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2.1 LAS ARCILLAS: NANOMATERIALES NATURALES
2.1.4 LA ESTRUCTURA DE LAS ARCILLAS
Desde el punto de vista mineralógico, los minerales de la arcilla son silicatos que pertenecen al grupo de los filosilicatos (phyllon = hoja) o silicatos en hojas. Estos silicatos laminares se componen de la asociación de varias láminas apiladas que son partículas muy finas, de forma aplanada y por tanto con una superficie especifica muy elevada (Fig. 3.4.3).
A gran escala cada lámina posee una notable relación de aspecto, alrededor de 100 a 200 nm de longitud y 1nm de espesor [18] (Fig. 3.4.1). 2.1.4.1 Hoja tetraédrica (Tipo T)
La unión de tetraedros genera láminas u hojas que se extienden dando origen a las estructuras laminares. Como se muestra en la Fig. 3.4.2, las puntas de los tetraedros se encuentran a la misma altura formando un plano, al igual que los átomos de silicio situados en el centro de los tetraedros y con los oxígenos situados en las bases. La articulación de estos tres planos nos conduce a la formación de una hoja tetraédrica (Tipo T) [19]. Una hoja tetraédrica está constituida por la
organización de tetraedros (SiO4)4-, compartiendo
tres de los cuatro oxígenos que poseen en el plano base (basal) mientras que el cuarto oxígeno se denomina apical. Este tetraedro se encuentra eléctricamente desequilibrado, ya que el silicio
18 Franco Urquiza, E.A.; Maspoch Rulduà, M.L. (2009). Estructura general de las arcillas utilizadas en la preparación de nanocompuestos poliméricos. En: Ingenierías. [en línia] 12(44), p. 35–41. p37. Ultima consulta 17/07/2018: https://bit.ly/2uFIIh6. 19 Dominguez, J., & Schifter, I. (1995). op. cit.
Fig. 3.4.1 Las arcillas pertenecen al grupo de los filosilicatos. Presen- tan una estructura laminar.
aporta cuatro cargas positivas (Si4+) frente a las
ocho cargas negativas de los cuatro oxígenos presentes en los vértices del tetraedro, por lo que debe unirse a otros cationes para neutralizar sus cargas. Para ello, cada vértice de la cara basal pertenece a dos tetraedros vecinos, ya que cada átomo de oxígeno está en coordinación con dos átomos de silicio, formando capas tetraédricas que se distribuyen bajo la configuración de hexágonos [20].
Siguiendo esta secuencia podemos unir láminas para formar hojas tetraédricas, en la que dos hojas se encuentran invertidas una con respecto a la otra compartiendo los vértices (Fig. 3.4.2).
2.1.4.2 Hoja Octaédrica (Tipo O)
Existen otros polígonos que podemos unir entre sí para formar cadenas, tal es el caso del octaedro (ocho caras), formación típica de los compuestos
del aluminio, por ejemplo Al (OH)6 o del magnesio.
Estas estructuras forman hojas octaédricas (Tipo O). De la misma forma que los tetraedros, los octaedros se encuentran eléctricamente desequilibrados ya que tienen dos cargas positivas (si el catión es
Mg2+) o bien, tres cargas positivas (si el catión es
Al3+), frente a las doce cargas negativas aportadas
por sus seis vértices. Para neutralizarse, los vértices tienen que compartirse entre si formando una capa
20 Franco Urquiza, E.A.; Maspoch Rulduà, M.L. (2009). op. cit.
Fig. 3.4.2 Composición de una lámina tipo T mediante la unión de tetraedros (SiO4)4-.
Fig. 3.4.3 Los filosilicatos se componen de varias láminas aplanadas apiladas y por tanto con una superficie especifica elevada. Estos actúan como conglomerantes del resto de silicatos presentes en los suelos.
octaédrica (Fig. 3.4.4). Los octaedros se posan en una de sus caras la cual representa el plano basal [21].
2.1.4.3 Hoja mixta (Tipo T-O)
La unión de una hoja tipo T con un hoja tipo O genera una lámina T-O o lámina 1:1. La coincidencia no es exacta en el acople de hojas T formadas por silicio-oxígeno y hojas O formadas por aluminio- oxígeno, esto crea un efecto de esfuerzo entre láminas lo cual es de gran importancia para algunas aplicaciones de las arcillas de láminas (T–O) como es el caso del caolín.
2.1.4.4 Hoja mixta (Tipo T-O-T)
Si agregamos una tercera lamina T a las dos capas anteriores (T-O) se consigue una lámina T-O-T o una lámina del tipo 2:1 (Fig. 3.4.4). Tanto los octaedros como los tetraedros que constituyen estas capas son idealizados, no existen en realidad, pero constituyen un esquema que nos ayuda a visualizar y entender la estructura laminar de los minerales de arcilla (Fig.3.4.5). Los átomos de silicio, oxígeno, aluminio, etc., así como los respectivos cationes y aniones en las hojas tetraédricas y octaédricas están unidos (coordinados) mediante enlaces covalentes [22].
