Caolinita
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Ver también: silicato de aluminio

Caolinita
Caolinita del condado de Twiggs en Georgia en EE. UU ..jpg
General
CategoríaFilosilicatos
Caolinita- grupo serpentina
Fórmula (unidad de repetición)Alabama
2(OH)
4Si
2O
5
Clasificación de Strunz9.ED.05
Sistema de cristalTriclínica
Clase de cristalPedial (1)
(mismo símbolo HM )
Grupo espacialP 1
Celda unitariaa = 5,13  Å , b = 8,89 Å
c = 7,25 Å; α = 90 °
β = 104,5 °, γ = 89,8 °; Z = 2
Identificación
ColorTintes de blanco a crema, a veces rojo, azul o marrón debido a impurezas y amarillo pálido; también a menudo se tiñen de varios tonos, siendo comunes los bronceados y marrones.
Hábito de cristalRara vez como cristales, placas delgadas o apiladas, más comúnmente como placas microscópicas pseudohexagonales y grupos de placas, agregadas en masas compactas parecidas a arcillas
EscotePerfecto en {001}
TenacidadFlexible pero inelástico
Escala de Mohs de dureza2–2,5
LustreNacarado a mate terroso
Rachablanco
Gravedad específica2.16–2.68
Propiedades ópticasBiaxial (-)
Índice de refracciónn α = 1,553–1,565,
n β = 1,559–1,569,
n γ = 1,569–1,570
Ángulo de 2VMedido: 24 ° a 50 °, calculado: 44 °
Referencias[1] [2] [3]
Caolinita
Chino tradicional高嶺 石
Chino simplificado高岭 石
Significado literal"Piedra de la cárcel"
Transcripciones
Mandarín estándar
Hanyu PinyinGāolǐng shí
Wade – GilesKao 1 -ling 3 shih 2
IPA[káu.lìŋ ʂɨ̌]

La caolinita ( / k eɪ . Ə . L ɪ ˌ n aɪ t / ) [4] [5] [6] es un mineral de arcilla , con la composición química Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 . Es un importante mineral industrial . Es un mineral de silicato en capas , con una hoja tetraédrica de sílice ( SiO
4) unidos a través de átomos de oxígeno a una hoja octaédrica de alúmina ( AlO
6) octaedros. [7] Las rocas que son ricas en caolinita son conocidas como caolín / k eɪ . ə . l ɪ n / o arcilla china . [8]

El nombre caolín se deriva de Gaoling ( chino :高嶺; pinyin : Gāolǐng ; literalmente, 'High Ridge'), un pueblo chino cerca de Jingdezhen en la provincia de Jiangxi, en el sureste de China . [9] El nombre ingresó al inglés en 1727 a partir de la versión francesa de la palabra: caolín , siguiendo los informes de François Xavier d'Entrecolles sobre la fabricación de la porcelana Jingdezhen . [10]

La caolinita tiene una baja capacidad de contracción-hinchamiento y una baja capacidad de intercambio catiónico (1-15 meq / 100 g). Es un mineral suave, terroso, generalmente blanco ( arcilla filosilicato dioctaédrica ), producido por la meteorización química de minerales de silicato de aluminio como el feldespato . En muchas partes del mundo es de color rosa-naranja-rojo por el óxido de hierro , lo que le da un tono de óxido distintivo . Las concentraciones más claras producen colores blanco, amarillo o naranja claro. A veces se encuentran capas alternas, como en el Parque Estatal Providence Canyon en Georgia, Estados Unidos. Los grados comerciales de caolín se suministran y transportan como polvo seco, fideos semisecos o líquido.lechada .

Química

Notación

La fórmula química de la caolinita utilizada en mineralogía es Al
2Si
2O
5(OH)
4, [3] sin embargo, en aplicaciones de cerámica , la fórmula se escribe típicamente en términos de óxidos, por lo que la fórmula de la caolinita es Al
2O
3· 2SiO
2· 2H 2 O . [11]

Estructura

Estructura de caolinita, que muestra los enlaces de hidrógeno entre capas.

