Mineral de arcilla

Los minerales arcillosos son filosilicatos de aluminio hidratados (por ejemplo, caolín , Al ₂ Si ₂ O ₅ ( OH ) ₄ ), a veces con cantidades variables de hierro , magnesio , metales alcalinos , metales alcalinotérreos y otros cationes que se encuentran en o cerca de algunas superficies planetarias .

Los minerales arcillosos se forman en presencia de agua ^{[ 1 ]} y han sido importantes para la vida, y muchas teorías de la abiogénesis los involucran. Son componentes importantes de los suelos y han sido útiles para los humanos desde la antigüedad en la agricultura y la manufactura .

La arcilla es un material geológico de grano muy fino que desarrolla plasticidad cuando está húmeda, pero se vuelve dura, quebradiza y no plástica al secarse o cocerse . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} Es un material muy común, ^{[ 5 ]} y es la cerámica más antigua conocida . Los humanos prehistóricos descubrieron las propiedades útiles de la arcilla y la usaron para hacer cerámica . ^{[ 6 ]} La química de la arcilla, incluida su capacidad para retener cationes nutritivos como el potasio y el amonio , es importante para la fertilidad del suelo. ^{[ 7 ]}

Debido a que las partículas individuales de arcilla tienen un tamaño inferior a 4 micrómetros (0,00016 pulgadas) , no pueden caracterizarse mediante métodos ópticos o físicos convencionales. La estructura cristalográfica de los minerales de arcilla se comprendió mejor en la década de 1930 gracias a los avances en la técnica de difracción de rayos X (DRX), indispensable para descifrar su red cristalina. ^{[ 8 ]} Se descubrió que las partículas de arcilla eran predominantemente minerales de silicato laminar (filosilicato), ahora agrupados como minerales de arcilla. Su estructura se basa en láminas hexagonales planas similares a las del grupo de minerales de la mica . ^{[ 9 ]} Durante este período también surgió la estandarización de la terminología, ^{[ 8 ]} prestando especial atención a palabras similares que generaban confusión, como lámina y plano. ^{[ 8 ]} 

Debido a que los minerales arcillosos suelen ser (aunque no necesariamente) de grano ultrafino, se requieren técnicas analíticas especiales para su identificación y estudio. Además de la cristalografía de rayos X, estas incluyen métodos de difracción de electrones , ^{[ 10 ]} diversos métodos espectroscópicos como la espectroscopia Mössbauer , ^{[ 11 ]} espectroscopia infrarroja , ^{[ 10 ]} espectroscopia Raman , ^{[ 12 ]} y SEM - EDS ^{[ 13 ]} o procesos de mineralogía automatizada ^{[ 10 ]} . Estos métodos pueden complementarse con microscopía de luz polarizada , una técnica tradicional que establece ocurrencias fundamentales o relaciones petrológicas. ^{[ 14 ]}

Los minerales arcillosos son productos comunes de la meteorización (incluida la meteorización del feldespato ) y de la alteración hidrotermal a baja temperatura . Son muy comunes en suelos, en rocas sedimentarias de grano fino como la lutita , la limolita y la arenisca , y en pizarras y filitas metamórficas de grano fino . ^{[ 9 ]}

Debido a la necesidad de agua, los minerales arcillosos son relativamente raros en el Sistema Solar , aunque se encuentran ampliamente en la Tierra, donde el agua ha interactuado con otros minerales y materia orgánica . Se han detectado minerales arcillosos en varios lugares de Marte , ^{[ 15 ]} incluyendo Echus Chasma , Mawrth Vallis , el cuadrángulo de Memnonia y el cuadrángulo de Elysium . La espectrografía ha confirmado su presencia en cuerpos celestes como el planeta enano Ceres , ^{[ 16 ]} el asteroide 101955 Bennu , ^{[ 17 ]} y el cometa Tempel 1 , ^{[ 18 ]} así como la luna Europa de Júpiter . ^{[ 19 ]}

_{Al igual que todos los} filosilicatos, los minerales arcillosos se caracterizan por láminas bidimensionales de tetraedros de SiO₄ o octaedros de AlO₄ que comparten vértices _. Las unidades de la lámina tienen la composición química ₍ Al , Si) _₃O₄ . Cada tetraedro de sílice comparte tres de sus iones de oxígeno de vértice con otros tetraedros, formando una red hexagonal en dos dimensiones. El cuarto ion de oxígeno no se comparte con ningún otro tetraedro y todos los tetraedros "apuntan" en la misma dirección; es decir, todos los iones de oxígeno no compartidos se encuentran en el mismo lado de la lámina. Estos iones de oxígeno no compartidos se denominan iones de oxígeno apicales. ^{[ 20 ]}

