FillosilicatiFillosilicati

Minerali secondari (ossia minerali che si sono formati per decomposizione dei minerali primari).

Sono i costituenti più importanti dell’argilla del terreno e i responsabili della loro reattività (capacità di interagire con altre sostanze, ad es. acqua, cationi, composti organici)

Hanno un caratteristica struttura a foglietti (o a a fascetti) stratificati, a cui si deve una elevata capacità di assorbimento nei confronti di altre sostanze presenti nel terreno

I fillosilicati hanno una struttura cristallina, in cui sono presenti una cella elementare tetraedrica a base silicio ed una cella elementare a base di alluminio (per questo sono detti alluminosilicati)

Nel tetraedro l’atomo di silicio Nel tetraedro l’atomo di silicio centrale coordina 4 atomi di ossigeno:centrale coordina 4 atomi di ossigeno:

SiOSiO44 o meglio SiO o meglio SiO444-4-

Ogni tetraedro si unisce a tre tetraedri Ogni tetraedro si unisce a tre tetraedri attraverso la condivisione di 3 atomi attraverso la condivisione di 3 atomi di ossigeno. di ossigeno.

Si forma uno foglio (in inglese sheet) Si forma uno foglio (in inglese sheet) tetraedrico formato da un piano (in tetraedrico formato da un piano (in inglese plane) centrale di inglese plane) centrale di siliciosilicio e un e un piano esterno di piano esterno di ossigeniossigeni condivisi ed condivisi ed un piano esterno di un piano esterno di ossigeniossigeni non non condivisi condivisi

Gli ossigeni dei due piani sono Gli ossigeni dei due piani sono disposti ai vertici di esagoni regolari, disposti ai vertici di esagoni regolari, formano una struttura formano una struttura a “nido d’ape”a “nido d’ape”

Foglio tetraedrico visto dall’alto o dal basso

Foglio tetraedricoFoglio tetraedrico

Foglio ottaedrico visto dall’alto o dal basso

Nell’ottaedro l’atomo di alluminio coordina 6 gruppi OH:

Al(OH)6 o meglio Al(OH)63-

Ogni ottaedro di unisce ad ottaedri adiacenti attraverso la condivisione di tutti i suoi gruppi OH.

Si forma uno foglio (in inglese sheet) ottaedrico con un piano (in inglese plane) centrale costituito da atomi di alluminio e i due piani esterni costituiti da gruppi OH condivisi e disposti ai vertici di triangoli

Foglio ottaedricoFoglio ottaedrico

Nel reticolo cristallino dei fillosilicati il foglio tetraedrico si unisce a quello ottaedrico attraverso la condivisione di ossigeno atomi di silicio ed atomi alluminio.

Si formano così pacchetti o strati (layer in inglese) che possono essere di due tipologie.

Pacchetti 1:1, risultanti dall’unione di uno foglio tetraedrico e di uno foglio ottaedrico.

Questo pacchetto presenta un piano esterno costituito da atomi di ossigeno ed un piano esterno costituita da gruppi OH.

Pacchetti o stratiPacchetti o strati

Pacchetti 2:1, in cui uno foglio ottaedrico viene compreso tra due fogli tetraedrici.

In questo pacchetto i due piani esterni sono costituiti da atomi di ossigeno

Pacchetti o strati o fascettiPacchetti o strati o fascetti

Un insieme di strati (o pacchetti) tenuti insieme da legami di varia natura forma il Un insieme di strati (o pacchetti) tenuti insieme da legami di varia natura forma il cristallocristallo (in inglese crystal) o micella. (in inglese crystal) o micella. La distanza tra un piano basale di uno strato e l’omologo piano di uno strato successivo è La distanza tra un piano basale di uno strato e l’omologo piano di uno strato successivo è chiamata chiamata distanza basale o periodo di identitàdistanza basale o periodo di identità. . Lo spazio tra due piani affacciati di due pacchetti successivi si chiama Lo spazio tra due piani affacciati di due pacchetti successivi si chiama spazio interstratospazio interstrato I fillosilicati presentano generalmente estese superfici planari interstrato e limitate superfici I fillosilicati presentano generalmente estese superfici planari interstrato e limitate superfici laterali o di taglio.laterali o di taglio.

Cristalli di fillosilicatiCristalli di fillosilicati

pacchettpacchettoo

La struttura di un fillosilicato La struttura di un fillosilicato presenta quindi il piano (plane) di presenta quindi il piano (plane) di ioni, il foglio (sheet) tetraedrico o ioni, il foglio (sheet) tetraedrico o ottaedrico, lo strato (layer) 1:1 o 2:1, ottaedrico, lo strato (layer) 1:1 o 2:1, il cristallo (crystal).il cristallo (crystal).

