Los cimientos microscópicos del suelo (4): estructura, carga y expansión

Las arcillas del suelo se distinguen por su estructura cristalina, capacidad de expansión y retención de nutrientes. Desde la caolinita, estable y poco reactiva, hasta la esmectita, altamente expansiva y fértil, cada tipo refleja un equilibrio entre estabilidad física y actividad química. Su comprensión permite explicar la dinámica del suelo, la fertilidad y los usos industriales de estos minerales.

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◼ Antonio Jordán López

Estructura, carga y expansión: claves para entender las arcillas

Bajo la lupa. el suelo esconde arquitecturas diminutas: láminas, iones y vacíos donde el agua y los nutrientes se mueven como en una ciudad subterránea. Son las arcillas, minerales discretos pero esenciales, que determinan si un suelo es fértil, estable o frágil.

Imagen de microscopía electrónica de barrido de un tardígrado sobre un agregado de suelo. El tamaño de los tardígrados suele estar entre 0.05 y 1.2 mm (hasta mil veces el tamaño de una partícula de arcilla).

¿Qué tipos básicos de arcillas hay?

Hay muchos tipos de arcilla, tantos como condiciones ambientales y minerales de los que proceden. Pero los tipos básicos y más frecuentes en los suelos son la caolinita, la illita, la esmectita (de las cuales, la montmorillonita es la más conocida), la vermiculita y la clorita.

Estructura de los tipos principales de arcilla.

Caolinita

La caolinita es un mineral de la familia de los filosilicatos, bastante sencillo y estable. Su estructura está formada por dos capas que siempre van juntas: una de tetraedros de sílice y otra de octaedros de aluminio. Por eso se dice que tiene una estructura 1:1 (o T-O).

Imagen de microscopía electrónica de la caolinita. Gordon Stone, Joseph E. Dove, Nizhou Han y Patricia M. Dove/Clay Mineral Image Collection for Education in Geotechnical Engineering and the Earth Sciences.

Lo interesante es que sus propiedades dependen de cómo están unidas estas capas y de lo poco que su red cristalina permite cambios químicos. En la caolinita, las láminas se mantienen unidas mediante puentes de hidrógeno. Aunque no son enlaces fuertes, son suficientes para darle una gran cohesión y estabilidad. Javier Corzo, profesor de la Universidad de La Laguna, nos lo explica:

El enlace o “puente” de hidrógeno es un tipo de enlace muy particular, que aunque en algunos aspectos resulta similar a las interacciones de tipo dipolo-dipolo, tiene características especiales. Es un tipo específico de interacción polar que se establece entre dos átomos significativamente electronegativos, generalmente O o N, y un átomo de H, unido covalentemente a uno de los dos átomos electronegativos. En un enlace de hidrógeno tenemos que distinguir entre el átomo DADOR del hidrógeno (aquel al que está unido covalentemente el hidrógeno) y el ACEPTOR, que es al átomo de O o N al cual se va a enlazar el hidrógeno.

Javier Corzo. Interacciones no covalentes: Enlace o "puente" de hidrógeno. Universidad de La Laguna (consultado el 25/09/2025).

Caolinita hematítica de Sierra Nevada (California, EEUU). James St. John/Flickr.

A diferencia de otros minerales como las esmectitas, en la caolinita apenas se producen sustituciones isomórficas (cambios de un ion por otro dentro de la red, como Si⁴⁺ por Al³⁺). Eso significa que la caolinita casi no tiene cargas negativas en su estructura y, por tanto, su capacidad para retener cationes es muy baja.

Además, la caolinita no se expande. Sus láminas no se separan con facilidad porque los puentes de hidrógeno y la falta de cargas evitan que entren agua o cationes entre ellas. En otras palabras, su espacio interlaminar es muy pequeño, y por eso no se hincha como lo hacen otros filosilicatos expansivos. La principal consecuencia de esto es que los cationes del suelo solo pueden adsorberse en la superficie externa de las partículas de caolinita: principalmente en las caras y, en menor medida, en los bordes.

Otro detalle importante es que la caolinita tiene una superficie específica pequeña, menos de 40 m² por gramo. En comparación con otros minerales arcillosos, esto significa que ofrece menos espacio para que ocurran reacciones químicas.

Por último, su capacidad de intercambio catiónico (CIC) es muy baja, de apenas 1 a 10 cmolc por kilogramo. Esto refleja la escasa presencia de cargas negativas en su estructura y explica por qué la caolinita aporta poco a la fertilidad química del suelo, aunque sí contribuye a su estabilidad física.

