Los minerales arcillosos son filosilicatos de aluminio hidratados (por ejemplo, caolín , Al2Si2O5 ( OH ) 4 ) , a veces con cantidades variables de hierro , magnesio , metales alcalinos , tierras alcalinas y otros cationes que se encuentran en algunas superficies planetarias o cerca de ellas .
Los minerales arcillosos se forman en presencia de agua [1] y han sido importantes para la vida, y muchas teorías de abiogénesis los involucran. Son componentes importantes de los suelos y han sido útiles para los humanos desde la antigüedad en la agricultura y la manufactura .
La arcilla es un material geológico de grano muy fino que desarrolla plasticidad cuando está mojada, pero se vuelve dura, quebradiza y no plástica al secarse o cocerse . [2] [3] [4] Es un material muy común, [5] y es la cerámica más antigua conocida . Los humanos prehistóricos descubrieron las propiedades útiles de la arcilla y la usaron para hacer cerámica . [6] La química de la arcilla, incluida su capacidad para retener cationes nutritivos como el potasio y el amonio , es importante para la fertilidad del suelo. [7]
Debido a que las partículas individuales de arcilla tienen un tamaño inferior a 4 micrómetros (0,00016 pulgadas), no se pueden caracterizar mediante métodos físicos o ópticos ordinarios. La estructura cristalográfica de los minerales arcillosos se entendió mejor en la década de 1930 con los avances en la técnica de difracción de rayos X (DRX), indispensable para descifrar su red cristalina. [8] Se descubrió que las partículas de arcilla eran predominantemente minerales de silicato en láminas (filosilicato), ahora agrupados como minerales arcillosos. Su estructura se basa en láminas hexagonales planas similares a las del grupo de minerales de la mica . [9] La estandarización de la terminología también surgió durante este período, [8] con especial atención a palabras similares que resultaban en confusión, como lámina y plano. [8]
Debido a que los minerales arcillosos son usualmente (pero no necesariamente) de grano ultrafino, se requieren técnicas analíticas especiales para su identificación y estudio. Además de la cristalografía de rayos X, estas incluyen métodos de difracción de electrones , [10] varios métodos espectroscópicos como la espectroscopia Mössbauer , [11] espectroscopia infrarroja , [10] espectroscopia Raman , [12] y SEM - EDS [13] o procesos de mineralogía automatizada [10] . Estos métodos pueden ser ampliados por microscopía de luz polarizada , una técnica tradicional que establece ocurrencias fundamentales o relaciones petrológicas. [14]
Los minerales arcillosos son productos de meteorización comunes (incluida la meteorización del feldespato ) y productos de alteración hidrotermal de baja temperatura . Los minerales arcillosos son muy comunes en suelos, en rocas sedimentarias de grano fino como la pizarra , la lutita y la limolita y en la pizarra metamórfica de grano fino y la filita . [9]
Dado el requerimiento de agua, los minerales arcillosos son relativamente raros en el Sistema Solar , aunque se producen ampliamente en la Tierra, donde el agua ha interactuado con otros minerales y materia orgánica . Se han detectado minerales arcillosos en varios lugares de Marte , [15] incluidos Echus Chasma , Mawrth Vallis , el cuadrángulo de Memnonia y el cuadrángulo de Elysium . La espectrografía ha confirmado su presencia en cuerpos celestes, incluido el planeta enano Ceres , [16] el asteroide 101955 Bennu , [17] y el cometa Tempel 1 , [18] así como la luna Europa de Júpiter . [19]
Al igual que todos los filosilicatos, los minerales arcillosos se caracterizan por presentar láminas bidimensionales de tetraedros de SiO 4 o de octaedros de AlO 4 que comparten vértices . Las unidades de láminas tienen la composición química (Al, Si) 3 O 4 . Cada tetraedro de sílice comparte tres de sus iones de oxígeno del vértice con otros tetraedros, formando una disposición hexagonal en dos dimensiones. El cuarto ion de oxígeno no se comparte con otro tetraedro y todos los tetraedros "apuntan" en la misma dirección; es decir, todos los iones de oxígeno no compartidos están en el mismo lado de la lámina. Estos iones de oxígeno no compartidos se denominan iones de oxígeno apicales. [20]
