documento leccion 02

Estructura de los filosilicatos de la arcilla

Pgina 1. Unidades estructuralesPgina 2. Capa tetradricaPgina 3. Capa octadricaPgina 4. Capas de tetraedros frente a las de octaedrosPgina 5. Estructuras finalesPgina 6. Celdillas unidad y frmulas estructurales. 1:1Pgina 7. Celdillas unidad y frmulas estructurales. 2:1Pgina 8. Deduccin de las frmulasPgina 9. Clasificacin mineralgica

Unidades estructurales

Los filosilicatos, como todos los dems grupos de silicatos, estn constituidos por una unidad estructural Si-O que es un tetraedro de coordinacin con el Si en el centro y cuatro oxgenos en cada uno de los vrtices del tetraedro. Los tetraedros son pirmides de base triangular, con todas sus caras iguales, (cuatro tringulos equilteros).

El tetraedro Si-O se encuentra elctricamente descompensado (el Si aporta cuatro cargas positivas frente a la ocho negativas de los cuatro oxgenos de los vrtices), por lo que ha de unirse a otros cationes para neutralizar las cargas. En estas estructuras cada vrtice de la cara basal pertenece a dos tetraedros vecinos (cada oxgeno se coordina a dos silicios), dando una capa de tetraedros.

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Los tetraedros, en el caso de los filosilicatos, comparten su vrtice superior con un octaedro de coordinacin, con Al y/o Mg en el centro y O y/o OH en los seis vrtices. Los octaedros son bipirmides con su plano ecuatorial cuadrado y todas sus caras tringulos equilteros iguales.

Los octaedros en estas estructuras se disponen apoyados en una de sus caras.

Estos octaedros se encuentran tambin descompensados elctricamente (dos cargas positivas si el catin octadrico es el Mg o tres si se trata de Al, frente a las 12 posibles cargas negativas que pueden aportar los seis vrtices). Para neutralizarse se comparten entre s sus vrtices formando una capa de octaedros (adems se unirn a los silicios de la capa tetradrica).

Las capas de tetredros y octaedros se acoplan dando lminas que al repetirse forma la estructura cristalina.

Capa tetradricaEsta compleja estructura cristalina se puede comprender de una manera sencilla considerndola como un conjunto de tomos dispuestos en planos paralelos, que podemos suponer horizontales (001). En estos planos los tomos tendrn siempre simetra hexagonal, o ms precisamente ditrigonal. Estos planos son (por ejemplo desde abajo hacia arriba):

Plano 1. Plano basal de los tetraedros. Est formado por un conjunto de tomos de O.

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En la red hexagonal (seguiremos llamndola hexagonal, para simplificar, aunque ya sabemos que en realidad es ditrigonal) aparecern huecos (posiciones no ocupadas por O) por exceso de cargas negativas (gobernadas por los cationes que se siten en el plano inmediatamente superior).


Plano 2. Plano de los cationes de Si del centro de los tetraedros. Se colocan en el hueco que dejan cada tres O. Se disponen formando tambin una malla de anillos hexagonales.


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Plano 3. Plano de O y de OH compartidos por tetraedros y octaedros. Los O se sitan justo encima de los Si, del plano 2, terminando de ocupar el hueco que dejan los O del plano basal (plano 1). Estos tres planos forman la capa tetradrica. Los O del plano 3 ocupan el vrtice superior de los tetraedros y se unen a un Mg y/o Al octadrico formando parte del plano inferior de los octaedros. Algunos de los vrtices de este plano basal de los octaedros no tienen debajo ningn Si tetradrico por lo que para compensar su carga se une a un H formando un grupo OH. Por tanto los iones que componen este plano se comparten entre los tetraedros y los octaedros (es a su vez el plano superior de los tetraedros y el inferior de los octaedros). Los O de este plano quedan coordinados por abajo al Si de la capa tetradrica y por arriba al Mg/Al de la capa octadrica.

En este plano se encuentran ocupados todos los nudos de la red hexagonal.

Los tetraedros de este plano 3 son elctricamente neutros. Efectivamente, en el interior el Si aporta 4 cargas positivas y los oxgenos, al compartirse con otros tetraedros (plano basal) y octaedros (plano superior), aportan slo una de sus dos cargas, con lo que tendremos en los vrtices 4 cargas negativas.

