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Fillosilicati e minerali argillosiFillosilicati e minerali argillosi
Acqua(20-50%)
Aria(10-25%)
Minerali(40-60%)
Sostanza Organica(0,1-10%)
DISTRIBUZIONE PERCENTUALE IN VOLUME DELLE PRINCIPALI COMPONENTI DEL SUOLO
Cristallo, reticolo cristallino,cella elementare
Un cristallo può definirsi come una struttura all’interno della quale un insieme di ioni, o atomi, o molecole, è disposto secondo sequenze ripetitive ordinate caratterizzate da distanze fisse, a, b, c, ed angolature fisse, α, β, γ, lungo le tre direzioni dello spazio (reticolo cristallino).
Una struttura cristallina può definirsi come il risultato della ripetizione, lungo le tre direzioni dello spazio, di un ideale modulo di base che prende il nome di “cella elementare” o “cella unitaria”. Tale cella può essere definita quindi come “la più piccola parte di un reticolo cristallino che contiene tutte le informazioni relative alla disposizione degli ioni nel reticolo stesso, a cui dà luogo per innumerevoli ripetizioni nelle tre direzioni dello spazio”.
Alla cella elementare, o preferenzialmente alla semicella elementare, si fa riferimento per ricavare la formula chimico-mineralogica di un qualsiasi composto cristallino.
MINERALI
PIÙ COMUNI DEL
SUOLO
NOME FORMULA CHIMICA CARATTERISTICAQuarzo SiO2 Abbondante in sabbia e limo
(Na,K)AlO2[SiO2]3 Abbondanti in suoli CaAl2O4[SiO2]2 poco lisciviatiK2Al2O5[Si2O5]3Al4(OH)4 Fonte di K in molti suoli di
zone K2Al2O5[Si2O5]3(Mg,Fe)6(OH)4 zone temperate(Ca,N,K)2,3(Mg,Fe,Al)5(OH)2 Facilmente alterabili [(Si,Al)4O11]2
Pirosseni (Ca,Mg,Fe,Ti,Al)(Si,Al)O3 Facilmente alterabiliOlivina (Mg,Fe)2SiO4 Facilmente alterabileEpidoto Ca2(Al,Fe)3(OH)Si3O12 Fortemente resistenti
all’alterazione chimica;Tormalina NaMg3Al6B3Si6O27(OH,F)4 usati come mineraliZircone ZrSiO4 “indicatori” in studi
Rutilo TiO2 pedologiciCaoliniti Si4Al4O10(OH)8 Abbondanti nella fraz. argill.
Smectiti quali prodotti dell’alteraz.Vermiculiti
Mx(Si,Al)8(Al,Fe,Mg)4O20(OH)4, dei minerali primari; fonti diCloriti dove M = catione interstrato cationi scambiabili nel suolo Allofane Si3Al4O12 · nH2O Abbondanti in suoli derivati
daImogolite Si2Al4O10 · 5H2O depositi di ceneri vulcanicheGibbsite Al(OH)3 Abbondante in suoli lisciviatiGoethite FeO(OH) Ossido di Fe più abbondanteEmatite Fe2O3 Abbondante in regioni caldeFerridrite Fe10O15 · 9H2O Abbondante in orizzonti org.Birnessite (Na,Ca)Mn7O14 · 2.8H2O Ossido di Mn più abbondanteCalcite CaCO3 Carbonato più abbondanteGesso CaSO4· 2H2O Abbondante in regioni aride
Feldspati
Miche
Anfiboli
Si4+, Al3+
O2-
Al3+, Mg2+, Fe3+,
Fe2+
OH-
Unità strutturali nei silicati, tetraedro (a sinistra) e ottaedro (a destra)
NUMERO DI COORDINAZIONENei cristalli dei minerali ogni ione è circondato da ioni di carica opposta. Il numero degli anioni che possono disporsi intorno ad uno catione centrale dipende dal rapporto tra i raggi dei due ioni (raggio catione/raggio anione) e viene chiamato numero di coordinazione del catione centrale. Poiché l’ossigeno è l’anione di gran lunga prevalente nei fillosilicati, il numero di coordinazione in definitiva dipende dal rapporto tra il raggio del catione e quello dell’ossigeno. Il catione Si4+
presenta un rapporto radiale di circa 0,3, il che comporta una configurazione tetraedrica con numero di coordinazione quattro. I cationi Al3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+ presentano un rapporto radiale compreso tra 0,4 e 0,7, il che comporta una configurazione ottaedrica con numero di coordinazione 6. Lo ione Al3+ comunque, che ha un rapporto radiale molto prossimo al limite 0,4, può assumere sia configurazione tetraedrica con numero di coordinazione 4, che ottaedrica, con numero di coordinazione 6. Cationi alcalini e alcalino terrosi (I e II gruppo) presentano un rapporto radiale > 0,7 e pertanto sono caratterizzati da un numero di coordinazione 8 o superiore (configurazione cubica o esagonale).
