TODO SOBRE ARCILLAS

Definición de Arcilla

• La palabra arcilla proviene del latín “argilla” y ésta del griego “argos” o “argilos” (=blanco), por el color utilizado en cerámica.

• Según su acepción edafológica, es un producto natural originado a partir de la meteorización de las rocas, cuyas partículas son generalmente de tamaño inferior a 2µm, constituido principalmente por aluminosilicatos de origen secundario (minerales propios de la arcilla) y componentes accesorios, primarios, secundarios u orgánicos en el cual radica gran parte de la actividad fisicoquímica del suelo.

Características de las arcillas• Están constituidas en su mayoría por Filosilicatos, en especial de silicatos de

aluminio hidratados (Al2O3 · 2SiO2 · H2O). Presentando en algunas ocasiones, silicatos de magnesio, hierro u otros metales, también hidratados. Estos minerales tienen una estructura cristalina definida, cuyos átomos se disponen en láminas: silícica y alumínica.

• La unidad cristalográfica fundamental en las arcillas – como en todos los silicatos – es el grupo aniónico [SiO4]4- (siloxano). Intervienen además otros cationes (Ca2+, Mg2+, Al3+, K+, Na+, Fe3+, Fe2+, H+, etc.).

• Todas las arcillas tienen dos estructuras en común:

Ambas disposiciones se ordenan en forma planar dando lugar al esqueleto de la arcilla.

Tetraedro de SiO4—Lámina silícica Tetraedro de Al2O6—Lámina alumínica

• La arcilla no es una substancia única; es una fracción heterogénea constituida por aluminosilicatos cristalinos o amorfos definidos como minerales propios de la arcilla; y minerales no arcillosos o acompañantes (fitolitos) tales como óxidos de hierro, óxidos de titanio, aluminio cristalinos o amorfos, entre otros.

• Desde el punto de vista edafológico, las arcillas tienden a formar soluciones coloidales, tienen plasticidad al combinarse con cierta cantidad de agua, capacidad de retener más o menos agua e intercambiar iones o moléculas, formación de agregados, etc. Presenta diversas coloraciones según las impurezas que contiene, siendo blanca cuando es pura.

• Poseen sustituciones isomórficas, las cuales dan lugar a la aparición de carga en las láminas y a la presencia de cationes débilmente ligados en el espacio interlaminar.

Fisicoquímica de las arcillas

Una de las teorías más comunes desarrolladas para explicar la estructura interna de las arcillas es:

“La superficie de cada partícula de suelo posee carga eléctrica negativa de esta forma

atrae a los iones positivos del agua”

También atrae a cationes de diferentes elementos: Sodio, Potasio, Calcio, Magnesio, Aluminio, Hierro.

• Las moléculas del agua son polarizadas, es decir funcionan por medio de dipolos permanentes, por esta razón se dice que el agua siempre podrá atraer otro volumen de agua, y el agua adsorbida aumenta con la carga eléctrica de cada catión. Por lo anterior las partículas del suelo atraen los cationes se ve reforzada por la película de agua ligada a la partícula.

• Los científicos Winterkorn y Baver descubrieron que la película de agua adherida al cristal de arcilla varía con respecto a la presión, diciendo que cuando la presión aumentaba a más de 6000kg/cm2 su punto de congelamiento ya no era a cero grado, por tanto las arcillas adheridas a esas partículas tienen propiedades de hielo; mientras que partículas de agua que no se encuentran cerca a la arcilla tienen propiedades intermedias y se comportan como un fluido de alta viscosidad.

Intercambio catiónico

• La capacidad de intercambio catiónico (CIC) expresa la cantidad de bases adsorbidas en las partículas de arcilla capaces de ser removidas. Se expresa en miliequivalentes cada 100 gramos de muestra.

• Las arcillas pueden cambiar los cationes adheridos a ellas, si se hace que circule a través de ellas una solución del catión que se desee agregar.

• Algunas arcillas son menos sensibles al intercambio de cationes como la caolinitas mientras que otras poseen más posibilidades de intercambio como montmorilonitas y las ilitas.

