Mineral de arcilla

Características generales

La estructura de los minerales de arcilla se ha determinado en gran medida mediante métodos de difracción de rayos X. Las características esenciales de los silicatos de capas hidrosolubles fueron reveladas por varios científicos, entre ellos Charles Mauguin, Linus C. Pauling, W.W. Jackson, J. West y John W. Gruner, desde finales de la década de 1920 hasta mediados de la de 1930. Estas características son láminas tetraédricas bidimensionales continuas de composición Si2O5, con tetraedros de SiO4 (Figura 1) unidos por el reparto de tres esquinas de cada tetraedro para formar un patrón de malla hexagonal (Figura 2A). Con frecuencia, los átomos de silicio de los tetraedros están parcialmente sustituidos por aluminio y, en menor medida, por hierro férrico. El oxígeno apical de la cuarta esquina de los tetraedros, que suele dirigirse de forma normal a la lámina, forma parte de una lámina octaédrica adyacente en la que los octaedros están unidos compartiendo aristas (Figura 3). El plano de unión entre las láminas tetraédricas y octaédricas está formado por los átomos de oxígeno apicales compartidos de los tetraedros y los hidroxilos no compartidos que se encuentran en el centro de cada anillo hexagonal de los tetraedros y al mismo nivel que los átomos de oxígeno apicales compartidos (Figura 4). Los cationes comunes que coordinan las láminas octaédricas son Al, Mg, Fe3+ y Fe2+; ocasionalmente Li, V, Cr, Mn, Ni, Cu y Zn los sustituyen en cantidades considerables. Si hay cationes divalentes (M2+) en las láminas octaédricas, la composición es M2+/3 (OH)2O4 y todos los octaedros están ocupados. Si hay cationes trivalentes (M3+), la composición es M3+/2 (OH)2O4 y dos tercios de los octaedros están ocupados, con la ausencia del tercer octaedro. El primer tipo de hoja octaédrica se denomina trioctaédrica y el segundo dioctaédrica. Si todos los grupos aniónicos son iones hidroxilos en las composiciones de láminas octaédricas, las láminas resultantes pueden expresarse por M2+(OH)2 y M3+(OH)3, respectivamente. Tales láminas, denominadas láminas de hidróxido, se presentan solas, alternando con capas de silicato en algunos minerales de arcilla. La brucita, Mg(OH)2, y la gibbsita, Al(OH)3, son ejemplos típicos de minerales con estructuras similares. Hay dos tipos principales para las «columnas vertebrales» estructurales de los minerales de arcilla, llamadas capas de silicato. La capa de silicato unitaria formada por la alineación de una hoja octaédrica con una hoja tetraédrica se denomina capa de silicato 1:1, y la superficie expuesta de la hoja octaédrica está formada por hidroxilos. En otro tipo, la capa de silicato unitaria consiste en una lámina octaédrica intercalada por dos láminas tetraédricas orientadas en direcciones opuestas y se denomina capa de silicato 2:1 (Figura 5). Estas características estructurales, sin embargo, se limitan a disposiciones geométricas idealizadas.

Las estructuras reales de los minerales de arcilla contienen importantes deformaciones y distorsiones de los cristales, que producen irregularidades como octaedros y tetraedros deformados en lugar de poliedros con caras de triángulos equiláteros, simetría ditrigonal modificada a partir de la simetría superficial hexagonal ideal, y superficies fruncidas en lugar de los planos planos formados por los átomos de oxígeno basales de la lámina tetraédrica. Una de las principales causas de estas distorsiones son los «desajustes» dimensionales entre las láminas tetraédricas y octaédricas. Si la lámina tetraédrica contiene sólo silicio en el sitio catiónico y tiene una simetría hexagonal ideal, la dimensión unitaria más larga dentro del plano basal es de 9,15 Å, que se encuentra entre las dimensiones correspondientes 8,6 Å de la gibbsita y 9,4 Å de la brucita. Para encajar la lámina tetraédrica en la dimensión de la lámina octaédrica, los tetraedros de SiO4 alternos giran (hasta un máximo teórico de 30°) en direcciones opuestas para distorsionar la matriz hexagonal ideal en una matriz doblemente triangular (ditrigonal) (Figura 2B). Mediante este mecanismo de distorsión, las láminas tetraédricas y octaédricas de una amplia gama de composiciones resultantes de sustituciones iónicas pueden unirse y mantener las capas de silicato. Entre las sustituciones iónicas, las que se producen entre iones de tamaños claramente diferentes son las que más afectan a las configuraciones geométricas de las capas de silicato.

Otra característica significativa de los silicatos de capa, debido a su similitud en las estructuras de las láminas y a su simetría hexagonal o casi hexagonal, es que las estructuras permiten varias formas de apilar los planos atómicos, las láminas y las capas, que pueden explicarse mediante operaciones cristalográficas como la traslación o el desplazamiento y la rotación, lo que las distingue de los polimorfos (por ejemplo, el diamante-grafito y la calcita-aragonita). Los primeros implican variaciones unidimensionales, pero los segundos suelen ser tridimensionales. La variedad de estructuras resultantes de diferentes secuencias de apilamiento de una composición química fija se denominan polimorfos. Si dicha variedad está causada por sustituciones iónicas menores pero consistentes, se denominan politípos.