Propiedades Fisico y Quimicas de La Arcilla

TEMA: PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DE LA ARCILLA ALUMNO: ALEXANDER HUAYNATE CANORIO

INTRODUCCIÓN

El término arcilla se usa habitualmente con diferentes significados: •

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Desde el punto de vista mineralógico, engloba a un grupo de minerales (minerales de la arcill arcilla), a), filosi filosilic licato atoss en su mayor mayor parte parte,, cuy cuyas as propie propiedad dades es fisico fisico-qu -qumi mica cass dependen de su estructura y de su tama!o de grano, muy fino (inferior a " µm)# Desde el punto de vista petrológico la arcilla es una roca sedimentaria, en la mayor parte de los casos de origen detrtico, con caractersticas bien definidas# $ara un sedimentólogo, arcilla es un término granulométrico, que abarca los sedimentos con un tama!o de grano inferior a " µm# $ara un ceramista una arcilla es un material natural que cuando se me%cla con agua en la cantidad adecuada se convierte en una pasta pl&stica# Desde el punto de vista económico las arcillas son un grupo de minerales industriales con diferentes caractersticas mineralógicas y genéticas y con distintas propiedades tecnológicas y aplicaciones#

$or tanto, el término arcilla no sólo tiene connotaciones mineralógicas, sino también de tama!o de partcula, en este sentido se consideran arcillas todas las fracciones con un tama!o de grano infer ferior a " µm# 'eg 'egnn esto esto todo todoss los los filo filosi sili lica cato toss pued pueden en considerarse verdaderas arcillas si se encuentran dentro de dicho rango de tama!os, incluso minerales no pertenecientes al grupo de los filosilicatos (cuar%o, feldespatos, etc#) etc#) pue pueden den ser ser con consid sidera erados dos partc partcula ulass arcill arcillosa osass cuando cuando est&n est&n inclui incluidos dos en un sedimento arcilloso y sus tama!os no superan las " µm# as arcillas son constituyentes esenciales esenciales de gran parte de los suelos y sedimentos debido a que son, en su mayor parte, productos finales de la meteori%ación de los silicatos que, formados a mayores presiones y temperaturas, en el medio e*ógeno se hidroli%an#

ESTRUCTURA DE LOS FILOSILICATOS +omo veremos, las propiedades de las arcillas son consecuencia de sus caractersticas estructurales# $or ello es imprescindible conocer la estructura de los filosilicatos para poder comprender comprender sus propiedades# propiedades# as arcillas, al igual que el resto de los filosilicatos, presentan una estructura basada en el apilamiento de planos de iones o*geno e hidro*ilos# os grupos tetraédricos ('i) se unen compartiendo tres de sus cuatro o*genos con otros vecinos formando capas, de e*tensión infinita y fórmula ('i ".)"-, que constituyen la unidad fundamental de los filosilicatos# En ellas los tetraedros se distribuyen formando he*&gonos# El silicio tetraédrico puede estar, en parte, sustituido por /l 01 o 2e01#

CURSO: MECANICA DE SUELOS I


Estas capas tetraédricas se unen a otras octaédricas de tipo gibbsita o brucita# En ellas algunos /l01 o 3g"1, pueden estar sustituidos por 2e "1 o 2e01 y m&s raramente por i, +r, 3n, 4i, +u o 5n# El plano de unión entre ambas capas est& formado por los o*genos de los tetraedros que se encontraban sin compartir con otros tetraedros (o*genos apicales), y por grupos (6) - de la capa brucitica o gibsitica, de forma que, en este plano, quede un (6) - en el centro de cada he*&gono formado por 7 o*genos apicales# El resto de los (6) - son reempla%ados por los o*genos de los tetraedros

8na unión similar puede ocurrir en la superficie opuesta de la capa octaédrica# /s, los filosilicatos pueden estar formados por dos capas: tetraédrica m&s octaédrica y se denominan bilaminares, 1:1, o T:O9 o bien por tres capas: una octaédrica y dos tetraédricas, denomin&ndose trilaminares, 2:1 o T:O:T# / la unidad formada por la unión de una capa octaédrica m&s una o dos tetraédricas se la denomina lámina# 'i todos los huecos octaédricos est&n ocupados, la l&mina se denomina triocta!rica (3g"1 dominante en la capa octaédrica)# 'i solo est&n ocupadas dos tercios de las posiciones octaédricas y el tercio restante est& vacante, se denomina !iocta!rica (el /l01 es el catión octaédrico dominante)# En algunos filosilicatos (esmectitas, vermiculitas, micas###) las l&minas no son eléctricamente neutras debido a las sustituciones de unos cationes por otros de distinta carga# El balance de carga se mantiene por la presencia, en el espacio interlaminar, o espacio e*istente entre dos l&minas consecutivas, de cationes (como por eemplo en el grupo de las micas), cationes hidratados (como en las vermiculitas y esmectitas) o grupos hidro*ilo coordinados octaédricamente, similares a las capas octaédricas, como sucede en las cloritas# / éstas ltimas también se las denomina T:O:T:O o 2:1:1# a unidad formada por una l&mina m&s la interl&mina es la unidad estructural# os cationes interlaminares m&s frecuentes son alcalinos (4a y ;) o alcalinotérreos (3g y +a)#