Capas octadricas


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Plano 4. Plano central de los octaedros (que en estas estructuras se consideran apoyados sobre una de sus caras, con su eje principal, eje cuaternario, inclinado). Est constituido por los Mg o Al que se sitan en los huecos que dejan cada tres O y/o OH del plano 3. Si se trata de Mg se ocupan todas las posiciones, pero si el catin octadrico es el Al, por su mayor carga (+++ frente a las ++ del Mg) quedan posiciones vacas en la red. Se ocupan, concretamente dos de cada tres posibles y a esa capa se le llama dioctadrica. A la capa magnsica se le llama trioctadrica, al ocuparse tres nudos de cada tres posibles. Al igual que en el resto de los planos de estas estructuras los Mg y Al se distribuyen en redes hexagonales.

Plano 5. Plano superior de los octaedros. Constituido por O y OH formando la cara superior de los octaedros. Plano compacto, con todos los nudos de la red hexagonal ocupados.

Como ocurra con las capas tetradricas, las octadricas tambin son elctricamente neutras. De las dos cargas de los oxgenos de los vrtices slo una se comparte con el catin octadrico (Mg o Al), la otra carga se comparte con el silicio tetradrico de la capa inferior y si no se une a este catin en ese vrtice en vez de haber un oxgeno hay un grupo OH (por tanto con slo una carga negativa). Si el catin octadrico es el Mg (++) los vrtices del octaedro deben proporcionar un total de dos cargas negativas y para ello cada vrtice se comparte entre tres Mg (pertenece a tres octaedros), de esta manera cada vrtice aporta un tercio de carga y como hay seis vrtices tendremos un total de dos cargas negativas por octaedro. En el caso del Al (+++) se necesitan tres cargas negativas en el octaedro y para ello ahora los vrtices se comparten entre slo dos octaedros (cada vrtice aporta 1/2 de carga y como hay seis, pues 6 x 1/2 = 3).

Capas tetradricas frente a las octadricas

La disposicin de los iones en tetraedros y octaedros parece algo complicado, pero en la realidad es el simple resultado de un empaquetamiento de esferas iguales en tres planos ocupando el mnimo espacio.

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La distribucin de tomos en redes hexagonales es simplemente el resultado del empaquetamiento de tomos iguales para ocupar el mnimo espacio. Por tanto para obtener un plano de simetra hexagonal basta con introducir bolas iguales en un recipiente plano y apretarlas (al moverlas ellas mismas se acoplan dando una simetra hexagonal).

Para construir este apilamiento se parte de una esfera y se va repitiendo formando una hilera. Luego se acoplan hileras paralelas y equidistantes de manera que se ajusten entre los huecos (desplazadas media esfera). De este modo se forma un plano de simetra hexagonal.

Apilando planos de esferas de simetra hexagonal se origina la estructura. Al plano basal (con huecos, formando anillos hexagonales) se le acopla otro plano compacto (con todos los nudos de red ocupados). Ambos planos se encuentran ligeramente desplazados y girados 60 grados, para que los tomos se acoplen en los huecos. Estos planos estn constituidos por aniones de O y OH y se unen por los cationes coordinantes que se sitan en un plano intermedio y segn donde se coloquen aparece la coordinacin tetradrica o la octadrica.

En la Naturaleza es frecuente que los dos primeros planos de aniones O y/o OH queden unidos por un catin tetradrico, como es el caso del Si, y encima se site otro plano de OH con un plano intermedio de cationes octadricos (de Mg o de Al) que los une.

De lo anteriormente se deduce que los filosilicatos pueden ser considerados como un empaquetamiento de iones O que engloban a diversos cationes (Si, Al, Mg y H), concepto que puede ser aplicado a la Tierra en su conjunto.

En resumen, a estructura se origina por un apilamiento de planos paralelos con simetras hexagonales, alternando los planos de aniones (O y OH) y los de cationes (Si, Al y Mg).