21 Ibíd.
22 Departamento de Tecnología de la Construcción. Geología
Aplicada, op. cit..
Fig. 3.4.5 Tanto tetraedros como octaedros y esquemas T, T-O y T-O-T son idealizados pero nos ayudan a visualizar y entender la estructura laminar de los minerales de arcilla.
Fig. 3.4.4 Composición de una lámina tipo O mediante la unión de octaedros, y composiciones de láminas tipo T-O y T-O-T.
2.1.4.5 Disposición atómica
Es posible representar la disposición atómica a través de planos atómicos, tal como se muestra en la figura (Fig. 3.4.6).
El primer plano es el plano basal, conformado por los átomos de oxígeno. El segundo plano contiene los átomos de silicio, ocupando algunos espacios libres de la capa basal de cada tetraedro. En el tercer plano están ubicados los átomos de oxígeno (oxígenos apicales) de los tetraedros que se sitúan sobre los átomos de silicio. Este plano une las capas tetraédricas y octaédricas mediante el
enlace entre los oxígenos apicales y Mg2+ y/o Al3+
octaédrico. Pese a ello, no todos los vértices del plano basal (en mayor parte átomos de oxigeno apicales) de los octaedros quedan enlazados con los átomos de silicio de los tetraedros, por lo que para compensar cargas se enlazan a átomos de hidrógeno (H) formando grupos hidroxilo (OH), tal como se representa en la figura (Fig. 3.4.7). Por tanto, el plano basal del octaedro forma parte del plano superior o apical de los tetraedros.
El cuarto plano contiene iones Mg2+ y/o Al3+
octaédricos ubicados en pequeños espacios libres
Fig. 3.4.6 Disposición atómica.
Fig. 3.4.7 Vista superior de los planos a) dioctaédrico y b) trioctaé- drico.
entre dos oxígenos apicales y un OH. Con el Mg2+
todos los espacios estarían ocupados (tres de tres), formando un “plano trioctaédrico” (Fig. 3.4.7
- b). Pero si el catión es Al3+, algunos espacios
quedarían desequilibrados ya que el Al3+ ocuparía
dos espacios de los tres posibles, denominándose plano dioctaédrico (Fig. 3.4.7 - a).
El quinto plano es el plano superior de los octaedros, si la estructura termina en estos planos la arcilla estaría constituida por dos capas (capa T y Capa O), es decir una capa T:O o 1:1. Si se añade una nueva capa de tetraedros se formaría una estructura tipo T:O:T o 2:1 (o tipo “sándwich”). La lámina 1:1 tiene un espesor de 7Å y la lámina 2:1 de 9Å aproximadamente [23].
2.1.4.6 Otros minerales
Considerando el tamaño de partícula de las arcillas, la fracción de suelos y sedimentos que tienen partículas de <2 µm o <4 µm, pueden contener minerales que no son filosilicatos, como carbonatos, feldespatos y cuarzo, junto con hidróxidos de hierro y aluminio. Dado que estos minerales no imparten plasticidad a la arcilla, se consideran “minerales asociados”. Están estrechamente relacionados con el componente filosilicato de la arcilla y por tanto, interfieren con su identificación [24].
También están materiales no cristalinos o amorfos a los rayos X, incluida la materia orgánica independientemente de que sean o no parte de la plasticidad de la arcilla o las zeolitas, porque presentan algunos atributos similares.
En este contexto, existen otro tipo de sólidos que tienen propiedades similares a la de los filosilicatos en cuanto a su estructura laminar y características de carga pero no son componentes de la arcilla. Algunos ejemplos son los silicatos alcalinos, ácidos silícicos cristalinos, niobatos, fosfatos, titanatos y
23 Franco Urquiza, E.A.; Maspoch Rulduà, M.L. (2009). op. cit. pp.38-39.
24 Bergaya, F., & Lagaly, G. (2013). op. cit. p 10.
a)
b)
LDH (Compuestos similares a hidrotalcita) [25]. 2.1.4.7 Poros
Un conjunto de láminas puede definirse como “partícula” y un conjunto de partículas como un “agregado”. En consecuencia podemos distinguir entre poros inter capa, inter partícula e inter agregado (Fig. 3.4.8). La disposición de las partículas o agregados conduce a diferentes morfologías tales como: placas, túbulos, listones y fibras (Fig. 3.4.9). Todos los filosilicatos son porosos y contienen poros de variados tamaños y formas [26].