Los cimientos microscópicos del suelo (2): pirámides minúsculas

Los minerales de arcilla están compuestos por unidades estructurales básicas: tetraedros de silicio y octaedros de aluminio. Los tetraedros, formados por un átomo de silicio rodeado por cuatro oxígenos, pueden unirse para formar estructuras como cadenas, anillos o capas (filosilicatos). Los octaedros de aluminio, que contienen seis oxígenos, también forman capas cuyas combinaciones pueden originar estructuras diversas. La estabilidad y alteración de estas estructuras dependen de factores ambientales como la temperatura, el agua o la acidez.

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◼ Antonio Jordán López

Los ladrillos con que se construye el suelo

Los minerales de arcilla están formados por pequeñas unidades estructurales

Los minerales de arcilla están hechos de pequeños bloques, unidades estructurales que pueden agruparse de distintas formas en la naturaleza. Son como los ladrillos con que se construye el suelo, y existen dos tipos básicos: tetraedros de silicio y octaedros de aluminio organizados de formas que dejan espacios regulares entre ellos. Estos espacios, veremos, son muy importantes.

El cuenco obtiene su forma de la arcilla moldeada, pero la utilidad del cuenco reside en el vacío.

Lao-Tse. El libro del Tao (siglo VI a. e. c.).

 

Con las mismas unidades estructurales se pueden obtener diferentes tipos de arcilla, del mismo modo que con las mismas piezas de Lego se pueden construir distintos objetos. Fotograma de The Lego Movie (Christopher Miller, Phil Lord, 2014).

 

Tetraedros de silicio

El primer tipo de estructura está formado por un núcleo de silicio (que es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre) asociado a cuatro oxígenos (que sí es el más abundante). La molécula tiene forma de tetraedro, una pirámide con cuatro caras iguales con un átomo de silicio en el centro y cuatro oxígenos en los vértices.

Hay en este sitio, algo de inmenso y de increíble; delante de las Pirámides el espíritu está delante del prodigio; junto a ellas parece que se siente el aliento de la eternidad, y que la cabeza se pierde con algo de los desvanecimientos de lo absoluto, lo infinito y lo inmutable.

Luis Malanco. Viaje a Oriente (1993).

La valencia del silicio es +4 (le faltan cuatro electrones para cumplir la regla del octeto), así que puede compartir cuatro electrones con cuatro oxígenos mediante un enlace covalente. Como cada oxígeno tiene valencia -2, tiene dos electrones para compartir. Si la molécula estuviese aislada, cada oxígeno compartiría un electrón con el silicio y podría compartir el electrón que le sobra con un hidrógeno, que tiene valencia +1. La molécula resultante sería SiO₄H₄, como la que aparece en la imagen siguiente. Los enlaces entre silicio y oxígeno forman un ángulo de 109 º entre sí, lo que resulta en un tetraedro regular, una pirámide. Esta estructura también se llama "nesosilicato".

Dos tetraedros de silicio (imagen realizada con MolView).

Pero el electrón que le sobra al oxígeno puede compartirse con otro silicio en lugar de un hidrógeno. Este segundo silicio, a su vez, puede estar combinado con más oxígenos. De este modo se puede formar una estructura de tetraedros asociados entre sí. Las formas en que esto ocurre pueden ser muy variadas, como sorosilicatos (parejas de tetraedros), ciclosilicatos (anillos), tectosilicatos (estructuras tridimensionales), inosilicatos (cadenas) o filosilicatos (capas).

Algunas estructuras típicas de los silicatos.

Como se ve en la imagen anterior, los filosilicatos son minerales constituidos por capas de tetraedros de silicio. La imagen siguiente muestra con un poco más de detalle cómo se asocian los tetraedros de silicio para formar capas de filosilicato compartiendo los tres vértices del plano basal.

Tetraedro de silicio aislado (izquierda) y asociado a otros tetraedros para formar una capa (derecha).

Cada átomo de oxígeno situado en los vértices "libres" de cada tetraedro que forma la capa posee un electrón que no está compartido con otro silicio. De este modo, puede unirse a otros cationes (elementos con carga positiva) como un catión de magnesio (Mg²⁺) o de aluminio (Al³⁺).

Octaedros de aluminio

Los octaedros de aluminio son la segunda unidad estructural de la arcilla.

El aluminio, por ejemplo, tampoco se encuentra aislado, sino asociado también a oxígenos, en este caso seis oxígenos (AlO₂(OH)₄). En este caso, la estructura es un poco más compleja y tiene forma octaédrica. Del mismo modo que los tetraedros de silicio, los octaedros de aluminio pueden formar capas compartiendo los oxígenos de sus vértices, como se muestra en la siguiente imagen.

Octaedro de aluminio aislado (izquierda) y asociado a otros formando una capa (derecha).

Láminas de tetraedros y octaedros

Una capa de tetraedros de silicio y una o más capas de octaedros de aluminio pueden combinarse entre sí para formar láminas. Cuando se asocian una capa de tetraedros (T) de silicio con una capa de octaedros (O) de aluminio, decimos que se forma una lámina de estructura 1:1 (o T-O). Una nueva capa de tetraedros de silicio puede asociarse a la capa de octaedros de aluminio, por lo que tendríamos dos capas de tetraedros y una de octaedros situada en el centro, y decimos que se forma una lámina de estructura 2:1 (o T-O-T).

A la izquierda, lámina de dos capas (una capa de tetraedros de silicio y una capa de octaedros de aluminio, estructura 1:1); a la derecha, lámina de tres capas (dos capas de tetraedros de silicio y una capa de octaedros de aluminio entre ellas, estructura 2:1).

De este modo, los filosilicatos pueden tener estructura 1:1 (T-O) o 2:1 (T-O-T).

Cada una de las unidades estructurales básicas (tetraedros y octaedros) es simple y estable. Pero en función del grado de alteración del mineral en el suelo (en lo que interviene la temperatura, la disponibilidad de agua, la acidez y la existencia de otros minerales), estas unidades estructurales pueden cambiar. Así, del mismo modo que los humanos construimos iglesias románicas, góticas o barrocas, el suelo construye arcillas.

Resumen

1. Los minerales de arcilla son fundamentales en la estructura del suelo.
2. Están formados por dos bloques básicos: tetraedros de silicio y octaedros de aluminio.
3. Los tetraedros de silicio se organizan en cadenas, anillos o capas.
4. Los octaedros de aluminio también forman capas compartiendo vértices.
5. Al combinarse, forman láminas de tipo 1:1 o 2:1.
6. Estas láminas son la base de los filosilicatos, las arcillas más comunes.
7. La estabilidad de estas estructuras depende de temperatura, agua y acidez.
8. Con los mismos bloques se generan diferentes tipos de arcilla, como con piezas de Lego.
9. La diversidad de arcillas refleja la historia geológica y ambiental del suelo.
10. Estos ladrillos microscópicos sostienen gran parte de la vida en la Tierra.

Preguntas para pensar un poco

¿De qué están hechas realmente las arcillas?

¿Por qué se comparan los minerales con ladrillos o Lego?

¿Qué diferencia a un tetraedro de un octaedro?

¿Cómo se combinan estas estructuras para formar láminas?

¿Qué significa que una arcilla sea 1:1 o 2:1?

¿Por qué las condiciones ambientales modifican los minerales de arcilla?

¿Qué papel tienen las arcillas en la fertilidad de los suelos?

¿Cómo se relacionan los filosilicatos con la retención de agua?

¿Qué semejanzas hay entre construir un edificio y formar un mineral?

¿Qué nos cuentan las arcillas sobre la historia del suelo?