Minerale argiloase

Caracteristici generale

Structura mineralelor argiloase a fost determinată în mare parte prin metode de difracție de raze X. Caracteristicile esențiale ale silicaților cu strat hidratant au fost dezvăluite de diverși oameni de știință, printre care Charles Mauguin, Linus C. Pauling, W.W. Jackson, J. West și John W. Gruner, de la sfârșitul anilor 1920 până la mijlocul anilor 1930. Aceste caracteristici sunt foițe tetraedrice bidimensionale continue de compoziție Si2O5, cu tetraedre de SiO4 (figura 1) legate prin împărțirea a trei colțuri ale fiecărui tetraedru pentru a forma un model de plasă hexagonală (figura 2A). Frecvent, atomii de siliciu din tetraedre sunt înlocuiți parțial cu aluminiu și, într-o măsură mai mică, cu fier feric. Oxigenul apical din cel de-al patrulea colț al tetraedrelor, care este de obicei orientat normal la foaie, face parte dintr-o foaie octaedrică adiacentă în care octaedrele sunt legate prin împărțirea marginilor (figura 3). Planul de joncțiune dintre foaia tetraedrică și cea octaedrică este format din atomii de oxigen apicali comuni ai tetraedrelor și din hidroxilii neîmpărțiți care se află în centrul fiecărui inel hexagonal al tetraedrelor și la același nivel cu atomii de oxigen apicali comuni (figura 4). Cationii comuni care coordonează foile octaedrice sunt Al, Mg, Fe3+ și Fe2+; ocazional, Li, V, Cr, Mn, Ni, Cu și Zn îi înlocuiesc în cantități considerabile. Dacă în foițele octaedrice se află cationi divalenți (M2+), compoziția este M2+/3 (OH)2O4 și toți octaedrii sunt ocupați. Dacă există cationi trivalenți (M3+), compoziția este M3+/2 (OH)2O4 și două treimi din octaedre sunt ocupate, cu absența celui de-al treilea octaedru. Primul tip de foaie octaedrică se numește trioctaedrică, iar cel de-al doilea dihotaedrică. În cazul în care toate grupele anionice sunt ioni hidroxil în compozițiile foilor octaedrice, foile rezultate pot fi exprimate prin M2+(OH)2 și, respectiv, M3+(OH)3. Astfel de foițe, numite foițe de hidroxid, apar singure, alternând cu straturi de silicați în unele minerale argiloase. Brucita, Mg(OH)2, și gibbsita, Al(OH)3, sunt exemple tipice de minerale cu structuri similare. Există două tipuri majore pentru „coloana vertebrală” structurală a mineralelor de argilă numite straturi de silicat. Stratul de silicat unitar format prin alinierea unei foițe octaedrice la o foiță tetraedrică este denumit strat de silicat 1:1, iar suprafața expusă a foiței octaedrice este formată din hidroxilii. Într-un alt tip, stratul unitar de silicat este format dintr-o foaie octaedrică intercalată de două foi tetraedrice care sunt orientate în direcții opuse și este denumit strat de silicat 2:1 (figura 5). Aceste caracteristici structurale sunt însă limitate la aranjamente geometrice idealizate.

Structurile reale ale mineralelor argiloase conțin tensiuni și distorsiuni substanțiale ale cristalelor, care produc neregularități precum octaedre și tetraedre deformate, mai degrabă decât poliedre cu fețe triunghiulare echilaterale, simetrie ditrigonală modificată față de simetria de suprafață hexagonală ideală și suprafețe încrețite în locul planurilor plane alcătuite de atomii de oxigen bazali ai foii tetraedrice. Una dintre cauzele majore ale acestor distorsiuni este reprezentată de „nepotrivirile” dimensionale dintre foile tetraedrice și octaedrice. Dacă foaia tetraedrică conține numai siliciu în situsul cationic și are o simetrie hexagonală ideală, dimensiunea unitară mai lungă în planul bazal este de 9,15 Å, care se situează între dimensiunile corespunzătoare 8,6 Å ale gibbsitului și 9,4 Å ale brucitei. Pentru a încadra foaia tetraedrică în dimensiunea foii octaedrice, tetraedrele alternative de SiO4 se rotesc (până la un maxim teoretic de 30°) în direcții opuse pentru a distorsiona matricea hexagonală ideală într-o matrice dublu triunghiulară (ditrigonală) (Figura 2B). Prin acest mecanism de distorsiune, foițele tetraedrice și octaedrice dintr-o gamă largă de compoziții rezultate din substituții ionice se pot lega între ele și pot menține straturile de silicat. Dintre substituțiile ionice, cele dintre ioni de dimensiuni distinct diferite afectează cel mai semnificativ configurațiile geometrice ale straturilor de silicat.

O altă caracteristică semnificativă a silicaților stratificați, datorită similitudinii structurilor de foițe și simetriei hexagonale sau aproape hexagonale, este că structurile permit diverse moduri de a suprapune planurile atomice, foițele și straturile, care pot fi explicate prin operații cristalografice, cum ar fi translația sau deplasarea și rotația, distingându-i astfel de polimorfi (de exemplu, diamant-grafit și calcite-aragonit). Primele implică variații unidimensionale, dar cele din urmă sunt în general tridimensionale. Varietatea de structuri care rezultă din diferite secvențe de stivuire a unei compoziții chimice fixe sunt denumite politropuri. În cazul în care o astfel de varietate este cauzată de substituții ionice minore, dar consistente, acestea se numesc politipoide.

.