PRINCIPALI STRUTTURE DEI SILICATI
nesosilicati sorosilicati ciclosilicati inosilicati a catena singola
inosilicati a catena doppia fillosilicati tectosilicati
Classificazione dei silicati in base alla disposizione delle unità tetraedriche
STRUTTURA CARATTERISTICA
DISPOSIZIONI DELLE UNITA'
TETRAEDRICHE
RAPPORTO Si:O
MINERALI TIPICI DELLA
CLASSE
Nessun vertice Olivina,tetraedrico è
condivisoZircone
Coppie di tetraedri Sorosilicati Ogni tetraedro condivide un
solo vertice con un altro tetraedro
1:3,5 Emimorfite
Berillo,
Tormalina
Catene tetraedriche Pirosseni
singole (Augite)
Catene tetraedriche
doppie (o “fasce”)
Miche, Cloriti,
Smectiti
Quarzo,
Feldspati, Zeoliti
Strutture tridimensionali
Tettosilicati Ogni tetraedro condivide i
quattro vertici con altri quattro
tetraedri
1:2
Anfiboli (Orneblenda)
Fogli continui Fillosilicati Ogni tetraedro condivide tre
vertici con altri tre tetraedri
1:2,5
Inosilicati Ogni tetraedro condivide due vertici con altri due tetraedri
1:3
Inosilicati Ogni tetraedro condivide
alternativamente due o tre vertici
con altri tre tetraedri
1:2,75
Anelli tetraedrici Ciclosilicati Ogni tetraedro condivide due vertici con altri due tetraedri
1:3
CLASSI
Tetraedri singoli Nesosilicati 1:4
Raggio ionico, carica e numero di coordinazione dei principali cationi rispetto all’anione Ossigeno
Catione Carica Raggio ionico (nm) N° di coordinazioneSi 4 0,039 4Al 3 0,039 4
3 0,054 6Fe 2 0,078 6
3 0,065 6Mg 2 0,072 6Ca 2 0,100 6
2 0,112 8Cu 2 0,057 4
2 0,073 6Ni 2 0,069 6Zn 2 0,074 6Cd 2 0,075 6Mn 2 0,083 6
3 0,065 64 0,053 6
Li 1 0,059 41 0,076 6
Na 1 0,097 61 0,102 8
K 1 0,138 61 0,151 81 0,164 12
Cs 1 0,167 61 0,188 12
Pb 2 0,119 64 0,078 6
NH4 1 0,143 8-12O 2 0,140 ----
Rappresentazione schematica in pianta e di prospetto delle strutture a “foglio”, tipiche dei fillosilicati. Foglio tetraedrico (in alto), foglio di-ottaedrico (in mezzo) e foglio tri-ottaedrico (in basso). La disposizione degli ioni nei fogli può essere schematicamente rappresentata usando almeno tre modelli descrittivi. Il primo, da sinistra verso destra, è il modello poliedrico che evidenzia la struttura geometrica di riferimento, tetraedro o ottaedro. Il secondo è il modello a sfere, il quale rappresenta l’ingombro sterico, cioè il volume, degli ioni (anione ossigeno o ossidrile). Il terzo modello, a sfere e bastoncini, descrive in dettaglio l’orientamento dei legami chimici che intercorrono tra i vari ioni. In ognuna delle rappresentazioni risultano evidenti: la regolarità delle strutture minerali, la distribuzione degli ioni lungo piani paralleli tra loro, la condivisione degli anioni tra le diverse unità strutturali e la presenza di cavità pseudoesagonali sulle superfici planari.
