Conceitos de argila
Argila – É um material natural, terroso, de granulometria granulometria fina, que geralmente adquire quando umedecido, com água, certa plasticidade. É um grupo de partículas do solo cujas dimensões se encontram em uma faixa específica do solo. Dimensões < 2 µ
m
Plasticidade – Propriedade em que o solo úmido tem em ficar deformado (sem romper) pela aplicação de uma tensão, sendo que a deformação permanece quando a tensão aplicada é retirada.
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Argilas são compostas compostas por: Argilominerais
• •
Matéria orgânica
•
Óxid xidos e hidr idróxid óxidos os de ferr erro e alum alumíínio nio, podend dendo o estar tar
cristalizado ou amorfos •
Carbonatos
•
Sais solúveis
•
Minerais primários
Argilomineral – Quimicamente, os argilominerais são compostos por silicato hidratado de alumínio, ferro e magnésio podendo conter “Na”,” “Na”,”K”, K”,”Ca ”Ca”,” ”,”Li” Li”,”B ,”Ba”, a”, etc... etc... na sua sua compos composiçã ição o apres apresent entam am rede rede cris crista talilina na lame lamela lare res, s,al algu guma mass com com estr estrut utur ura a fibr fibros osa, a, cons constititu tuíd ídos os essencialmente por silício, alumínio e de água e freqüentemente por quantidades apreciáveis de ferro e de materiais alcalinos e alcalinos terrosos. O termo termo argila argila é usado usado para para design designar ar faixa faixa de dimens dimensões ões das das partículas constituintes do solo. O termo argila não tem significado gené genétitico co.. É um term termo o granu ranulo lomé métr tric ico. o. São São fraç fraçõe õess que que conté ontém m partículas de diâmetros < 2um. É caracterizado por diferentes dimensões em diversos ramos da ciência
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Aplicações da argila
Fig. 2 – Alguns domínios de aplicação das argilas (in: Tecnologia de Argilas – 1975, P. Souza Santos). A argila é uma matéria-prima importante na agricultura, mecânica dos solos, geologia, indústrias (cerâmica, papel, metalúrgica, petróleo, etc...) A argila é um bem mineral. As propriedades úteis das argilas vêm dos argilominerais devido a sua granulometria muito fina, formas lamelares dos argilominerais, diversidade química e estrutural, grande e variada superfície específica (5 a 200 m 2/g), não necessidade de moagem para sua utilização, capacidade de troca catiônica e iônica elevada, fácil dispersão em água ou em outros solventes,forte poder
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absorvente,fácil separação de impurezas,fácil
exploração dos
depósitos (geralmente a céu aberto). Cerâmica - Vasta aplicação das argilas – propriedade importante na utilização da argila na indústria cerâmica: plasticidade e endurecimento quando queimada. A argila pode ser facilmente moldada e a forma escolhida permanece após a queima do material, tornando-se resistente termicamente e mecanicamente. Ex: porcelana dentária, porcelana fina, louça de porcelana, tijolo, telha, fibra leve cerâmica para isolante, etc
•
Papel – celulose + argila;
•
Cimento – mistura de calcário e argila;
Agregado leve - utilizado na construção civil;
•
•
Refratários – utiliza argila caulinítica com baixo teor de ferro e
álcalis; •
Borracha – argilas cauliníticas;
•
Pozolanas – denomina-se pozolanas os materiais naturais ou
artificiais que reagem com Ca2+ ou Ca(OH)2 para formarem em presença de água compostos que endurecem; •
Materiais naturais – vidros, tufos e cinza vulcânica, argilas e
diatomito; •
Pozolana – nome original - materiais naturais piroclásticos
(vulcânicos); Atualmente é um termo tecnológico. Também é utilizado na fabricação de cimento.
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As argilas mais usadas como pozolanas - caulinitas e montimorilonita
•
Plásticos e tintas
Agricultura
• •
Lamas de sondagem – montimorilonita
•
Farmácia
•
Produtos de beleza
•
Engenharia civil
•
Inseticidas
•
Purificação de óleo
•
Isolante (vermiculita)
•
Fluidos de perfuração de poços de petróleo, etc.
