Estructura_de_los_filosilicatos_de_la_arcilla

Unidades estructurales
Los filosilicatos, como todos los demás
grupos de silicatos, están constituidos por una
unidad estructural Si-O que es un tetraedro de
coordinación con el Si en el centro y cuatro
oxígenos en cada uno de los vértices del
tetraedro. Los tetraedros son pirámides de
base triangular, con todas sus caras iguales,
(cuatro triángulos equiláteros).
El tetraedro Si-O se encuentra eléctricamente
descompensado (el Si aporta cuatro cargas
positivas frente a la ocho negativas de los
cuatro oxígenos de los vértices), por lo que ha
de unirse a otros cationes para neutralizar las
cargas. En estas estructuras cada vértice de la
cara basal pertenece a dos tetraedros vecinos
(cada oxígeno se coordina a dos silicios),
dando una capa de tetraedros.
Los tetraedros, en el caso de los filosilicatos,
comparten su vértice superior con un
octaedro de coordinación, con Al y/o Mg en
el centro y O y/o OH en los seis vértices. Los
octaedros son bipirámides con su plano
ecuatorial cuadrado y todas sus caras
triángulos equiláteros iguales.
Los octaedros en estas estructuras se
disponen apoyados en una de sus caras.
Estos octaedros se encuentran también
descompensados eléctricamente (dos cargas
positivas si el catión octaédrico es el Mg o
tres si se trata de Al, frente a las 12 posibles
cargas negativas que pueden aportar los seis
vértices). Para neutralizarse se comparten
entre sí sus vértices formando una capa de
octaedros (además se unirán a los silicios de
la capa tetraédrica).
Las capas de tetredros y octaedros se acoplan
dando láminas que al repetirse forma la
estructura cristalina.
Capa tetraédrica
Esta compleja estructura cristalina se puede comprender de una manera sencilla considerándola como un
conjunto de átomos dispuestos en planos paralelos, que podemos suponer horizontales (001). En estos
planos los átomos tendrán siempre simetría hexagonal, o más precisamente ditrigonal. Estos planos son (por
ejemplo desde abajo hacia arriba):
Plano 1. Plano basal de los tetraedros. Está
formado por un conjunto de átomos de O.
En la red hexagonal (seguiremos llamándola
hexagonal, para simplificar, aunque ya sabemos
que en realidad es ditrigonal) aparecerán huecos
(posiciones no ocupadas por O) por exceso de
cargas negativas (gobernadas por los cationes que
se sitúen en el plano inmediatamente superior).
Plano 2. Plano de los cationes de Si del
centro de los tetraedros. Se colocan en el hueco
que dejan cada tres O. Se disponen formando
también una malla de anillos hexagonales.
Plano 3. Plano de O y de OH compartidos
por tetraedros y octaedros. Los O se sitúan justo
encima de los Si, del plano 2, terminando de
ocupar el hueco que dejan los O del plano basal
(plano 1). Estos tres planos forman la capa
tetraédrica. Los O del plano 3 ocupan el vértice
superior de los tetraedros y se unen a un Mg y/o Al
octaédrico formando parte del plano inferior de los
octaedros. Algunos de los vértices de este plano
basal de los octaedros no tienen debajo ningún Si
tetraédrico por lo que para compensar su carga se
une a un H formando un grupo OH. Por tanto los
iones que componen este plano se comparten entre
los tetraedros y los octaedros (es a su vez el plano
superior de los tetraedros y el inferior de los
octaedros). Los O de este plano quedan
coordinados por abajo al Si de la capa tetraédrica y
por arriba al Mg/Al de la capa octaédrica.
En este plano se encuentran ocupados todos los
nudos de la red hexagonal.
Los tetraedros de este plano 3 son eléctricamente
neutros. Efectivamente, en el interior el Si aporta 4
cargas positivas y los oxígenos, al compartirse con
otros tetraedros (plano basal) y octaedros (plano
superior), aportan sólo una de sus dos cargas, con
lo que tendremos en los vértices 4 cargas
negativas.