En las arcillas, las láminas tetraédricas siempre están unidas a láminas octaédricas formadas a partir de pequeños cationes, como el aluminio o el magnesio, y coordinadas por seis átomos de oxígeno. El vértice no compartido de la lámina tetraédrica también forma parte de un lado de la lámina octaédrica, pero un átomo de oxígeno adicional se encuentra por encima del espacio en la lámina tetraédrica en el centro de los seis tetraedros. Este átomo de oxígeno está unido a un átomo de hidrógeno formando un grupo OH en la estructura de la arcilla. Las arcillas se pueden clasificar según la forma en que las láminas tetraédricas y octaédricas se empaquetan en capas . Si solo hay un grupo tetraédrico y uno octaédrico en cada capa, la arcilla se conoce como arcilla 1:1. La alternativa, conocida como arcilla 2:1, tiene dos láminas tetraédricas con el vértice no compartido de cada lámina apuntando uno hacia el otro y formando cada lado de la lámina octaédrica. [20]
La unión entre las láminas tetraédricas y octaédricas requiere que la lámina tetraédrica se corruga o tuerce, lo que provoca una distorsión ditrigonal en la matriz hexagonal, y la lámina octaédrica se aplana. Esto minimiza las distorsiones generales de valencia de enlace del cristalito. [20]
Dependiendo de la composición de las láminas tetraédricas y octaédricas, la capa no tendrá carga o tendrá una carga neta negativa. Si las capas están cargadas, esta carga se equilibra mediante cationes intercalados, como Na + o K + , o mediante una única lámina octaédrica. La capa intermedia también puede contener agua. La estructura cristalina se forma a partir de una pila de capas intercaladas con las capas intermedias. [20]
Los minerales arcillosos se pueden clasificar como 1:1 o 2:1. Una arcilla 1:1 consistiría en una lámina tetraédrica y una lámina octaédrica, y los ejemplos serían caolinita y serpentinita . Una arcilla 2:1 consiste en una lámina octaédrica intercalada entre dos láminas tetraédricas, y los ejemplos son talco , vermiculita y montmorillonita . Las capas en arcillas 1:1 no tienen carga y están unidas por enlaces de hidrógeno entre capas, pero las capas 2:1 tienen una carga negativa neta y pueden estar unidas entre sí ya sea por cationes individuales (como potasio en illita o sodio o calcio en esmectitas) o por láminas octaédricas cargadas positivamente (como en cloritas ). [9]
Los minerales arcillosos incluyen los siguientes grupos:
Existen variaciones de arcilla de capas mixtas para la mayoría de los grupos anteriores. [9] El orden se describe como un orden aleatorio o regular y se describe con más detalle mediante el término reichweite, que en alemán significa rango o extensión. Los artículos de la literatura se referirán a una illita-esmectita ordenada R1, por ejemplo. Este tipo se ordenaría de manera illita-esmectita-illita-esmectita (ISIS). R0, por otro lado, describe un orden aleatorio, y también se encuentran otros tipos de ordenamiento avanzado (R3, etc.). Los minerales de arcilla de capas mixtas que son tipos R1 perfectos a menudo reciben sus propios nombres. La clorita-esmectita ordenada R1 se conoce como corrensita, la illita-esmectita R1 es rectorita. [25]
La rf(001) de rayos X es el espaciamiento entre capas en nanómetros, determinado por cristalografía de rayos X. El glicol (mg/g) es la capacidad de adsorción del glicol, que ocupa los sitios entre capas cuando la arcilla se expone a un vapor de etilenglicol a 60 °C (140 °F) durante ocho horas. La CIC es la capacidad de intercambio catiónico de la arcilla. K 2 O (%) es el contenido porcentual de óxido de potasio en la arcilla. El DTA describe la curva de análisis térmico diferencial de la arcilla.