En comparación con otros minerales de arcilla, la caolinita es química y estructuralmente simple. Se describe como un mineral de arcilla 1: 1 o TO porque sus cristales consisten en capas TO apiladas . Cada capa de TO consta de una hoja tetraédrica ( T ) compuesta de iones de silicio y oxígeno unida a una hoja octaédrica ( O ) compuesta de iones de oxígeno, aluminio e hidroxilo. La hoja T se llama así porque cada ion de silicio está rodeado por cuatro iones de oxígeno que forman un tetraedro. La OLa hoja se llama así porque cada ion de aluminio está rodeado por seis iones de oxígeno o hidroxilo dispuestos en las esquinas de un octaedro. Las dos hojas de cada capa están fuertemente unidas entre sí a través de iones de oxígeno compartidos, mientras que las capas están unidas mediante enlaces de hidrógeno entre el oxígeno en la cara exterior de la hoja T de una capa y el hidroxilo en la cara exterior de la hoja O de la siguiente capa. [12]

  • Vista de la estructura de la hoja tetraédrica ( T ) de caolinita

  • Vista de la estructura de la hoja octaédrica ( O ) de caolinita

  • Estructura de cristal de caolinita mirando a lo largo de las capas.

Una capa de caolinita no tiene carga eléctrica neta, por lo que no hay cationes grandes (como calcio, sodio o potasio) entre capas, como ocurre con la mayoría de los demás minerales arcillosos. Esto explica la capacidad de intercambio iónico relativamente baja de la caolinita. El estrecho enlace de hidrógeno entre las capas también impide que las moléculas de agua se infiltran entre las capas, lo que explica el carácter no hinchado de la caolinita. [12]

Cuando se humedecen, los diminutos cristales de caolinita en forma de placa adquieren una capa de moléculas de agua que hacen que los cristales se adhieran entre sí y le den a la arcilla de caolín su cohesión. Los enlaces son lo suficientemente débiles como para permitir que las placas se deslicen entre sí cuando se moldea la arcilla, pero lo suficientemente fuertes como para mantener las placas en su lugar y permitir que la arcilla moldeada conserve su forma. Cuando la arcilla se seca, la mayoría de las moléculas de agua se eliminan y las placas se unen directamente entre sí, de modo que la arcilla seca es rígida pero aún frágil. Si la arcilla se vuelve a humedecer, volverá a ser plástico. [13]

Transformaciones estructurales

Las arcillas del grupo caolinita experimentan una serie de transformaciones de fase tras el tratamiento térmico en aire a presión atmosférica.

Molienda

La molienda de alta energía de la caolinita da como resultado la formación de una fase amorfizada mecanoquímicamente similar al metacaolín , aunque las propiedades de este sólido son bastante diferentes. [14] El proceso de molienda de alta energía es muy ineficiente y consume una gran cantidad de energía. [15]

El secado

Ver también: secador Buell

Por debajo de 100 ° C (212 ° F), la exposición al aire seco eliminará lentamente el agua líquida del caolín. El estado final de esta transformación se denomina "cuero seco". Entre 100 ° C y aproximadamente 550 ° C (1022 ° F), el agua líquida restante se expulsa de la caolinita. El estado final de esta transformación se denomina "completamente seco". En todo este rango de temperatura, la expulsión de agua es reversible: si el caolín se expone al agua líquida, se reabsorberá y se desintegrará en su forma de partículas finas. Las transformaciones posteriores no son reversibles y representan cambios químicos permanentes.

Metacaolín

La deshidratación endotérmica de la caolinita comienza a 550–600 ° C produciendo metacaolín desordenado , pero se observa una pérdida continua de hidroxilo hasta 900 ° C (1,650 ° F). [16] Aunque históricamente hubo mucho desacuerdo con respecto a la naturaleza de la fase de metacaolín, una extensa investigación ha llevado a un consenso general de que el metacaolín no es una simple mezcla de sílice amorfa ( SiO
2) y alúmina ( Al
2O
3), sino más bien una estructura amorfa compleja que conserva un orden de mayor rango (pero no estrictamente cristalino ) debido al apilamiento de sus capas hexagonales. [dieciséis]

Espinela

El calentamiento adicional a 925–950 ° C convierte el metacaolín en una espinela de aluminio y silicio, que a veces también se denomina estructura de tipo gamma-alúmina:

Mullita plaquetaria

Tras la calcinación por encima de 1050 ° C, la fase de espinela se nuclea y se transforma en mullita plaquetaria y cristobalita altamente cristalina :

Aguja de mullita

Finalmente, a 1400 ° C aparece la forma de "aguja" de la mullita , que ofrece incrementos sustanciales en la resistencia estructural y la resistencia al calor. Esta es una transformación estructural pero no química. Ver gres para más información sobre este formulario.

