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• Omar Garcia Concha

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El término ARCILLA

Minerales de arcilla: características, propiedades y clasificación.

El término ARCILLA

– Una materia prima básica para la industria

– Material muy fino que al mezclarse con agua se torna muy plástico y moldeable.

El término ARCILLA Sedimentológicamente “arcilla” es un término granulométrico, que abarca los sedimentos con un tamaño de g grano inferior a 2 micrones. Bruce Railsback Professor, Department of Geology, University of Georgia

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El término ARCILLA Desde el punto de vista petrológico la arcilla es una roca sedimentaria, en la mayor parte de los casos de origen detrítico, con características bien definidas.

El término ARCILLA Suelos y sedimentos: Son constituyentes esenciales de gran parte de ellos 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 temperaturas, hidrolizan.

El término ARCILLA Desde el punto de vista mineralógico, mineralógico, engloba a un grupo de minerales (filosilicatos cuyas propiedades fisico--químicas fisico dependen de su estructura y de su tamaño de grano, muy fino (inferior a 2 mm).

El término ARCILLA En su acepción edafológica, el termino aplica a  un producto natural,  originado a partir de la meteorización de las rocas con partículas í l generalmente l de d tamaño ñ inferior a 2 micrones constituido principalmente por aluminosilicatos de origen secundario componentes accesorios,primarios, secundarios u orgánicos

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Características de las arcillas Otros materiales geológicos y biológicos tienen el mismo tamaño Cuarzo Muchos de Ceolitas ellos se Sulfatos Hidróxidos estudian d all Oxidos analizar la Oxidos hidratados mineralogía de Compuestos amorfo las arcillas Procariotas Virus

El término ARCILLA

AIPEA Y CMS 1995

• Excluye los materiales sintéticos • Se complica incluir en la definición de un grupo de minerales el tamaño de grano • Además … que es “grano fino???” – Geólogos intercambiaintercambia -> Vermiculitas con Mg

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Illitas

Mineralogía de las arcillas

CLASIFICACIÓN DE FILOSILICATOS Tipo de lámina

Grupo

Subgrupo

Especies

1:1

SERPENTINA-CAOLÍN SERPENTINA(x=0)

Serpentina (Tr)

Crisotilo, antigorita Lizardita, bertierina Caolinita, dikita, nacrita, halloisita

Vermiculita

Caolín (Di)

2:1

TALCO-PIROFILITA TALCO(x=0) ESMECTITA (x de 0,2 a 0,6)

Talco (Tri) Pirofilita(Di) Esmectitas Tri ri Esmectitas Di.

VERMICULITA (x de 0,6 a 0,9)

Saponita hectorita Saponita,hectorita Montmorillonita Beidellita, nontronita

ILLITA (x>0,9)

Illitas Di.

Ilita, glauconita, celadonita

MICA (x = 1)

Micas Tri. Micas Di.

Biotita, Flogopita Moscovita, paragonita

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Arcillas 2:1: Vermiculita Similar a la Illita con todo el K removido Propiedades 1) Expandibles. Expandibles Gran cantidad de contracción y expansión 2) Alto CIC=150meq/100g

Arcillas 2:1: Vermiculita • Predominantemente aluminosas (Al3+ prevalece en octaedros) • Algunas veriedades con Mg • Alta sustitución de Si por Al en tetraedros • Alta CIC • Expandibilidad afectadapor cationes de intercapa

Arcillas 2:1: Vermiculita • Mg: alta energía de hidratación en la intercapa • La esfera de agua es difícil de remover de ese sitio • La vermiculita la “captura” fácilmente • Se usa para remediación de suelos ayudando a conservar la humedad!

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CLASIFICACIÓN DE FILOSILICATOS

Esmectitas

Tipo de lámina

Grupo

Subgrupo

Especies

1:1

SERPENTINA-CAOLÍN SERPENTINA(x=0)

Serpentina (Tr)

Crisotilo, antigorita Lizardita, bertierina Caolinita, dikita, nacrita, halloisita

Caolín (Di)

2:1

TALCO-PIROFILITA TALCO(x=0) ESMECTITA (x de 0,2 a 0,6)

Talco (Tri) Pirofilita(Di) Esmectitas Tri ri Esmectitas Di.

VERMICULITA (x de 0,6 a 0,9)

Arcillas 2:1

Con diferentes cationes de intercapa

Esmectitas (expandibles) 12 15Å 12-15Å Cationes hidratados intercambiables Cationes no hidratados

Saponita hectorita Saponita,hectorita Montmorillonita Beidellita, nontronita

ILLITA (x>0,9)

Illitas Di.