En las arcillas, las láminas tetraédricas siempre están unidas a láminas octaédricas formadas por cationes pequeños, como aluminio o magnesio, y coordinadas por seis átomos de oxígeno. El vértice no compartido de la lámina tetraédrica también forma parte de un lado de la lámina octaédrica, pero un átomo de oxígeno adicional se ubica sobre el espacio en la lámina tetraédrica en el centro de los seis tetraedros. Este átomo de oxígeno está unido a un átomo de hidrógeno, formando un grupo OH en la estructura de la arcilla. Las arcillas se pueden clasificar según la forma en que las láminas tetraédricas y octaédricas se empaquetan en capas . Si solo hay un grupo tetraédrico y uno octaédrico en cada capa, la arcilla se conoce como arcilla 1:1. La alternativa, conocida como arcilla 2:1, tiene dos láminas tetraédricas con el vértice no compartido de cada lámina apuntando uno hacia el otro y formando cada lado de la lámina octaédrica. ^{[ 20 ]}

La unión entre las láminas tetraédricas y octaédricas requiere que la lámina tetraédrica se ondule o retuerza, provocando una distorsión ditrigonal en la red hexagonal, y que la lámina octaédrica se aplane. Esto minimiza las distorsiones generales de la valencia de enlace del cristalito. ^{[ 20 ]}

Dependiendo de la composición de las láminas tetraédricas y octaédricas, la capa no tendrá carga o tendrá una carga neta negativa. Si las capas están cargadas, esta carga se equilibra mediante cationes interlaminares como Na ⁺ o K ⁺ o mediante una lámina octaédrica aislada. El espacio interlaminar también puede contener agua. La estructura cristalina se forma a partir de una pila de capas intercaladas con espacios interlaminares. ^{[ 20 ]}

Los minerales arcillosos se pueden clasificar como 1:1 o 2:1. Una arcilla 1:1 consta de una lámina tetraédrica y una octaédrica; ejemplos de ello son la caolinita y la serpentina . Una arcilla 2:1 consta de una lámina octaédrica intercalada entre dos láminas tetraédricas; ejemplos de ello son el talco , la vermiculita y la montmorillonita . Las capas en las arcillas 1:1 no tienen carga y están unidas por enlaces de hidrógeno entre ellas, mientras que las capas 2:1 tienen una carga neta negativa y pueden estar unidas entre sí mediante cationes individuales (como el potasio en la ilita o el sodio o el calcio en las esmectitas) o mediante láminas octaédricas con carga positiva (como en las cloritas ). ^{[ 9 ]}

Los minerales arcillosos incluyen los siguientes grupos:

• Grupo del caolín que incluye los minerales caolinita , dickita , halloysita y nacrita ( polimorfos de Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ ). ^{[ 21 ]}
  • Algunas fuentes incluyen el grupo caolinita-serpentina debido a similitudes estructurales. ^{[ 8 ]}
• Grupo de esmectitas que incluye esmectitas dioctaédricas, como la montmorillonita , la nontronita y la beidellita, y esmectitas trioctaédricas, como la saponita . ^{[ 21 ]} En 2013, las pruebas analíticas realizadas por el rover Curiosity arrojaron resultados consistentes con la presencia de minerales de arcilla esmectita en el planeta Marte . ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}
• Grupo de la ilita que incluye las micas arcillosas. La ilita es el único mineral común en este grupo. ^{[ 21 ]}
• El grupo de la clorita incluye una amplia variedad de minerales similares con considerable variación química. ^{[ 21 ]}
• Existen otros tipos de arcilla 2:1, como la paligorskita (también conocida como atapulgita ) y la sepiolita , arcillas con largos canales de agua en el interior de su estructura.

Existen variaciones de arcilla de capas mixtas para la mayoría de los grupos mencionados anteriormente. ^{[ 9 ]} El ordenamiento se describe como aleatorio o regular y se describe además con el término reichweite , que en alemán significa rango o alcance. Los artículos de la literatura se referirán a una illita-esmectita con ordenamiento R1, por ejemplo. Este tipo estaría ordenado de forma illita-esmectita-illita-esmectita (ISIS). Por otro lado, R0 describe un ordenamiento aleatorio, y también se encuentran otros tipos de ordenamiento avanzados (R3, etc.). Los minerales de arcilla de capas mixtas que son tipos R1 perfectos a menudo reciben sus propios nombres. La clorita-esmectita con ordenamiento R1 se conoce como corrensita , la illita-esmectita R1 es rectorita . ^{[ 25 ]}

La distancia entre capas en nanómetros, determinada mediante cristalografía de rayos X, es la medida de rf(001) de los rayos X. La capacidad de adsorción de glicol (mg/g) es la capacidad de adsorción de glicol, que ocupa los sitios interlaminares cuando la arcilla se expone a vapor de etilenglicol a 60 °C (140 °F) durante ocho horas. La capacidad de intercambio _catiónico ( CIC ) es la capacidad de intercambio catiónico de la arcilla. El porcentaje de óxido de potasio en la arcilla es K₂O . El análisis térmico diferencial ( ATD) describe la curva de análisis térmico diferencial de la arcilla.  