Estruturas finales

Estructuras 1:1 y 2:1. Si la estructura termina en el plano 5, todos los vrtices estn ocupados por OH y se tratara de una estructura de lmina 1:1 (formada por un tetraedro y un octaedro), pero si la estructura continua los iones de este plano son O y OH. En este caso este plano 5 sera igual al plano 3 (representado en el dibujo como 3b). Luego vendrn los planos 2b y 1b. Es como si el plano 4 fuese un plano de simetra que refleja a los planos 1, 2 y 3 a cada lado. Se forma la lmina 2:1 (dos capas de tetraedros que encierran a una de tetraedros). La lmina 1:1 tiene un espesor de 7 amstrong mientras que para la 2:1 el espesor es de 9.

Los minerales del grupo de los filosilicatos se originan por simple apilamiento de lminas 1:1 2:1. Como la capa octadrica puede ser de Mg o de Al, bsicamente se dan slo cuatro combinaciones:

1:1 triocta ---> Serpentina

1:1 diocta ---> Caolinita

2:1 triocta ---> Talco

2:1 diocta ---> Pirofilita

Una variante aparece cuando los tetraedros, cada cierto nmero, se invierten. Los planos se interrumpen en esta zonas de tetraedros y octaedros girados 180, apareciendo una estructura en listones, por lo que a estos filosilicatos se le llama fibrosos, en vez de laminares como corresponde al resto de las otras estructuras. Si el giro es cada 4 tetraedros el mineral es paligorskita (tambin llamado atapulgita) y si es cada seis se trata de sepiolita.

Pero en la Naturaleza se presentan un nmero muy numeroso de minerales dentro del grupo de los filosilicatos. Esto es debido a las sustituciones isomrficas entre los cationes octadricos y tetradricos. Adems estas sustituciones suelen ser entre cationes de distinta valencia lo que origina desequilibrios elctricos en la red y para compensarse entran otros iones, que al no tener sitio en los nudos de la red, se sitan entre las lminas 1:1 y mucho ms frecuentemente entre las 2:1. Estos iones interlaminares pueden entrar hidratados en diverso grado, separando las capas, con lo que el espesor del paquete es variable, normalmente oscila entre 10 y 18 amstrong. La sustitucin normal en la capa tetradrica es la del Si por el Al (el Al es un catin de coordinacin octadrica, pero, por su tamao, frecuentemente se introduce en las capas tetradricas produciendo una pequea deformacin en los tetraedros; esto no ocurre nunca con el Mg, de mayor tamao), La sustitucin de cada Si++++ por un Al+++ necesita de la incorporacin de un catin interlaminar monovalente, o si es un divalente lo hace por cada dos sustituciones Si por Al; este es el caso de las micas, en las que entra el K+ como catin interlaminar (espesor de 10 amstrong, fijo). En las capas octadricas es frecuente la sustitucin entre el Al y el Mg; ste es el caso de la serie de las esmectitas, cuyo mineral ms representativo es la montmorillonita (espesor de 14 amstrong, variable).

Existe la posibilidad de que los cationes interlaminares que entren a compensar los dficits de carga sean a su vez cationes de coordinacin octadrica; se origina as una nueva capa de octaedros en el espacio interlaminar y se le llama estructura de tipo 2:1+1 (el 2 representa a las dos capas de tetraedros y el 1+1 indica que las dos capas de octaedros no son iguales, ya que la capa octadrica de la estructura 2:1 tiene la mayora de los vrtices compartidos con las capas de tetraedros vecinos, mientras que los octaedros del espacio interlaminar no comparten ningn vrtice con los tetraedros. El mineral tpico es la clorita.

Celdilla unidad y frmula estructural 1:1 Para estudiar una estructura cristalina, que se puede considerar como un determinada repeticin de una inmensa cantidad de tomos, iones o molculas, es muy til reducir la red a su mnima expresin. Es decir la mnima cantidad de materia que por repeticin origina toda la estructura cristalina. La disposicin es siempre segn planos, por lo que es cmodo estudiar el ordenamiento en una serie de planos paralelos y por superposicin de estos planos se obtiene todo el modelo tridimensional. El plano queda definido por el paralelogramo unidad y la estructura tridimensional por un paraleleppedo llamado celdilla unidad, que queda definido por la dimensin de sus tres lados y los tres ngulos que estos forman. Los tres lados de la celdilla representan las direcciones de repeticin y su longitud la marca la distancia o periodo de repeticin. Para definirlos se buscan direcciones de ordenamiento de los tomos y la longitud la define la distancia entre dos tomos (o iones, o molculas) idnticos y situados en idntico entorno (el mismo tomo y rodeado por un nmero igual de tomos, de la misma naturaleza y con la misma disposicin espacial). Consideremos la lmina 1:1 como una superposicin de planos horizontales (001).