Capas octaédricas
Plano 4. Plano central de los octaedros (que en estas
estructuras se consideran apoyados sobre una de sus caras, con su
eje principal, eje cuaternario, inclinado). Está constituido por los
Mg o Al que se sitúan en los huecos que dejan cada tres O y/o OH
del plano 3. Si se trata de Mg se ocupan todas las posiciones, pero
si el catión octaédrico es el Al, por su mayor carga (+++ frente a las
++ del Mg) quedan posiciones vacías en la red. Se ocupan,
concretamente dos de cada tres posibles y a esa capa se le llama
dioctaédrica. A la capa magnésica se le llama trioctaédrica, al
ocuparse tres nudos de cada tres posibles. Al igual que en el resto
de los planos de estas estructuras los Mg y Al se distribuyen en
redes hexagonales.
Plano 5. Plano superior de los octaedros. Constituido por O y
OH formando la cara superior de los octaedros. Plano compacto,
con todos los nudos de la red hexagonal ocupados.
Como ocurría con las capas tetraédricas, las octaédricas también
son eléctricamente neutras. De las dos cargas de los oxígenos de los
vértices sólo una se comparte con el catión octaédrico (Mg o Al), la
otra carga se comparte con el silicio tetraédrico de la capa inferior y
si no se une a este catión en ese vértice en vez de haber un oxígeno
hay un grupo OH (por tanto con sólo una carga negativa). Si el
catión octaédrico es el Mg (++) los vértices del octaedro deben
proporcionar un total de dos cargas negativas y para ello cada
vértice se comparte entre tres Mg (pertenece a tres octaedros), de
esta manera cada vértice aporta un tercio de carga y como hay seis
vértices tendremos un total de dos cargas negativas por octaedro.
En el caso del Al (+++) se necesitan tres cargas negativas en el
octaedro y para ello ahora los vértices se comparten entre sólo dos
octaedros (cada vértice aporta 1/2 de carga y como hay seis, pues 6
x 1/2 = 3).
Capas tetraédricas frente a las octaédricas
La disposición de los iones en tetraedros y octaedros parece algo
complicado, pero en la realidad es el simple resultado de un
empaquetamiento de esferas iguales en tres planos ocupando el
mínimo espacio.
La distribución de átomos en redes hexagonales es simplemente el
resultado del empaquetamiento de átomos iguales para ocupar el
mínimo espacio. Por tanto para obtener un plano de simetría
hexagonal basta con introducir bolas iguales en un recipiente plano
y apretarlas (al moverlas ellas mismas se acoplan dando una
simetría hexagonal).
Para construir este apilamiento se parte de una esfera y se va
repitiendo formando una hilera. Luego se acoplan hileras paralelas
y equidistantes de manera que se ajusten entre los huecos
(desplazadas media esfera). De este modo se forma un plano de
simetría hexagonal.
Apilando planos de esferas de simetría hexagonal se origina la
estructura. Al plano basal (con huecos, formando anillos
hexagonales) se le acopla otro plano compacto (con todos los nudos
de red ocupados). Ambos planos se encuentran ligeramente
desplazados y girados 60 grados, para que los átomos se acoplen en
los huecos. Estos planos están constituidos por aniones de O y OH
y se unen por los cationes coordinantes que se sitúan en un plano
intermedio y según donde se coloquen aparece la coordinación
tetraédrica o la octaédrica.
En la Naturaleza es frecuente que los dos primeros planos de
aniones O y/o OH queden unidos por un catión tetraédrico, como es
el caso del Si, y encima se sitúe otro plano de OH con un plano
intermedio de cationes octaédricos (de Mg o de Al) que los une.
