I. �QU� SON LAS ARCILLAS?

A ESTA pregunta sencilla le podemos buscar una respuesta de acuerdo con el pensamiento de Campoamor: " ... todo es seg�n el color, del cristal con que se mira". Es decir que si desde el punto de vista geol�gico las arcillas son minerales naturales que se formaron hace varios millones de a�os y que re�nen las caracter�sticas peculiares de composici�n y formaci�n relacionadas con el curso de la evoluci�n de la Tierra, para el artista constituyen los materiales pl�sticos o los pigmentos que le permiten expresar, mediante formas y composiciones de color, un estado de alma o de conciencia que puede ser bello.

Desde un punto de vista utilitario las arcillas han sido los materiales preferidos por el hombre para la manufactura de utensilios que sirven en la cocci�n y el consumo de sus alimentos, de vasijas de barro para almacenar y a�ejar el vino, de piezas finas de porcelana, as� como pisos de mosaico y embaldosados.

La �poca moderna ha incorporado a las arcillas en numerosos productos de uso cotidiano a trav�s de las nuevas tecnolog�as de modo que, aunque no lo percibamos, las arcillas forman parte importante de nuestras vidas. Un ejemplo son los nuevos materiales polim�ricos que incluyen en su composici�n las arcillas minerales con el fin de lograr superficies suaves al tacto y propiedades mec�nicas mejoradas, como en los juguetes, en las partes de autom�vil y en otros componentes que son, adem�s, resistentes a la flama y al desgaste. Algunos productos de alta tecnolog�a incorporan a las arcillas en alta proporci�n, como los convertidores catal�ticos que se utilizan en el control de emisiones contaminantes de los veh�culos de motor, o bien en el papel incombustible con que se provee a los astronautas desde el accidente del Challenger o en las revistas de alta calidad.

Existen otras aplicaciones masivas de las arcillas minerales: los lodos de perforaci�n de los pozos petroleros, los moldes de fundici�n y los catalizadores empleados en la refinaci�n del petr�leo.

No faltan las aplicaciones en el campo farmac�utico y en los productos de belleza, ya que las arcillas forman parte importante de los talcos desodorantes, jabones y cremas, pastas de dientes, etc. Pero �dejemos esa lista interminable!, y volvamos a la pregunta original: �Qu� son las arcillas?

Encontramos pues una serie de conceptos que van m�s all� de la noci�n de "tierrita" que ten�amos originalmente. Por ejemplo, los sedimentos referidos en la definici�n anterior son aquellos minerales naturales que se han depositado en los lechos de lagos y mares por la acci�n de arrastre de los r�os. El material granuloso puede ser tan fino que podr�amos poner un gr�nulo en la pata de una mosca �sin que se entere de que lo lleva! Con la ayuda de un microscopio �ptico podr�amos amplificar la imagen de uno de estos granos hasta llegar a unas dos mil veces, pudiendo observar as� el objeto de cuatro micras con el tama�o de un grano de arroz. No obstante, la rugosidad y la estructura interna del grano no son observables a esos niveles de amplificaci�n. Necesitar�amos de un instrumento m�s poderoso: el microscopio electr�nico, con el que es posible alcanzar una amplificaci�n de unos quince mil aumentos. As�, el grano que ve�amos antes como un grano de arroz ahora se nos convierte en una hojuela con los bordes curvados hacia arriba, tal y como se muestra en la figura 1. Esta hojuela se asemeja a las placas de barro en un suelo secado, contra�do y agrietado por el Sol. �No es as�? Ahora bien, �qu� pasa si observamos la hojuela con mayor amplificaci�n? Veremos que, a medida que aumenta el tama�o de la hojuela, nos vamos concentrando m�s y m�s en una peque�a porci�n del material, tal y como se muestra en la figura 2, donde observamos el borde de la hojuela a 200 000 aumentos, es decir que ahora un cent�metro de la figura 2 equivale a �la veinteava parte de una micra, o sea a cinco millon�simas partes de un cent�metro!, as�, vemos en la figura 2 que, a esta escala, el borde de la hojuela parece formado por una serie de l�minas apiladas una encima de la otra, dispuestas como si fueran las hojas de un libro, o de un pastel �mil hojas!, �no es as�?

A�n m�s, si ponemos en contacto a la arcilla con el agua, ver�amos c�mo las hojuelas se separan unas de otras, abri�ndose, y si las secamos extrayendo el agua absorbida entonces observar�amos el efecto de contracci�n del espacio entre las l�minas, �como si fuera un acorde�n qu�mico!

Se menciona en las definiciones precedentes que la arcilla es un silicoaluminato hidratado, es decir que desde el punto de vista qu�mico est� compuesta de silicio (Si), aluminio (Al), ox�geno (O) e hidr�geno (H). Por ello, nada m�s natural que comenzar nuestro tema echando una mirada a esa familia de minerales, los silicatos, que forman el �rbol geneal�gico de las arcillas. Abrochemos pues nuestros cinturones y emprendamos la b�squeda de las caracter�sticas �ntimas de las arcillas.