Colóides – a argila é um colóide (gelatina) – colóides são materiais que podem ser dispersos em fluidos, formando dispersões ou soluções coloidais
devido às suas pequenas dimensões e à
carga elétrica se suas partículas, as argilas entram facilmente em suspensão em contato com a água formando dispersão coloidal. Ditindalismo - Os sistemas dispersos (argila+ água) produzem por efeito de agitação o efeito ótico “sedoso” denominado de ditindalismo e influenciam a viscosidade desses sistemas. As partes mais ativas do solo são aquelas que estão no estado coloidal. Existem dois tipos: orgânicos e inorgânicos (humus e minerais de argila). 5
As partículas coloidais são < 1 um, como as argilas podem atingir até 2 um, nem todas as argilas são coloidais,mas possuem características tipo coloidal. As argilas possuem elevada área específica que é resultante das suas pequenas dimensões. Área específica ou superfície específica (superfície área) é
•
definida como a área da superfície externa das partículas, referida à unidade de massa. A interação “sólido – fluido” depende direta da área específica do
•
reagente sólido. A superfície específica nas argilas varia de 100 m 2/g a 800 m2/g
•
(argilas com área de exposição interna). •
Troca iônica - é uma reação química que não altera a estrutura
cristalina, produzindo substâncias isomórficas. A troca iônica pode ser usada como “conversão” química em processos (industriais). •
Os argilominerais são os principais responsáveis pela fixação
reversível dos fertilizantes nos solos. Ex: NPK (nitrogênio, fósforo, potássio). Áreas de Exposição. Todas as partículas de argila. Apenas por serem de tamanho reduzido, expõem abundantes áreas
externas. A
área de exposição externa de 1 g de argila coloidal corresponde, pelo menos, a 1.000 de exposição interna. Estas interfaces internas ocorrem no permeio das unidades cristalográficas em forma de 6
lâminas, que compõem cada partícula (Fig.5.2 e via de regra, excedem de muito, a área externa de exposição. A área de exposição das camadas de argila silicatada varia de 100 m 2/g para argilas com apenas áreas externas de exposição, até mais de 800 m 2/g para aqueles com extensivas superfícies internas. Numa estimativa cautelosa admite-se que a interface ativa existente nas frações de argila de um hectare de terra arável de solo franco-siltoso ou francoargiloso, excederá provavelmente as superfícies dos Estados do llinois ou da Flórida em pelo menos, 100 a 125 vezes).
Grupo dos interestratificados
Compreende
modelos
estruturais
variados
que
são
intermediários ou mistos dos cinco grupos anteriormente descritos. Podem existir minerais argilosos que, por exemplo, apresentem cristais que sejam edifícios construídos à base de camadas estruturais 7
próprias do grupo da ilita, intercaladas regular ou irregularmente por outras próprias do grupo da montmorilonita. Quando o empilhamento é regular a composição do edifício é facilmente determinável por difração de raios-X com tratamentos térmicos e químicos adequados. No caso do empilhamento aleatório, a identificação do tipo das camadas estruturais componentes é mais difícil. Os interestratificados regulares e irregulares construídos com 2 camadas estruturais-tipo básicas,designadas por A e B, são apresentados esquematicamente do modo seguinte.
Porque as argilas possuem diversões usos industriais? •
Porque são constituídas por argilominerais que compreenderam
vários grupos. •
Porque são constituídas por argilominerais que compreendem
vários grupos. •
Porque as
diversas espécies mineralógicas apresentam
composição química diferentes. •
Porque
as
diversas
espécies
mineralógicas
possuem
propriedades físico-química diferentes.
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•
Porque são naturalmente subdivididos, isto é, não precisam ser
moídas. •
Possuem propriedades constantes.
•
São facilmente dispersáveis em água.
Mineral
– elemento ou composto químico, resultante de
processos inorgânicos, de composição geralmente definida e encontrado naturalmente na crosta da Terra. São em geral sólidos, mas há exceções como: água e o mercúrio – líquidos. Rocha – agregado natural formado de um ou mais minerais que
constitui parte essencial da crosta terrestre e é individualizado. Ex: Magnética, Ígnea, Metamórfica. Cristal – são constituídos por íons, átomos e moléculas
arrumadas
simetricamente
e
tridimensionalmente.
Apresentam
estrutura cristalina definida.
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Classificação e Estrutura dos argilominerais
Unidades básicas dos argilominerais
•
a)
Tetraedro de Silício
b)
Octaedro de alumíminio
a) Folha Tetraédrica: S iO4
Os tetraedros se reúnem de modo que os oxigênios da base são compartilhados por tetraedros vizinhos, resultando em uma rede hexagonal. Os grupos tetraédricos estão ligados entre si para formar folhas hexagonais. b) Folha de octaedro de Alumínio
(ou mg2+)
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Os grupos octaédricos estão ligados entre si para formar folhas hexagonais. Camada ou lamela – o empilhamento de uma folha Tetraédrica em uma octaédrica forma uma camada. Os diversos arranjos entre essas folhas vão formar os vários tipos fundamentais de estrutura cristalina dos argilominerais originando os diferentes argilominerais. Os íons dentro das folhas •
Ligações
fortes
(parcialmente
iônicas
e
parcialmente
covalentes). •
As folhas entre si – ligadas ligações mais fracas.