De lo anteriormente se deduce que los filosilicatos pueden ser
considerados como un empaquetamiento de iones O que engloban a
diversos cationes (Si, Al, Mg y H), concepto que puede ser
aplicado a la Tierra en su conjunto.
En resumen, a estructura se origina por un apilamiento de planos
paralelos con simetrías hexagonales, alternando los planos de
aniones (O y OH) y los de cationes (Si, Al y Mg).
Estruturas finales
Estructuras 1:1 y 2:1. Si la estructura termina en el plano 5,
todos los vértices están ocupados por OH y se trataría de una
estructura de lámina 1:1 (formada por un tetraedro y un octaedro),
pero si la estructura continua los iones de este plano son O y OH.
En este caso este plano 5 sería igual al plano 3 (representado en el
dibujo como 3b). Luego vendrán los planos 2b y 1b. Es como si el
plano 4 fuese un plano de simetría que refleja a los planos 1, 2 y 3 a
cada lado. Se forma la lámina 2:1 (dos capas de tetraedros que
encierran a una de tetraedros). La lámina 1:1 tiene un espesor de 7
amstrong mientras que para la 2:1 el espesor es de 9.
Los minerales del grupo de los filosilicatos se originan por simple
apilamiento de láminas 1:1 ó 2:1. Como la capa octaédrica puede
ser de Mg o de Al, básicamente se dan sólo cuatro combinaciones:
1:1 triocta ---> Serpentina
1:1 diocta ---> Caolinita
2:1 triocta ---> Talco
2:1 diocta ---> Pirofilita
Una variante aparece cuando los tetraedros, cada cierto número, se
invierten. Los planos se interrumpen en esta zonas de tetraedros y
octaedros girados 180°, apareciendo una estructura en listones, por
lo que a estos filosilicatos se le llama fibrosos, en vez de laminares
como corresponde al resto de las otras estructuras. Si el giro es cada
4 tetraedros el mineral es paligorskita (también llamado atapulgita)
y si es cada seis se trata de sepiolita.
Pero en la Naturaleza se presentan un número muy numeroso de
minerales dentro del grupo de los filosilicatos. Esto es debido a las
sustituciones isomórficas entre los cationes octaédricos y
tetraédricos. Además estas sustituciones suelen ser entre cationes
de distinta valencia lo que origina desequilibrios eléctricos en la red
y para compensarse entran otros iones, que al no tener sitio en los
nudos de la red, se sitúan entre las láminas 1:1 y mucho más
frecuentemente entre las 2:1. Estos iones interlaminares pueden
entrar hidratados en diverso grado, separando las capas, con lo que
el espesor del paquete es variable, normalmente oscila entre 10 y
18 amstrong. La sustitución normal en la capa tetraédrica es la del
Si por el Al (el Al es un catión de coordinación octaédrica, pero,
por su tamaño, frecuentemente se introduce en las capas
tetraédricas produciendo una pequeña deformación en los
tetraedros; esto no ocurre nunca con el Mg, de mayor tamaño), La
sustitución de cada Si++++ por un Al+++ necesita de la
incorporación de un catión interlaminar monovalente, o si es un
divalente lo hace por cada dos sustituciones Si por Al; este es el
caso de las micas, en las que entra el K+ como catión interlaminar
(espesor de 10 amstrong, fijo). En las capas octaédricas es
frecuente la sustitución entre el Al y el Mg; éste es el caso de la
serie de las esmectitas, cuyo mineral más representativo es la
montmorillonita (espesor de 14 amstrong, variable).
Existe la posibilidad de que los cationes interlaminares que entren
a compensar los déficits de carga sean a su vez cationes de
coordinación octaédrica; se origina así una nueva capa de octaedros
en el espacio interlaminar y se le llama estructura de tipo 2:1+1 (el
2 representa a las dos capas de tetraedros y el 1+1 indica que las
dos capas de octaedros no son iguales, ya que la capa octaédrica de
la estructura 2:1 tiene la mayoría de los vértices compartidos con
las capas de tetraedros vecinos, mientras que los octaedros del
espacio interlaminar no comparten ningún vértice con los
tetraedros. El mineral típico es la clorita.