Aun con las t�cnicas modernas disponibles hoy en d�a, el conocimiento que tenemos de la corteza terrestre es muy limitado, ya que s�lo se ha explorado una peque��sima porci�n del casquete superficial, es decir aproximadamente los primeros cuatro kil�metros a partir de la superficie, o sea el 0.062% del di�metro terrestre (12 740 km). Sin embargo, mediante m�todos indirectos, como los sismol�gicos, se ha logrado poner en evidencia que la estructura interna de la Tierra, a semejanza de una cebolla, est� formada por capas que tienen una composici�n m�s o menos definida: as�, hacia el interior de la superficie encontramos la capa llamada SIAL, situada entre los 40 y 100 km de profundidad, que es rica en s�lice (SiO₂) y aluminio, es de tipo �cido y con una densidad media de 2.7. M�s hacia el interior hallaremos la capa denominada SIMA, rica en hierro y magnesio pero con algunas porciones de s�lice, aluminio y otros elementos, de car�cter b�sico, m�s caliente y fluida que la capa SIAL. La capa SIMA es considerada la madre directa de todas las formaciones minerales que afloraron a la superficie. Es decir, que es muy probable que las primeras rocas superficiales se hayan formado por el enfriamiento y cristalizaci�n posterior de las corrientes de magma provenientes de la capa SIMA, acarreadas por las erupciones volc�nicas y enfriadas en la superficie, dando origen a las rocas b�sicas como los basaltos. En cambio, la afloraci�n del material fundido proveniente de la capa SIAL, a trav�s de las hendiduras y fallas, origin� la formaci�n de las rocas �gneas de car�cter �cido: los granitos. Las segregaciones del magma caliente, su migraci�n y su compactaci�n posteriores, dieron origen a diversos minerales, como las cromitas, magnetitas, corind�n, sienitas, m�rmoles y cuarcitas, entre otros. Unos m�s resultaron de la presi�n de los suelos al replegarse, como ocurri� con el grafito.

La acci�n de los vapores y de los gases calientes sobre las primeras rocas condujo a su alteraci�n y a la consecuente formaci�n de mezclas finas de minerales. Estas �ltimas permanecieron en forma de residuos o bien fueron transportadas y depositadas en los lechos de los r�os y en los fondos marinos. El arrastre y dep�sito de esas mezclas finas pudo efectuarse por v�a fluvial, es decir, por acci�n de los r�os o bien por medio de los glaciares y los vientos. El resultado fue su dep�sito en los lechos lacustres y marinos, lo cual produjo los yacimientos m�s importantes.

Por lo anterior, es f�cil aceptar que el 95% de la corteza terrestre est� formada por silicatos. La corteza tiene una densidad media de 2.7, mientras que la densidad media de la Tierra es de 5.5, o sea que en el interior se concentran los elementos m�s pesados, hierro, n�quel, etc�tera.

Pero, �por qu� son importantes los silicatos? A esta pregunta que el lector pudo haber formulado se le ha de buscar una respuesta que ya fue mencionada en la primera parte de esta obra: Los silicatos forman el �rbol geneal�gico de las arcillas.

La familia de los silicatos comprende la mayor�a de los minerales de la corteza terrestre, incluido el cuarzo y, como veremos, su composici�n y estructura est�n relacionados directamente con la historia geol�gica de la Tierra, es decir, que dependen de la naturaleza de la roca madre que les dio origen, as� como del ambiente a que fueron sometidos durante la etapa de arrastre o deposici�n. Las arcillas son, pues, una rama de los silicatos y su formaci�n obedeci� a tres mecanismos principales: 1) por herencia, 2) por neoformaci�n y 3) por transformaci�n. El primer mecanismo indica que el material arcilloso fue derivado directamente de una roca madre y es este tipo de arcillas el que predomina en los sedimentos de lagos y mares.

Los otros dos mecanismos implicaron una reacci�n qu�mica entre varios componentes —o bien a partir de la arcilla original—, por lo que este tipo de formaci�n requiri� de mayor energ�a y de ciertas condiciones hidrot�rmicas. Curiosamente, estos mecanismos est�n relacionados con la latitud en el planeta, de modo que encontramos que el primer mecanismo fue m�s com�n en las regiones �rticas, mientras que la neoformaci�n y la transformaci�n resultaron dominantes en los tr�picos h�medos. A las arcillas que se presentan en la naturaleza como una pasta suave se les llama "lodos", mientras que aquellas que tienen la apariencia de un s�lido blancuzco se les denomina piedra lodosa o bien roca laminada (en ingl�s: shale). Es importante que a los dep�sitos de arcilla se les nombre arcillosos, a fin de distinguirlos de los dep�sitos arenosos y adem�s pl�sticos, a fin de diferenciarlos de las rocas �gneas.

A continuaci�n se presenta un glosario de los apelativos m�s comunes de algunas arcillas:

arcilla figulina: es aquella que contiene impurezas como la arena, la caliza y los �xidos de hierro.

arcilla refractaria: es rica en �xidos met�licos y tiene la propiedad de ser muy resistente al calor.

arcilla roja: esta clase la integra generalmente un dep�sito de tipo marino formado por los restos de materiales calc�reos y ferr�genos, polvo volc�nico, restos de esponjas sil�ceas, dientes de tibur�n, etc. El color rojizo proviene por lo com�n de sus componentes f�rricos. Se ha encontrado que estos dep�sitos son muy extensos, y cubren hasta el 60% de la superficie marina.

arcilla ferruginosa: contiene en su composici�n diferentes cantidades y tipos de �xido de hierro y puede ser de color amarillo, ocre e inclusive negra (tierras de Siena) debido al �xido de hierro hidratado, mientras que las arcillas rojas contienen, por lo general, un �xido conocido como hematita. Esta particularidad de las arcillas explica por qu� en algunas regiones el barro es negro o rojizo, lo cual incide en los colores de la cer�mica que se fabrica a partir de estos materiales. Recordemos en este punto al barro negro de Oaxaca, tan distinto de la cer�mica ocre o rojiza de la zona central del valle de M�xico.