O2-
2-
Foglio Tetraedrico
Foglio Diottaedrico
Foglio Triottaedrico
I FOGLI TETRAEDRICI E OTTAEDRICI DEI FILLOSILICATI
O
2-
O
2-
Si
4+
OH
-
M
3+
o
M
2+
FOGLIO OTTAEDRICO
FOGLIO TETRAEDRICO
PARAMETRI PRINCIPALI PER LA DESCRIZIONE DEI FILLOSILICATI DEL SUOLO
•numero e ordine della successione dei fogli tetraedrici e ottaedrici nello strato•tipologia degli ioni prevalenti nei fogli tetraedrici e ottaedrici•grado di isomorfismo e conseguente carica elettrica di strato riferita alla cella unitaria•formula chimico-mineralogica derivata dalla semicella elementare•capacità di scambio cationica•distanza basale o periodo di identità•natura dei legami esistenti tra gli strati ed eventuale presenza e tipologia di cationi interstrato•superficie specifica•capacità di dilatazione/contrazioneI legami chimici presenti all’interno delle strutture minerali sono prevalentemente di tipo ionico, anche se parzialmente covalenti, sono cioè legami forti. Al contrario, i legami che tengono uniti strati diversi tra loro sono legami deboli, quali legami a idrogeno, dipolo-dipolo, forze di van der Waals, ecc. La natura dei legami chimici tra strati condiziona numerose proprietà fisiche e chimiche dei fillosilicati, tra cui la distanza tra piani omologhi di strati successivi, cioè la distanza basale, o periodo di identità o lato c, la superficie specifica, la capacità di dilatazione/contrazione, la sfaldabilità.
L’uso dei termini piano, foglio e strato(o pacchetto) segue le raccomandazioni del Comitato per la Nomenclatura della AIPEA (Association International Pour l'Étude des Argiles). I termini si riferiscono ad arrangiamenti strutturali crescenti, il piano (plane) di ioni, il foglio (sheet) tetraedrico o ottaedrico, lo strato (layer) 1:1 o 2:1. Il foglio è una combinazione di piani e lo strato è una combinazione di fogli. Gli strati possono essere separati tra loro da materiali interstrato, quali cationi, cationi idratati, molecole organiche, gruppi e fogli di ossiidrossidi ottaedrici. Un insieme di strati forma il cristallo (crystal). La distanza tra un piano basale di uno strato e l’omologo piano di uno strato successivo è chiamata distanza basale o periodo di identità. I fillosilicati presentano generalmente estese superfici planari interstrato e limitate superfici laterali o di taglio.
Strato o lamella
Superfici esterne
Spazio interstrato
Superfici interne
D
ista
nza
basa
le, d
MODELLO DI STRUTTURA, DISTANZA BASALE E SUPERFICI DEI FILLOSILICATI
Cristallo
Principali proprietà dei più importanti fillosilicati del suolo
Fillosilicato Tipo Formula chimica Carica strato
CSC [cmol(+) kg-
1]
Superficie specifica (m2
g-1)
Distanza basale (nm)
Dilatabilità Contraibilità
Carica variabile (pH-dipendente)
Caolinite 1:1 Al2Si2O5(OH)4 ~ 0 1,0-10 10-20 0,72 no elevata
[M+x, M2+
x/2]
[(Al2-
xMgx)Si4O10(OH)2
][M+x, M2+
x/2]
[Mg3(Si4-
xAlx)O10(OH)2]
[K+x, M+
x, M2+x/2]
[Al2(Si4-
xAlx)O10(OH)2]
[M+z, M
2+z/2]
[Mg3-xAlx(OH)6]
[Mg3(Si4-
yAly)O10(OH)2]Allofane --- SixAly(OH)z --- 100-150 70-300 --- --- elevata
Montmorillonite (Smectite)
2:1 0,25-0,6 80-120 600-800 1-2 si bassa
Vermiculite (magnesiaca)
2:1 0,6-0,9 120-150 600-800 1-1,5 poco bassa
Muscovite (mica) 2:1 ~ 1,0 20-40 70-120 1,0 poco media
Clorite (magnesiaca)
2:1 ~ 1,0 20-40 70-150 1,4 no elevata
a
c
b
OH
-
O
2-
Al
3+
Si
4+
Modelli di fillosilicato del tipo 1:1 (a),
2:1 (b) e
2:1:1 (c)
0,72 nmfoglio tetraedicofoglio ottaedrico
lega
mi a
idro
geno
Struttura di un cristallo di un fillosilicato 1:1 (sopra) e schema strutturale (sezione) della cella unitaria della caolinite (sotto), con indicazione dei legami idrogeno tra strati successivi
T O T 0,93 nm
Forz
e di v
an d
er W
aals
Struttura di un cristallo di un fillosilicato 2:1 (talco, pirofillite, sopra) e schema strutturale (sezione) della cella unitaria della pirofillite (sotto). Gli strati sono legati tra loro con legami molto deboli (forze di van der Waals)
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
Al, Mg
Distanza basale (d); variabile 1,0 – 4,0 nm
Cation
i
inte
rstr
ato:
Na,
Ca,
ec
c.
