Silicati e minerali argillosi

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1 Silicati e minerali argillosi

2 DISTRIBUZIONE PERCENTUALE IN VOLUME DELLE PRINCIPALI COMPONENTI DEL SUOLO Minerali (40-60%) Sostanza Organica (0,1-10%) Acqua (20-50%) Aria (10-25%)

3 La componente inorganica del suolo 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

4 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.

5 La componente inorganica del suolo I minerali possono essere classificati per tipo di origine: primari: formati durante la solidificazione delle masse magmatiche fuse secondari: originatisi per cristallizzazione successiva a processi di alterazione

6 La componente inorganica del suolo 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), Mn IV (pirolusite) Cloruri e nitrati: salgemma (NaCl), silvite (KCl), nitrato sodico Solfuri: pirite (FeS 2 ), galena (PbS), blenda (ZnS), calcocite (Cu 2 S), cinabro (HgS) Carbonati: calcite, aragonite, dolomite, carbonato di sodio Solfati: solfato di calcio (gesso), anidrite Fosfati: apatiti, variscite, strengite Silicati ed alluminosilicati

7 CLASSE MINERALE FORMULA CHIMICA Ossidi, idrossidi e ossiidrossidi di: Alluminio Gibbsite, Nordstrandite Al(OH) 3 Boehmite, Diasporo Corindone AlOOH Al 2 O 3 Ferro Ematite, Maghemite Fe 2 O 3 Goethite, Lepidocrite FeOOH Ferridrite Fe 5 O 7 (OH) 4H 2 O Magnetite Fe 3 O 4 Manganese Lithiophorite (Al,Li)MnO 2 (OH) 2 Birnessite Hollandite Pyrolusite Todorokite variabile Ba 2 Mn 8 O 16 MnO 2 variabile Manganite MnOOH Titanio Rutilo, Anatasio Ilmenite TiO 2 FeTiO 3 Carbonati Calcite Dolomite Nahcolite Trona CaCO 3 CaMg(CO 3 ) 2 NaHCO 3 Na 2 CO 3 NaHCO 3 Soda Na 2 CO 3 10H 2 O Solfati Gesso Jarosite CaSO 4 2H 2 O KFe 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6 Fosfati Apatite Variscite Strengite Ca 5 (F,Cl,OH)(PO 4 ) 3 Al [PO 4 ] 2H 2 O Fe [PO 4 ] 2H 2 O Alogenuri Halite NaCl Solfuri Pirite FeS 2

8 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 Al 3+. Si 4+, Al 3+ O 2- Al3+, Mg2+, Fe3+, Fe2+ OH -

9 PRINCIPALI STRUTTURE DEI SILICATI nesosilicati sorosilicati ciclosilicati inosilicati a catena singola inosilicati a catena doppia fillosilicati tectosilicati

10 STRUTTURA CARATTERISTICA CLASSI DISPOSIZIONI DELLE UNITA' TETRAEDRICHE RAPPORTO Si:O MINERALI TIPICI DELLA CLASSE Classificazione dei silicati in base alla disposizione delle unità tetraedriche Tetraedri singoli Nesosilicati Nessun vertice 1:4 Coppie di tetraedri Sorosilicati Catene tetraedriche singole tetraedrico è condiviso Ogni tetraedro condivide un solo vertice con un altro tetraedro Anelli tetraedrici Ciclosilicati Ogni tetraedro condivide due vertici con altri due tetraedri Catene tetraedriche doppie (o a fasce ) Inosilicati Inosilicati Ogni tetraedro condivide due vertici con altri due tetraedri Ogni tetraedro condivide alternativamente due o tre vertici con altri tre tetraedri Fogli continui Fillosilicati Ogni tetraedro condivide tre vertici con altri tre tetraedri Strutture tridimensionali Tettosilicati Ogni tetraedro condivide i quattro vertici con altri quattro tetraedri Olivina, Zircone 1:3,5 Emimorfite 1:3 1:3 Berillo, Tormalina Pirosseni (Augite) 1:2,75 Anfiboli (Orneblenda) 1:2,5 1:2 Miche, Cloriti, Smectiti Quarzo, Feldspati, Zeoliti

11 Classificazione dei silicati in base alla disposizione delle unità tetraedriche Nesosilicati, [SiO4 4- ] n struttura definita da singoli tetraedri indipendenti, carichi, uniti da legami ionici con ioni metallici (Fe 2+, Mg 2+ ). Olivina. Sorosilicati, [Si 2 O 7 6- ] n struttura definita da coppie di tetraedri, cariche, unite da legami ionici con ioni metallici (Ca 2+, Fe 2+, Mg 2+ ). Gneiss. Ciclosilicati, struttura definita da unità di anelli formate da 3 [Si 3 O 9 6- ] n, da 4 [Si 4 O ] n oppure da 6 unità tetraedriche [Si 6 O ] n unite tra di loro. Sono presenti Li +, Na +, Ca 2+, Al 3+, Fe 3+, Mn 2+, BO Tormalina.