Ilita, glauconita, celadonita

MICA (x = 1)

Micas Tri. Micas Di.

Biotita, Flogopita Moscovita, paragonita

Esmectitas (2:1,expandibles) (2:1,expandibles) • Poca atracción entre oxigenos de las distintas capas, • Cationes de intercambio con o sin agua asociados, i d son atraídos a la intercapa: expansión hasta 17A Carga: muy alta, negativa, permanente

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Esmectitas (2:1,expandibles) (2:1,expandibles)

Esmectitas (2:1,expandibles) • Pueden provocar variaciones de hasta 30% en volumen del suelo (seco/mojado) • Generan profundas grietas • Provocan daños enormes a edificios, caminos y otras estructuras • Esmectitas de suelos – Alta carga – Alto contenido de Fe en capas octaédricas

Expansión-- contracción Expansión

Esmectitas (2:1,expandibles) • Dentro de la arcilla – Mg2+ pueden sustituir al Al+3 en las posiciones octaédricas – El Al3+ sustituye al Si4+ en las posiciones tetraédricas – Alta CIC ( muy bueno para nutrientes) – Alta superficie específica – Alto grado de combinacióncon otros minerales de arcilla ( interestratificados) • La arcilla mas común de este grupo es la montmorillonita

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Esmectitas (2:1,expandibles)

Esmectitas (2:1,expandibles) Ocurrencia Depresiones ( aguas con poco movimiento que recibin cationes lixiviados de zonas mas drenadas)

La expandibilidad impacta en : plasticidad, cohesión y “pegajosidad” de los materiales

Típica procedencia de alteración de micas

La esmectita es “pegajosa “ cuando está mojada y se endurece al secarse

Montmorillonite SEM

s2 http://webmineral.com/speci mens/picshow.php?id=1285

Montmorillonite SEM

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Diapositiva 80 s2

En la red hexagonal (seguiremos llamándola hexagonal, para simplificar, aunque ya sabemos que en realidad es ditrigonal) aparecerán huecos (posiciones no ocupadas por O) por exceso de cargas negativas (gobernadas por los cationes que se sitúen en el plano inmediatamente superior) susana_2, 16/02/2010

Esmectita

Esmectita

Esmectita

Cloritas

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Arcillas 2:1:1 Cloritas

Fe/Mg x Al Oc

Arcillas 2:1:1 Cloritas

14Å

Capa brucítica, Mg Hidrógeno

Enlace fuerte

Arcillas 2:1:1 Cloritas Heredadas de los minerales primarios Suelos poco o moderadamente meteorimeteorizados -> Depósitos recientes Inestables en ambientes ácidos Las variedades aluminosas son mas estables Pueden pasar a vermiculitas y esmectiesmectitas Difíciles de identificar Baja CIC Baja retención de agua

Clorita

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Clorita

Interestratificados (mixed ( layers) y )

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Interestratificados

Interestratificados Regulares Irregulares Illita /Esmectita Mica/vermiculita Clorita/Esmectita Caolinita/esmectita

Arcillas no laminares

Ó… Corrensita Especies bien definidas

Rectorita

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Sepiolita y paligorskita Palygorskita Sepiolita l

Sepiolita y palygorskita • • • •

Morfología microfibrosa CIC Alta superficie p f específica p f Alta capacidad de adsorción de agua

Arcillas no cristalinas

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Arcillas no cristalinas

Alofano

•Alofano

•Hidratado •Si:Al ratios 1:2 a 1:1 •Partículas esféricas o anulares, huecas, irregulares con diámetros de 3.5 a 5.0 nm. •Amorfo, precursor de arcillas •No tiene estructura ni composición definida •Carga variable (pH dependiente) •CIC 10 - 40 meq/l at pH 7.0

Arcillas no cristalinas •Imogolita •Más hidratada que el alofano • Si:Al ratios 1.05:1 to 1.15:1, •Partículas tubulares – Diametros internos: 10 Å – Diámetros externos: 20 Å •Amorfo, precursor de arcillas •Carga variable (pH dependiente) •CIC 17 meq/l at pH 7.0

Propiedades • Se relacionan a suelos en áreas volcánicas • Los suelos que tienen imogolita y alofano forman asociaciones muy complejas y estables con la materia orgánica, que protejen la fracción orgánioca de la degradación

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Mineralogía de las arcillas Sec. mineral

Type

Interlayer condition / Bonding

CEC [cmol/kg]

Swelling potential

Specific surface area [m2/g]