arcilla magra y arcilla grasa: estos materiales contienen cierto grado de impurezas, lo que afecta sus propiedades pl�sticas, es decir, que a mayor contenido de impurezas se obtiene una pasta menos pl�stica (arcilla magra) al amasarla con agua.

arcilla de bat�n: llamadas tambi�n tierra de bat�n, debido al uso que tuvieron en el "batanado" de las telas y de las fibras vegetales como el algod�n. Este proceso consist�a en limpiar las fibras formadas en la m�quina (bat�n) eliminando la materia grasa mediante la adici�n de arcilla, por lo general del tipo esmectita, cuyo nombre proviene del griego smektik�s: "que limpia."

arcilla marga: es un material impermeable y fr�gil, con un contenido de caliza de entre 20 y 60%, aproximadamente.

arcillas de esquisto o pizarra: las constituyen formaciones antiguas que se presentan en forma de estratos o de plaquetas paralelas que se han dividido por la presi�n del suelo.

arcilla atapulgita: tambi�n conocida como tierra de Florida o floridr�n, aunque algunas veces se la llam� tierra de Fuller. El �ltimo apelativo se emple� tambi�n para denominar a las sepiolitas. Actualmente la atapulgita es llamada paligorskita.

arcilla bentonita: nombre comercial de las arcillas tipo montmorillonita, las que, tratadas con compuestos qu�micos aminados (p. ej. dodecilamonio) se vuelven repelentes al agua —hidrof�bicas—, aunque mantienen gran afinidad por las especies org�nicas, en particular los aceites, las grasas y los colorantes o pigmentos naturales. El nombre bentonita proviene de Fort Benton, Wyoming, EUA, donde W. C. Knight descubri� un enorme yacimiento de este tipo de arcilla en 1896.

Los trabajos de investigaci�n realizados por Enciso (1968) y De Pablo (1990) indican que el territorio nacional estuvo sujeto a una gran actividad volc�nica durante los periodos Oligoceno-Mioceno, lo cual provoc� la formaci�n de enormes dep�sitos de rocas vidriosas que a su vez fueron alteradas y dieron origen a la mayor parte de las arcillas que encontramos en M�xico. Estas son, por lo regular, del tipo montmorillonita y sus formaciones m�s abundantes se localizan al norte del pa�s, en el Estado de Durango, siendo las de Cuencam�, Velarde�a, Pedrice�a, Rodeo y Nazas las m�s conocidas y las que actualmente se encuentran en explotaci�n.

Tambi�n existen dep�sitos importantes en Puebla, en los l�mites de Tlaxcala y Puebla, en Chupaderos, Zacatecas, en Oaxaca, en Neutla, Guanajuato, en Huayacocotla, Veracruz y en numerosas formaciones menores localizadas en las antiguas zonas lacustres como el valle de M�xico (Figura 3).

Sin duda la zona localizada en Durango es la m�s extensa y se sabe ahora, gracias a los trabajos de Enciso y De Pablo que esas arcillas fueron originadas por la alteraci�n de las rocas piropl�sticas depositadas previamente en el valle por medio de una nube ardiente. La subsecuente alteraci�n de tales rocas �gneas y la deposici�n del material alterado en suelo seco dio origen al mineral arcilloso m�s rico en potasio, como el de la zona de Vizcarra, mientras que el mineral depositado en la zona lacustre (de origen marino aparentemente) se alter� y produjo las arcillas color verde y rosa t�picas de la regi�n de Cuencam�. Estas formaciones se encuentran a una altura de 1 340 m sobre el nivel del mar, en el valle de Cuencam�-La Lagunilla, que se extiende hasta Pedrice�a y por el oeste hasta Rodeo y Nazas, donde la altura disminuye a 1 128 m. Esta zona contiene los dep�sitos m�s importantes de M�xico, que representan un gran potencial econ�mico. En su mayor parte la calidad de la arcilla es superior, del tipo montmorillonita expandible, y ocurre en concentraciones variables seg�n la zona, es decir 85% en la regi�n de Pedrice�a, 50 a 70% en Nazas, un 50% en Las Cuevas y una porci�n variable en Cuencam�. En esta �ltima se encuentran frentes de color blanco y rosa con espesores entre 2 y 6 m, mientras que la arcilla que se encuentra en contacto con el polvo alterado tiene s�lo un espesor de 50 cm y su color es verde, cambiando luego a rosa y presentando frentes de hasta 4 y 8 m de espesor.

Las arcillas o lodos heredados de los continentes y depositados, neoformados o transformados, en los lechos marinos, lacustres, fluviales o estuarinos, han provocado cambios espectaculares en el planeta Tierra. Que digan si no es as� la formaci�n del petr�leo, la de las mol�culas org�nicas prebi�ticas que dieron origen a la vida y la de los suelos agr�colas, sin mencionar el surgimiento de las civilizaciones que hicieron uso del barro cocido en la manufactura de su cer�mica.