• La capacidad de intercambio crece con el grado de acidez de los cristales, es decir que si el PH del suelo es menor, la actividad catiónica se hace más notable, también influye en la capacidad de intercambio la concentración que circule por la masa de suelo.

Relaciones entre las fases sólida y líquida de una arcilla

Anteriormente se creía que los minerales de arcilla eran de naturaleza amorfa pero por el contrario se ha demostrado que son cristalinos altamente estructurados; por tanto la relación de estos cristales y el agua han adquirido un gran significado para el estudio de los comportamientos macrofísicos de las arcillas.

Nexos PrimariosLos nexos primarios que ocurren entre los átomos de un cristal de arcilla son los siguientes:

• NEXOS IONICOS. Se establece entre dos átomos que tengan incompleto el número de electrones en sus bandas más exteriores sucede que uno de los átomos pierde electrones de su banda externa que pasaran a ocupar lugares de los electrones faltantes en la banda externa del otro. Los átomos que pierden o ganan uno o más electrones por este mecanismo se denominan iones y poseen carga eléctrica desbalanceada, positiva o negativa dependiendo que haya ganado o perdido electrones.

• NEXOS COVALENTES. Ocurre entre dos átomos donde cada uno la falta uno o más electrones en sus bandas extremas. En estos casos se comparten electrones con un átomo vecino.

• NEXOS A TRAVES DE UN NUCLEO DE HIDROGENO. El núcleo del átomo de hidrogeno, con su carga positiva puede ejercer fuerzas de cierta consideración sobre átomos, iones, o moléculas vecinas. Este nexo así establecido a través del núcleo de hidrogeno resulta más débil que lo iónica o que la covalente y cuando se establece entre dos láminas de las que constituyen un cristal de arcilla producen uniones relativamente débiles y no muy estables.

Nexos Secundarios

• Se conoce por este nombre aquellos nexos que se establecen entre las moléculas y a ellos corresponden niveles de energía relativamente bajos en comparación con los átomos.

• Este es el nexo más importante porque trata de la existencia de las llamadas fuerzas de van der Waals que son hasta cierto punto consecuencia de la naturaleza polar de las moléculas de muchas sustancias.

• En este tipo de moléculas los centros de carga positiva y negativa no coinciden, por ello la molécula en conjunto funciona como un dipolo permanentemente. Entonces los nexos secundarios pueden establecerse entre cualquier tipo de molécula, sean pertenecientes al propio cristal del suelo, unas al cristal y otras al agua que lo rodea, ambas al agua o bien que ocurra entre moléculas y los iones en solución.

Relaciones entre las partículas cristalinas de arcilla y el agua

• Hay relaciones existentes entre los cristales de arcilla que forman la estructura sólida del suelo y el agua que las rodea. Estas relaciones de tipo químico-eléctrico han sido poco estudiadas y aquellas que se han puesto en la tarea de hacerlo han llegado a encontrar interpretaciones bastante contradictorias.

• Este inciso refiere mucho acerca de la formación de una capa entorno al cristal de arcilla sumergido en agua donde se hace un enfoque a que las cargas eléctricas ya sean negativas o positivas sean estables o sea ideales para entender la atracción o repulsión que se presenten en las partículas cristalinas de las arcillas.

FORMACION DE LA DOBLE CAPA EN TORNO A UN CRISTAL DE ARCILLA

SUMERGIDO EN AGUA

Origen de las Arcillas

Una cuestión importante en la formación del suelo es la génesis de los minerales más característicos del mismo: las arcillas. En concreto, la formación de los minerales de la arcilla en este ambiente está íntimamente ligada a reacciones de hidrólisis de los minerales silicatados de las rocas.

