Características gerais
A estrutura dos minerais argilosos tem sido determinada em grande parte por métodos de difração de raios X. As características essenciais dos silicatos de camada hidratada foram reveladas por vários cientistas, incluindo Charles Mauguin, Linus C. Pauling, W.W. Jackson, J. West e John W. Gruner durante o final da década de 1920 até meados da década de 1930. Estas características são folhas tetraédricas bidimensionais contínuas de composição Si2O5, com tetraedros SiO4 (Figura 1) ligados pela partilha de três cantos de cada tetraedro para formar um padrão de malha hexagonal (Figura 2A). Frequentemente, os átomos de silício dos tetraedros são parcialmente substituídos por alumínio e, em menor grau, ferro férrico. O oxigênio apical no quarto canto dos tetraedros, que normalmente é dirigido normalmente para a folha, faz parte de uma folha octaédrica adjacente na qual os octaedros estão ligados por bordas compartilhadas (Figura 3). O plano de junção entre as placas tetraédricas e octaédricas consiste nos átomos apicais de oxigénio partilhados dos tetraedros e hidroxilos não partilhados que se encontram no centro de cada anel hexagonal dos tetraedros e no mesmo nível dos átomos apicais de oxigénio partilhados (Figura 4). Os cátions comuns que coordenam as folhas octaédricas são Al, Mg, Fe3+ e Fe2+; ocasionalmente Li, V, Cr, Mn, Ni, Cu, e Zn substituem em quantidades consideráveis. Se cátions divalentes (M2+) estão nas folhas octaédricas, a composição é M2+/3 (OH)2O4 e todos os octaedros estão ocupados. Se há cátions trivalentes (M3+), a composição é M3+/2 (OH)2O4 e dois terços dos octaedros estão ocupados, com a ausência do terceiro octaedro. O primeiro tipo de octaedro é chamado de trioctaédrico, e o segundo de dioctaédrico. Se todos os grupos de ânions são íons hidroxila nas composições das folhas octaédricas, as folhas resultantes podem ser expressas por M2+(OH)2 e M3+(OH)3, respectivamente. Tais folhas, chamadas folhas de hidróxido, ocorrem isoladamente, alternando com camadas de silicato em alguns minerais argilosos. Brucite, Mg(OH)2, e gibbsite, Al(OH)3, são exemplos típicos de minerais com estruturas similares. Existem dois tipos principais para os “backbones” estruturais dos minerais argilosos chamados camadas de silicato. A unidade camada de silicato formado pelo alinhamento de uma folha octaédrica para uma folha tetraédrica é referido como uma camada de silicato 1:1, e a superfície exposta da folha octaédrica consiste em hidroxilos. Em outro tipo, a camada de silicato unitário consiste em uma folha octaédrica colada por duas folhas tetraédricas que são orientadas em direções opostas e é denominada camada de silicato 2:1 (Figura 5). Estas características estruturais, entretanto, estão limitadas a arranjos geométricos idealizados.
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Estruturas reais de minerais argilosos contêm estirpes cristalinas substanciais e distorções, que produzem irregularidades como octaedros e tetraedros deformados em vez de poliedros com faces triangulares equiláteras, simetria ditrigonal modificada a partir da simetria hexagonal ideal da superfície, e superfícies enrugadas em vez dos planos planos planos compostos pelos átomos basais de oxigênio da folha tetraédrica. Uma das principais causas de tais distorções é o “desajuste” dimensional entre as chapas tetraédricas e octaédricas. Se a folha tetraédrica contém apenas silicone no local catiónico e tem uma simetria hexagonal ideal, a dimensão unitária mais longa dentro do plano basal é 9,15 Å, que se situa entre as dimensões correspondentes 8,6 Å de gibbsite e 9,4 Å de brucite. Para encaixar a folha tetraédrica na dimensão da folha octaédrica, alternar os tetraedros SiO4 (até um máximo teórico de 30°) em direcções opostas para distorcer a matriz hexagonal ideal numa matriz duplamente triangular (ditrigonal) (Figura 2B). Por este mecanismo de distorção, folhas tetraédricas e octaédricas de uma ampla gama de composições resultantes de substituições iônicas podem se ligar e manter camadas de silicato. Entre as substituições iônicas, aquelas entre íons de tamanhos distintos afetam mais significativamente as configurações geométricas das camadas de silicato.
Outra característica significativa dos silicatos de camadas, devido à sua semelhança em estruturas de chapas e simetria hexagonal ou quase hexagonal, é que as estruturas permitem várias formas de empilhar planos atômicos, chapas e camadas, que podem ser explicadas por operações cristalográficas como translação ou deslocamento e rotação, distinguindo-as assim dos polimorfos (por exemplo, diamante-grafite e calcita-aragonite). A primeira envolve variações unidimensionais, mas a segunda geralmente tridimensional. A variedade de estruturas resultantes de diferentes sequências de empilhamento de uma composição química fixa são denominadas polimorfos. Se tal variedade é causada por substituições iônicas que são menores mas consistentes, elas são chamadas politóides.