Il Il pianopiano è definito dall’insieme di ioni è definito dall’insieme di ioni che occupano lo stesso piano (es. che occupano lo stesso piano (es. piano di silicio, piano di alluminio, piano di silicio, piano di alluminio, piano di ossigeno)piano di ossigeno)

Il Il fogliofoglio è una combinazione di piani. è una combinazione di piani. Lo Lo stratostrato è una combinazione di fogli. è una combinazione di fogli.

Il Il cristallocristallo un’insieme di strati. un’insieme di strati.

Gli strati possono essere separati tra Gli strati possono essere separati tra loro da materiali interstrato, quali loro da materiali interstrato, quali acqua, cationi, cationi idratati, acqua, cationi, cationi idratati, molecole organiche, gruppi e in molecole organiche, gruppi e in alcuni fillosilicati (2:1:1) fogli alcuni fillosilicati (2:1:1) fogli ottaedrici. ottaedrici.

Riassumendo:Riassumendo:

I legami chimici presenti all’interno delle strutture minerali sono prevalentemente di I legami chimici presenti all’interno delle strutture minerali sono prevalentemente di tipo ionico, anche se parzialmente covalenti, sono cioè legami forti. 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 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, etc.legami a idrogeno, dipolo-dipolo, forze di Van der Waals, etc.

Una delle caratteristiche che contraddistingue i diversi tipi di fillosilicati presenti nel Una delle caratteristiche che contraddistingue i diversi tipi di fillosilicati presenti nel terreno è proprio terreno è proprio la natura dei legami chimici tra stratila natura dei legami chimici tra strati. .

Da essa dipendono numerose proprietà fisiche e chimiche dei fillosilicati, tra cui la Da essa dipendono numerose proprietà fisiche e chimiche dei fillosilicati, tra cui la distanza tra piani omologhi di strati successivi, cioè la distanza basale, o periodo di distanza tra piani omologhi di strati successivi, cioè la distanza basale, o periodo di identità, la superficie specifica, la capacità di dilatazione/contrazione, la sfaldabilità.identità, la superficie specifica, la capacità di dilatazione/contrazione, la sfaldabilità.

Le varie tipologie di fillosilicatiLe varie tipologie di fillosilicati

Cristalli di fillosilicati 1:1Cristalli di fillosilicati 1:1

Nei fillosilicati 1:1 ci sono Nei fillosilicati 1:1 ci sono legami idrogeni fra gli legami idrogeni fra gli ossigeni del foglio tetraedrico ossigeni del foglio tetraedrico di uno strato e gli idrogeni dei di uno strato e gli idrogeni dei gruppi OH che si trovano sul gruppi OH che si trovano sul foglio ottaedrico dello stato foglio ottaedrico dello stato successivo.successivo.

Questi legami sono Questi legami sono abbastanza forti da rendere abbastanza forti da rendere molto ridotto lo spazio molto ridotto lo spazio interstratointerstrato

TT

OO

Strutture schematizzate dei cristalli 1:1Strutture schematizzate dei cristalli 1:1

Cristalli di fillosilicati 2:1Cristalli di fillosilicati 2:1

Nei fillosilicati 2:1 gli strati Nei fillosilicati 2:1 gli strati sono tenuti insieme da legami sono tenuti insieme da legami Vann der Wals di ossigeni dei Vann der Wals di ossigeni dei foglietti ottaedrici affacciati.foglietti ottaedrici affacciati.

Poiché si tratta di legami Poiché si tratta di legami deboli la distanza tra gli strati deboli la distanza tra gli strati risulta essere maggiore che nei risulta essere maggiore che nei fillosilicati 1:1fillosilicati 1:1

Strutture schematizzate dei cristalli 2:1Strutture schematizzate dei cristalli 2:1

Il fenomeno della sostituzione isomorfa, o Il fenomeno della sostituzione isomorfa, o isomorfismo, consiste nella sostituzione isomorfismo, consiste nella sostituzione all’interno di ogni strato di cationi silicio od all’interno di ogni strato di cationi silicio od alluminio con altri catione che abbia dimensioni alluminio con altri catione che abbia dimensioni simili, cioè compatibili con lo spazio a simili, cioè compatibili con lo spazio a disposizione, e carica uguale oppure diversa (la disposizione, e carica uguale oppure diversa (la carica non ha importanza nel fenomeno).carica non ha importanza nel fenomeno).