As ligações fracas entre as camadas são responsáveis pela fácil clivagem paralela às direções perpendiculares ao eixo C – origina o hábito lamelar da maioria dos argilominerais. Obs: A folha do octaedro de alumínio (também chamada de folha de gibbsita). Também pode ser de magnésio – folha de burrita. Substituições: Al3+,Mg2+,Fe2+,Fe3+,Mn2+,Ti4+,Ni2+,Cr 3+,Li+. Folha dioctaédrica – Se o cátion é trivalente (2/3 das posições podem ser ocupadas) pelo Al, isto é, de cada três posições apenas duas são preenchidas, ficando a terceira vazia. Folha Trioctaédrica-Cátion é divalente (todas as posições estão ocupadas, isto é, todas as posições centrais da camada octaédrica estão ocupadas). Ex: gibsita: al23+(OH)6 – dioctaédrica Brucita:Mg32+(OH)6 - Trioctaédrica → forma → compacta 11
Classificação dos argilominerais
I- amorfos – não cristalinos Ex: alofana, Imogolita II- Cristalinos •
Caulinita
•
Ilita
•
Clorita
•
Vermiculita
•
Esmectita
•
Sepiolita – paligorskita
III- Interestratificados
Grupo das caulinitas – espécies – Nacrita, Diquita, Caulinita, Haloisita. 2H2O, Haloisita. 4H2O. (dioctaédricos). Grupo das Ilitas – micas hidratadas Dioctaédrica celadomita (Fe+Mg) Fengite (Mg) Roscoelita – (v) Fussita (Cr) Ponagonita (Na) Muscovita (K,Al,Si)
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Trioctaédrica
Flosgopita (Mg) Mangonofilita (Mn) Biotita Al+ Fe3+ Lepidolita
Grupo da Clorita Dioctaédrica Cookeita Donbassita Sudoíta Di-Tri octaédrica- Cookeíta, Sudoíte. Trioctaédrica Clinoeloro Chamosita Nimita Grupo da Vermiculita Dioctaédrica Beidelita (Si+ Al) Montimorilonita (Mg) Montionita (Fe) Volconscoíta (Cr) 13
Trioctaédrica
Stevensita – Mg + Si Hectorita - Li Saponita – Al, Mg Sauconita - Zn Pimelita - Ni Medmontita – Cu
•
•
Sepiolita – paligorskita (são trioctaédricas).
•
Bentonita – Montimorilonita Minerais não cristalinos – são silicatos hidratados de Al e Fe, com conteúdo de água variável (alofana, Inogolita) – não aparecem Raios- x. Grupo das Caulinitas (estrutura com duas folhas)
1:1
2:1 Grupo da Montimorilonita, Ilita, vermiculita (estrutura com três folhas) 2:2
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Grupo da Clorita Tetraedro S:
S
Octaedro Al
Brucita - Mg Lâmina Tetraédrica Lâmina Octaédrica As argilas são filossilicatos e possuem estrutura em forma de lâminas • Dioctaedrais – lâmina com predomínio Al. • Trioctaedro – predomínio Mg. •
Caulinita – Possui substituição, isomórfica – peça substituição, Isomórfica – substituição de cátions dentro da estrutura cristalina que é eletricamente neutra. •
•
D00l= 7 A
Caulinita bem cristalizada, isto é, com ordem no eixo b – apresentam empilhamento regular das folhas unitárias. •
•
Caulinita mal cristalizada – isto é, com desordem no eixo b –
apresentam empilhamento com distorções das folhas unitárias. (São também denominadas de argilas refratárias ou fire Clay).São as caulinitas com desordem no eixo b. As placas não apresentam perfil hexagonal bem definido como nas cristalizadas, as placas são menores e mais finas, podendo enrolar nas bordas. 15
•
Haloisitas – são semelhantes à Caulinita, mas as camadas
sucessivas estão deslocadas mais ou menos ao acaso, ao longo dos eixos a e b. Existem duas formas de haloisita: a) haloisita 4 H2O ou endelita – mais hidratada – camada de água que separa as camadas estruturais.
