Los minerales arcillosos son uno de los minerales más diversos, pero todos tienen en común tamaños de cristal o grano por debajo de los 2 μm. Químicamente, las arcillas se definen por la estructura cristalina y la composición química, a menudo determinadas por difracción de rayos X de minerales arcillosos . A veces, los sedimentos de grano fino se describen erróneamente como arcillas; en realidad, esta es una descripción de la "fracción de tamaño de arcilla" en lugar de la mineralogía del sedimento. Hay tres grupos cristalográficos de arcillas: arcillas laminares ( filosilicatos ), minerales arcillosos fibrosos y arcilla amorfa . Los filosilicatos son las arcillas más abundantes y se clasifican según la estratificación de una capa tetraédrica y octaédrica . Para la mayoría de las arcillas, la capa octaédrica está centrada con Al 3+ , Fe 3+ o Mg(OH) 2 , pero a veces Zn 2+ , Li + y Cr 3+ también pueden sustituir. El Si 4+ es normalmente el centro de la capa tetraédrica, pero el Al 3+ a menudo lo sustituye parcialmente y crea un desequilibrio de carga. Las arcillas de dos capas están compuestas por una capa tetraédrica y una capa octaédrica (TO), mientras que las arcillas de tres capas contienen una capa octaédrica intercalada entre dos capas tetraédricas (TOT). Cuando la sustitución de Al 3+ por Si 4+ crea un desequilibrio de carga, un catión intercalado rellenará el espacio entre las capas tetraédricas para equilibrar la carga de la arcilla. [1]
Los rayos X se utilizan para determinar la estructura cristalina de los materiales. Es un método experimental en el que se hace pasar un haz de rayos X a través de una muestra del material que se está probando. Dado que los átomos están dispuestos en cierto orden en los cristales, tienden a difractar el haz en ciertos ángulos y con ciertas intensidades. Se calculan los ángulos de los rayos X difractados y la estructura cristalina del material. También es posible determinar si el material no es cristalino. [2]
Por lo general, la difracción de rayos X en polvo (DRX) es un promedio de microcristales orientados aleatoriamente que deberían representar por igual todas las orientaciones de los cristales si hay una muestra lo suficientemente grande. Los rayos X se dirigen a la muestra mientras se gira lentamente, lo que produce un patrón de difracción que muestra la intensidad de los rayos X recolectados en diferentes ángulos. Las muestras de DRX orientadas aleatoriamente no son tan útiles para los minerales arcillosos porque las arcillas suelen tener dimensiones X e Y similares. La dimensión Z difiere de una arcilla a otra y es más diagnóstica porque la dimensión Z representa la altura de la capa tetraédrica-octaédrica (TO) o tetraédrica-octaédrica-tetraédrica (TOT). La dimensión Z puede aumentar o disminuir debido a la sustitución del catión central tanto en la capa tetraédrica como en la octaédrica. La presencia y el tamaño de un catión de equilibrio de carga en la capa intermedia de arcillas TOT también afectarán la dimensión Z. Debido a esto, los minerales arcillosos se identifican típicamente preparando muestras de modo que estén orientadas para aumentar la reflexión basal (00 l ). [3] Las posiciones D se calculan utilizando la ley de Bragg , pero debido a que el análisis de minerales arcillosos es unidimensional, l puede sustituir n, lo que hace que la ecuación l λ = 2d sen Θ. Al medir la difracción de rayos X de arcillas, d es constante y λ es la longitud de onda conocida de la fuente de rayos X, por lo que la distancia de un pico 00 l a otro es igual. [3]
Las reflexiones basales dan el espaciamiento d de la capa basal que representa el espesor de las capas de silicato y la celda unitaria a menudo contiene múltiples capas. [1] Los picos minerales de arcilla generalmente se pueden distinguir por el ancho a la mitad del pico (es decir, el ancho completo a la mitad del máximo, FWHM). Los minerales cristalinos bien definidos tienen picos agudos, mientras que las arcillas, que varían de cristalinas a no cristalinas, producen picos anchos con un ancho notable en ambos lados. Estos picos anchos hacen que sea fácil distinguir qué picos son aportados por arcillas. Estos picos se pueden comparar con patrones de difracción conocidos para una mejor identificación, pero si algunos picos son más anchos que otros, es probable que haya múltiples arcillas presentes. [3] La Clay Mineral Society mantiene una colección de arcillas con el propósito de comparar con arcillas desconocidas. Debido a que la mayoría de las arcillas disponibles de la Clay Mineral Society se forman naturalmente, pueden contener minerales distintos de la arcilla deseada. [4] Los patrones de difracción calculados mediante métodos teóricos generalmente no coinciden con los patrones de difracción experimentales, por lo que es preferible utilizar patrones de difracción de muestras conocidas para ayudar a identificar una arcilla. Algunos minerales pueden eliminarse de la identificación utilizando información de fondo o análisis previos. [1]
Las muestras bien cristalizadas y puras son ideales para la difracción de rayos X, pero rara vez es el caso de la arcilla. [5] Los minerales arcillosos casi siempre se mezclan con cantidades muy pequeñas de minerales no arcillosos que pueden producir picos intensos, incluso cuando hay muy poca muestra que no sea arcilla. Si se sabe que hay minerales adicionales presentes, se debe intentar separar las arcillas de los no arcillosos; de lo contrario, se deben esperar picos adicionales. Algunos minerales comunes asociados con las arcillas naturales son: cuarzo, feldespatos, zeolitas y carbonatos; a veces hay materia orgánica presente. [3] La síntesis de arcillas puede reducir la presencia de algunos de estos materiales asociados, pero no garantiza muestras puras, ya que el cuarzo u otros materiales asociados todavía se producen comúnmente junto con arcillas sintéticas.