Ocurrencia

La caolinita es uno de los minerales más comunes; se extrae, como caolín, en Malasia , Pakistán , Vietnam , Brasil , Bulgaria , Bangladesh , Francia , Reino Unido , Irán , Alemania , India , Australia , Corea del Sur , República Popular China , República Checa , España , Sur África , Tanzania y Estados Unidos . [1]

Los mantos de saprolita caolinítica son comunes en Europa occidental y septentrional. Las edades de estos mantos son desde el mesozoico hasta el cenozoico temprano. [17]

La arcilla de caolinita se encuentra en abundancia en suelos que se han formado a partir de la meteorización química de las rocas en climas cálidos y húmedos, por ejemplo, en áreas de selva tropical . Comparando suelos a lo largo de un gradiente hacia climas progresivamente más fríos o más secos, la proporción de caolinita disminuye, mientras que la proporción de otros minerales arcillosos como illita (en climas más fríos) o esmectita (en climas más secos) aumenta. Estas diferencias relacionadas con el clima en el contenido de minerales arcillosos se utilizan a menudo para inferir cambios en los climas en el pasado geológico, donde se han enterrado y conservado suelos antiguos. [18]

En el sistema de clasificación del Institut National pour l'Etude Agronomique au Congo Belge (INEAC), los suelos en los que la fracción de arcilla es predominantemente caolinita se denominan caolisol (de caolín y suelo). [19]

En los EE. UU., Los principales depósitos de caolín se encuentran en el centro de Georgia , en un tramo de la línea de caída de la costa atlántica entre Augusta y Macon . Esta área de trece condados se llama cinturón de "oro blanco"; Sandersville es conocida como la "Capital mundial del caolín" debido a su abundancia de caolín. [20] [21] [22] A finales de 1800, existía una industria minera de superficie activa de caolín en el extremo sureste de Pensilvania, cerca de las ciudades de Landenberg y Kaolin , y en lo que es la actual White Clay Creek Preserve. El producto fue llevado en tren a Newark, Delaware , en elLínea Newark-Pomeroy , a lo largo de la cual todavía se pueden ver muchas minas de arcilla a cielo abierto. Los depósitos se formaron entre el Cretácico tardío y el Paleógeno temprano , hace unos 100 a 45 millones de años, en sedimentos derivados de rocas ígneas y metacaolines meteorizadas . [9] La producción de caolín en los EE. UU. Durante 2011 fue de 5,5 millones de toneladas. [23]

Durante el Máximo Térmico Paleoceno-Eoceno, los sedimentos depositados en la zona de Esplugafreda en España se enriquecieron con caolinita de una fuente detrítica por denudación . [24]

Síntesis y génesis

Se encuentran dificultades al tratar de explicar la formación de caolinita en condiciones atmosféricas mediante la extrapolación de datos termodinámicos de las síntesis de alta temperatura más exitosas (como por ejemplo, Meijer y Van der Plas, 1980 [25] han señalado). La Iglesia y Van Oosterwijk-Gastuche (1978) [26]Pensó que las condiciones bajo las cuales se nucleará la caolinita se pueden deducir de los diagramas de estabilidad, basados ​​en los datos de disolución. Sin embargo, debido a la falta de resultados convincentes en sus propios experimentos, La Iglesia y Van Oosterwijk-Gastuche (1978) tuvieron que concluir que había otros factores, aún desconocidos, involucrados en la nucleación a baja temperatura de la caolinita. Debido a las velocidades de cristalización muy lentas observadas de la caolinita a partir de una solución a temperatura ambiente, Fripiat y Herbillon (1971) postularon la existencia de altas energías de activación en la nucleación a baja temperatura de la caolinita.

A altas temperaturas, los modelos termodinámicos de equilibrio parecen ser satisfactorios para la descripción de la disolución y nucleación de la caolinita , porque la energía térmica es suficiente para superar las barreras energéticas implicadas en el proceso de nucleación . La importancia de la síntesis a temperatura ambiente y presión atmosférica para comprender el mecanismo involucrado en la nucleación de los minerales arcillosos radica en superar estas barreras energéticas. Como indican Caillère y Hénin (1960) [27], los procesos involucrados deberán ser estudiados en experimentos bien definidos, porque es virtualmente imposible aislar los factores involucrados por mera deducción de complejos sistemas físico-químicos naturales como elmedio ambiente del suelo . Fripiat y Herbillon (1971), [28] en una revisión sobre la formación de caolinita, plantearon la cuestión fundamental de cómo un material desordenado (es decir, la fracción amorfa de suelos tropicales) podría transformarse en una estructura ordenada correspondiente. Esta transformación parece tener lugar en suelos sin cambios importantes en el medio ambiente, en un período de tiempo relativamente corto y a temperatura (y presión ) ambiente .