Il silicio dei foglie tetraedrici può essere Il silicio dei foglie tetraedrici può essere sostituito da alluminio, e l’alluminio dei fogli sostituito da alluminio, e l’alluminio dei fogli ottaedrici può essere sostituito da magnesio o ottaedrici può essere sostituito da magnesio o ferro. ferro.

La sostituzione nel reticolo cristallino di un La sostituzione nel reticolo cristallino di un atomo di un elemento con un atomo di altro atomo di un elemento con un atomo di altro elemento avviene senza che la struttura elemento avviene senza che la struttura dell'edificio cristallino risulti alterata.dell'edificio cristallino risulti alterata.

Se la sostituzione avviene con cationi aventi la Se la sostituzione avviene con cationi aventi la stessa carica, il minerale rimane elettricamente stessa carica, il minerale rimane elettricamente neutro; mentre se la carica è diversa si verifica neutro; mentre se la carica è diversa si verifica uno squilibrio di carica e uno squilibrio di carica e la comparsa di una la comparsa di una carica negativa permanentecarica negativa permanente.. Tale carica è tanto maggiore quanto più numerose sono le sostituzioni isomorfeLe cariche negative vengono neutralizzate dall’adsorbimento sulla superficie, in forma dall’adsorbimento sulla superficie, in forma scambiabile, di cationi (ad es. Kscambiabile, di cationi (ad es. K++, Na, Na++, Mg, Mg2+2+, , CaCa2+ 2+ ).).

Sostituzioni isomorfeSostituzioni isomorfe

La reattività delle argille dipende, oltre che dal numero di cariche negative La reattività delle argille dipende, oltre che dal numero di cariche negative permanenti, dal foglietto in cui si verificano le sostituzioni e la formazione delle permanenti, dal foglietto in cui si verificano le sostituzioni e la formazione delle carica.carica.

Nel caso dei fillosilicati 2:1, se le sostituzioni riguardano strato profondo viene Nel caso dei fillosilicati 2:1, se le sostituzioni riguardano strato profondo viene generata una carica negativa delocalizzata, che attira debolmente ed in modo generata una carica negativa delocalizzata, che attira debolmente ed in modo aspecifico cationi e sostanze polari (ad es. H2O). aspecifico cationi e sostanze polari (ad es. H2O).

Se le sostituzioni riguardano gli strati tetraedrici (esterni) si forma una carica che Se le sostituzioni riguardano gli strati tetraedrici (esterni) si forma una carica che attira con maggiore forza ed, in alcuni casi, in modo selettivo cationi e sostanze attira con maggiore forza ed, in alcuni casi, in modo selettivo cationi e sostanze polaripolari

Esistono diversi tipi di fillosilicati che si differenziano in base a:Esistono diversi tipi di fillosilicati che si differenziano in base a:

• tipologia degli strati che costituiscono i cristalli (2:1, 1:1)tipologia degli strati che costituiscono i cristalli (2:1, 1:1)

• numero delle sostituzioni isomorfe numero delle sostituzioni isomorfe

• foglio in cui avvengono le sostituzioni isomorfefoglio in cui avvengono le sostituzioni isomorfe

Classificazione dei fillosilicati Classificazione dei fillosilicati

Queste differenze influenzano le proprietà dei fillosilicati e di conseguenza il loro Queste differenze influenzano le proprietà dei fillosilicati e di conseguenza il loro comportamento nel terreno.comportamento nel terreno.

Le argille avranno quindi caratteristiche diverse a seconda del tipo di fillosilicati da cui Le argille avranno quindi caratteristiche diverse a seconda del tipo di fillosilicati da cui sono costituitesono costituite

Proprietà dei fillosilicati Proprietà dei fillosilicati

I fillosilicati hanno proprietà chimiche I fillosilicati hanno proprietà chimiche e fisiche che influenzano in maniera e fisiche che influenzano in maniera rilevante le caratteristiche rilevante le caratteristiche agronomiche dei terreni.agronomiche dei terreni.

