I componenti della fase solida del suolo. Silicati e ... · Comprendono minerali primari (miche) e...

I componenti della fase solida del suolo. Silicati e minerali argillosi

Acqua (20-50%)

Aria (10-25%)

Minerali (40-60%)

Sostanza organica (0,1-10%)

Il suolo è un sistema polifasico, eterogeneo e dinamico

La componente inorganica del suolo

I corpi rocciosi rappresentativi dallo strato superficiale I corpi rocciosi rappresentativi dallo strato superficiale della crosta terrestre sono costituiti da otto elementi della crosta terrestre sono costituiti da otto elementi chimici presenti in quantità in peso più elevata dell'1%chimici presenti in quantità in peso più elevata dell'1%


Elementi

Ossigeno (O) 46.7 %

Silicio (Si) 27.7 %

Alluminio (Al) 8.1 %

Ferro (Fe) 5.1 %

Calcio (Ca) 3.7 %

Sodio (Na) 2.8 %

Potassio (K) 2.6 %

Magnesio (Mg) 2.1 %

Altri 1.2 %

Minerali Sostanze inorganiche presenti nella litosfera, caratterizzate da composizione chimica costante, o variabile entro limiti ristretti, da proprietà fisiche specifiche e da peculiare struttura cristallina con disposizione ordinata, tridimensionale di atomi, ioni o molecole

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.


I minerali possono essere classificati per tipo di origine: primari: formati durante la solidificazione delle masse

magmatiche fuse. Scarsamente pedogeneizzati, hanno subito leggere alterazioni fisiche

secondari: originatisi per cristallizzazione successiva a processi di alterazione soprattutto chimica


…ma anche per composizione chimica

Non silicati

Minerali costituiti da un solo elemento: grafite (C), zolfo (S)

Ossidi (anidri o idrati) di: Si (quarzo), Al (corindone), Fe

(ematite), MnIV (pirolusite)

Cloruri e nitrati: salgemma (NaCl), silvite (KCl), nitrato

sodico, fluorite (CaF2)

Solfuri: pirite (FeS2), galena (PbS), blenda (ZnS), calcocite

(Cu2S), cinabro (HgS)

Carbonati: calcite, aragonite, dolomite, carbonato di sodio

Solfati: solfato di calcio (gesso), anidrite

Fosfati: apatiti, variscite, strengite

Silicati ed alluminosilicati

CLASSE FORMULA CHIMICA

Alluminio Al(OH)3

AlOOH

Al2O3

Ferro Fe2O3

FeOOH

Fe5O7(OH) · 4H2O

Fe3O4

Manganese (Al,Li)MnO2(OH)2

variabile

Ba2Mn8O16

MnO2

variabile

MnOOH

Titanio TiO2

FeTiO3

Carbonati CaCO3

CaMg(CO3)2

NaHCO3

Na2CO3 · NaHCO3 ·

2H2ONa2CO3 · 10H2O

Solfati CaSO4 · 2H2O

KFe3(SO4)2(OH)6

Fosfati Ca5(F,Cl,OH)(PO4)3

Al [PO4]·2H2O

Fe [PO4]·2H2O

Alogenuri NaCl

Solfuri FeS2

MINERALE

Ossidi, idrossidi e ossiidrossidi di:

Gibbsite, Nordstrandite

Boehmite, Diasporo

Corindone

Ematite, Maghemite

Goethite, Lepidocrite

Ferridrite

Magnetite

Lithiophorite

Birnessite

Hollandite

Pyrolusite

Todorokite

Manganite

Rutilo, Anatasio

Ilmenite

Calcite

Dolomite

Nahcolite

Trona

Soda

Gesso

Jarosite

Pirite

Apatite

Variscite

Strengite

Halite

I silicati e gli alluminosilicati

Sono i costituenti minerali più importanti delle rocce e del terreno.

L'unità strutturale di base dei silicati è costituita da un tetraedro regolare con 4 atomi di ossigeno tra i quali trova posto un atomo di silicio.

Negli alluminosilicati è presente anche una seconda unità strutturale di base costituita da un ottaedro regolare con 6 atomi di ossigeno o gruppi ossidrile tra i quali si dispone uno ione Al3+.