Estas reacciones pueden desarrollarse en el medio hidrotermal (durante la formación de un depósito mineral), o como procesos exógenos (bajo condiciones atmosféricas), una vez que las rocas por erosión se encuentran en la superficie o su proximidad. El CO2 disuelto en el agua de lluvia o de los ríos puede desencadenar una serie de procesos hidrolíticos:

CO2 + H2O →H2CO3

El ácido carbónico así formado reacciona con los feldespatos, induciendo la formación de minerales del grupo de la arcilla. A continuación ilustramos este tipo de reacciones con tres ejemplos conducentes a la formación de caolinita, Al2Si2O5(OH)4:

1) Hidrólisis de anortita (plagioclasa cálcica):

CaAl2Si2O8 + 2 H2CO3 + H2O → Ca2+ + 2 HCO3- + Al2Si2O5(OH)4

2) Hidrólisis de la albita (plagioclasa sódica):

2 NaAlSi3O8 + 2 H2CO3 + 9 H2O →2 Na+ + 2 HCO3- + Al2Si2O5(OH)4 + 4 H2SiO4

3) Hidrólisis de la ortoclasa (feldespato potásico):

2 KAlSi3O8 + 2 H2CO3 + 9 H2O → 2 K+ + 2 HCO3- + Al2Si2O5(OH)4 + 4 H2SiO4

Se considera que las arcillas pueden formarse en tres ambientes mayores:

a) Ambiente de meteorización

b) Ambiente sedimentario

c) Ambiente diagenético - hidrotermal

• El ambiente de meteorización incluye la génesis de arcillas por procesos físico-químicos, catalizados o no por agentes biológicos.

• El ambiente sedimentario se define como subacuático y generalmente marino.

• El ambiente diagenético-hidrotermal implica condiciones de soterramiento, aumento de presión y temperatura, así como la eventual participación de fluidos supercríticos. Los procesos de génesis de arcillas en ambientes sedimentarios y diagenético hidrotermales dan lugar a especies minerales que no podrían formarse en el ambiente de meteorización. Sin embargo, esas arcillas pueden heredarse a un suelo actual.

El clima, a través de los parámetros de humedad y temperatura, controla fuertemente el proceso formador de arcillas a partir de los silicatos. Así, en condiciones de humedad y calor la hidrólisis dará lugar a arcillas caoliníticas, e incluso a un residuo final de gibbsita, Al(OH)3. Por el contrario, en climas áridos la arcilla predominante resulta ser del tipo illita-esmectita. Las figuras adjuntas ilustran la complejidad de variables implicadas.

Roca alterada a arcillas caoliníticas. Note el blanqueo de la roca.

Tipos y espesores característicos de suelos formados en las distintas zonas

climáticas.

Es posible que se presenten varias reacciones dependiendo de la intensidad de la meteorización y la presencia de otros cationes como el Mg++. En la alteración de la ortosa, parte del ácido silícico y el aluminio puede recombinarse y, en presencia de agua, formar arcilla:

La arcilla es el material sólido resultante de la reacción expuesta, mientras que el ácido silícico y el hidróxido de potasio están en solución y puede ser lavado, o parte del potasio puede ser absorbido por la arcilla y posteriormente ser liberado.

Clasificación de los minerales de las arcillas

Las arcillas constituyen familias cuyas variedades van a depender de sus características químicas, y éstas al modificarse determinan sus propiedades físicas, causadas a lo largo de sus fases de alteración, de transporte, de sedimentación y de diagénesis ocurriendo fenómenos de degradación (pérdida de iones, desorganización de hojas) y/o agradación (fijación de iones, reorganización de las hojas).

Laminares

• Estructura 1:1. Grupo Caolinita

1. Dioctaédrica: Sin sustituciones. Espesor fijo (7 amstrong). Caolinita Al2 Si2 O5 (OH)4

2. Trioctaédrica: Sin sustituciones. Espesor fijo (7 amstrong). Serpentina Mg3 Si2 O5 (OH)4

• Estructura 2:1. Grupo de las esmectitas.

1.Dioctaédrica: Sin sustituciones. Espesor fijo (9 amstrong). Pirofilita Al2 Si4 O10 (OH)2

1.1. Dioctaédrica: Con sustituciones en la capa tetraédrica. Espesor fijo (10 amstrong). Moscovita K Al2 (Si3 Al) O10 (OH)2

1.2. Dioctaédrica: Con sustituciones en la capa octaédrica. Espesor variable (10-18 amstrong). Montmorillonita Na0,4 (Al1,6 Mg0,4) Si4 O10 (OH)2