La estratificación mixta, la intercalación y la interestratificación son términos que se refieren a los minerales arcillosos que se forman con dos o más tipos de arcillas que forman capas intercaladas. La estratificación mixta no se refiere a las arcillas que se han mezclado físicamente. La estratificación mixta en arcillas puede añadir dificultad a la interpretación, por lo que normalmente son necesarios múltiples análisis. Las arcillas de dos componentes son las más comunes, mientras que las arcillas multicomponentes que contienen más de dos componentes son muy raras. El patrón de difracción completo contribuye a la identificación y los picos deben considerarse como un todo en lugar de individualmente. [3]
Las arcillas de capas mixtas con dos componentes iguales (50% de cada arcilla) son las más fáciles de identificar. Estas arcillas se consideran como una arcilla no mixta con un espaciado 001 que es igual a la suma del espaciado 001 de ambos componentes. Algunas arcillas de capas mixtas 50/50 que se encuentran comúnmente incluso reciben nombres únicos como doziita, una serpentina / clorita . Las arcillas mixtas que tienen componentes desiguales con apilamiento aleatorio producen patrones de difracción 00 l aperiódicos conocidos como patrones irracionales. El coeficiente de variación (CV) es la desviación estándar porcentual del promedio de d(001) calculado a partir de varias reflexiones. Si el CV es menor que 0,75%, entonces el mineral recibe un nombre único. Si el CV es mayor que 0,75%, entonces se utiliza la nomenclatura de capas mixtas. [3]
Las arcillas deben separarse de los minerales no arcillosos para reducir la interferencia de los picos de 00 l . Los minerales no arcillosos generalmente se pueden separar tamizando las muestras con una malla lo suficientemente pequeña. Las muestras deben triturarse ligeramente, pero no pulverizarse, porque los minerales no arcillosos se reducirán al tamaño de la arcilla y será imposible separarlos de la muestra. Triturar ligeramente rompe las arcillas blandas mientras que las no arcillosas más duras se mantienen intactas para facilitar su eliminación. [3]
Las muestras deben ser lo más homogéneas posible, tanto en tamaño de grano como en composición, antes de montarlas para la difracción de rayos X. Las muestras largas, planas y gruesas son ideales. Se utilizan cuatro métodos comunes para la preparación de muestras y varían en dificultad y conveniencia de uso.
El más fácil y rápido de los cuatro métodos más utilizados, pero también el menos preciso. Se cubre un portaobjetos de vidrio con una suspensión de muestra en agua y luego se coloca en un horno a 90 °C y se deja secar. Para algunas muestras, el secado a temperaturas tan altas puede dañar las arcillas. En ese caso, el secado a temperatura ambiente es una opción, pero requerirá más tiempo. La orientación suele ser regular y las partículas se segregan con las más finas hacia la parte superior. Este método produce películas delgadas que proporcionan intensidades de difracción inexactas en ángulos moderados y altos. [3]
Este es un método rápido que sirve para identificar los componentes de una muestra a granel. La muestra se tritura con un mortero hasta que el polvo se puede aplicar con un pincel sobre un portaobjetos de vidrio. Luego, el polvo se mezcla con unas gotas de una solución dispersante, generalmente etanol, pero también hay otras disponibles, y se esparce uniformemente sobre el portaobjetos. Este método se puede utilizar tanto para fracciones de tamaño de grano grande como pequeño. [3]
Esta técnica evita la segregación por tamaño mediante el uso de una filtración rápida o una agitación rápida para superar las velocidades de sedimentación . La muestra se vierte en un aparato de filtrado al vacío y se filtra rápidamente, pero se deja algo de líquido para que no se absorba aire a través de la muestra; el líquido restante se decanta. Luego, la muestra húmeda se invierte sobre un portaobjetos de vidrio y se retira el papel de filtro. La filtración rápida permite que un tamaño de partícula representativo se recolecte en el papel de filtro, que luego se invierte y se expone cuando se monta en un portaobjetos. [4] [6]
Produce los mejores patrones de difracción de los cuatro métodos más comunes, pero requiere la mayor habilidad y es el que más tiempo consume. Una vez finalizado, las muestras tienen agregados gruesos y la orientación preferida. Se coloca un aparato especial diseñado para sostener una placa de cerámica porosa en un recipiente de centrífuga y se llena con la muestra suspendida. La centrifugación fuerza el líquido a través de la placa porosa dejando la muestra atrás para que se seque por debajo de los 100 °C. Una ventaja de este método es que los cationes intercambiables se pueden eliminar haciendo pasar una solución de cloruro a través de la placa una vez que la muestra se ha secado. El intercambio de cationes puede ser útil al establecer picos para estándares con cationes variables en la capa intermedia. Por ejemplo, la nontronita tiene una capa intermedia que puede contener tanto calcio como sodio. Si se sospecha que una muestra desconocida solo contiene uno de estos cationes, se puede preparar un estándar más preciso intercambiando el catión no deseado. [3] [7]
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