En efecto, la mayor parte de las cimas de los yacimientos de petr�leo de las costas del Golfo de M�xico (EUA-M�xico) ocurren a la profundidad en la que usualmente se produce la transformaci�n de las arcillas tipo esmectita (E) en las denominadas illitas (I). Ambas tienen la misma estructura laminar, como se ver� en detalle m�s adelante, excepto que las segundas no son expandibles debido a las fuertes cargas electrost�ticas que mantienen a las hojas ligadas. As�, la transformaci�n de la esmectita en illita pudo haber desempe�ado papel importante en la g�nesis del petr�leo: al ser contenidas las mol�culas org�nicas en el interior del espacio interlaminar de la esmectita, aquellas estaban "protegidas" de la oxidaci�n y sujetas a un proceso de tipo catal�tico que pudo haberlas convertido en petr�leo, tal y como ahora lo conocemos. Pero es un hecho experimental que la sustituci�n del silicio (Si) por aluminio en las hojas que componen el acorde�n qu�mico de la esmectita, origina un exceso de carga electrost�tica negativa en las hojas, de tal magnitud a escala molecular que provoca la deshidrataci�n del potasio (K), el cual se encuentra com�nmente en el espacio interlaminar de las arcillas. Luego, el agua as� expulsada pudo haber acarreado en su paso a los hidrocarburos formados en el interior de las arcillas, mientras que la contracci�n subsecuente de las hojuelas de arcilla deshidratada podr�a haber provocado un colapso en el material, dejando hendiduras y poros por los que pudo migrar el fluido hacia los recipientes rocosos.

Por otro lado, la estructura laminar de las arcillas permite el almacenamiento de agua en el espacio interlaminar, formando as� agregados lodosos dif�ciles de romper. La combinaci�n de la arcilla con la materia org�nica del suelo y algunos �xidos minerales contribuye a la estabilidad estructural necesaria para resistir los efectos mec�nicos destructivos. La porosidad interna de las hojuelas de arcilla y su carga electrost�tica asociada son adecuadas para la absorci�n de especies tales como los cationes de potasio (K⁺), magnesio (Mg⁺⁺) y amonio (NH₄⁺), los cuales son liberados bajo condiciones �cidas apropiadas, pudiendo ser absorbidos por las ra�ces de las plantas.

La acidez es provocada por una acumulaci�n de iones de hidr�geno (H⁺) provenientes de compuestos qu�micos disueltos en el agua y acarreados por las lluvias; en ellos la concentraci�n �cida llega a ser tal que algunos de los otros cationes atrapados por las arcillas, como los iones Al³⁺ se disuelven r�pidamente en las soluciones, pasando a las ra�ces vegetales y provocando efectos t�xicos en las plantas. Es por ello que un suelo f�rtil debe estar balanceado en lo que a la acidez se refiere y el tratamiento en este caso consiste en la neutralizaci�n de la acidez mediante la agregaci�n de compuestos alcalinos, como el carbonato de calcio. Luego tenemos que la combinaci�n de acidez e intercambio i�nico en las arcillas del terreno es importante en el desarrollo de los suelos agr�colas.

�stos, en la actualidad, se encuentran expuestos a las contaminaciones por lluvia �cida proveniente de las zonas industriales y por los abonos qu�micos y plaguicidas, los cuales son absorbidos por las arcillas minerales provocando los efectos combinados de acidez e intercambio mencionados. En cualquier caso, las arcillas son las protagonistas en la formaci�n de los suelos agr�colas y sus propiedades son determinantes para el crecimiento de los vegetales. Por otra parte, la mineralog�a del suelo es resultado de diversos factores, el clima y el intemperismo, as� tenemos que en las regiones tropicales predominan los caolines mezclados con �xidos minerales (oxisoles) y los suelos negros formados por esmectitas expandibles (vertisoles) combinadas. Si la acidez es baja (pH > 6) el suelo arcilloso tiende a ser rico en calcio, en cambio si la acidez es alta (pH < 6) el aluminio tiende a ser m�s abundante, lo que trae efectos t�xicos para la vegetaci�n. Otros cationes, como el amonio, los nitratos y los fosfatos, tambi�n son retenidos por las arcillas del suelo e intercambiados bajo condiciones de humedad y acidez adecuadas, siendo realmente accesibles a las plantas y representando una fuente importante de nutrientes. La composici�n �ptima del suelo debe incluir una fracci�n de arcilla compuesta de part�culas menores a 2 micras, y una proporci�n mayor de sedimentos con tama�os de part�cula entre 2 y 60 micras. Esta combinaci�n parece incluir las mejores caracter�sticas para el cultivo y crecimiento de las ra�ces vegetales. Es claro, pues, que las arcillas son los componentes del suelo que provocan la mayor influencia en su productividad.

No menos importante ha sido la interacci�n de las arcillas con las mol�culas org�nicas. Su afinidad por las bases org�nicas nucleicas, como la guanina, la citosina, etc., ha provocado inter�s creciente entre la comunidad cient�fica que trata de atribuir un papel preponderante a los compuestos minerales de tipo laminar en la formaci�n de las mol�culas prebi�ticas. M�s adelante, en el cap�tulo III, se ampliar� esta idea con base en una mejor comprensi�n de la estructura de las arcillas y su posible relaci�n con el origen de la vida en el planeta.