12 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) [SiO 3 2- ] n, uniti tramite Ca 2+, Fe 2+, Mg 2+. Augite. - a catena doppia (anfiboli) [Si 4 O ] n, uniti tramite Ca 2+, Fe 2+, Mg 2+, Al 3+, Na +. Orneblenda.

13 Classificazione dei silicati in base alla disposizione delle unità tetraedriche Fillosilicati, [Si 4 O ] 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, [SiO 2 ] n struttura continua di tetraedri collegati tra di loro mediante tutti gli atomi di ossigeno di vertice. Sostituzioni isomorfe di Al 3+ al posto di Si 4+. Sono presenti Li +, Na +, Ca 2+. Feldspati (ortoclasio ricco in K + ), plagioclasi (albite ricca in Na + e anortite ricca in Ca 2+ ), zeoliti.

14 I FOGLI TETRAEDRICI E OTTAEDRICI DEI FILLOSILICATI FOGLIO TETRAEDRICO O 2- Si 4+ O 2- FOGLIO OTTAEDRICO OH - M 3+ o M 2+

15 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 diottaedrico (in mezzo) e foglio triottaedrico (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. Foglio Tetraedrico Foglio Diottaedrico Foglio Triottaedrico

16 I FOGLI TETRAEDRICI E OTTAEDRICI DEI FILLOSILICATI 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. Foglio Tetraedrico Foglio Diottaedrico Foglio Triottaedrico

17 I FOGLI TETRAEDRICI E OTTAEDRICI DEI FILLOSILICATI del tipo 1:1 o a struttura dimorfica (a) a OH - Al 3+ O 2- Si 4+ del tipo 2:1 o a struttura trimorfica (b) b del tipo 2:1:1 o a struttura tetramorfica (c) c

18 FILLOSILICATI DIMORFICI O DEL TIPO 1:1 Caolinite Serpentino

19 FILLOSILICATI TRIMORFICI O DEL TIPO 2:1 Pirofillite Talco

20 FILLOSILICATI TETRAMORFICI O DEL TIPO 2:1:1 Clorite

21 Distanza basale, d STRUTTURA, DISTANZA BASALE E SUPERFICI DEI FILLOSILICATI 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). Strato o lamella Superfici esterne 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. Superfici interne Spazio interstrato Cristallo

22 Distanza basale, d STRUTTURA, DISTANZA BASALE E SUPERFICI DEI FILLOSILICATI Gli strati possono essere separati tra loro da materiali interstrato, quali cationi, cationi idratati, molecole organiche, gruppi e fogli di ossiidrossidi ottaedrici. Strato o lamella Superfici esterne 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. Superfici interne Spazio interstrato Cristallo

23 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

24 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.

25 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.

26 I FOGLI TETRAEDRICI E OTTAEDRICI DEI FILLOSILICATI Si 4+, Al 3+ O 2- Al 3+, Mg 2+, Fe 3+, Fe 2+ OH - Unità strutturali nei silicati, tetraedro (a sinistra) e ottaedro (a destra)

27 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 +, Mg 2+, Ca 2+ ).

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

29 NUMERO DI COORDINAZIONE Il catione Si 4+ presenta un rapporto radiale di circa 0,3, il che comporta una configurazione tetraedrica con numero di coordinazione pari a 4. I cationi Al 3+, Fe 3+, Fe 2+, Mg 2+ presentano un rapporto radiale compreso tra 0,4 e 0,7; ciò comporta una configurazione ottaedrica con numero di coordinazione pari a 6. Lo ione Al 3+ comunque, che ha un rapporto radiale molto prossimo al limite 0,4: perciò assumere sia una configurazione tetraedrica con numero di coordinazione 4, sia 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).

30 LA SOSTITUZIONE ISOMORFA

31 LA SOSTITUZIONE ISOMORFA

32 legami a idrogeno Minerali argillosi a struttura dimorfica o di tipo 1:1 Gruppo della caolinite, caolinite, diottaedrica, Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4. Forti legami ad idrogeno nell'interstrato; non espandibile; sb: 0.71 nm; ss: m 2 g -1 ; carica: 5-15 meq 100 g -1 ; morfologia: lamine pseudoesagonali. Gruppo dell'halloysite, halloysite, diottaedrica, Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 2H 2 O Monostrato di molecole di acqua nell'interstrato; espandibile; disidrata a metahalloysite; sb: 1.00 nm; ss: 800 m 2 g -1 ; carica: meq 100 g -1 ; morfologia: tubolare. foglio tetraedico foglio ottaedico 0.72 nm

33 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) T O T 0,93 nm

34 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. Al, Mg Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Distanza basale variabile da 1,0 a 2,0 nm La distanza basale è variabile e le superfici interne sono molto elevate