2. Trioctaédrica: Sin sustituciones. Espesor fijo (9 amstrong). Talco Mg3 Si4 O10 (OH)2

2.1. Trioctaédrica: Con sustituciones en la capa tetraédrica. Espesor fijo (10 amstrong). Flogopita K Mg3 (Si3 Al) O10 (OH)2

2.2. Trioctaédrica: Con sustituciones en la capa octaédrica. Espesor variable (10-18 amstrong). Hectorita Na0,4 (Mg2,6 Li0,4) Si4 O10 (OH)2

3. Dioctaédrica y trioctaédrica: Con sustituciones en la capa tetraédrica y octaédrica. Espesor variable (10-14 amstrong). Vermiculita. Fórmula variable.• Estructura 2:1+1. Grupo de las micas.

1. Trioctaédricas y dioctaédricas. Con sustituciones en ambas capas. Espesor fijo (14 amstrong). Cloritas. Fórmula variable.

Fibrosos1. Sepiolita. Estructura 2:1 con giro de los tetraedros y octaedros cada seis. Espesor variable (12-10 amstrong).

2. Paligorsquita. Estructura 2:1 con giro de los tetraedros y octaedros cada cuatro. Espesor fijo (10,5 amstrong).

Minerales de arcilla más importantes

• Mineral de Arcilla Caolinita.- Los minerales de este grupo tienen una estructura reticular característica, que es común a todos ellos. La caolinita es el constituyente más abundante de los depósitos residuales de arcilla. Sus características técnicas más sobresalientes: son estables, son inexpansibles, son de mediana plasticidad, poseen ángulo de fricción interna alta, cuando se encuentra impura son inestables y expansibles.

• Mineral de Arcilla Ilita.- El grupo de las ilitas está constituido por diversos minerales parecidos a la mica muscovita. Es también la arcilla más abundante en los depósitos sedimentarios antiguos y es el material arcilloso predominante en las lutitas. Características: medianamente inestables, medianamente inexpansibles, mediana plasticidad, ángulo de fricción interna media.

• Mineral de Arcilla Montmorilonita.- Los minerales de este grupo difieren de las ilitas en que tienen una estructura en forma de enrejado. Los minerales de este grupo son especialmente abundantes en arcillas derivadas de cenizas volcánicas intemperizadas. Características: son arcillas muy inestables, medianamente inexpansibles, alta plasticidad, ángulo de fricción muy baja, sometidas a fuertes agrietamientos cuando se encuentra en proceso de desecación.

Identificación de los minerales de las arcillas:-Rayos x

-Balance térmico de las arcillas-Microscopio electrónico

Tipos de arcilla

Pueden ser de dos clases, según su procedencia:

• Primarias o residuales: Formadas in situ, o sea, donde se desintegró la roca. Contienen partículas sin ninguna clasificación, desde caolinizadas hasta fragmentos de roca y minerales duros e inalterados.

• Secundarias o sedimentarias: Han sido transportadas y depositadas en pantanos, lagos, el océano, etc. Están clasificadas por tamaño debido al transporte.

Propiedades físicas y químicas de las arcillas

• Propiedades Físicas:

1. Elasticidad: Producida por la mezcla de la arcilla con una adecuada cantidad de agua.

2. Endurecimiento: Lo sufren a ser sometidas a la acción de calor.

3. Color: este se debe a la presencia de óxidos metálicos.

4. Absorción: Absorben materiales tales como aceites, colorantes, gases, etc.

• Propiedades químicas:

1. La arcilla pura es bastante resistente a la acción química de los reactivos; sin embargo, es atacada por algunos reactivos, sobre todo si se le aplican en condiciones apropiadas de presión, temperatura y concentración.

2. El ácido clorhídrico y el sulfúrico concentrados la descomponen a una temperatura de 250 a 300° C y actúan más lentamente sobre arcilla calcinada.

3. Algunos álcalis como sosa y potasa atacan el silicato alumínico si hay calentamiento prolongado y la transforman en silicatos dobles de sodio o potasio y aluminio.

4. El anhídrido bórico la trasforma en una masa vítrea (vitrificado) más atacable pro los reactivos químicos. Con mayor facilidad actúa el ácido fluorhídrico y los fluoruros ácidos formando fluoruro de Al y de Si.