La caolinita se usa ampliamente en la industria cerámica, papelera, cosmética y farmacéutica. Su color blanco y su textura suave la hacen idónea para la fabricación de porcelanas, recubrimientos de papel y productos dermatológicos. Además, en agricultura se emplea como agente protector de cultivos frente a plagas y radiación solar. Es un mineral discreto pero esencial, presente en numerosos objetos cotidianos que rara vez asociamos con la geología.

Ilita

La estructura y comportamiento químio de la illita la sitúan a medio camino entre los filosilicatos expansivos (como la montmorillonita) y los no expansivos (como la caolinita).

Las láminas de la illita están unidas principalmente gracias a enlaces iónicos principalmente con potasio (K⁺), que ocupa el espacio interlaminar. Estos cationes funcionan como un “pegamento” que mantiene cohesionadas las capas, aportándole estabilidad, pero sin llegar a bloquear del todo el acceso al interior.

En la illita se observan solo unas pocas sustituciones isomórficas. Es decir, apenas hay reemplazos de unos iones por otros dentro de la red cristalina. Esto hace que la carga eléctrica negativa de sus láminas sea baja en comparación con otras arcillas más activas, lo que limita en parte su capacidad de retener nutrientes.

El espacio interlaminar es moderadamente amplio, lo que permite una expansión limitada de la red. No se hincha tanto como una esmectita, pero sí algo más que una caolinita, lo que le da un comportamiento intermedio: estable, pero con cierto margen de flexibilidad.

Illita fibrosa de Rotliegend, sur del Mar del Norte. Sociedad Mineralógica del Reino Unido e Irlanda.

El espacio interlaminar de la illita admite una entrada limitada de cationes y moléculas de agua. Dicho de otro modo: no se cierra por completo, pero tampoco está del todo abierto. Esta característica explica por qué la illita no se comporta como una esponja, aunque puede retener algo de agua y ciertos nutrientes.

En cuanto a la adsorción de cationes, ocurre principalmente en las superficies externas de sus partículas: en las caras de las láminas y, en menor medida, en los bordes. El interior apenas participa en este proceso, ya que está ocupado en gran parte por los cationes interlaminares como el potasio.

Otra propiedad clave es su superficie específica (S:V), que ronda entre 100 y 200 m² por gramo. Esto la convierte en un mineral con más superficie reactiva que la caolinita, aunque menos que las esmectitas. En términos prácticos, significa que ofrece un espacio moderado para reacciones químicas en el suelo.

Finalmente, la illita tiene una capacidad de intercambio catiónico (CIC) de al menos 5 cmolc por kilogramo, bastante superior a la caolinita, pero inferior a las arcillas expansivas. En la práctica, esto se traduce en una contribución intermedia a la fertilidad química de los suelos: retiene y libera algunos nutrientes, pero sin llegar a ser un gran reservorio.

La illita, aunque menos conocida fuera del ámbito técnico, desempeña un papel relevante en procesos industriales y agrícolas. Su estructura no expansiva le confiere estabilidad, lo que la hace útil en la fabricación de cerámica resistente y como componente en lodos de perforación. En el suelo, contribuye a mantener la estructura sin alterar significativamente la retención de agua.

Esmectita

La esmectita es, sin duda, una de las arcillas más “activas” que encontramos en los suelos. Su estructura y propiedades la hacen muy diferente de la caolinita y la illita: mientras estas son más estables, la esmectita destaca por su gran capacidad de hincharse, retener agua y almacenar nutrientes.

Las láminas de esmectita están unidas mediante una combinación de fuerzas: enlaces iónicos con cationes interlaminares, puentes de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals. Este equilibrio le da cierta cohesión, pero al mismo tiempo deja espacio suficiente para que las láminas se separen cuando entran agua y cationes.

Esmectita sobre la superficie de poros (Omán). Sociedad Mineralógica del Reino Unido e Irlanda.

Una de sus características más notables es que presenta un elevado grado de sustituciones isomórficas. Es decir, en su estructura cristalina se producen muchos reemplazos de unos iones por otros (como Mg²⁺ por Al³⁺ o Al³⁺ por Si⁴⁺). Estas sustituciones generan una gran carga eléctrica negativa, lo que convierte a la esmectita en un auténtico imán para los cationes del suelo.