Struttura di un cristallo di un fillosilicato 2:1 (smectiti, sopra) e schema strutturale (sezione) della cella unitaria della montmorillonite (sotto).
Isomorfismo prevalente nei fogli ottaedrici e carica di strato debolmente ripartita sui piani.
I cationi a basso potenziale ionico, Na, K, tendono a rimanere idratati e scambiabili.
La distanza basale è variabile e le superfici interne sono molto elevate
1,43 nm
Mg2+
Mg
2
+
Mg
2
+
Mg
2+
Mg2+
Mg
2+
Al, Si Mg, Fe, Al
Cation
i int
erst
rato
: M
g, C
a
Struttura di un cristallo di un fillosilicato del tipo 2:1 (vermiculiti, sopra) e schema strutturale (sezione) della cella unitaria della vermiculite (sotto).
Sono frequenti fenomeni di sostituzione isomorfa sia nel foglio tetraedrico che nel foglio ottaedrico.
La carica di strato è neutralizzata da cationi Mg e Ca, generalmente esaidrati
1,0 nm
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
K
+
Al, Si Cation
i int
erst
rato
Struttura di un cristallo di un fillosilicato del tipo 2:1 (mica, sopra) e schema strutturale (sezione) della cella unitaria della muscovite (sotto).
Sostituzioni isomorfe nei fogli tetraedrici.
Gli strati sono legati tra loro tramite cationi K+ “fissati” negli spazi interstrato.
1,4 nmBrucite, gibbsite
Al, SiMg, Fe
Struttura di un cristallo di un fillosilicato del topo 2:1:1 (cloriti, sopra) e schema strutturale (sezione) della cella unitaria della clorite (sotto).
Sostituzioni isomorfe presenti sia nei fogli tetraedrici che nei fogli ottaedrici.
Fogli ottaedrici interstrato, limitate superfici specifiche e distanza basale molto ridotta.
Mineral
i non
silicat
ici più
comu
ni nel
suolo
CLASSE FORMULA CHIMICA
Alluminio Al(OH)3
AlOOHAl2O3
Ferro Fe2O3
FeOOHFe5O7(OH) · 4H2O
Fe3O4
Manganese (Al,Li)MnO2(OH)2
variabileBa2Mn8O16
MnO2
variabileMnOOH
Titanio TiO2
FeTiO3
Carbonati CaCO3
CaMg(CO3)2
NaHCO3
Na2CO3 · NaHCO3 · 2H2ONa2CO3 · 10H2O
Solfati CaSO4 · 2H2OKFe3(SO4)2(OH)6
Fosfati Ca5(F,Cl,OH)(PO4)3
Al [PO4]·2H2OFe [PO4]·2H2O
Alogenuri NaClSolfuri FeS2Pirite
ApatiteVarisciteStrengite
Halite
TronaSodaGesso
Jarosite
IlmeniteCalcite
DolomiteNahcolite
PyrolusiteTodorokiteManganite
Rutilo, Anatasio
MagnetiteLithiophorite
BirnessiteHollandite
CorindoneEmatite, MaghemiteGoethite, Lepidocrite
Ferridrite
MINERALE
Ossidi, idrossidi e ossiidrossidi di:
Gibbsite, NordstranditeBoehmite, Diasporo