as fuer%as que unen las diferentes unidades estructurales son m&s débiles que las e*istentes entre los iones de una misma l&mina, por ese motivo los filosilicatos tienen una clara dirección de e*foliación, paralela a las l&minas# posiciones octaédricas (sepiolita) o cada . posiciones (paligors=ita)# Esta inversión da lugar a la interrupción de la capa octaédrica que es discontinua#

CLASIFICACION os filosilicatos se clasifican atendiendo a que sean bilaminares o trilaminares y dioctaédricos o trioctaédricos (
D?+

+aolinita +/4D?
4acrita

+/AB/

/ntigorita 'EA$E4
+risotilo

C?/3?4/AE' Dic=ita

i%ardita

6alloisita

Certierina

FG

<: :

$irofilita


FG 'aponita

 F G,"-G,7


E'3E+
Ceidellita

4ontronita

Hermiculitas

E'3E+
6ectorita

Hermiculitas

 F G,7-G,I

?llitas

 F G,I 3oscovita

3?+/'

$aragonita

Ciotita 3?+/'

": <:#<: "::

+A?
2?CA''

$aligors=ita

F

2logopita epidolita

'epiolita

"RO"IEDADES FISICO#$U%&ICAS as importantes aplicaciones industriales de este grupo de minerales radican en sus propiedades fisico-qumicas# Dichas propiedades derivan, principalmente, de: J 'u e*tremadamente peque!o tama!o de partcula (inferior a " µm) ∗ 'u morfologa laminar (filosilicatos) J as sustituciones isomórficas, que dan lugar a la aparición de carga en las l&minas y a la presencia de cationes débilmente ligados en el espacio interlaminar# +omo consecuencia de estos factores, presentan, por una parte, un valor elevado del &rea superficial y, a la ve%, la presencia de una gran cantidad de superficie activa, con enlaces no saturados# $or ello pueden interaccionar con muy diversas sustancias, en especial compuestos polares, por lo que tienen comportamiento pl&stico en me%clas arcilla-agua con elevada proporción sólidoKlquido y son capaces en algunos casos de hinchar, con el desarrollo de propiedades reológicas en suspensiones acuosas# $or otra parte, la e*istencia de carga en las l&minas se compensa, como ya se ha citado, con la entrada en el espacio interlaminar de cationes débilmente ligados y con estado variable de hidratación, que pueden ser intercambiados f&cilmente mediante la puesta en contacto de la arcilla con una solución saturada en otros cationes, a esta propiedad se la conoce como capacidad de intercambio catiónico y es también la base de multitud de aplicaciones industriales# •

S'(er)icie es(ec*)ica

a superficie especfica o &rea superficial de una arcilla se define como el &rea de la superficie e*terna m&s el &rea de la superficie interna (en el caso de que esta e*ista) de las partculas constituyentes, por unidad de masa, e*presada en m "Kg#



as arcillas poseen una elevada superficie especfica, muy importante para ciertos usos industriales en los que la interacción sólido-fluido depende directamente de esta propiedad# / continuación se muestran algunos eemplos de superficies especficas de arcillas: +aolinita de elevada cristalinidad hasta . m "Kg +aolinita de baa cristalinidad hasta .G m "Kg 6alloisita hasta 7G m"Kg ?llita hasta .G m "Kg 3ontmorillonita >G-0GG m"Kg 'epiolita GG-"G m "Kg $aligors=ita GG-"GG m"Kg

Ca(aci!a! !e Intercambio cati+nico Es una propiedad fundamental de las esmectitas# 'on capaces de cambiar, f&cilmente, los iones fiados en la superficie e*terior de sus cristales, en los espacios interlaminares, o en otros espacios interiores de las estructuras, por otros e*istentes en las soluciones acuosas envolventes# a capacidad de intercambio catiónico (+E+) se puede definir como la suma de todos los cationes de cambio que un mineral puede adsorber a un determinado p6# Es equivalente a la medida del total de cargas negativas del mineral# Estas cargas negativas pueden ser generadas de tres formas diferentes: •