35 Cationi interstrato: Mg, Ca Struttura di un cristallo di un fillosilicato del tipo 2:1 (vermiculiti, sopra) e schema strutturale (sezione) della cella unitaria della vermiculite (sotto). Al, Si Mg, Fe, Al Mg 2+ Mg 2+ Mg 2+ Sono frequenti fenomeni di sostituzione isomorfa sia nel foglio tetraedrico che nel foglio ottaedrico. Mg 2+ Mg 2+ Mg 2+ 1,43 nm La carica di strato è neutralizzata da cationi Mg 2+ e Ca 2+, generalmente esaidrati

36 Cationi interstrato Struttura di un cristallo di un fillosilicato del tipo 2:1 (mica, sopra) e schema strutturale (sezione) della cella unitaria della muscovite (sotto). K + K + K + K + K + K + Sostituzioni isomorfe nei fogli tetraedrici. K + K + K + K + 1,0 nm Gli strati sono legati tra loro tramite cationi K + fissati negli spazi interstrato. K + K + Al, Si

37 Minerali argillosi a struttura trimorfica o di tipo 2:1 Gruppo dell'illite, KAl 2 (Al, Si) 4 O 10 (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: m 2 g -1 ; carica: meq 100 g -1 ; morfologia: laminare. 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: m 2 g -1 ; carica: 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: m 2 g -1 ; carica: meq 100 g -1 ; morfologia: lamellare.

38 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. Al, Si Brucite, gibbsite Mg, Fe 1,4 nm

39 Minerali argillosi a struttura tetramorfica o di tipo 2:1:1 Gruppo delle cloriti; il motivo strutturale delle cloriti prevede uno strato TOT (tipo talco) sovrapposto ad un foglio ottaedrico di tipo brucitico [Mg 3 (OH) 6 ] n ; non espandibile; sb: 1.40 nm; ss: m 2 g -1 ; carica: meq 100 g -1 ; morfologia: variabile. Brucite, gibbsite 1,4 nm Al, Si Mg, Fe

40 Principali caratteristiche dei minerali argillosi

41 Principali caratteristiche dei minerali argillosi

42 Principali caratteristiche dei colloidi del suolo

43 Genesi di minerali argillosi K + K + K + K + K + K + Al, K + K + K + K + K + K + M g 2+ M g 2+ M g 2+ M g 2+ M g 2+ M g 2+

44 Genesi di minerali argillosi

45 NOME FORMULA CHIMICA CARATTERISTICA Quarzo SiO 2 Abbondante in sabbia e limo Feldspati (Na,K)AlO 2 [SiO 2 ] 3 Abbondanti in suoli CaAl 2 O 4 [SiO 2 ] 2 poco lisciviati Miche K 2 Al 2 O 5 [Si 2 O 5 ] 3 Al 4 (OH) 4 Fonte di K in molti suoli di K 2 Al 2 O 5 [Si 2 O 5 ] 3 (Mg,Fe) 6 (OH) 4 zone zone temperate Anfiboli (Ca,N,K) 2,3 (Mg,Fe,Al) 5 (OH) 2 [(Si,Al) 4 O 11 ] 2 Facilmente alterabili Pirosseni (Ca,Mg,Fe,Ti,Al)(Si,Al)O 3 Facilmente alterabili Olivina (Mg,Fe) 2 SiO 4 Facilmente alterabile Epidoto Ca 2 (Al,Fe) 3 (OH)Si 3 O 12 Fortemente resistenti all alterazione chimica; Tormalina NaMg 3 Al 6 B 3 Si 6 O 27 (OH,F) 4 usati come minerali Zircone ZrSiO 4 indicatori in studi Rutilo TiO 2 pedologici Caoliniti Si 4 Al 4 O 10 (OH) 8 Abbondanti nella fraz. argill. Smectiti quali prodotti dell alteraz. Vermiculit M x (Si,Al) 8 (Al,Fe,Mg) 4 O 20 (OH) 4, dei minerali primari; fonti di icloriti dove M = catione interstrato cationi scambiabili nel suolo Allofane Si 3 Al 4 O 12 nh 2 O Abbondanti in suoli derivati Imogolite Si 2 Al 4 O 10 5H 2 O da depositi di ceneri vulcaniche Gibbsite Al(OH) 3 Abbondante in suoli lisciviati Goethite FeO(OH) Ossido di Fe più abbondante Ematite Fe 2 O 3 Abbondante in regioni calde Ferridrite Fe 10 O 15 9H 2 O Abbondante in orizzonti org. Birnessite (Na,Ca)Mn 7 O H 2 O Ossido di Mn più abbondante Calcite CaCO 3 Carbonato più abbondante Gesso CaSO 4 2H 2 O Abbondante in regioni aride