Celdilla unidad y fórmula estructural 1:1
Para estudiar una estructura cristalina, que se puede considerar como un determinada
repetición de una inmensa cantidad de átomos, iones o moléculas, es muy útil reducir la
red a su mínima expresión. Es decir la mínima cantidad de materia que por repetición
origina toda la estructura cristalina. La disposición es siempre según planos, por lo que es
cómodo estudiar el ordenamiento en una serie de planos paralelos y por superposición de
estos planos se obtiene todo el modelo tridimensional. El plano queda definido por el
paralelogramo unidad y la estructura tridimensional por un paralelepípedo llamado
celdilla unidad, que queda definido por la dimensión de sus tres lados y los tres ángulos
que estos forman. Los tres lados de la celdilla representan las direcciones de repetición y
su longitud la marca la distancia o periodo de repetición. Para definirlos se buscan
direcciones de ordenamiento de los átomos y la longitud la define la distancia entre dos
átomos (o iones, o moléculas) idénticos y situados en idéntico entorno (el mismo átomo y
rodeado por un número igual de átomos, de la misma naturaleza y con la misma
disposición espacial). Consideremos la lámina 1:1 como una superposición de planos
horizontales (001).
Paralelogramo unidad de los
planos 1 y 2.
Paralelogramo unidad de los
planos 3 y 4.
Paralelogramo unidad del plano
5.
Paralelogramos unidad y fórmula
de la estructura 1:1
Celdilla unidad y fórmula de la
estructura 1:1
Esquema nemotécnico
Celdilla unidad y fórmula estructural 2:1
Paralelogramo unidad de los planos 1 y 2.
Paralelogramo unidad de los planos 3 y 4.
Paralelogramo unidad del plano 3b.
Paralelogramo unidad de los planos 2b y 1b.
Celdilla unidad y fórmula de la estructura 2:1
Esquema nemotécnico
Deducción de las fórmulas estructurales
Estructura 2:1
Para deducir la fórmula de estos minerales nos fijaremos en que la
estructura de estos minerales se reduce a dos capas de tetraedros
(completas con los OH que introducirán los octaedros en el centro
de los anillos; planos 1, 2, 3, 3b, 2b y 1b) y un sólo plano con los
cationes Al y/o Mg (plano 4).
Para deducir la fórmula debemos de ser capaces de representar el
plano de tetraedros basal (planos 1, 2 y 3). Para ello tenemos dos
opciones. Dibujamos la red completa trazando líneas paralelas y
equidistantes; luego igual pero giradas 60 grados; después igual a
120 y que las líneas pasen por la intersecciones de los dos
primeros conjuntos de líneas; dibujando finalmente los tetraedros
formando anillos hexagonales. O podemos dibujar directamente
un anillo de tetraedros sobre un hexágono.
Ahora basta con contabilizar la cantidad de iones que
corresponden al paralelogramo unidad.
Contamos oxígenos: 6 O completos (en el dibujo círculos azules
marcados con un 1) y 8 O que pertenecen la mitad a este
rectángulo unidad (en el dibujo con un 2).
Cargas eléctricas: 4 negativas (los 4 oxígenos de los vértices no
compartidos).
Silicios: 2 Si completos (en el dibujo círculos rojos marcados con
un 1) y 4 mitades (en el dibujo con un 2).
OH: 1 completo (en el dibujo círculos verdes marcados con un 1)
y 4 compartida la cuarta parte (en el dibujo con un 4), total 2.
Cargas eléctricas: cada OH aporta una carga negativo, o sea
tenemos dos en total.
Es decir en total tenemos: 10 oxígenos, 4 silicios y 2 OH con 6
cargas negativas.
