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Estructura y composición  de  compuestos inorgánicos
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 (O 2-  en el caso de silicatos) Las ubicaciones estables de cationes y aniones se puede calcular a partir de postulados geométricos
Triángulo equilátero Tetraedro Octaedro Cubo Cubo-octaedro
Radio de O 2-  = 0.140 nm Número de coordinación pronosticado con oxígeno 6 0.571 0.080 Mn 2+ 6 0.529 0.074 Fe 2+ 6 0.486 0.068 Ti 4+ 6 0.471 0.066 Mg 2+ 6 0.457 0.064 Fe 3+ 4 or 6 0.364 0.051 Al 3+ 4 0.278 0.039 Si 4+ Número de coordinación Relación catión / O 2- Radio iónico, nm
OCTAEDRO y TETRAEDRO: unidades estructurales de minerales O 2-  o OH -
Cuarzo SiO 2 Gibsita Al(OH) 3 ¿Como se combinan las unidades tetraédricas y octaédricas en la estructura de minerales?  Octaedro y tetraedro: unidades estructurales de minerales
Capa octaédrica y tetraédrica Cationes centrales comparten O 2-  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)
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?
Cuarzo SiO 2 Feldespatos alcalinos y plagioclasas Minerales primarios comunes en suelos
Minerales primarios y secundarios Minerales secundarios (arcillas, óxidos, minerales no cristalinos) se encuentran principalmente en la fracción de arcilla (<2 μm)
¿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
Importancia de la fracción de arcilla   Minerales en la fracción de arcilla  (<2 μm): poseen  carga negativa  = cationes intercambiables poseen gran  superficie especifica  = reacciones de absorción tienen propiedades  coloidales
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
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
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
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
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 m 2 /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
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
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 m 2 /g) = alta capacidad de adsorción, alta fertilidad y alto poder tampón a cambios de pH
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
Vertisoles  ( Batuco, al norte de Santiago ): Dos días después de una lluvia fuerte Baja conductividad hidráulica Camino de barro
Vertisoles: Grietas en muros Vertisoles no son favorables desde el punto de vista de ingeniería (construcción edificios, caminos, etc.)
 
 
Grietas en cerámica
Vertisoles (Batuco) Expansión y retracción del suelo: los raíces de árboles se cortan cuando el suelo se seca
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
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
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
Estructura de arcillas: clorita: mineral de tipo 2 : 1 : 1 Clorita es una arcilla non-expandible
Propiedades de minerales de arcilla: Resumen
Propiedades de minerales de arcilla: Resumen 2-5 15-40 15-40 100-180 80-120 Negative charge, meq/100 g 0 0 0 600-700 570-660 Internal surface, m 2 /g 10-30 70-100 70-100 70-120 80-140 External surface, m 2 /g Kaolinite Chlorite Illite Vermiculite Smectite Property
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 Fe 2 O 3  (colorea de rojo el suelo) Ferrihidrita Fe 5 HO 8  · 4H 2 O (poco cristalino) Magnetita Fe 3 O 4  (color negro, heredado del material originario) Óxidos de Mn (color negro):  Birnesita MnO 2  (el más común) Óxidos de Al, Fe y Mn comunes en suelos
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
Absorción de cationes y aniones en superficie de minerales de arcilla y óxidos de Fe/Al
Arcillas poco cristalinas ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],Suelo Andisol, serie Bramadero, Este de San Clemente (VII región)
 
Carbonatos y sulfatos Yeso (gypsum) CaSO 4  · 2H 2 O
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
Difractometro de rayos X
Separación de arcilla por gravedad y muestreo de arcilla con un sifón Preparación de muestras “orientadas”
 
Radio iónico O 2-  = 0.140 nm F -  = 0.133 nm Se produce una sustitución de O 2-  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
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

