Silicati e minerali argillosiSilicati 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

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

Si4+, Al3+

O2-

Al3+, Mg2+, Fe3+, Fe2+

OH-

Unità strutturali nei silicati, tetraedro (a sinistra) e ottaedro (a destra)

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

Classificazione dei silicati in base alla disposizione delle unità tetraedriche

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 [Si3O9

6-]n, da 4 [Si4O128-]n oppure

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

loro. Sono presenti Li+, Na+, Ca2+, Al3+, Fe3+, Mn2+, BO3

3-. Tormalina.

Classificazione dei silicati in base alla disposizione delle unità tetraedriche

Inosilicati, sono caratterizzati da un collegamento lineare indefinito dei tetraedri. Comprendono due importanti gruppi di minerli:

- 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.

Classificazione dei silicati in base alla disposizione delle unità tetraedriche

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.

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-

S i

4+

OH

-

M

3+

o

M

2+

FOGLIO OTTAEDRICO

FOGLIO TETRAEDRICO

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

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 a idrogeno, 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.

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

Si4+, Al3+

O2-

Al3+, Mg2+, Fe3+, Fe2+

OH-

Unità strutturali nei silicati, tetraedro (a sinistra) e ottaedro (a destra)

NUMERO DI COORDINAZIONE

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 una 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).

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+).

LA SOSTITUZIONE ISOMORFA

a

c

b

OH

-

O

2-

Al

3+

S i

4+

del tipo 1:1 o a

struttura dimorfica (a)

Modelli di fillosilicato

del tipo 2:1 o a

struttura trimorfica (b)

del tipo 2:1:1 o a

struttura tetramorfica (c)

0,72 nmfoglio tetraedicofoglio ottaedrico

lega

mi a

idro

geno

Struttura di un cristallo di un fillosilicato del tipo 1:1 (sopra) e schema strutturale (sezione) della cella unitaria della caolinite (sotto), con indicazione dei legami idrogeno tra strati successivi

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 · 2H2OMonostrato 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.

T O T 0,93 nm

Forz

e di v

an d

er W

aals

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 da1,0 a 2,0 nm

Cation

i

inte

rstr

ato:

Na,

Ca,

ec

c.

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+

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 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

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.

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 nmBrucite, gibbsite

Al, SiMg, 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

Minerali argillosi

Principali caratteristiche dei colloidi del suolo