Todo lo anterior es válido para la capa inferior de tetraedros
(planos 1, 2 y 3), para tener en cuenta la capa de tetraedros
superior (planos 3b, 2b y 1b) habrá que duplicar los valores
obtenidos:
Si8 O20 (OH)4 y 12 cargas negativas
Ya sólo nos falta por considerar los Mg o Al (plano 4). Para saber
cuantos cationes entran por celdilla unidad nos basta recordar que
estas estructuras minerales son eléctricamente neutras. Por tanto
hay que neutralizar 12 cargas negativas por lo que se necesitaran 6
Mg o 4 Al. La fórmula sería:
Mg6 Si8 O20 (OH)4 y Al4 Si8 O20 (OH)4, o dividiendo por dos
Mg3 Si4 O10 (OH)2 y Al2 Si4 O10 (OH)2
Estructura 1:1
La estructura 1:1 está formada por la capa basal de
tetraedros (planos 1, 2 y 3; idéntica a los de la estructura
2:1), un plano de Mg o Al (plano 4; idéntico al de la
estructura 2:1) y un plano de OH.
El plano de tetraedros ya hemos visto que tiene de
composición:
10 oxígenos, 4 silicios y 2 OH con 6 cargas negativas.
El de cationes Mg o Al también hemos visto que tiene
6Mg o 4Al, con un total de 12 cargas positivas.
El último plano de OH, tendrá que neutralizar el déficit de
carga de los dos planos anteriores: 12 positivas frente a 6
negativas, luego se necesitan aportar otras seis cargas
negativas, por lo que este plano tendrá 6 OH.
La fórmula sería:
Mg6 Si4 O10 (OH)8 y Al4 Si4 O10 (OH)8, o la fórmula
mitad:
Mg3 Si2 O5 (OH)4 y Al2 Si2 O5 (OH)4
Minerales
LAMINARES
Estructura 1:1.
Dioctaédrica: Sin sustituciones. Espesor fijo (7 amstrong). Caolinita Al2 Si2 O5 (OH)4
Trioctaédrica: Sin sustituciones. Espesor fijo (7 amstrong). Serpentina Mg3 Si2 O5 (OH)4
Estructura 2:1.
Dioctaédrica: Sin sustituciones. Espesor fijo (9 amstrong). Pirofilita Al2 Si4 O10 (OH)2
Dioctaédrica: Con sustituciones en la capa tetraédrica. Espesor fijo (10 amstrong). Moscovita K Al2 (Si3 Al) O10 (OH)2
Dioctaédrica: Con sustituciones en la capa octaédrica. Espesor variable (10-18 amstrong). Montmorillonita Na0,4 (Al1,6 Mg0,4)
Si4 O10 (OH)2
Trioctaédrica: Sin sustituciones. Espesor fijo (9 amstrong). Talco Mg3 Si4 O10 (OH)2
Trioctaédrica: Con sustituciones en la capa tetraédrica. Espesor fijo (10 amstrong). Flogopita K Mg3 (Si3 Al) O10 (OH)2
Trioctaédrica: Con sustituciones en la capa octaédrica. Espesor variable (10-18 amstrong). Hectorita Na0,4 (Mg2,6 Li0,4) Si4 O10
(OH)2
Dioctaédrica y trioctaédrica: Con sustituciones en la capa tetraédrica y octaédrica. Espesor variable (10-14 amstrong).
Vermiculita. Fórmula variable.
Estructura 2:1+1. Espesor basal de las láminas a 14 amstrong.
Trioctaédricas y dioctaédricas. Con sustituciones en ambas capas. Espesor fijo (14 amstrong). Cloritas. Fórmula variable.
FIBROSOS
Sepiolita. Estructura 2:1 con giro de los tetraedros y octaedros cada seis. Espesor variable (12-10 amstrong).
Paligorsquita. Estructura 2:1 con giro de los tetraedros y octaedros cada cuatro. Espesor fijo (10,5 amstrong).