Otros usos de la interacci�n del barro (arcilla) con las mol�culas org�nicas lo encontramos en la manufactura de la cer�mica en la antig�edad. Baste mencionar el uso que los griegos daban a los pigmentos vegetales para la obtenci�n de la cer�mica negra y roja, t�pica del arte de Micenas. Otros ejemplos m�s sorprendentes los encontraremos en el curso de esta obra en la que estudiaremos la porcelana china del periodo Sung (969-1279 d.c.), la llamada porcelana de "c�scara de huevo" que, debido a su fineza y alta resistencia sorprendi� al mundo occidental. Su delicadeza era tal que ya en el siglo IX se hablaba de los vasos de porcelana china transl�cida, que dejaban ver los l�quidos contenidos en su interior. Se dec�a que las piezas de porcelana de esta clase trascend�an a la naturaleza humana. En cualquiera de los casos precedentes, la arcilla mineral ha sido la protagonista y, gracias a su abundancia natural y accesibilidad, el barro tradicional ha tenido un papel importante en el desarrollo de las primeras civilizaciones. Desde muy temprano, el hombre observ� que los objetos de barro h�medo se contraen y endurecen al secarse por la acci�n del calor y que su resistencia mec�nica en esas condiciones es suficiente. Aunque estas propiedades son tan familiares que hacen pensar en una serie de caracter�sticas simples, ha tomado muchos a�os desentra�ar los secretos que dieron origen a las propiedades mencionadas. Ahora que se cuenta con instrumentos anal�ticos poderosos y con m�todos de c�lculo avanzados, la sorpresa ha sido may�scula al comprobarse que donde se esperaba encontrar una estructura simple y r�gida, se tiene un arreglo complejo y flexible. Se ha venido encontrando que el horizonte llano presenta en realidad profundos abismos y monta�as en lo que se refiere a la f�sica y la qu�mica de las arcillas minerales. Un tema de investigaci�n que parec�a pertenecer al pasado se descubre ahora como fuente inagotable de nuevos conocimientos y nuevas aplicaciones. Todas estas caracter�sticas s�lo hablan de la nobleza de un material y nos dan la esperanza de que con el polvo se han de construir y transformar grandes cosas para beneficio del hombre.

No fue sino hasta el a�o de 1912 cuando, gracias a los f�sicos W. L. Bragg y M. Laue, que descubrieron las propiedades de los rayos X, fue posible desentra�ar la estructura interna de los minerales. Estos son compuestos cristalinos, es decir, que a escala molecular est�n formados por planos y caras muy bien definidos, los cuales tienen la propiedad de dispersar los rayos X y producir as� patrones de interferencia, los cuales nos proporcionan informaci�n muy valiosa sobre los arreglos cristalinos de las sustancias minerales.

Despu�s, con el microscopio electr�nico, desarrollado por primera vez por E. Ruska en 1931, fue posible observar directamente los cristales minerales, su forma y su geometr�a.

Mediante las t�cnicas apuntadas, se sabe que los silicatos est�n formados por cristales regulares y, si vamos a una escala m�s peque�a, ver�amos que estos cristales tienen a su vez una unidad b�sica: el tetraedro (en, griego "cuatro caras"), tal y como se ilustra en la figura 4. Este es el tabique elemental con que podemos construir los edificios moleculares que forman a los silicatos, �interesante!, �no es as�? Veamos m�s de cerca c�mo se piensa que esto ocurre.

El tetraedro de la figura 4 est� compuesto por un �tomo central de silicio (Si) y cuatro �tomos de oxigeno en las esquinas (O).

Si cada �tomo de silicio tiene cuatro cargas el�ctricas positivas, mientras que cada �tomo de ox�geno tiene dos cargas negativas, es necesario que cada uno de los �tomos de ox�geno use una de sus cargas para atraer a una de las cargas del silicio, quedando as� saturado el �tomo central (Si), mientras que las esquinas todav�a tienen una carga negativa para enlazarse a otro �tomo con carga positiva. Cuando esto �ltimo ocurre, entonces tenemos que se puede formar una cadena de tetraedros, mediante los enlaces del tipo: ..-.O-Si-O-Si-O-Si-O-...

Similarmente, mediante este mecanismo podemos formar cadenas verticales que se unen a las cadenas horizontales para formar redes, de la manera siguiente: si seguimos armando este "Mecano", podemos superponer una red encima de otra, a manera de formar arreglos tridimensionales. Tambi�n podemos sustituir uno de los �tomos de silicio por otro, por ejemplo de aluminio (Al), con lo cual el arreglo quedar�a desbalanceado, ya que el aluminio s�lo tiene tres cargas el�ctricas positivas en vez de cuatro, dejando una carga negativa "extra" en uno de los �tomos de ox�geno, por ejemplo:

Como se observa en este esquema, la carga negativa desbalanceada puede ser satisfecha por un cati�n positivo, por ejemplo el sodio (Na) o el potasio (K), con lo cual se logra nuevamente una estructura neutra.

Existen dos reglas b�sicas que nos dicen c�mo unir dos o m�s tetraedros (Reglas de Pauling):

1) La suma de las cargas negativas debe ser igual a la suma de las cargas positivas, de manera que la estructura sea el�ctricamente neutra.

2) Todos los elementos con carga positiva (cationes) pueden enlazarse o rodearse de elementos cargados negativamente, coordin�ndose con ellos de modo que los arreglos coordinados dependen �nicamente de los tama�os entre el cati�n (+) y el ani�n (-) respectivo.

Existe una tercera regla conocida como Regla de Lowenstein: No es v�lido enlazar dos tetraedros que tengan un �tomo central de aluminio cada uno. Esto nos indica que dos tetraedros de aluminio s�lo pueden enlazarse mediante otro tetraedro intermedio a base de silicio.

Siguiendo estas sencillas reglas podemos armar el mecano de manera que un tetraedro (1T) pueda unirse a otro para formar un arreglo tipo 2T (dos tetraedros) o bien 3T, ..., etc. As�, en la figura 5 (a) se re�nen todas las posibles combinaciones de tetraedros que dan origen a una serie de vistosas geometr�as, en forma de cadena simple, doble, redes de motivos hexagonales, etc. Lo m�s sorprendente es que cada uno de estos arreglos es t�pico de alguno de los silicatos minerales m�s conocidos. As� vemos que el mineral circ�n est� compuesto de tetraedros aislados (1T), mientras que los piroxenos por cadenas simples de un n�mero infinito de miembros (nT). En particular, las redes de tetraedros que se extienden a lo largo y a lo ancho, formando hojas completas, constituyen el grupo de filosilicatos, o estructuras laminares, del que forman parte las arcillas.

