmente en la SUPERFICIE de ARCILLAS y otros COLOIDES

hace

Y resulta• plasticidad del suelo.• capacidad de retener agua y nutrientes.• disponibilidad de sustancias químicas para el desarrollo de las plantas.

determinan

INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS DE ARCILLA CON AGUA

Arcilla seca

+ H2O

- - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - -

+ +

+ +

Hinchamiento

ALTERNANCIA MOJADURA - SECAMIENTO

Terrón compacto

fuertemente cementado

Mojadura

Secamiento

ALTERNANCIA

PEQUEÑOS AGREGADO

S

El proceso de secamiento no es uniforme (principalmente cuando es rápido), esto provoca TENSIONES DESIGUALES y se genera la RUPTURA

ALTERNANCIA MOJADURA - SECAMIENTO

MOJADURAIngreso rápido

de aguaDesigual

hinchamiento

GeneraFractura y

Fragmentación

MOJADURA

Sorción deagua en

capilares comprime

el aire ocluido

Estalla elterrón por

efecto de altapresión

FIGURA 4.11 LOS CAMBIOS DE VOLUMEN DE LAS ARCILLAS DE MONTMORILLONITA Y CAOLINITA DURANTE LA HIDRATACIÓN.

FIGURA. 4.10. CURVAS DE DESHIDRATACIÓN DE LOS MINERALES DE LA ARCILLA. (DESPUÉS DE MARSHALL, 1964).

SUELOS VERTISOL

Ricos en arcillas

Temporada de Lluvias

Estación seca

FLOCULACIÓN Y DISPERSIÓN

cuanto mayor es la saturación del complejo coloidal con cationes de alto potencial iónico (por ejemplo calcio), la estructura de los suelos es mejor

Compuestos como la arcilla y el húmicos de diámetro menores a 2 micras, tienen propiedades coloidales (floculación, repulsión, adsorción iónica etc.)

Estos efectos se producen por la presencia de cargas eléctricas normalmente negativas en la superficie de las arcillas y del humus

La floculación es una actividad de naturaleza ELECTROSTÁTICA, en el cual existe una atracción mutua

Partículas de arcilla

Interactúan entre si

Fuerzas de repulsiónFuerzas de atracción

La arcilla se dispersaLa arcilla se flocula

Produce una sedimentació

n

No produce una sedimentación

Importante en el trasporte de partículas del suelo

PROCESO BÁSICO PARA LA FORMACIÓN DE AGREGADOS DE LOS SUELOS

Influye en las estructura de los suelos y

propiedades de los suelos relacionados con

la estructura (porosidad, infiltración,

compacidad )

Transformación (Humus)

Mineralización

NH3, Ac. Orgánicos, fosfatos, sulfatos, CO2

Mineralización

Residuos

Alto % en proteína, bajo en lignina se descomponen más rápido y en mayor cantidad

EL HUMUS

GRACIAS POR SU ATENCIÓN