Paralelogramo unidad de los planos 1 y 2.


Paralelogramo unidad del plano 5.

Paralelogramos unidad y frmula de la estructura 1:1

Celdilla unidad y frmula de la estructura 1:1

Esquema nemotcnico

Celdilla unidad y frmula estructural 2:1



Paralelogramo unidad del plano 3b.

Paralelogramo unidad de los planos 2b y 1b.

Celdilla unidad y frmula de la estructura 2:1

Esquema nemotcnico

Deduccin de las frmulas estructuralesEstructura 2:1

Para deducir la frmula de estos minerales nos fijaremos en que la estructura de estos minerales se reduce a dos capas de tetraedros (completas con los OH que introducirn los octaedros en el centro de los anillos; planos 1, 2, 3, 3b, 2b y 1b) y un slo plano con los cationes Al y/o Mg (plano 4).

Para deducir la frmula debemos de ser capaces de representar el plano de tetraedros basal (planos 1, 2 y 3). Para ello tenemos dos opciones. Dibujamos la red completa trazando lneas paralelas y equidistantes; luego igual pero giradas 60 grados; despus igual a 120 y que las lneas pasen por la intersecciones de los dos primeros conjuntos de lneas; dibujando finalmente los tetraedros formando anillos hexagonales. O podemos dibujar directamente un anillo de tetraedros sobre un hexgono.

Ahora basta con contabilizar la cantidad de iones que corresponden al paralelogramo unidad.

Contamos oxgenos: 6 O completos (en el dibujo crculos azules marcados con un 1) y 8 O que pertenecen la mitad a este rectngulo unidad (en el dibujo con un 2).

Cargas elctricas: 4 negativas (los 4 oxgenos de los vrtices no compartidos).

Silicios: 2 Si completos(en el dibujo crculos rojos marcados con un 1) y 4 mitades (en el dibujo con un 2).

OH: 1 completo (en el dibujo crculos verdes marcados con un 1) y 4 compartida la cuarta parte (en el dibujo con un 4), total 2.

Cargas elctricas: cada OH aporta una carga negativo, o sea tenemos dos en total.

Es decir en total tenemos: 10 oxgenos, 4 silicios y 2 OH con 6 cargas negativas.

Todo lo anterior es vlido para la capa inferior de tetraedros (planos 1, 2 y 3), para tener en cuenta la capa de tetraedros superior (planos 3b, 2b y 1b) habr que duplicar los valores obtenidos:

Si8 O20 (OH)4 y 12 cargas negativas

Ya slo nos falta por considerar los Mg o Al (plano 4). Para saber cuantos cationes entran por celdilla unidad nos basta recordar que estas estructuras minerales son elctricamente neutras. Por tanto hay que neutralizar 12 cargas negativas por lo que se necesitaran 6 Mg o 4 Al. La frmula sera:

Mg6 Si8 O20 (OH)4 y Al4 Si8 O20 (OH)4, o dividiendo por dos

Mg3 Si4 O10 (OH)2 y Al2 Si4 O10 (OH)2

Estructura 1:1

La estructura 1:1 est formada por la capa basal de tetraedros (planos 1, 2 y 3; idntica a los de la estructura 2:1), un plano de Mg o Al (plano 4; idntico al de la estructura 2:1) y un plano de OH.

El plano de tetraedros ya hemos visto que tiene de composicin:

10 oxgenos, 4 silicios y 2 OH con 6 cargas negativas.

El de cationes Mg o Al tambin hemos visto que tiene 6Mg o 4Al, con un total de 12 cargas positivas.

El ltimo plano de OH, tendr que neutralizar el dficit de carga de los dos planos anteriores: 12 positivas frente a 6 negativas, luego se necesitan aportar otras seis cargas negativas, por lo que este plano tendr 6 OH.

La frmula sera:

Mg6 Si4 O10 (OH)8 y Al4 Si4 O10 (OH)8, o la frmula mitad:

Mg3 Si2 O5 (OH)4 y Al2 Si2 O5 (OH)4

Minerales

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