J 'ustituciones isomórficas dentro de la estructura# J Enlaces insaturados en los bordes y superficies e*ternas# J Disociación de los grupos hidro*ilos accesibles# El primer tipo es conocido como carga permanente y supone un >G L de la carga neta de la partcula9 adem&s es independiente de las condiciones de p6 y actividad iónica del medio# os dos ltimos tipos de origen varan en función del p6 y de la actividad iónica# +orresponden a bordes cristalinos, qumicamente activos y representan el "G L de la carga total de la l&mina# / continuación se muestran algunos eemplos de capacidad de intercambio catiónico (en meqKGG g):

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+aolinita: 0-. 6alloisita: G-G ?llita: G-.G +lorita: G-.G Hermiculita: GG-"GG 3ontmorillonita: >G-"GG 'epiolita-paligors=ita: "G-0. Ca(aci!a! !e absorci+n

/lgunas arcillas encuentran su principal campo de aplicación en el sector de los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras moléculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligors=ita)#



a capacidad de absorción est& directamente relacionada con las caractersticas te*turales (superficie especfica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de procesos que difcilmente se dan de forma aislada: absorción (cuando se trata fundamentalmente de procesos fsicos como la retención por capilaridad) y adsorción (cuando e*iste una interacción de tipo qumico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el lquido o gas adsorbido, denominado adsorbato)# a capacidad de adsorción se e*presa en porcentae de absorbato con respecto a la masa y depende, para una misma arcilla, de la sustancia de que se trate# a absorción de agua de arcillas absorbentes es mayor del GGL con respecto al peso# •

,i!rataci+n e -inc-amiento

a hidratación y deshidratación del espacio interlaminar son propiedades caractersticas de las esmectitas, y cuya importancia es crucial en los diferentes usos industriales# /unque hidratación y deshidratación ocurren con independencia del tipo de catión de cambio presente, el grado de hidratación s est& ligado a la naturale%a del catión interlaminar y a la carga de la l&mina# a absorción de agua en el espacio interlaminar tiene como consecuencia la separación de las l&minas dando lugar al hinchamiento# Este proceso depende del balance entre la atracción electrost&tica catión-l&mina y la energa de hidratación del catión# / medida que se intercalan capas de agua y la separación entre las l&minas aumenta, las fuer%as que predominan son de repulsión electrost&tica entre l&minas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento pueda llegar a disociar completamente unas l&minas de otras# +uando el catión interlaminar es el sodio, las esmectitas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociación de cristales individuales de esmectita, teniendo como resultado un alto grado de dispersión y un m&*imo desarrollo de propiedades coloidales# 'i por el contrario, tienen +a o 3g como cationes de cambio su capacidad de hinchamiento ser& mucho m&s reducida# •

"lastici!a!

as arcillas son eminentemente pl&sticas# Esta propiedad se debe a que el agua forma una envuelta sobre las partculas laminares produciendo un efecto lubricante que facilita el desli%amiento de unas partculas sobre otras cuando se eerce un esfuer%o sobre ellas# a elevada plasticidad de las arcillas es consecuencia, nuevamente, de su morfologa laminar, tama!o de partcula e*tremadamente peque!o (elevada &rea superficial) y alta capacidad de hinchamiento# Beneralmente, esta plasticidad puede ser cuantificada mediante la determinación de los ndices de /tterberg (mite quido, mite $l&stico y mite de Aetracción)# Estos lmites marcan una separación arbitraria entre los cuatro estados o modos de comportamiento de un suelo sólido, semisólido, pl&stico y semilquido o viscoso (Miméne% 'alas, et al# , IN.)#



a relación e*istente entre el lmite lquido y el ndice de plasticidad ofrece una gran información sobre la composición granulométrica, comportamiento, naturale%a y calidad de la arcilla# E*iste una gran variación entre los lmites de /tterberg de diferentes minerales de la arcilla, e incluso para un mismo mineral arcilloso, en función del catión de cambio# En gran parte, esta variación se debe a la diferencia en el tama!o de partcula y al grado de perfección del cristal# En general, cuanto m&s peque!as son las partculas y m&s imperfecta su estructura, m&s pl&stico es el material# •

Ti.otro(*a

a ti*otropa se define como el fenómeno consistente en la pérdida de resistencia de un coloide, al amasarlo, y su posterior recuperación con el tiempo# as arcillas ti*otrópicas cuando son amasadas se convierten en un verdadero lquido# 'i, a continuación, se las dea en reposo recuperan la cohesión, as como el comportamiento sólido# $ara que una arcilla ti*otrópica muestre este especial comportamiento deber& poseer un contenido en agua pró*imo a su lmite lquido# $or el contrario, en torno a su lmite pl&stico no e*iste posibilidad de comportamiento ti*otrópico#


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