La hipótesis de la arcilla para el origen de la vida fue propuesta por Graham Cairns-Smith en 1985. [27] [28] Postula que las moléculas orgánicas complejas surgieron gradualmente en superficies de replicación no orgánicas preexistentes de cristales de silicato en contacto con una solución acuosa. Se ha demostrado que el mineral arcilloso montmorillonita cataliza la polimerización de ARN en solución acuosa a partir de monómeros de nucleótidos , [29] y la formación de membranas a partir de lípidos. [30] En 1998, Hyman Hartman propuso que "los primeros organismos eran arcillas autorreplicantes ricas en hierro que fijaban dióxido de carbono en ácido oxálico y otros ácidos dicarboxílicos . Este sistema de arcillas replicantes y su fenotipo metabólico luego evolucionó hacia la región rica en sulfuro de la fuente termal adquiriendo la capacidad de fijar nitrógeno . Finalmente, el fosfato se incorporó al sistema en evolución, lo que permitió la síntesis de nucleótidos y fosfolípidos". [31]
La versatilidad estructural y compositiva de los minerales arcillosos les confiere propiedades biológicas interesantes. Debido a sus superficies en forma de disco y cargadas, la arcilla interactúa con una variedad de fármacos, proteínas, polímeros, ADN u otras macromoléculas. Algunas de las aplicaciones de las arcillas incluyen la administración de fármacos, la ingeniería de tejidos y la bioimpresión. [32]
Los minerales arcillosos se pueden incorporar en morteros de cal-metacaolín para mejorar las propiedades mecánicas. [33] La separación electroquímica ayuda a obtener productos modificados que contienen saponita con altas concentraciones de minerales del grupo de la esmectita, menor tamaño de partículas minerales, estructura más compacta y mayor área superficial. Estas características abren posibilidades para la fabricación de cerámicas de alta calidad y sorbentes de metales pesados a partir de productos que contienen saponita. [34] Además, la molienda de cola ocurre durante la preparación de la materia prima para cerámica; este reprocesamiento de desechos es de gran importancia para el uso de pulpa de arcilla como agente neutralizante, ya que se requieren partículas finas para la reacción. Los experimentos sobre la desacidificación de histosol con la suspensión de arcilla alcalina demostraron que la neutralización con el nivel de pH promedio de 7,1 se alcanza con el 30% de la pulpa agregada y un sitio experimental con pastos perennes demostró la eficacia de la técnica. Además, la recuperación de tierras perturbadas es parte integral de la responsabilidad social y ambiental de la empresa minera y este escenario aborda las necesidades de la comunidad tanto a nivel local como regional. [35]
Los resultados de la adsorción de glicol, la capacidad de intercambio catiónico, la difracción de rayos X, el análisis térmico diferencial y las pruebas químicas proporcionan datos que pueden utilizarse para realizar estimaciones cuantitativas. Una vez que se han determinado las cantidades de materia orgánica, carbonatos, óxidos libres y minerales no arcillosos, se estiman los porcentajes de minerales arcillosos utilizando los datos adecuados de adsorción de glicol, capacidad de intercambio catiónico, K20 y DTA. La cantidad de ilita se estima a partir del contenido de K20, ya que es el único mineral arcilloso que contiene potasio. [36]
Las rocas arcillosas son aquellas en las que los minerales arcillosos son un componente significativo. [37] Por ejemplo, las calizas arcillosas son calizas [38] que consisten predominantemente en carbonato de calcio , pero que incluyen entre un 10 y un 40 % de minerales arcillosos: dichas calizas, cuando son blandas, a menudo se denominan margas . De manera similar, las areniscas arcillosas , como la grauvaca , son areniscas que consisten principalmente en granos de cuarzo , con los espacios intersticiales llenos de minerales arcillosos.