La síntesis a baja temperatura de minerales arcillosos (con caolinita como ejemplo) tiene varios aspectos. En primer lugar, el ácido silícico que se suministrará al cristal en crecimiento debe estar en forma monomérica, es decir, la sílice debe estar presente en una solución muy diluida (Caillère et al., 1957; [29] Caillère y Hénin, 1960; [27 ] Wey y Siffert, 1962; [30] Millot, 1970 [31] ). Para evitar la formación de geles de sílice amorfa que precipitan a partir de soluciones sobresaturadas sin reaccionar con los cationes de aluminio o magnesio para formar silicatos cristalinos , el ácido silícico debe estar presente en concentraciones por debajo de la solubilidad máxima de la sílice amorfa. El principio detrás de este prerrequisito se puede encontrar en química estructural: "Dado que los iones de polisilicato no son de tamaño uniforme, no pueden organizarse junto con los iones metálicos en una red cristalina regular". (Iler, 1955, pág. 182 [32] )

El segundo aspecto de la síntesis de caolinita a baja temperatura es que los cationes de aluminio deben estar hexacoordinados con respecto al oxígeno (Caillère y Hénin, 1947; [33] Caillère et al., 1953; [34] Hénin y Robichet, 1955 [35 ] ). Gastuche y col. (1962), [36] así como Caillère y Hénin (1962) han concluido que solo en aquellos casos en que el hidróxido de aluminio está en forma de gibbsita, se puede formar caolinita. Si no, el precipitado formado será un "gel alumino-silícico mixto" (como lo expresó Millot, 1970, p. 343). Si fuera el único requisito, se podrían recolectar grandes cantidades de caolinita simplemente agregando polvo de gibbsita a una solución de sílice. Indudablemente, se producirá un marcado grado de adsorción de la sílice en solución por las superficies de la gibbsita, pero, como se ha dicho antes, la mera adsorción no crea el entramado de capas típico de los cristales de caolinita.

El tercer aspecto es que estos dos componentes iniciales deben incorporarse en un mismo cristal mixto con una estructura de capas. De la siguiente ecuación (dada por Gastuche y DeKimpe, 1962) [37] para la formación de caolinita

Se puede ver que se deben eliminar cinco moléculas de agua de la reacción por cada molécula de caolinita formada. Gastuche y DeKimpe (1962) han aportado pruebas de campo que ilustran la importancia de la eliminación del agua de la reacción de la caolinita. Mientras estudiaban la formación del suelo en una roca basáltica en Kivu ( Zaire ), notaron cómo la presencia de caolinita dependía del "degrée de drainage" del área involucrada. Se encontró una clara distinción entre áreas con buen drenaje (es decir, áreas con una marcada diferencia entre estaciones húmedas y secas) y aquellas áreas con mal drenaje (es decir, perenne zonas pantanosas ). Solo en las áreas con distintas alternancias estacionales entre húmedo y seco se encontró caolinita. Tamura y Jackson (1953) han subrayado la posible importancia de la alternancia de condiciones secas y húmedas en la transición del alofano a caolinita. [38] Moore (1964) también ha señalado el papel de las alternancias entre humectación y secado en la formación de caolinita. [39]

Síntesis de laboratorio

Las síntesis de caolinita a altas temperaturas (más de 100 ° C [212 ° F]) son relativamente bien conocidas. Están, por ejemplo, las síntesis de Van Nieuwenberg y Pieters (1929); [40] Noll (1934); [41] Noll (1936); [42] Norton (1939); [43] Roy y Osborn (1954); [44] Roy (1961); [45] Hawkins y Roy (1962); [46] Tomura y col. (1985); [47] Satokawa y col. (1994) [48] y Huertas et al. (1999). [49] Se conocen relativamente pocas síntesis a baja temperatura (cf. Brindley y DeKimpe (1961); [50] DeKimpe (1969); [51] Bogatyrev et al. (1997)[52] ).

Las síntesis de laboratorio de caolinita a temperatura ambiente y presión atmosférica han sido descritas por DeKimpe et al. (1961). [53] A partir de esas pruebas, el papel de la periodicidad se vuelve convincentemente claro. DeKimpe y col. (1961) había utilizado adiciones diarias de alúmina (como AlCl
3· 6 H
2O ) y sílice (en forma de silicato de etilo ) durante al menos dos meses. Además, se realizaron ajustes del pH todos los días mediante la adición de ácido clorhídrico o hidróxido de sodio . Tales adiciones diarias de Si y Al a la solución en combinación con las valoraciones diarias con ácido clorhídrico o hidróxido de sodio durante al menos 60 días habrán introducido el elemento necesario de periodicidad. Sólo ahora el papel real de lo que se ha descrito como el "envejecimiento" ( Alterung ) de aluminosilicatos amorfos (como por ejemplo Harder, 1978 [54]había señalado) se puede entender completamente. El tiempo como tal no produce ningún cambio en un sistema cerrado en equilibrio; pero una serie de alternancias, de condiciones que cambian periódicamente (por definición, que tienen lugar en un sistema abierto), provocarán la formación a baja temperatura de más y más caolinita en fase estable en lugar de aluminosilicatos amorfos (mal definidos) .