Si4+, Al3+

O2-

Al3+, Mg2+, Fe3+, Fe2+

OH-

NUMERO DI COORDINAZIONE

Nei 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 silicati, il numero di coordinazione in definitiva dipende dal rapporto tra il raggio del catione centrale e quello dell’ossigeno.

Raggio ionico, carica e numero di coordinazione dei principali cationi rispetto all’ossigeno

NUMERO DI COORDINAZIONE

Il catione Si4+ presenta un rapporto radiale di circa 0,3, il che comporta una configurazione tetraedrica con numero di coordinazione pari a 4.

I cationi Al3+, Fe3+, Fe2+, Mg2+ presentano un rapporto radiale compreso tra 0,4 e 0,7; ciò comporta una configurazione ottaedrica con numero di coordinazione pari a 6.

Tuttavia lo ione Al3+ ha un rapporto radiale molto prossimo al limite di 0,4: perciò può assumere sia una configurazione tetraedrica, con numero di coordinazione 4, sia ottaedrica con numero di coordinazione 6.

Cationi di metalli alcalini ed 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

condiviso

Zircone

Coppie di tetraedri Sorosilicati Ogni tetraedro

condivide un

solo vertice con

un altro tetraedro

1:3,5 Emimorfite

Berillo,

Tormalina

Catene tetraedriche

singole

Pirosseni

(Augite)

Catene tetraedriche

doppie (o a

“fasce”)

Miche, Cloriti,

Smectiti

Quarzo,

Feldspati,

Zeoliti

CLASSI

Tetraedri singoli Nesosilicati 1:4

Anelli tetraedrici Ciclosilicati Ogni tetraedro

condivide due

vertici con altri

due tetraedri

1:3

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 Anfiboli

(Orneblenda)

Fogli continui Fillosilicati Ogni tetraedro

condivide tre

vertici con altri

tre tetraedri

1:2,5

Strutture

tridimensionali

Tettosilicati Ogni tetraedro

condivide i

quattro vertici

con altri quattro

tetraedri

1:2


Nesosilicati, [SiO44-]n struttura definita da singoli tetraedri indipendenti, carichi,

uniti da legami ionici con ioni metallici (Fe2+, Mg2+). Olivina.

Sorosilicati, [Si2O76-]n struttura definita da coppie di tetraedri, cariche, unite da

legami ionici con ioni metallici (Ca2+, Fe2+, Mg2+). Gneiss.

Ciclosilicati, struttura definita da unità di anelli

formate da 3 [Si3O96-]n, da 4 [Si4O12

8-]n oppure

da 6 unità tetraedriche [Si6O1812-]n unite tra di

loro. Sono presenti Li+, Na+, Ca2+, Al3+, Fe3+,

Mn2+, BO33-. Tormalina.


Inosilicati, sono caratterizzati da un collegamento lineare indefinito dei tetraedri.

Comprendono due importanti gruppi di minerali:

- a catena semplice (pirosseni) [SiO32-]n, uniti tramite Ca2+, Fe2+, Mg2+. Augite.

- a catena doppia (anfiboli) [Si4O116-]n, uniti tramite Ca2+, Fe2+, Mg2+, Al3+, Na+.

Orneblenda.


Fillosilicati, [Si4O104-]n da polimerizzazione di unità tetraedriche a formare una rete

a maglie esagonali con sviluppo bidimensionale dell'edificio cristallino.

Comprendono minerali primari (miche) e secondari (minerali argillosi). Presenza

di strutture tetraedriche ed ottaedriche con sostituzioni isomorfe.

Tectosilicati, [SiO2]n struttura continua di

tetraedri collegati tra di loro mediante tutti gli

atomi di ossigeno di vertice. Sostituzioni

isomorfe di Al3+ al posto di Si4+. Sono

presenti Li+, Na+, Ca2+. Feldspati (ortoclasio

ricco in K+), plagioclasi (albite ricca in Na+ e

anortite ricca in Ca2+), zeoliti.

O2-

O2- Si4+

OH- M3+ o M2+

FOGLIO OTTAEDRICO

FOGLIO TETRAEDRICO

I FOGLI TETRAEDRICI E OTTAEDRICI DEI FILLOSILICATI

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, detto a sfere e bastoncini, descrive in dettaglio l’orientamento dei legami chimici che intercorrono tra i vari ioni.