El espacio interlaminar de la esmectita es amplio y, sobre todo, variable. Puede expandirse hasta unos 18 Å, lo que significa que sus láminas se separan y se cierran según la cantidad de agua o iones que entren en el interior. Por eso, la esmectita se hincha en condiciones húmedas y se contrae cuando el suelo se seca, un comportamiento que explica fenómenos como las grietas profundas en suelos arcillosos.

Los suelos ricos en esmectita se agrietan en la estación seca y se expanden en la estación húmeda. Antonio Jordán/Imaggeo.

Esta estructura tan flexible permite la fácil entrada de cationes y moléculas de agua en el espacio interlaminar. En la práctica, actúa como una auténtica esponja: absorbe y retiene tanto agua como nutrientes, para luego liberarlos gradualmente.

La esmectita también se caracteriza por una superficie específica enorme, entre 600 y 800 m² por gramo. Esta cifra es varias veces mayor que la de la illita o la caolinita, lo que significa que ofrece una superficie inmensa para reacciones químicas y procesos de adsorción.

Como resultado, su capacidad de intercambio catiónico (CIC) es muy alta, en torno a 80–150 cmolc por kilogramo. Esto la convierte en una de las arcillas más importantes para la fertilidad del suelo, ya que puede retener y poner a disposición de las plantas una gran cantidad de nutrientes esenciales.

Además de la fertilidad que otroga a los suelos cultivados cuando se halla presente, y debido a su capacidad de expansión al contacto con el agua, es un recurso valioso en ingeniería civil, agricultura y remediación ambiental. Se utiliza para sellar suelos, mejorar la retención de nutrientes y como barrera frente a contaminantes.

Vermiculita

La vermiculita es una de las arcillas más sorprendentes por su capacidad de expandirse y retener nutrientes. Su comportamiento recuerda al de la esmectita, pero con algunos matices que la hacen especial.

Las láminas de vermiculita se mantienen unidas mediante puentes de hidrógeno y enlaces iónicos con magnesio (Mg²⁺). Este “pegamento” es lo bastante fuerte para mantener la estructura estable, pero también flexible, lo que permite que las capas se separen con facilidad cuando entra agua.

En la vermiculita hay pocas sustituciones isomórficas, lo que significa que su red cristalina no acumula tantas cargas negativas como en el caso de la esmectita. Sin embargo, la disposición del magnesio en el espacio interlaminar compensa en parte esta falta de sustituciones, generando una notable capacidad de atraer cationes.

Fragmentos de vermiculita en la Sierra de Ojén (Málaga). La orientación similar de las moléculas de arcilla le da un aspecto de metal pulido. Antonio Jordán/Imaggeo.

El espacio interlaminar es amplio y se expande fácilmente. Dicho de otro modo, la vermiculita tiene una red abierta que se adapta a la entrada de agua y nutrientes. Por eso, en condiciones húmedas puede hincharse de forma significativa, aunque no tanto como la esmectita.

Esta apertura facilita la entrada de cationes y moléculas de agua en el espacio interlaminar. La vermiculita actúa como un almacén muy eficiente: captura nutrientes y agua, pero al mismo tiempo es capaz de liberarlos poco a poco, poniéndolos a disposición de las plantas.

Partículas de vermiculita expandida mediante tratamiento térmico.

Su superficie específica es enorme, entre 600 y 800 m² por gramo, comparable a la de la esmectita. Esto significa que ofrece un área de contacto inmensa para reacciones químicas, adsorción de cationes y retención de agua.

Gracias a estas características, la vermiculita tiene una capacidad de intercambio catiónico (CIC) altísima, de entre 120 y 150 cmolc por kilogramo. Esto la convierte en una de las arcillas con mayor potencial para mejorar la fertilidad de los suelos, al funcionar como un auténtico “banco de nutrientes”. Su elevada capacidad de retención de agua la hace especialmente útil en horticultura como sustrato aireado y húmedo. También se emplea como aislante térmico y acústico en construcción, y como material ignífugo en aplicaciones industriales.

Clorita

La clorita es un mineral arcilloso algo distinto de los anteriores, porque combina características típicas de las arcillas con la presencia de una capa adicional que le da un comportamiento muy particular.

Sus láminas están unidas por enlaces iónicos con una capa de hidróxidos y también por fuerzas de Van der Waals. Esto le aporta estabilidad y cierta rigidez, pero al mismo tiempo deja abierta la posibilidad de que entren agua y cationes en su estructura.