Propiedades edafológicas de las arcillas

• Tamaño del grano. La característica física más importante de las arcillas es la finura de su grano. El orden de tamaño de las partículas arcillosas varía desde 0.005 mm hasta dimensiones coloidales, teniendo muchas partículas arcillosas un diámetro inferior a 0.0002 mm. La determinación exacta del tamaño de grano en las arcillas, no es fácil debido a la tendencia de éstas a agruparse o flocular. El orden de colocación que generalmente decrece con el tamaño del grano, es: harina de roca > caolinita > ilita > montmorilonita.

• Consolidación. Debido a que las aperturas entre las partículas de arcilla y el contenido de agua, relativamente alto, están propensas a la compactación o consolidación al soportar cargas. La consolidación de los suelos involucra perdidas de espacio poroso, con la correspondiente pérdida del gas o del agua contenidos en los poros. Hasta cierto punto, la consolidación incluye también un reacomodo de las partículas que componen el suelo.

• Contracción. La mayor parte de los suelos de arcilla natural tienden a encogerse cuando se secan, debido a la reducción de espacio poroso. La contracción puede originarse por pérdida de agua alrededor de los granos, o por pérdida de agua de la estructura de los minerales arcillosos y es mayor en las arcillas que contienen montmorilonita que en los otros tipos de suelos arcillosos.

• Intumescencia. Si los suelos arcillosos absorben agua, aumentan de volumen, fenómeno contrario al de contracción, independientemente de que la estructura del suelo es tan alterada por éste, que no alcanza a recuperar su volumen inicial. Algunas arcillas montmoriloníticas, como por ejemplo, la bentonita, que es una ceniza volcánica alterada, puede aumentar de volumen 1600% o más después de una prolongada empapada, en tanto que las arcillas caoliníticas aumentan cuando mucho un 10%.

• Permeabilidad. Las arcillas tienen baja permeabilidad. Las aperturas intergranulares son demasiado pequeñas para permitir una circulación rápida. Posiblemente la mayor cantidad de agua que penetra en la masa arcillosa llegue a través de grietas de contracción y desecación.

• Sensibilidad. Las partículas arcillosas poseen cargas eléctricas parecidas, por lo que originan mutua repulsión, siendo arrastradas a lo largo de las corrientes o dispersadas en un cuerpo de agua.

• Plasticidad: Se dice que un material es plástico cuando sometido a un esfuerzo es capaz de soportar deformaciones rápidas sin rebote elástico, sin variaciones volumétricas significativas, sin desmoronarse ni agrietarse y conservando la forma adquirida al cesar el esfuerzo.

Límite Plástico: Porcentaje de agua necesario para que comience a manifestarse la plasticidad. Se simboliza con LP.

Límite Líquido: Porcentaje de agua a partir del cual la arcilla deja de ser plástica, comportándose como un líquido (LL).

Índice de Plasticidad: Contenido de agua para una arcilla entre su LL y LP:

IP=LL-LP

Importancia de las arcillas

La arcilla es un constituyente fundamental que cuantifica la mayoría de las propiedades químicas, físicas o biológicas de los suelos.

El papel que la arcilla juega sobre las propiedades biológicas y bioquímicas determina una serie de efectos, tales como, la formación de complejos órganoarcillosos y la regulación del hábitat de los microorganismos del suelo.

Es condicionadora de la fertilidad del suelo, retención de nutrimentos catiónicos y aniónicos, disponibilidad de nutrimentos, en los movimientos del agua del suelo, estructura, fenómenos de intercambio iónico, salinidad y genético de los suelos.

Los minerales arcillosos son de gran importancia para los suelos. Ellos, por ejemplo son capaces de incorporar y nutrir el suelo con iones como el calcio, potasio o magnesio. Su capacidad de intercambio permite que en el suelo crezcan plantas una y otra vez; por su potencial de intercambio de nutrientes y por el contrario contaminantes.

Son constituyentes esenciales de gran parte de los suelos y sedimentos debido a que son, en su mayor parte, productos finales de la meteorización de los silicatos que, formados a mayores presiones y temperaturas, en el medio exógeno se hidrolizan.

Bibliografía

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