Foglio Tetraedrico

Foglio Diottaedrico

Foglio Triottaedrico


In ognuna delle rappresentazioni risultano evidenti:

Foglio Tetraedrico

Foglio Diottaedrico

Foglio Triottaedrico


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.

a

c

b

OH-

O2- Al3+

Si4+

del tipo 1:1 o a

struttura dimorfica (a)

del tipo 2:1 o a

struttura trimorfica (b)

del tipo 2:1:1 o a

struttura tetramorfica (c)


FILLOSILICATI DIMORFICI O DEL TIPO 1:1

Caolinite

Serpentino

FILLOSILICATI TRIMORFICI O DEL TIPO 2:1

Pirofillite

Talco

FILLOSILICATI TETRAMORFICI O DEL TIPO 2:1:1

Clorite

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.

Strato o lamella

Superfici

esterne

Spazio interstrato

Superfici interne

Dis

tanza

bas

ale,

d

STRUTTURA, DISTANZA BASALE E SUPERFICI DEI FILLOSILICATI

Cristallo

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

Dis

tanza

bas

ale,

d

STRUTTURA, DISTANZA BASALE E SUPERFICI DEI FILLOSILICATI

Cristallo

PRINCIPALI PARAMETRI 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

formula chimico-mineralogica derivata dalla semicella elementare

natura dei legami esistenti tra gli strati ed eventuale presenza e tipologia di cationi interstrato

grado di isomorfismo e conseguente carica elettrica di strato riferita alla cella unitaria

capacità di scambio cationico

distanza basale o periodo di identità

superficie specifica

capacità di dilatazione/contrazione

PRINCIPALI PARAMETRI PER LA DESCRIZIONE DEI FILLOSILICATI DEL SUOLO

I 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 ad idrogeno, interazioni dipolo-dipolo, forze di van der

Waals, etc.

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.

LA SOSTITUZIONE ISOMORFA

Il fenomeno della sostituzione isomorfa, o isomorfismo, consiste nella sostituzione di un catione centrale nell’unità strutturale con un altro catione che abbia dimensioni simili, cioè compatibili con lo spazio a disposizione, e carica uguale oppure diversa (la carica non ha importanza nel fenomeno).

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

Se la sostituzione avviene con cationi aventi la stessa carica, il minerale rimane elettricamente neutro; mentre se la carica è diversa si verifica uno squilibrio di carica e la comparsa di una carica negativa permanente che può essere neutralizzata dall’adsorbimento sulla superficie, in forma scambiabile, di cationi (ad es. K+, Na+, Mg2+, Ca2+).

Raggio ionico, carica e numero di coordinazione dei principali cationi rispetto all’ossigeno


Carica permanente

Gruppo della caolinite, caolinite, diottaedrica, Al2Si2O5(OH)4.

Forti legami ad idrogeno nell'interstrato; non espandibile; sb: 0.71 nm;

ss: 10-30 m2 g-1; carica: 5-15 meq 100 g-1;

morfologia: lamine pseudoesagonali.

Minerali argillosi a struttura dimorfica o di tipo 1:1

Gruppo dell'halloysite, halloysite, diottaedrica,

Al2Si2O5(OH)4 · 2H2O

Monostrato di molecole di acqua nell'interstrato;

espandibile; disidrata a metahalloysite; sb: 1.00 nm;

ss: 800 m2 g-1; carica: 20-25 meq 100 g-1;

morfologia: tubolare.

0.72 nm

lega

mi a

idro

geno

foglio tetraedico foglio ottaedico

T O T

0,93 nm

Struttura di un cristallo di un fillosilicato del tipo 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 variabile da 1,0 a 2,0 nm

Struttura di un cristallo di un fillosilicato del tipo 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+

Mg2+

Mg2+

Mg2+

Mg2+

Mg2+

Al, Si

Mg, Fe, Al

Cation

i int

ers

trato

: 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 Mg2+ e Ca2+, generalmente esaidrati

1,0 nm

K+ K+

K+ K+

K+ K+

K+ K+

K+ K+

K+ K+

Al, Si

Cation

i int

ers

trato

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.