• Elevata estensione superficiale Elevata estensione superficiale delle argille e capacità di delle argille e capacità di assorbimentoassorbimento

• Dimensioni colloidaliDimensioni colloidali

• Capacità di assorbire acquaCapacità di assorbire acqua

• Capacità di assorbire cationiCapacità di assorbire cationi

• Capacità di rigonfiarsi in presenza Capacità di rigonfiarsi in presenza di acquadi acqua

• SfaldabilitàSfaldabilità

Struttura e proprietà dei principali tipi di fillosilicati del Struttura e proprietà dei principali tipi di fillosilicati del terreno terreno

Fillosilicati 1:1 (es. caolinite) Fillosilicati 1:1 (es. caolinite)

Fillosilicati 2:1Fillosilicati 2:1

Espandibili con sostituzioni isomorfe nello strato Espandibili con sostituzioni isomorfe nello strato ottaedrico (es. montmorillonite)ottaedrico (es. montmorillonite)

Espandibili con sostituzioni isomorfe nello strato Espandibili con sostituzioni isomorfe nello strato tetraedrico (es. vermiculite)tetraedrico (es. vermiculite)

Non espandibili con sostituzioni isomorfe nello strato Non espandibili con sostituzioni isomorfe nello strato tetraedrico (es. miche)tetraedrico (es. miche)

Fillosilicati 2:1:1 o 2:2 (es clorite)Fillosilicati 2:1:1 o 2:2 (es clorite)

Fillosilicati 1:1 (es. caolinite)Fillosilicati 1:1 (es. caolinite)

Gli strati sono tenuti insieme da legami a ponte di Gli strati sono tenuti insieme da legami a ponte di idrogenoidrogeno

Ci sono poche sostituzioni isomorfe.Ci sono poche sostituzioni isomorfe.

Questi fillosilicati hanno di conseguenza uno spazio Questi fillosilicati hanno di conseguenza uno spazio interstrato molto sottile e un ridotto numero di cariche interstrato molto sottile e un ridotto numero di cariche negativenegative

Proprietà delle argilleProprietà delle argille

•Capacità di assorbire acqua e cationi limitata quasi esclusivamente Capacità di assorbire acqua e cationi limitata quasi esclusivamente alle superfici esterne e alle superfici di taglio del cristalloalle superfici esterne e alle superfici di taglio del cristallo

•Limitata espandibilitàLimitata espandibilità

•Cristalli di grosse dimensioni, con limitato comportamento Cristalli di grosse dimensioni, con limitato comportamento colloidalecolloidale

•Limitata sfaldabilitàLimitata sfaldabilità

MontmorilloniteMontmorillonite

Gli strati sono tenuti insieme da legami di Van der Gli strati sono tenuti insieme da legami di Van der Wals, quindi da legami molto deboliWals, quindi da legami molto deboli

Ci sono numerose sostituzioni isomorfe, che Ci sono numerose sostituzioni isomorfe, che riguardano in maniera prevalente il foglio ottaedrico.riguardano in maniera prevalente il foglio ottaedrico.

Questi fillosilicati hanno di conseguenza uno spazio Questi fillosilicati hanno di conseguenza uno spazio interstrato di dimensioni elevate e numerose cariche interstrato di dimensioni elevate e numerose cariche negative delocalizzatenegative delocalizzate

Fillosilicati 2:1 espandibili con sostituzioni isomorfe prevalenti nello Fillosilicati 2:1 espandibili con sostituzioni isomorfe prevalenti nello strato ottaedrico (es. montmorillonite)strato ottaedrico (es. montmorillonite)

Proprietà delle argilleProprietà delle argille• Elevata capacità di assorbire acqua e Elevata capacità di assorbire acqua e

cationi cationi • Elevata rigonfiabilità, in quanto i cationi Elevata rigonfiabilità, in quanto i cationi

attratti debolmente dalle cariche negative attratti debolmente dalle cariche negative confinate all’interno del cristallo non confinate all’interno del cristallo non riescono a tenere gli strati uno vicino riescono a tenere gli strati uno vicino all’altroall’altro

• Cristalli di piccole dimensioni, con spiccato Cristalli di piccole dimensioni, con spiccato comportamento colloidalecomportamento colloidale

• Elevata sfaldabilitàElevata sfaldabilità

Gli strati sono tenuti insieme da legami di Van der Gli strati sono tenuti insieme da legami di Van der Wals, quindi da legami molto deboliWals, quindi da legami molto deboli

Ci sono sostituzioni isomorfe ancora più numerose che Ci sono sostituzioni isomorfe ancora più numerose che nelle montmorilloniti, che interessano in misura nelle montmorilloniti, che interessano in misura significativa anche foglio tetraedrico.significativa anche foglio tetraedrico.