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  • 1. Estructura y composición de compuestos inorgánicos
  • 2. 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 (O 2- en el caso de silicatos) Las ubicaciones estables de cationes y aniones se puede calcular a partir de postulados geométricos
  • 3. Triángulo equilátero Tetraedro Octaedro Cubo Cubo-octaedro
  • 4. Radio de O 2- = 0.140 nm Número de coordinación pronosticado con oxígeno 6 0.571 0.080 Mn 2+ 6 0.529 0.074 Fe 2+ 6 0.486 0.068 Ti 4+ 6 0.471 0.066 Mg 2+ 6 0.457 0.064 Fe 3+ 4 or 6 0.364 0.051 Al 3+ 4 0.278 0.039 Si 4+ Número de coordinación Relación catión / O 2- Radio iónico, nm
  • 5. OCTAEDRO y TETRAEDRO: unidades estructurales de minerales O 2- o OH -
  • 6. Cuarzo SiO 2 Gibsita Al(OH) 3 ¿Como se combinan las unidades tetraédricas y octaédricas en la estructura de minerales? Octaedro y tetraedro: unidades estructurales de minerales
  • 7. Capa octaédrica y tetraédrica Cationes centrales comparten O 2- 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)
  • 8. 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?
  • 9. Cuarzo SiO 2 Feldespatos alcalinos y plagioclasas Minerales primarios comunes en suelos
  • 10. Minerales primarios y secundarios Minerales secundarios (arcillas, óxidos, minerales no cristalinos) se encuentran principalmente en la fracción de arcilla (<2 μm)
  • 11. ¿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
  • 12. Importancia de la fracción de arcilla Minerales en la fracción de arcilla (<2 μm): poseen carga negativa = cationes intercambiables poseen gran superficie especifica = reacciones de absorción tienen propiedades coloidales
  • 13. 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
  • 14. 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
  • 15. 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
  • 16. 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
  • 17. 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 m 2 /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
  • 18. 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
  • 19. 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 m 2 /g) = alta capacidad de adsorción, alta fertilidad y alto poder tampón a cambios de pH
  • 20. 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
  • 21. Vertisoles ( Batuco, al norte de Santiago ): Dos días después de una lluvia fuerte Baja conductividad hidráulica Camino de barro
  • 22. Vertisoles: Grietas en muros Vertisoles no son favorables desde el punto de vista de ingeniería (construcción edificios, caminos, etc.)
  • 23.  
  • 24.  
  • 26. Vertisoles (Batuco) Expansión y retracción del suelo: los raíces de árboles se cortan cuando el suelo se seca
  • 27. 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
  • 28. 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
  • 29. 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
  • 30. Estructura de arcillas: clorita: mineral de tipo 2 : 1 : 1 Clorita es una arcilla non-expandible
  • 31. Propiedades de minerales de arcilla: Resumen
  • 32. Propiedades de minerales de arcilla: Resumen 2-5 15-40 15-40 100-180 80-120 Negative charge, meq/100 g 0 0 0 600-700 570-660 Internal surface, m 2 /g 10-30 70-100 70-100 70-120 80-140 External surface, m 2 /g Kaolinite Chlorite Illite Vermiculite Smectite Property
  • 33. 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 Fe 2 O 3 (colorea de rojo el suelo) Ferrihidrita Fe 5 HO 8 · 4H 2 O (poco cristalino) Magnetita Fe 3 O 4 (color negro, heredado del material originario) Óxidos de Mn (color negro): Birnesita MnO 2 (el más común) Óxidos de Al, Fe y Mn comunes en suelos
  • 34. 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
  • 35. Absorción de cationes y aniones en superficie de minerales de arcilla y óxidos de Fe/Al
  • 36.
  • 37.  
  • 38. Carbonatos y sulfatos Yeso (gypsum) CaSO 4 · 2H 2 O
  • 39. 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
  • 41. Separación de arcilla por gravedad y muestreo de arcilla con un sifón Preparación de muestras “orientadas”
  • 42.  
  • 43. Radio iónico O 2- = 0.140 nm F - = 0.133 nm Se produce una sustitución de O 2- 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
  • 44. 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