I componenti della fase solida del suolo. Non silicati, silicati e minerali argillosi
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1 I componenti della fase solida del suolo. Non silicati, silicati e minerali argillosi
2 Il suolo è un sistema polifasico
3 Struttura e composizione interna della Terra
4 Struttura e composizione interna della Terra
5 Struttura e composizione interna della Terra
6 Struttura e composizione interna della Terra
7 La crosta terrestre Crosta oceanica: 3.0 g cm -3, 200 milioni di anni, 5-10 km Crosta continentale: 2.7 g cm -3, milioni di anni, km
8 La crosta terrestre ed il ciclo delle rocce Le rocce ignee e metamorfiche costituiscono il 95% della crosta terrestre, ma ne ricoprono il 25%. Le rocce sedimentarie (arenarie, calcari, argilliti) ne costituiscono meno del 5%, ma sono presenti sul 75% della superficie.
9 La crosta terrestre ed il ciclo delle rocce
10 La composizione della litosfera
11 La componente inorganica del suolo I corpi rocciosi rappresentativi dallo strato superficiale della crosta terrestre sono costituiti da otto elementi chimici presenti in quantità in peso più elevata dell'1%
12 I minerali che costituiscono le rocce
13 I minerali che costituiscono le rocce
14 L unità di aggregazione elementare dei minerali è il cristallo 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).
15 La componente inorganica del suolo I minerali non silicati Carbonati: calcite, aragonite, dolomite, carbonato di sodio Solfati: solfato di calcio (gesso), anidrite Solfuri: pirite (FeS 2 ), galena (PbS), blenda (ZnS), calcocite (Cu 2 S), cinabro (HgS) Fosfati: apatiti, variscite, strengite Cloruri e nitrati: salgemma (NaCl), silvite (KCl), nitrato sodico, fluorite (CaF 2 ) Ossidi (anidri o idrati) di: Si (quarzo), Al (corindone), Fe (ematite), Mn IV (pirolusite) Minerali costituiti da un solo elemento: grafite (C), zolfo (S)
16 I non silicati
17 I non silicati
18 I non silicati
19 I non silicati
20 I non silicati: gli ossidi e gli idrossidi
21 I non silicati: gli ossidi e gli idrossidi
22 I non silicati: gli ossidi e gli idrossidi
23 I non silicati: gli ossidi e gli idrossidi
24 I silicati e gli alluminosilicati
25 I silicati e gli alluminosilicati Si 4+, Al 3+ O 2- Al3+, Mg2+, Fe3+, Fe2+ OH -
26 I silicati e gli alluminosilicati
27 Classificazione strutturale dei silicati
28 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
29 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.
30 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 minerali: - 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.
31 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.
32 I fogli tetraedrici e ottaedrici dei fillosilicati Si 4+, Al 3+ O 2- Al 3+, Mg 2+, Fe 3+, Fe 2+ OH - Unità strutturali dei fillosilicati: tetraedro (a sinistra) ed ottaedro (a destra)
33 I FOGLI TETRAEDRICI E OTTAEDRICI DEI FILLOSILICATI FOGLIO TETRAEDRICO O 2- Si 4+ O 2- FOGLIO OTTAEDRICO OH - M 3+ o M 2+
34 Il 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 un catione centrale dipende dal rapporto dei raggi dei due ioni considerati (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. Nella maggior parte delle entità cristalline i possibili tipi di legame, diversi in funzione della configurazione elettronica esterna degli atomi che si combinano, non risultano nettamente differenziati. Generalmente gli elementi presenti sono tenuti insieme da legami in parte ionici, in parte covalenti.
35 Il 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. Tuttavia lo ione Al 3+ 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).
36 Il numero di coordinazione
37 Il numero di coordinazione
38 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, 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
39 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
40 I FOGLI TETRAEDRICI E OTTAEDRICI DEI FILLOSILICATI
41 I FOGLI TETRAEDRICI E OTTAEDRICI DEI FILLOSILICATI
42 I FOGLI TETRAEDRICI E OTTAEDRICI DEI FILLOSILICATI
43 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
44 FILLOSILICATI DIMORFICI O DEL TIPO 1:1 Caolinite Serpentino
45 FILLOSILICATI TRIMORFICI O DEL TIPO 2:1 Pirofillite Talco
46 FILLOSILICATI TETRAMORFICI O DEL TIPO 2:1:1 Clorite
47 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
48 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
49 I minerali argillosi di tipo 1:1, o a struttura dimorfica di tipo 2:1, o a struttura trimorfica di tipo 2:1:1, o a struttura tetramorfica
50 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.
