Minerale di argilla

Caratteristiche generali

La struttura dei minerali di argilla è stata determinata in gran parte dai metodi di diffrazione dei raggi X. Le caratteristiche essenziali dei silicati idrostrati sono state rivelate da vari scienziati tra cui Charles Mauguin, Linus C. Pauling, W.W. Jackson, J. West e John W. Gruner tra la fine degli anni 20 e la metà degli anni 30. Queste caratteristiche sono fogli tetraedrici bidimensionali continui di composizione Si2O5, con tetraedri SiO4 (Figura 1) collegati dalla condivisione di tre angoli di ogni tetraedro per formare un modello di maglia esagonale (Figura 2A). Spesso, gli atomi di silicio dei tetraedri sono parzialmente sostituiti da alluminio e, in misura minore, da ferro ferrico. L’ossigeno apicale al quarto angolo dei tetraedri, che di solito è diretto normalmente al foglio, fa parte di un foglio ottaedrico adiacente in cui gli ottaedri sono collegati da bordi di condivisione (Figura 3). Il piano di giunzione tra i fogli tetraedrici e ottaedrici è costituito dagli atomi di ossigeno apicali condivisi dei tetraedri e dagli idrossili non condivisi che si trovano al centro di ogni anello esagonale dei tetraedri e allo stesso livello degli atomi di ossigeno apicali condivisi (Figura 4). I cationi comuni che coordinano i fogli ottaedrici sono Al, Mg, Fe3+ e Fe2+; occasionalmente Li, V, Cr, Mn, Ni, Cu e Zn si sostituiscono in quantità considerevoli. Se i cationi divalenti (M2+) sono nei fogli ottaedrici, la composizione è M2+/3 (OH)2O4 e tutti gli ottaedri sono occupati. Se ci sono cationi trivalenti (M3+), la composizione è M3+/2 (OH)2O4 e due terzi degli ottaedri sono occupati, con l’assenza del terzo ottaedro. Il primo tipo di foglio ottaedrico è chiamato triottaedrico e il secondo dioctaedrico. Se tutti i gruppi anionici sono ioni idrossile nelle composizioni di fogli ottaedrici, i fogli risultanti possono essere espressi da M2+(OH)2 e M3+(OH)3, rispettivamente. Tali fogli, chiamati fogli di idrossido, si presentano singolarmente, alternati a strati di silicato in alcuni minerali argillosi. Brucite, Mg(OH)2, e gibbsite, Al(OH)3, sono esempi tipici di minerali con strutture simili. Ci sono due tipi principali per le “colonne portanti” strutturali dei minerali argillosi chiamate strati di silicato. Lo strato unitario di silicato formato dall’allineamento di un foglio ottaedrico a un foglio tetraedrico è detto strato di silicato 1:1, e la superficie esposta del foglio ottaedrico consiste di idrossili. In un altro tipo, lo strato unitario di silicato è costituito da un foglio ottaedrico affiancato da due fogli tetraedrici orientati in direzioni opposte e viene definito strato di silicato 2:1 (Figura 5). Queste caratteristiche strutturali, tuttavia, sono limitate a disposizioni geometriche idealizzate.

Le strutture reali dei minerali argillosi contengono deformazioni e distorsioni cristalline sostanziali, che producono irregolarità come ottaedri e tetraedri deformati piuttosto che poliedri con facce a triangoli equilateri, simmetria ditrigonale modificata rispetto alla simmetria superficiale esagonale ideale, e superfici increspate invece dei piani piatti costituiti dagli atomi di ossigeno basali del foglio tetraedrico. Una delle cause principali di tali distorsioni sono i “disadattamenti” dimensionali tra i fogli tetraedrici e ottaedrici. Se il foglio tetraedrico contiene solo silicio nel sito cationico e ha una simmetria esagonale ideale, la dimensione unitaria più lunga all’interno del piano basale è 9,15 Å, che si trova tra le dimensioni corrispondenti 8,6 Å della gibbsite e 9,4 Å della brucite. Per inserire il foglio tetraedrico nella dimensione del foglio ottaedrico, i tetraedri alternati di SiO4 ruotano (fino a un massimo teorico di 30°) in direzioni opposte per distorcere la matrice esagonale ideale in una matrice doppiamente triangolare (ditrigonale) (Figura 2B). Con questo meccanismo di distorsione, fogli tetraedrici e ottaedrici di una vasta gamma di composizioni risultanti da sostituzioni ioniche possono collegarsi tra loro e mantenere strati di silicato. Tra le sostituzioni ioniche, quelle tra ioni di dimensioni nettamente diverse influenzano più significativamente le configurazioni geometriche degli strati di silicato.

Un’altra caratteristica significativa dei silicati a strati, a causa della loro somiglianza nelle strutture dei fogli e nella simmetria esagonale o quasi esagonale, è che le strutture permettono vari modi di impilare piani atomici, fogli e strati, che possono essere spiegati da operazioni cristallografiche come la traduzione o lo spostamento e la rotazione, distinguendoli così dai polimorfi (ad esempio, diamante-grafite e calcite-aragonite). Il primo comporta variazioni unidimensionali, ma il secondo generalmente tridimensionale. La varietà di strutture risultanti da diverse sequenze di impilamento di una composizione chimica fissa sono chiamate politipi. Se tale varietà è causata da sostituzioni ioniche minori ma consistenti, si chiamano politipi.