Una propiedad extraordinaria de estas estructuras es su posibilidad de ser capaces de sustituir al �tomo de silicio (Si), situado en el centro de los tetraedros (Figura 4), por otro de menor carga como el aluminio (A1³⁺), generando as� una deficiencia de carga positiva, o un exceso de carga negativa en el tetraedro, la cual necesita atraer a otros cationes para compensarse, por ejemplo Na, K, Ca, ... , etc. Este es el mecanismo que permite a los silicatos tener propiedades superficiales �nicas de acidez e intercambio i�nico, tan importantes que a ellas se deben las propiedades catal�ticas de las arcillas. Esto es un ejemplo t�pico de lo que ocurre a menudo en la qu�mica, es decir, que los arreglos cristalinos, las sustituciones, etc., representan aspectos f�sicos, que ocurren a escala molecular, estableciendo o modificando las propiedades qu�micas de los materiales: fundamento de las propiedades qu�micas de las sustancias es la f�sica que ocurre a escala molecular.

Hemos visto c�mo la uni�n de varios tetraedros nos genera hojas que se extienden a lo largo y a lo ancho, dando origen a las estructuras laminares. Veamos de cerca qu� ocurre al unir los v�rtices para formar anillos tipo 6T (seis tetraedros), como se muestra en la figura 5 (b). Las puntas de los tetraedros se encuentran a la misma altura, formando un plano, de igual manera ocurre con los �tomos de silicio situados en el centro de los tetraedros y con los de ox�geno situados en las bases. La articulaci�n de esos tres planos nos conduce pues a la formaci�n de una hoja tetra�drica (tipo T).

Siguiendo esta secuencia, podemos ahora unir dos hojas para formar una l�mina tetra�drica, tal y como se ilustra en la figura 6. En �sta se observa que las dos hojas se encuentran invertidas, una con respecto a la otra, compartiendo uno de los v�rtices.

Similarmente, existen otros cuerpos poligonales que podemos unir entre s� para formar cadenas, tal y como ocurre con el octaedro (octa, ocho; edros, cara), representado en la figura 7, formaci�n t�pica de los compuestos de aluminio, por ejemplo Al (OH)₆, o del magnesio. Este arreglo es una hoja octa�drica (tipo O).

Ahora bien, la uni�n de una hoja del tipo T, con otra del tipo O, genera una l�mina T- O, o l�mina 1:1, tal y como se ilustra en la figura 8. La coincidencia, sin embargo, no es perfecta cuando se trata de hojas T formadas por silicio-ox�geno y de hojas tipo O formadas por aluminio-ox�geno-oxhidrilo, lo cual crea un efecto de esfuerzo entre las hojas que es de gran importancia para algunas de las aplicaciones de las arcillas que presentan este tipo de l�minas (T-O), por ejemplo el caol�n.

Ahora terminamos la secuencia agregando una tercera hoja tipo T a la l�mina T-O mencionada arriba y el resultado se ilustra en la figura 9, que muestra la l�mina T-O-T, o, como algunos lectores perspicaces la llaman: la estructura de sandwich, debido a que dos hojas tipo T se asemejan a los panes del sandwich, mientras que el jam�n corresponder�a a la hoja tipo O. Esta l�mina tiene pues dos hojas T y una hoja O, o sea la l�mina es del tipo 2:1.

Hasta aqu� termina el juego del mecano, ya que la l�mina T-O-T es la m�s completa y no acepta una nueva adici�n, debido a la saturaci�n de los enlaces. Una cosa es clara en este punto: las estructuras de sandwich son nada menos que �la parte esencial de las arcillas! Por si hubiese alguna duda al respecto, pasaremos ahora a ilustrar la importancia de las estructuras formadas por las l�minas tipo 1:1 y aquellas formadas por las l�minas tipo 2:1.

El nombre caol�n proviene de la voz china Kau-Ling, nombre del cerro de una regi�n situada al norte de China de donde se extra�a esta arcilla desde el siglo VIII d.C., para la fabricaci�n de la porcelana. La unidad fundamental de la estructura del caol�n es la l�mina T-O, o sea la l�mina 1:1, una hoja de tetraedros de silicio-ox�geno unida a otra hoja de octaedros de aluminio-ox�geno-OH. La sustituci�n del silicio por otro elemento, como el aluminio, o bien la sustituci�n del aluminio en la hoja tipo O por otro elemento de menor carga, por ejemplo el magnesio, causa un cambio qu�mico en el material pero mantiene esencialmente la misma estructura. Estas sustituciones dan origen a la familia de los caolines (Figura 10).

La primera rama comprende a aquellos minerales derivados de la caolinita que guardan la misma composici�n qu�mica por cada unidad estructural:

�stos son la nacrita, dickita, anauxita, halloisita y el alofano, los cuales difieren entre si s�lo por su arreglo laminar. Imaginemos un paquete de naipes en el que todas las cartas se encuentran ordenadas perfectamente: �sta es la estructura de la nacrita (Figura 11). En este caso el paquete de cartas puede llegar a ser muy alto debido a que la estructura ordenada es m�s estable.

En cambio, la dickita est� dispuesta de tal manera que el paquete de naipes se abre m�s de un lado que del otro, entre 6 y 7 grados, mientras que la caolinita se abre hasta 15 grados.

Existe un mineral asociado (livesita) que presenta una abertura a un lado que es siempre regular, mientras que la carta siguiente se abre de forma irregular hacia el otro lado, dando origen a una estructura laminar muy desordenada y poco estable.