Kaolinite

1 : 1 (non(non exp)

lack of interlayer surface, strong bonding

3 - 15

almost none

5 - 20

0.72

Montmori llonite

2 : 1 (exp)

very weak bonding, great expansion

80 - 150

high

700 800

0.98 - 1.8 +

Vermiculi te

2 : 1 (exp)

weak bonding bonding, great expansion

100 -150 high

500 700

1.0 1 0 - 1.5 1 5 +

Hydrous Mica

2 : 1 (non(non exp)

partial loss of K, strong bonding

10 - 40

low

50 200

1.0

Chlorite

2 : 1 : 1 (non(nonexp)

moderate to strong bonding, non nonexpanding

10 - 40

none

1.4

-

10 - 50

-

-

Allophane -

Basal spacing [nm]

Mecanismos de formación y evolución de minerales de la arcilla

Transformación:El mineral conserva una parte sustancial de una estructura previa que ha sufrido f id un proceso d de ttransformación f ió química.Refleja información compleja

Mecanismos de formación y evolución de minerales de la arcilla

Herencia: Aparición en un depósito natural de un mineral formado en diferentes condiciones en otra área, porque mantiene su estabilidad ó la velocidad de transformación es muy baja.

Mecanismos de formación y evolución de minerales de la arcilla

Neoformación: “Precipitación” del mineral a partir ti se una solución l ió ó por reacción ió de d un material amorfo previo. Suministran información sobre el medio de sedimentación. Observables por aparición de morfologías características en MEB

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Herencia

Sin cambios Arcilla = material parental

TRANSFORM MACIONES

Rejuvenecimiento

Incorporación de K+ ó Mg+2 en el mineral levemente alterado Illita abierta + K+K+-Illita cerrada Vermiculita + Mg+2 Mg+2 clorita

Degradación

Pérdida de K+ ó Mg+2 Illita cerradacerrada-K+ K+  illita abierta Clorita –Mg+2— Mg+2—A> vermiculita

Agradación

Nuevo mineral con = estructura Illita abierta = illita cerrada – K+

Mineral diferente Illita abierta +Mg= clorita Mg Neoformación

Combinación de iones en solución

Propiedades de las arcillas • Estructura en capas con una dimensión en el orden de Amstrongs o de los nanómetros • 1:1 ( TO) alrededor de 0.7nm o 7 A • 2:1 ( T:O:T) de 1nm o 10 A a 1212 -14 14-15A • Existencia de varios tipos de superficies – Externas ( basales) – Internas ( intercapas)

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Propiedades de las arcillas Facilidad de las externas y a veces las internas para ser modificadas por adsorción, intercambio catiónico, captación) • Plasticidad • Endurecimiento o secado con calor ( a veces conferida por otras fases asociadas)

Técnicas analíticas

DRX SEM ( EDAX) MOSSBAUER IR ( FTIR) ATD FRX

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Como se estudian las arcillas?

Mineralogía de las arcillas FTIR por reflexión y transmsión, (FT FT-IR significa Fourier Transform InfraRed, ) Se basa en estudiar las vibraciones de los átomos en las moléculas. En las arcillas detecta composición química, sustituciones y modo de apilarse.

Estructura Composición

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Diapositiva 114 s6

En la red hexagonal (seguiremos llamándola hexagonal, para simplificar, aunque ya sabemos que en realidad es ditrigonal) aparecerán huecos (posiciones no ocupadas por O) por exceso de cargas negativas (gobernadas por los cationes que se sitúen en el plano inmediatamente superior) susana_2, 16/02/2010

Mineralogía de las arcillas EM ( espectroscopía Mossbauer) oSe basa en analizar como resuenan los átomos de la molécula que se estudia al hacer resonar un isótopo p emisor. oEsto depende del tipo de unión que presente en átomo estudiado ( O en OH ú O en óxido) oArcillas, ej.: Hay Fe+3, en posiciones octaédricas)

Mineralogía de las arcillas

SEM ( Scanning electron microscopy) MEB ( microscopía electronica de barrido) oSe S basa b s impactar imp ct con c n un h haz de d electrones la superficie de una muestra y recibir las señales generadas en las mismas que son varias

Mineralogía de las arcillas

oLa primera es dependiente de la topografía , con lo cual es casi una imagen directa de la morfología de la misma 20X a 30,000X

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Mineralogía de las arcillas EDAX

Mineralogía de las arcillas

Mineralogía de las arcillas ATD ( análisis térmico diferencial) Registra las reacciones exo y endotérmicas q que tiernen lugar al aplicar a la muestra un calentamiento regualr y ciosntante

Mineralogía de las arcillas FTIR por reflexión y transmsión, FT-IR significa Fourier Transform (FT InfraRed, )

Estructura E t t Composición

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