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Estructura y composición
de
compuestos inorgánicos
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Concepto básico: Número de coordinación
Número de coordinación es el número de aniones que se puede acomodar alrededor de un catión central en un cristal
Número de coordinación depende de la relación del
radio de catión al radio de anión
(O2- en el caso de silicatos)
Las ubicaciones estables de cationes y aniones se puede calcular a partir de postulados geométricos
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Triángulo equilátero
Tetraedro
Octaedro
Cubo
Cubo-octaedro
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60.5710.080Mn2+
60.5290.074Fe2+
60.4860.068Ti4+
60.4710.066Mg2+
60.4570.064Fe3+
4 or 60.3640.051Al3+
40.2780.039Si4+
Número de coordinació
n
Relación
catión / O2-
Radio iónico, nm
Radio de O2- = 0.140 nm
Número de coordinación pronosticado con oxígeno
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OCTAEDRO y TETRAEDRO: unidades estructurales de minerales
O2- o OH-
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Cuarzo SiO2
Gibsita Al(OH)3
¿Como se combinan las unidades tetraédricas y octaédricas en la estructura de minerales?
Octaedro y tetraedro: unidades estructurales de minerales
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Capa octaédrica y tetraédrica
Cationes centrales comparten O2- o OH-
La unión de una o dos capas tetraédricas y una capa octaédrica dará lugar a un paquete (o lámina) estructural (1:1 ó 2:1 respectivamente)
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Minerales primarios y secundarios
Minerales PRIMARIOS los que están presentes en una roca madre ígnea
Minerales SECUNDARIOS se forman de minerales primarios mediante los procesos de meteorización
Sin embargo, tal distinción puede resultar confusa al intentar aplicarla a otro tipo de rocas
¿Cuales son los minerales primarios comunes en suelos?
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Cuarzo SiO2
Feldespatos alcalinos y plagioclasas
Minerales primarios comunes en suelos
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Minerales primarios y secundarios
Minerales secundarios (arcillas, óxidos, minerales no cristalinos) se encuentran principalmente en la fracción de arcilla (<2 μm)
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¿En qué se distingue la arcilla de los minerales de arcilla?
Arcilla = cualquier mineral cuyo diámetro <2 μm (incluye óxidos de Fe, Mn, Al que no son minerales de
arcilla)
Los MINERALES DE ARCILLA constituyen una familia de aluminosilicatos laminares (filosilicatos),
Fracción de ARCILLA (<2 μm) es muy importante en la determinación de propiedades del suelo
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Importancia de la fracción de arcilla
Minerales en la fracción de arcillaMinerales en la fracción de arcilla (<2 μm):
poseen carga negativa = cationes intercambiables
poseen gran superficie especifica = reacciones de absorción
tienen propiedades coloidales
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Fuentes de carga en minerales:
1) Enlaces rotos al borde lateral de capas tetraédricas y octaédricas
Al borde lateral de las capas tetraédricas y octaédricas hay átomos de oxígeno que tiene carga negativa no compensada por cationes
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Como su nombre sugiere, una sustitución isomórfica implica que el sitio que normalmente ocupa un catión formador de red cristalina es ocupado por otro catión con tamaño similar y con carga igual o diferente
Si+4 por Al+3 Al+3 por Mg+2 Al+3 por Fe+2
La carga negativa se compensa por cationes intercambiables (Na+, K+, Ca+2, Mg+2)
La carga negativa originada por la sustitución isomórfica y/o por el quiebre de enlaces al borde lateral de las capas estructurales corresponde a la carga permanente, opuesto a la carga dependiente del pH
Fuentes de carga en minerales:
2) Sustitución isomórfica
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Fuentes de carga en minerales:3) Carga dependiente del pH
La carga dependiente del pH puede ser negativa como positiva
En los minerales de arcilla, las cargas variables se localizan siempre en los bordes laterales de los paquetes estructurales
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Estructura de arcillas: caolinita
Mineral 1 : 1 (lámina o paquete de tipo 1 : 1)
Caolinita tiene una baja capacidad de intercambio de cationes (CIC), la carga negativa se origina principalmente del quiebre de
enlaces al borde lateral, no hay sustitución isomórfica
Enlaces de hidrogeno entre O y OH = las láminas se unen muy fuerte = arcilla non-expandible
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Efectos de la caolinita sobre propiedades del suelo
Caolinita es resistente a la meteorización química y es la arcilla dominante en los Oxisoles (suelos minerales de zonas tropicales, suelos con meteorización y lavado muy intensos y prolongados)
La caolinita tiene CIC baja (3 - 15 meq/100g) = el suelo se acidifica fácilmente = los Oxisoles son ácidos
La caolinita tiene área superficial baja (<40 m2/g) = baja capacidad de adsorción
CIC y superficie bajas = suelos con baja fertilidad, se requieren fertilización
La caolinita es una arcilla non-expandible = suelos fáciles a trabajar
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Estructura de arcillas: esmectita (montmorillonita)
Mineral 2 : 1 (lámina o paquete de tipo 2 : 1)
Carga negativa se origina principalmente de sustitución isomórfica y también del quiebre de enlaces al borde lateral
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Propiedades de la esmectita
Propiedad más importante: la esmectita tiene una capacidad de expansión interlaminar en condiciones húmedas y retracción en condiciones secas = arcilla expandible
La esmectita tiene CIC alta (80-150 meq/100 g) y área superficial muy elevada (600-800 m2/g) = alta capacidad de adsorción, alta fertilidad y alto poder tampón a cambios de pH
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Los Vertisoles son suelos minerales que se caracterizan por su elevado contenido de arcillas esmectíticas
Los Vertisoles son suelos difíciles a trabajar = al secarse se desarrollan grietas verticales anchas y profundas; además los agregados del suelo son muy duros al secarse; al humedecer, el suelo se convierte en barro
Efectos de la esmectita sobre propiedades del suelo:
Ejemplo de Vertisoles
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Vertisoles
(Batuco, al norte de Santiago):
Dos días después de una lluvia fuerte
Baja conductividad hidráulicaCamino de barro
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Vertisoles: Grietas en muros
Vertisoles no son favorables desde el punto de vista de ingeniería (construcción edificios, caminos, etc.)