Questi fillosilicati hanno di conseguenza spazi Questi fillosilicati hanno di conseguenza spazi interstrato abbastanza spessi con numerose cariche interstrato abbastanza spessi con numerose cariche negative in parte delocalizzate, in parte localizzate in negative in parte delocalizzate, in parte localizzate in superficiesuperficie

Fillosilicati 2:1 espandibili con sostituzioni isomorfe prevalenti nello Fillosilicati 2:1 espandibili con sostituzioni isomorfe prevalenti nello strato tetraedrico (es. vermiculiti)strato tetraedrico (es. vermiculiti)

Proprietà delle argilleProprietà delle argille• Buona capacità di assorbire acquaBuona capacità di assorbire acqua• Elevata capacità di assorbire cationi, Elevata capacità di assorbire cationi,

maggiore che nelle montmorillonitimaggiore che nelle montmorilloniti• Minore rigonfiabilità rispetto alle Minore rigonfiabilità rispetto alle

montmorilloniti, in quanto i numerosi montmorilloniti, in quanto i numerosi cationi attratti con maggiore forza dalle cationi attratti con maggiore forza dalle cariche elettriche superficiale tendono a cariche elettriche superficiale tendono a mantenere uniti gli stratimantenere uniti gli strati

• Cristalli di dimensioni superiori a quelli Cristalli di dimensioni superiori a quelli delle montmorilloniti, con un buon delle montmorilloniti, con un buon comportamento colloidale comportamento colloidale

• Buona sfaldabilitàBuona sfaldabilità

Gli strati sono tenuti insieme da legami di Van der Gli strati sono tenuti insieme da legami di Van der Wals, quindi da legami molto deboliWals, quindi da legami molto deboli

Ci sono numerose sostituzioni isomorfe che interessano Ci sono numerose sostituzioni isomorfe che interessano quasi esclusivamente il foglio tetraedrico e che attirano quasi esclusivamente il foglio tetraedrico e che attirano in maniera specifica ioni potassio. Questi ioni in maniera specifica ioni potassio. Questi ioni funzionano da ponte di unione tra gli stratifunzionano da ponte di unione tra gli strati

Questi fillosilicati hanno di conseguenza spazi Questi fillosilicati hanno di conseguenza spazi interstrato abbastanza ridottiinterstrato abbastanza ridotti

Fillosilicati 2:1 non espandibili con sostituzioni isomorfe nello strato Fillosilicati 2:1 non espandibili con sostituzioni isomorfe nello strato tetraedrico (es. miche)tetraedrico (es. miche)

Proprietà delle argilleProprietà delle argille• Limitata capacità di assorbire acquaLimitata capacità di assorbire acqua• Elevata capacità di assorbire ioni potassio Elevata capacità di assorbire ioni potassio

che però vengono scambiati con difficoltà che però vengono scambiati con difficoltà data la forte attrazione da parte delle data la forte attrazione da parte delle cariche negative dei fogli tetraedricicariche negative dei fogli tetraedrici

• Limitata rigonfiabilità Limitata rigonfiabilità • Cristalli di dimensioni superiori a quelli Cristalli di dimensioni superiori a quelli

delle vermiculiti, con uno scarso delle vermiculiti, con uno scarso comportamento colloidale comportamento colloidale

• Ridotta sfaldabilitàRidotta sfaldabilità

TIPI DI FILLOSILICATITIPI DI FILLOSILICATIFILLOSILICATI STRUTTURA CARATTERISTICHE

CAOLINITI1:1

Superf. Specifica bassaPoche sost. Isomorfe

Carica bassa

ILLITI 2:11 FOGLIO OTTAEDRICO CHIUSO TRA DUE FOGLI

TETRAEDRICI

Le sost. Isomorfe avvengono principalmente nei fogli tetraedrici. La carica viene neutralizzati dai cationi di K presenti nello spazio tra un pacchetto e l’altro. Rappresentano una riserva di K del

suolo.Superficie specifica media

Carica media

MONTMORILLONITE 2:11 FOGLIO OTTAEDRICO CHIUSO TRA DUE FOGLI

TETRAEDRICI

Le sostituzioni isomorfe avvengono sia nei fogli tetraedrici che in quello ottaedrico e danno

origine a una carica negativa media compensata da cationi posti nello spazio tra un pacchetto e un

altro; oltre ai cationi, tra i pacchetti possono entrare delle molecole di acqua che aumentano la distanza tra un pacchetto e l’altro espandendo

il fillosilicato: si dice che sono fillosilicati ESPANDIBILI.

Superficie specifica elevata

VERMICULITI 2:1 Carica negativa più elevata delle smectiti;Superficie specifica elevata e pari a quelle delle

smectiti.Anch’esse assorbono acqua ma sono meno

espandibili delle smectiti.

CLORITI 2:1:1 1 FOGLIO OTTAEDRICO CHIUSO TRA DUE FOGLI TETRAEDRICI

+ UN ALRO FOGLIO OTTAEDRICO DI AL TRA I PACCHETTI 2:1

Superficie specifica media e carica negativa bassa e simile a quella delle caoliniti