Lo que hace única a la clorita es la presencia de una capa de brucita [Mg(OH)₂], que suele contener también hierro (Fe) y aluminio (Al) polimerizados. Esta capa extra actúa como una especie de “relleno” interlaminar que modifica tanto sus propiedades químicas como su capacidad de retención.

Clorita e illita (con forma de cinta). Sociedad Mineralógica del Reino Unido e Irlanda.

La clorita presenta una proporción moderada de sustituciones isomórficas, es decir, algunos iones dentro de su red cristalina son reemplazados por otros de carga diferente. Esto genera una cantidad moderada de cargas negativas, que le permiten retener cationes, aunque no con la intensidad de minerales muy activos como la esmectita o la vermiculita.

Su espacio interlaminar es amplio, pero con un grado de expansión limitado. En otras palabras, las láminas tienen un buen tamaño de separación, pero no se hinchan demasiado con el agua. Así, la clorita permite la entrada de moléculas de agua y cationes, pero sin llegar a los extremos de las arcillas expansivas.

Clorita rica en Fe y Al procedente de la pegmatita de Strzegom (Polonia). El nombre local de este mineral es estrzegomita. Sociedad Mineralógica del Reino Unido e Irlanda.

En términos de reactividad, la clorita presenta una superficie específica moderada, entre 70 y 150 m² por gramo. Esto la sitúa en una posición intermedia: más activa que la caolinita, pero menos que las arcillas expansivas.

Por último, su capacidad de intercambio catiónico (CIC) oscila entre 10 y 40 cmolc por kilogramo. Esto significa que la clorita contribuye a la fertilidad química de los suelos, aunque de manera más limitada que minerales como la esmectita o la vermiculita.

¿Qué hemos aprendido?

En el universo de los minerales arcillosos, la estructura básica es como el gen X: está ahí, latente, esperando activarse. Algunas arcillas, como la mica o la illita, nacen con su estructura 2:1 bien definida y un potasio bien agarrado en el espacio interlaminar. Son los mutantes disciplinados, como Cíclope: potentes, pero poco flexibles.

Las esmectitas, en cambio, son el Deadpool del grupo. Su estructura 2:1 y su elevado grado de sustituciones isomórficas les permite absorber agua, expandirse, y cambiar de forma como si estuvieran dando botes por el multiverso. Su capacidad de intercambio catiónico es tan alta que podrían negociar con Magneto sin despeinarse.

La clorita, por su parte, se presenta con una capa extra que la hace parecer más compleja de lo que realmente es. Como Wanda, su poder está en la ambigüedad: ¿es estable? ¿es reactiva? ¿es una amenaza para la estructura del suelo? Nadie lo sabe con certeza, pero todos la respetan.

Las arcillas son diminutas, pero decisivas: guardan el agua, los nutrientes y la memoria del suelo. Sin ellas, la Tierra sería solo polvo.

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Resumen

1. Las arcillas son filosilicatos formados por láminas de tetraedros y octaedros.
2. Los tipos más comunes en los suelos son caolinita, illita, esmectita, vermiculita y clorita.
3. La caolinita tiene estructura 1:1, baja reactividad y gran estabilidad.
4. La illita presenta estructura 2:1, con potasio en el espacio interlaminar que limita su expansión.
5. La esmectita se hincha al contacto con el agua y posee una alta capacidad de intercambio catiónico.
6. La vermiculita combina expansión, alta retención de nutrientes y estabilidad estructural.
7. La clorita incluye una capa adicional de brucita que modifica sus propiedades químicas.
8. Las diferencias en sustitución isomórfica explican la carga eléctrica y reactividad de cada tipo.
9. Estas propiedades determinan la fertilidad del suelo y su comportamiento físico.
10. Cada arcilla es una “mutación mineral”, esencial en geología, agricultura e industria.

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Preguntas para pensar un poco

¿Por qué algunas arcillas se hinchan con el agua y otras no? ¿Se te ocurren posibles aplicaciones de esto?

¿Qué significa que una arcilla tenga estructura 1:1 o 2:1?

¿Cómo influye la sustitución isomórfica en la carga del suelo?

¿Qué arcilla es la mejor aliada de la fertilidad química del suelo?

¿Por qué la caolinita no retiene muchos nutrientes?

¿Qué papel juega el potasio en la estructura de la illita?

¿Cómo se forman las grietas en los Vertisoles ricos en esmectita?

¿Por qué la vermiculita brilla como metal pulido?

¿Qué aporta la capa de brucita a la clorita?

¿Qué usos industriales aprovechan las propiedades de cada arcilla?