La hipótesis de la arcilla para el origen de la vida fue propuesta por Graham Cairns-Smith en 1985. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Postula que moléculas orgánicas complejas surgieron gradualmente en superficies de replicación no orgánicas preexistentes de cristales de silicato en contacto con una solución acuosa. Se ha demostrado que el mineral de arcilla montmorillonita cataliza la polimerización del ARN en solución acuosa a partir de monómeros de nucleótidos , ^{[ 29 ]} y la formación de membranas a partir de lípidos. ^{[ 30 ]} En 1998, Hyman Hartman propuso que "los primeros organismos fueron arcillas autorreplicantes ricas en hierro que fijaban dióxido de carbono en ácido oxálico y otros ácidos dicarboxílicos . Este sistema de arcillas replicantes y su fenotipo metabólico evolucionaron luego hacia la región rica en sulfuro de la fuente termal, adquiriendo la capacidad de fijar nitrógeno . Finalmente, el fosfato se incorporó al sistema en evolución, lo que permitió la síntesis de nucleótidos y fosfolípidos." ^{[ 31 ]}

La versatilidad estructural y compositiva de los minerales arcillosos les confiere interesantes propiedades biológicas. Debido a sus superficies cargadas y en forma de disco, la arcilla interactúa con diversos fármacos, proteínas, polímeros, ADN y otras macromoléculas. Algunas de las aplicaciones de las arcillas incluyen la administración de fármacos, la ingeniería de tejidos y la bioimpresión. ^{[ 32 ]}

Los minerales arcillosos pueden incorporarse en morteros de cal-metacaolín para mejorar las propiedades mecánicas. ^{[ 33 ]} La separación electroquímica ayuda a obtener productos modificados que contienen saponita con altas concentraciones de minerales del grupo de la esmectita, menor tamaño de partículas minerales, estructura más compacta y mayor área superficial. Estas características abren posibilidades para la fabricación de cerámicas de alta calidad y sorbentes de metales pesados ​​a partir de productos que contienen saponita. ^{[ 34 ]} Además, la molienda de cola ocurre durante la preparación de la materia prima para cerámica; este reprocesamiento de residuos es de gran importancia para el uso de pulpa de arcilla como agente neutralizante, ya que se requieren partículas finas para la reacción. Los experimentos sobre la desacidificación de histosol con la suspensión de arcilla alcalina demostraron que la neutralización con un nivel de pH promedio de 7,1 se alcanza con un 30 % de pulpa añadida y un sitio experimental con pastos perennes demostró la eficacia de la técnica. Además, la recuperación de tierras degradadas es parte integral de la responsabilidad social y ambiental de la empresa minera y este escenario aborda las necesidades de la comunidad tanto a nivel local como regional. ^{[ 35 ]}

Los resultados de la adsorción de glicol, la capacidad de intercambio catiónico, la difracción de rayos X, el análisis térmico diferencial y las pruebas químicas proporcionan datos que pueden utilizarse para estimaciones cuantitativas. Una vez determinadas las cantidades de materia orgánica, carbonatos, óxidos libres y minerales no arcillosos, se estiman los porcentajes de minerales arcillosos utilizando los datos apropiados de adsorción de glicol, capacidad de intercambio catiónico, K2O y ATD. La cantidad de ilita se estima a partir del contenido de K2O, ya que este es el único mineral arcilloso que contiene potasio. ^{[ 36 ]}

Las rocas arcillosas son aquellas en las que los minerales arcillosos son un componente significativo. ^{[ 37 ]} Por ejemplo, las calizas arcillosas son calizas ^{[ 38 ]} que consisten predominantemente en carbonato de calcio , pero que incluyen entre un 10 y un 40 % de minerales arcillosos: dichas calizas, cuando son blandas, a menudo se denominan margas . De manera similar, las areniscas arcillosas , como la grauvaca , son areniscas que consisten principalmente en granos de cuarzo , con los espacios intersticiales rellenos de minerales arcillosos.

• Química de la arcilla
• Arcilla expansiva : suelo arcilloso propenso a hincharse y contraerse. 
• Lutitas/arcillas en el planeta Marte
  • Cuadrángulo de Eolis : uno de una serie de 30 mapas cuadrangulares de Marte. 
  • Composición de Marte – Rama de la geología de Marte 
  • Cronología del Laboratorio Científico de Marte – Cronograma de eventos de la misión del Laboratorio Científico de Marte de la NASA 
• Meteorización inversa : formación de minerales arcillosos autigénicos. 
• La Sociedad de Minerales Arcillosos – organización sin fines de lucro con sede en EE. UU. Páginas que muestran breves descripciones de destinos de redireccionamiento 
• Difracción de rayos X de minerales arcillosos
• Arcilla para modelar : Cualquiera de un grupo de sustancias maleables utilizadas en la construcción y la escultura. Páginas que muestran descripciones breves de objetivos de redirección.