Gruppo dell'illite, KAl2(Al, Si)4O10(OH)2, minerali argillosi diottaedrici

secondari, simili alle miche con minori sostituzioni isomorfe e minor

contenuto di ioni K+ nell'interstrato; poco espandibile, sb: 1.00 nm; ss:

70-175 m2 g-1; carica: 20-40 meq 100 g-1; morfologia: laminare.

Minerali argillosi a struttura trimorfica o di tipo 2:1

Gruppo delle smectiti e della montmorillonite; simili

alla pirofillite ma con sostituzioni isomorfe di Al con

cationi bivalenti negli ottaedri; interstrato

accessibile, minerale argilloso espandibile; sb: variabile

da 1.00 a 1.80 nm; ss: 600-800 m2 g-1; carica: 80-120

meq 100 g-1; morfologia: laminare

Gruppo della vermiculite; le vermiculiti derivano dalla

riorganizzazione di miche triottaedriche (talco) con

elevate sostituzioni isomorfe nei tetraedri e negli

ottaedri; minerale argilloso espandibile; sb: variabile

da 1.00 a 1.50 nm; ss: 600-800 m2 g-1; carica: 120-180

meq 100 g-1; morfologia: lamellare.

1,4 nm

Brucite, gibbsite

Al, Si

Mg, Fe

Struttura di un cristallo di un fillosilicato del tipo 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.

Gruppo delle cloriti; il motivo strutturale delle cloriti prevede uno

strato TOT (tipo talco) sovrapposto ad un foglio ottaedrico di tipo

brucitico [Mg3(OH)6]n; non espandibile; sb: 1.40 nm; ss: 70-100 m2 g-1;

carica: 10-40 meq 100 g-1; morfologia: variabile .

Minerali argillosi a struttura tetramorfica o di tipo 2:1:1

1,4 nm

Brucite,

gibbsite

Al, Si Mg

,

Fe

PrincipaliPrincipali caratteristichecaratteristiche deidei mineraliminerali argillosiargillosi

PrincipaliPrincipali caratteristichecaratteristiche deidei colloidicolloidi deldel suolosuolo

GenesiGenesi didi mineraliminerali argillosiargillosi

K+

K+

K+

K+

K+

K+

K+

K+

K+

K+

K+

K+

Al

,

Si

M

g2+

M

g2+

M

g2+

M

g2+

M

g2+

M

g2+

GenesiGenesi didi mineraliminerali argillosiargillosi

NOME FORMULA CHIMICA CARATTERISTICA

Quarzo SiO2 Abbondante in sabbia e limo

(Na,K)AlO2[SiO2]3

CaAl2O4[SiO2]2

K2Al2O5[Si2O5]3Al4(OH)4

K2Al2O5[Si2O5]3(Mg,Fe)6(OH)4

(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 alterabili

Olivina (Mg,Fe)2SiO4 Facilmente alterabile

Epidoto Ca2(Al,Fe)3(OH)Si3O12

Tormalina NaMg3Al6B3Si6O27(OH,F)4

Zircone ZrSiO4

Rutilo TiO2

Caoliniti Si4Al4O10(OH)8

Smectiti

Vermiculit

i

Mx(Si,Al)8(Al,Fe,Mg)4O20(OH)4,

Cloriti dove M = catione interstrato

Allofane Si3Al4O12 · nH2O

Imogolite Si2Al4O10 · 5H2O

Gibbsite Al(OH)3 Abbondante in suoli lisciviati

Goethite FeO(OH) Ossido di Fe più abbondante

Ematite Fe2O3 Abbondante in regioni calde

Ferridrite Fe10O15 · 9H2O Abbondante in orizzonti org.

Birnessite (Na,Ca)Mn7O14 · 2.8H2O Ossido di Mn più abbondante

Calcite CaCO3 Carbonato più abbondante

Gesso CaSO4· 2H2O Abbondante in regioni aride

Abbondanti nella fraz. argill.

quali prodotti dell’alterazione

dei minerali primari; fonti di

cationi scambiabili nel suolo

Abbondanti in suoli derivati

da depositi di ceneri

vulcaniche

Feldspati

Miche

Anfiboli

Abbondanti in suoli poco

lisciviati

Fonte di K in molti suoli di

zone zone temperate

Fortemente resistenti

all’alterazione chimica, usati

come minerali “indicatori” in

studi pedologici

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