El otro grupo de caolines es igualmente importante y comprende el mismo tipo de estructura laminar, pero con una sustituci�n del aluminio de la hoja tipo O por otro cati�n, por ejemplo el hierro (Fe²⁺, Fe³⁺) o el magnesio (Mg²⁺). Sin embargo, al sustituir el aluminio por el magnesio se contraen ligeramente las dimensiones de la hoja tipo O, originando una peque�a distorsi�n en la l�mina T-O, la cual permite acomodar el esfuerzo pero ocasiona que la forma externa de los cristales de este tipo sea fibrosa o corrugada, tal es el caso de los asbestos (crisotilo) y la antigorita, respectivamente.

Una �ltima observaci�n: en las estructuras de estos derivados del caol�n se ve que sus hojas se ensamblan naturalmente unas sobre otras, como las cartas de una baraja, con las variaciones mencionadas arriba, de modo que entre una hoja y otra hay un enlace muy d�bil, del tipo Van Der Waals, creando un espacio interlaminar que guarda propiedades muy interesantes, como veremos m�s adelante.

La familia de las esmectitas est� formada por todas aquellas arcillas que presentan una estructura de �sandwich!, es decir, que est� constituida por dos hojas de tipo T y por otra intermedia de tipo O. La f�rmula estructural t�pica de estas arcillas es la siguiente:

Esta estructura es el�ctricamente neutra debido a que todas las posiciones en la hoja T se encuentran ocupadas por �tomos de silicio, mientras, que todas las posiciones de la capa O contienen aluminio. �sta es la f�rmula t�pica de la pirofilita. Sin embargo, tal y como se muestra en la figura 12, existen numerosas ramas en el �rbol de las arcillas, las cuales presentan la misma estructura de sandwich, excepto que algunas veces el aluminio sustituye al silicio parcialmente en la capa T, o bien el magnesio o el hierro sustituyen al aluminio en la capa O, e inclusive el fl�or (F) pudiera sustituir al ox�geno de la capa O. Luego, estas diferencias de composici�n qu�mica hacen que las propiedades de cada arcilla mineral sean distintas.

Entre todas las esmectitas, la rama de las arcillas di-octa�dricas presenta propiedades muy interesantes, derivadas por supuesto de su estructura laminar, de su espacio interlaminar y de la carga residual. La figura 13 ilustra la composici�n de las l�minas T-O-T para todas las arcillas del tipo esmectita, es decir, las l�minas tipo 2:1. Entre ellas destaca la montmorillonita, cuyo nombre se deriva del franc�s Montmorillon, lugar de Francia en que se encontr� esta arcilla t�pica en 1874. La composici�n qu�mica de una arcilla esmectita, tipo montmorillonita, es la siguiente:

Como se observa en esta f�rmula estructural, la hoja tetra�drica est� compuesta s�lo de silicio y aluminio mientras que la hoja octa�drica contiene aluminio y una variedad de cationes (B). Esto ilustra perfectamente la gran variedad de arcillas tipo esmectita que se pueden conseguir simplemente cambiando el cati�n de la hoja octa�drica y manteniendo ocupada la hoja T con Si y Al (Figura 13), para cada caso. Por supuesto, la sustituci�n de aluminio (O) y silicio (T) por un cati�n de menor carga el�ctrica, por ejemplo Mg, origina una deficiencia de carga el�ctrica que es responsable de algunas de las propiedades superficiales m�s importantes de las arcillas: la capacidad de intercambio, la absorci�n de mol�culas polares como el agua, as� como de otros compuestos org�nicos, por ejemplo las aminas, las cuales al introducirse en el espacio interlaminar causan el hinchamiento de la estructura laminar de las arcillas.

Debido a su avidez por el agua y las mol�culas org�nicas las montmorillonitas encuentran aplicaciones muy variadas que van desde la extracci�n de esencias naturales hasta la fabricaci�n de catalizadores para procesar los hidrocarburos derivados del petr�leo. Los mecanismos que intervienen a escala molecular para llevar a cabo estas reacciones ser�n explicados en los cap�tulos siguientes, por ahora s�lo mencionaremos que: la estructura de �sandwich! y el grado de sustituci�n cati�nica determinan en gran medida las propiedades de las arcillas.

M�s a�n, la sustituci�n de cationes se lleva a cabo mediante mecanismos muy sencillos. La figura 14 muestra la f�rmula estructural de las arcillas tipo esmectita, en donde podemos apreciar las sustituciones que se realizan en las hojas de cada uno de los minerales.


Mineral	Carga	Composición
		(octa) (tetra) O₁₀ (OH)₂

Pirofilita	( E = 0 )	Al₂ Si₄ O₁₀ (OH)₂
Talco	"	Mg₃ Si₄ O₁₀ (OH)₂
Minnesotaita	"	(Fe, Mg)₃ Si₄ O₁₀(OH)_₂
Saponita	( E⁺ = 0.33 )	Mg₃ (Si_3.6, Al_.33) O₁₀ (OH)₂ nH₂O
Saponita férrica	"	(Fe²⁺, Mg)₃ (Si_3.6, Al_.33) O₁₀(OH)₂ nH₂O
Hectorita	"	(Mg_2.6, Li_.33) Si₄ O₁₀(OH)₂ nH₂O
Sauconita	"	(Mg, Zn)₃ (Si_3.6, Al_.33) O₁₀(OH)₂ nH₂O
Stevensita	( 2E⁺ = 2x )	Mg_3-x Si₄ O₁₀(OH)₂
Montmorillonita	( E⁺ = 0.33 )	(Al_1.67, Mg_.33) Si₄ O₁₀(OH)₂ nH₂O
Beidellita	"	Al₂ (Si_3.6, Al_.33) O₁₀(OH)₂ nH₂O
Nontronita	"	Fe₂³⁺ (Si_3.6, Al_.33) O₁₀(OH)₂ nH₂O
Volkonskoita	"	(Al, Fe³⁺, Cr)₂ (Si, Al)₄ O₁₀(OH)₂ nH₂O

Figura 14. Arcillas esmectitas del grupo 2:1. F�rmula qu�mica.