51 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
52 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. Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+ ). In tal caso si parla si sostituzione isomorfa eterovalente.
53 La sostituzione isomorfa eterovalente Carica permanente
54 La sostituzione isomorfa eterovalente
55 legami a idrogeno Minerali argillosi a struttura dimorfica o di tipo 1:1 Struttura di un cristallo di un fillosilicato di tipo 1:1 (sopra) e schema strutturale (sezione) della cella unitaria della caolinite (sotto), con indicazione dei legami idrogeno tra strati successivi foglio tetraedico foglio ottaedrico 0,72 nm
56 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
57 Minerali argillosi a struttura dimorfica o di tipo 1:1
58 Minerali argillosi a struttura dimorfica o di tipo 1:1
59 Minerali argillosi a struttura trimorfica o di tipo 2:1 Struttura di un cristallo di un fillosilicato di 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
60 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.
61 Struttura di un cristallo di un fillosilicato di 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.
62 Struttura di una smectite
63 Cationi interstrato: Mg, Ca Struttura di un cristallo di un fillosilicato di 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 eterovalente 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.
64 Struttura di una vermiculite
65 Cationi interstrato Struttura di un cristallo di un fillosilicato di tipo 2:1 (mica, sopra) e schema strutturale (sezione) della cella unitaria della muscovite (sotto). K + K + K + K + K + K + Sostituzioni isomorfe eterovalenti nei fogli tetraedrici. Gli strati sono legati tra loro tramite cationi K + fissati negli spazi interstrato. K + K + K + K + K + Al, Si K + 1,0 nm
66 Struttura di una mica
67 Minerali argillosi a struttura tetramorfica o di tipo 2:1:1 Struttura di un cristallo di un fillosilicato di tipo 2:1:1 (cloriti, sopra) e schema strutturale (sezione) della cella unitaria della clorite (sotto). Sostituzioni isomorfe eterovalenti 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
68 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.
69 Principali caratteristiche dei minerali argillosi
70 Principali caratteristiche dei minerali argillosi
71 Principali caratteristiche dei colloidi del suolo
72 Processi di neogenesi dei minerali argillosi
73 Processi di neogenesi dei minerali argillosi K + K + K + K + K + K + Al, Si K + K + K + K + K + K + Mg 2+ Mg 2+ Mg 2+ Mg 2 + Mg 2 + Mg 2 +
74 Processi di neogenesi dei minerali argillosi
75 Processi di neogenesi dei minerali argillosi
76 Processi di neogenesi dei minerali argillosi
77 NOME FORMULA CHIMICA CARATTERISTICA Quarzo SiO 2 Abbondante in sabbia e limo Feldspati Miche Anfiboli (Na,K)AlO 2 [SiO 2 ] 3 CaAl 2 O 4 [SiO 2 ] 2 K 2 Al 2 O 5 [Si 2 O 5 ] 3 Al 4 (OH) 4 K 2 Al 2 O 5 [Si 2 O 5 ] 3 (Mg,Fe) 6 (OH) 4 (Ca,N,K) 2,3 (Mg,Fe,Al) 5 (OH) 2 Abbondanti in suoli poco lisciviati Fonte di K in molti suoli di zone zone temperate Facilmente alterabili [(Si,Al) 4 O 11 ] 2 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 Tormalina NaMg 3 Al 6 B 3 Si 6 O 27 (OH,F) 4 Zircone ZrSiO 4 Rutilo TiO 2 Caoliniti Si 4 Al 4 O 10 (OH) 8 Smectiti Vermiculit M x (Si,Al) 8 (Al,Fe,Mg) 4 O 20 (OH) 4, icloriti dove M = catione interstrato Fortemente resistenti all alterazione chimica, usati come minerali indicatori in studi pedologici Abbondanti nella fraz. argill. quali prodotti dell alterazione dei minerali primari; fonti di 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 Gibbsite Al(OH) 3 vulcaniche 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
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