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Grietas en cerámica
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Vertisoles (Batuco)
Expansión y retracción del suelo: los raíces de árboles se cortan cuando el suelo se seca
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La vermiculita es similar a la esmectita, pero tiene una mayor carga negativa
La vermiculita es menos expansible que la esmectita a causa de su mayor carga negativa
Suelos ricos en vermiculita no tienen problemas de expansión-retracción como suelos ricos en esmectita
Adición de vermiculita en un suelo mejora aeración, fertilidad y capacidad de retención de agua del suelo. Mezclas de suelo con vermiculita son ideales para germinación de semillas
Vermiculita
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Estructura de arcillas:
ilita (mica)
Radio iónico de K+ se encuentra cerca del radio del espacio hexagonal en la superficie de la capa tetraédrica
Ión K+ en la posición interlaminar está fuertemente unido a ambos láminas = actúa como conector de laminas = ilita es una arcilla non-expandible
Espacios hexagonales en la superficie de la capa tetraédrica
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Ión K+ en la posición interlaminar está fuertemente fijado = no es intercambiable = no es fitodisponible, pero se libera lentamente durante los procesos de meteorización
Ilita y mica son una fuente potencial de potasio para la nutrición de las plantas
Potasio en ilita/mica
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Estructura de arcillas: clorita: mineral de tipo 2 : 1 : 1
Clorita es una arcilla non-expandible
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Propiedades de minerales de arcilla: Resumen
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2-515-4015-40100-18080-120Negative charge,
meq/100 g
000600-700570-660Internal surface,
m2/g
10-3070-10070-10070-12080-140External surface,
m2/g
KaoliniteChloriteIlliteVermiculiteSmectiteProperty
Propiedades de minerales de arcilla: Resumen
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Óxidos de Al (color blanco, frecuentes en suelos tropicales húmedos):
Gibsita Al(OH)3
Bohemita AlOOH
Óxidos de Fe:
Goetita FeOOH (el más común, color café-amarillo)
Hematita Fe2O3 (colorea de rojo el suelo)
Ferrihidrita Fe5HO8 · 4H2O (poco cristalino)
Magnetita Fe3O4 (color negro, heredado del material originario)
Óxidos de Mn (color negro):
Birnesita MnO2 (el más común)
Óxidos de Al, Fe y Mn comunes en suelos
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Fuentes de carga en minerales:3) Carga dependiente del pH
La carga dependiente del pH puede ser negativa como positiva
Los óxidos de Al, Fe y Mn son la fuente importante de carga dependiente del pH en suelos
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Absorción de cationes y aniones en superficie de minerales de arcilla y óxidos de Fe/Al
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Arcillas poco cristalinas
Imogolita SiO2 · Al2O3 · 2H2O
Alófana (tasa Si:Al 1:1 a 1:2)
Se encuentran en suelos Andisoles = suelos desarrollados a partir de materiales volcánicos modernos, de colores oscuros
Los Andisoles tienen propiedades muy específicas (propiedades ándicas):
Densidad aparente <0,9 g/cm3
Alta fijación de fosfatoCarga variable
Suelo Andisol, serie Bramadero, Este de San Clemente (VII región)
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Carbonatos y sulfatos
Yeso (gypsum) CaSO4 · 2H2O
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Métodos de identificación de arcillas: difracción de rayos X
Rayos X se reflejan en los planos paralelos de átomos
Ley de Braggs
n λ = 2 d sin θ
n = orden de difracción, n = 1, 2, 3, etc.
λ = longitud de onda de rayos X
θ = angulo de incidencia
d = distancia entre planes de átomos
Combinación de valores “d” = “RUT” del mineral = identification
Rayo incidente Rayo difractado
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Difractometro de rayos X
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Separación de arcilla por gravedad y muestreo de arcilla con un sifón
Preparación de muestras “orientadas”
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Radio iónico
O2- = 0.140 nm
F- = 0.133 nm
Se produce una sustitución de O2- por F- en la estructura de minerales
La estructura se hace inestable y por lo tanto el mineral se disuelve
Digestión de suelos con ácido fluorhídrico (HF) para análisis químico total
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Propiedades de diferentes arcillas y efectos de cada una de arcillas sobre las propiedades del suelo
Fuentes de carga en minerales del suelo e importancia de la carga de los minerales sobre procesos químicos en el suelo
Puntos importantes