Existe otra familia de arcillas que se asemeja a la de las montmorillonitas: las vermiculitas, que tienen la misma estructura de sandwich, pero que pueden presentar un grado de sustituci�n mayor en la hoja octa�drica, originando una carga residual mayor que las montmorillonitas y, por eso mismo, la atracci�n entre las l�minas es mayor tambi�n, por lo que la estructura no es tan expansible.

Las micas son los minerales clasificados como arcillas que tienen la misma estructura que las esmectitas, excepto que el grado de sustituci�n y la naturaleza de los cationes que se alojan entre l�minas, por ejemplo el potasio, hacen que la carga residual sea muy alta. En estas condiciones, las l�minas se fijan unas a otras haciendo que su estructura no sea expansible, ni sus cationes interlaminares intercambiables. La familia de las micas se ilustra en la figura 15 y la f�rmula estructural en la figura 16.


Mineral	Carga	Fórmula

Plogopita	( E⁺ = 1 )	KMg₃ (Si₃Al) O₁₀ (OH)₂
Biotita	"	K (Mg, Fe²⁺, Fe³⁺, Mn)_₃ (Si₃Al) O₁₀ (OH)₂
Lepidolita	"	K (Al, Li)₃ (Si, Al)₄ O₁₀ (OH)₂
Sinnwaldita	"	K (Al, Li, Fe²⁺, Fe³⁺ )₃(Si, Al)₄ O₁₀ (OH)₂
Muscovita	"	KAl₂ (Si₃Al) O₁₀ (OH)₂
Paragonita	"	NaAl₂ (Si₃Al) O₁₀ (OH)₂
Mica-Al	( E⁺ = 1 )	K_x (Al, Mg)₂ (Si, Al)₄ O₁₀ (OH)₂ NH₂O
Mica-Fe	( E⁺ = 1 )	KMgFe³⁺Si₄ O₁₀ (OH)₂
Celadonita
Mica-Fe (Glauconita)		K (R_1.3³⁺ R_.67²⁺) (Si_3.6 Al_.33) O₁₀ (OH)₂

Figura 16. Micas, f�rmula qu�mica y formas estructurales.

El lector recordar� la facilidad con la que la mica com�n se parte a lo largo de las hojas que la componen, pero, �qu� dif�cil es partirla en la direcci�n perpendicular! �no es as�? Esto ilustra perfectamente la constituci�n laminar de tales minerales. Adem�s, conociendo la estructura podemos explicarnos f�cilmente por qu� las micas son buenos alsiantes t�rmicos, por ejemplo en las planchas el�ctricas y en las conexiones: debido al espacio interlaminar, el cual no es un buen conductor t�rmico o el�ctrico (las hojas se encuentran "desconectadas" unas de otras, lo que impide el paso del fluido t�rmico o el�ctrico).

En contraste con la montmorillonita, la cual tiene una deficiencia de carga localizada en el centro de los octaedros, la carga residual de las micas est� localizada en la hoja tetra�drica, es decir, en la superficie misma de las hojas, originando un amarre fuerte de los cationes interlaminares con las hojas, por lo que la estructura no es f�cilmente expansible. Entre las micas m�s conocidas se encuentran la muscovita, cuyo nombre deriva del "vidrio de Mosc�", con el que se fabricaban antiguamente las ventanas de las casas de esa ciudad.

En resumen, las arcillas expansibles son las esmectitas, las vermiculitas y las haloisitas, que derivan esta propiedad de la concentraci�n de carga interlaminar, por ejemplo de 0.33 unidades por cada celda unitaria, mientras que �sta es igual a 0.86 en las vermiculitas y 1.0 en las muscovitas.

La figura 17 muestra los distintos espesores que se obtienen con las distintas arcillas al intercalarse una o dos capas de agua en el espacio interlaminar:


	a) Pirofilita	· cationes octaédricos
	b) Mica	o cationes intercambiables
	c) Esmectita	w capas de moléculas
	d) Vermiculita
	e) Clorita	· OH
	f) Caolinita-serpentina	K ion de potasio
	g) Haloisita (10A)

Una cosa queda clara: los edificios moleculares que constituyen a las arcillas y el grado de sustituci�n logrado, permiten obtener una serie de propiedades de inter�s en diversos campos de aplicaci�n. No s�lo esto es cierto cuando interviene la mano del hombre al tratar de modificar el espacio interlaminar (Figura 17), sino que el proceso de modificaci�n a trav�s del intercambio con otras especies qu�micas ocurre naturalmente, lo que conduce a una variaci�n constante de la naturaleza de la arcilla que se traduce en variaciones de la fertilidad del suelo, permeabilidad, etc. Estas modificaciones del edificio molecular son susceptibles de estudiarse experimentalmente en el laboratorio y para ello es necesario introducir, ya sea un cati�n, ya sea una especie qu�mica distinta, en el interior del espacio interlaminar, lo cual ser� el tema que abordaremos enseguida.

Al₂	Si₄	O₁₀	(OH)₂
hoja	hoja
octa�drica	tetra�drica

I.�QU� SON LAS ARCILLAS?