7A
b) Meta-haloisita ou haloisita 2 H 2O – não possui essa camada de água
7A
Haloisita – Formas tubulares Caulinita – Formas hexagonais planas. Forma Tubular – Para reduzir tensões internas devido ao desajuste das camadas de silício e de alumínio. •
Pequenas dimensões dos argilominerais. Si – O – 8,90 A o Al – OH – 8,62 A o
Montmorilonita
Deficiência na estrutura dos minerais de
cargas positivas de 0,66 cátions monovalentes por célula unitária. Essa deficiência é equilibrada principalmente por cátions hidratados entre as camadas estruturais. Pode haver substituição isomórfica no tetaedro (Al substitui Si) – no octaedro. •
•
Al, Fe, Mg, etc. isolados ou em combinação. Todas as posições octaédricas preenchidas – formas
trioctaédricas – Saponita,sauconita,hectonita.
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2/3 posições octaédricas preenchidas – formas disctaedrais: montemorilonita,beidelita,nontronita,volconscoíta. •
Quando os argilominerais montimoriloníticos anidros são
colocados em água ou em ambientes úmidos, os cátions trocáveis se hidratam,entra água e o espaçamento basal aumenta. A espessura entre camadas ou interlamelar varia com a natureza
•
do cátion interlamelar e com a quantidade de água disponível. As argilas esmectíticas são plásticas, coloidais, alta absorção,
•
alta absorção - característica que os torna valiosas para determinados usos industriais. Apresentam grandes variações em suas propriedades físicas.
•
Essas variações podem ser atribuídas às variações na natureza dos cátions trocáveis que neutralizam a estrutura cristalina e a fatores estruturais e composicionais como variações na população das posições octaédricas. •
Dimensões médias – 0,15 um com limites ou formas irregulares.
•
Ligação entre camadas – Van de walls.
Sepiolita paligoskita •
Hábito fibroso (não é lamelar) (fitas)
Estrutura cristalina constituída por camadas em forma de fitas de duas unidades tetraédricas de silicatos ligados por uma octaédrica central por meio de oxigênios comuns. As fitas estão ligadas entre si pelas arestas longitudinais parecendo
calhas colocadas paralelamente ao comprimento e
alternadamente com a concavidade para cima e para baixo, o que dá uma estrutura porosa. 17
O Mg++ é o componente dominante nas posições octaedrais, mas existe uma pequena substituição por alumínio e as vezes por ferro. Propriedades físico-químicas. •
Expansão
•
Contração
•
Plasticidade
•
Pegajosidade
•
Capacidade de troca catiônica – CTC químicas.
•
Capacidade de troca aniônica - CTA
físicas.
Capacidade de troca catiônica é o processo reversível pelo qual íons retidos na superfície de uma fase sólida são substituídos por outros íons, sem que haja modificação de sua estrutura cristalina. É uma propriedade importante nos argilominerais, pois os íons trocáveis influem nas características físico-químicas e tecnológicas dos solos. Os argilominerais têm íons fixados na superfície, entre as camadas e dentro dos canais do retículo, estes íons podem ser trocados por outros íons sem que haja mudanças ou modificações em sua estrutura cristalina. Pode ser o resultado:
18
•
Desequilíbrio de cangas resultantes da substituição isomórfica
no próprio reticulado cristalino. •
Ligações quebradas nas arestas das partículas.
•
Substituição de hidrogênio por hidroxilas.
•
A CTC devido às ligações rompidas aumenta com o
decréscimo do tamanho das partículas, portanto para se aumentar CTC deve-se moer o material. •
Grupo dos interestratificados (camadas mistas) (filossilicato).
•
Sepiolita-paligorskita (inossilicato).
Formação dos argilominerais
Considerações gerais Os argilominerais são silicatos hidratados de alumínio, podendo conter ferro, magnésio, potássio, sódio, lítio e etc, em sua composição. Estruturalmente, são constituídos por grupos fundamentais de tetraedro (SiO 4)4 e de octaedros de Al 2(OH)6 ou Mg3(OH)6, ambos em arranjo hexagonal, formando retículos contínuos nas direções “a” e “b” dos eixos cristalográficos, originalmente respectivamente folhas de tetraedros e de octaedros.
As folhas de tetraedros e de octaedros se unem dando origem às diversas estruturas cristalinas dos grupos dos argilominerais, e da 19
união destas unidades ou camadas depende das propriedades físicoquímicas destes minerais. Os argilominerais têm estrutura lamelar (exceto grupo sepiolita – paligorskita). •
Grupo dos canditas
(caulinita, haloisita, endelita,
etc).
(filossilicatos). •
Grupo dos esmectitas (montmorilonita, beidelita, nontronita, etc).
(filossilicatos). •
Grupo das ilitas (filossilicatos).
•
Grupo dos vermiculitas (filossilicatos).
•
Grupo das cloritas (filossilicatos).
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