Usos

El uso principal del mineral caolinita (aproximadamente el 50% del tiempo) es la producción de papel ; su uso asegura el brillo en algunos grados de papel estucado . [55]

El caolín también es conocido por su capacidad para inducir y acelerar la coagulación sanguínea. En abril de 2008, el Instituto de Investigación Médica Naval de EE. UU. Anunció el uso exitoso de una infusión de aluminosilicato derivado de caolinita en una gasa tradicional , conocida comercialmente como QuikClot Combat Gauze, [56] que sigue siendo la pinza hemostática elegida por todas las ramas del ejército estadounidense.

Se usa caolín (o se usó en el pasado):

  • en cerámica (es el componente principal de la porcelana )
  • en pasta de dientes
  • como material difusor de luz en bombillas incandescentes blancas
  • en cosmética
  • en material de aislamiento industrial llamado Kaowool (una forma de lana mineral )
  • en cremas protectoras y protectoras de la piel «antes del trabajo» [57]
  • en pintura para extender el dióxido de titanio ( TiO
    2    ) pigmento blanco y modificar los niveles de brillo
  • para modificar las propiedades del caucho tras la vulcanización
  • en adhesivos para modificar la reología [58]
  • en agricultura ecológica como spray aplicado a los cultivos para disuadir el daño de los insectos , y en el caso de las manzanas, para prevenir las quemaduras solares
  • como encalado en casas tradicionales de mampostería de piedra en Nepal (el método más común es pintar la parte superior con arcilla blanca de caolín y la parte central con arcilla roja; la arcilla roja puede extenderse hasta la parte inferior, o la parte inferior puede estar pintada de negro)
  • como relleno en Edison Diamond Discs [59]
  • como relleno para dar volumen, o como recubrimiento para mejorar la superficie en la fabricación de papel
  • como indicador en la datación radiológica, ya que la caolinita puede contener trazas muy pequeñas de uranio y torio
  • para aliviar un malestar estomacal , similar a la forma en que los loros (y más tarde, los humanos) en América del Sur lo usaron originalmente [60] (más recientemente, las preparaciones de caolinita producidas industrialmente eran comunes para el tratamiento de la diarrea ; la más común de ellas era Kaopectate , que abandonó el uso de caolín en favor de atapulgita y luego (en los Estados Unidos) subsalicilato de bismuto (el ingrediente activo en Pepto-Bismol ))
  • para mascarillas faciales o jabón (conocido como "arcilla blanca")
  • para tratamientos corporales de spa, como envolturas corporales, capullos o tratamientos localizados como solo los pies, la espalda o las manos. Se puede agregar aceite esencial para agregar un aroma agradable, o se pueden agregar algas marinas para aumentar los valores de nutrientes del tratamiento.
  • como adsorbentes en el tratamiento de aguas y aguas residuales [61]
  • para inducir la coagulación de la sangre en procedimientos de diagnóstico, por ejemplo, tiempo de coagulación del caolín
  • en su forma alterada de metacaolín , como puzolana ; cuando se agrega a una mezcla de concreto, el metacaolín acelera la hidratación del cemento Portland y participa en la reacción puzolánica con la portlandita formada en la hidratación de los principales minerales del cemento (por ejemplo, alita )
  • en su forma alterada de metacaolín , como componente base para compuestos geopolímeros

Geofagia

Los seres humanos a veces comen caolín por placer o para suprimir el hambre, [62] una práctica conocida como geofagia . En África, el caolín utilizado para tales fines se conoce como kalaba (en Gabón [63] y Camerún [62] ), calaba y calabachop (en Guinea Ecuatorial ). El consumo es mayor entre las mujeres, especialmente durante el embarazo, [64] y las mujeres de la región a veces dicen que su consumo es un hábito análogo al de los hombres con el tabaquismo.

Esta práctica también se ha observado en una pequeña población de mujeres afroamericanas en el sur de los Estados Unidos , especialmente en Georgia . [65] [66] Allí, el caolín se llama tierra blanca , tiza o arcilla blanca . [sesenta y cinco]

La seguridad

Las personas pueden exponerse al caolín en el lugar de trabajo al respirar el polvo o por contacto con la piel o los ojos.

Estados Unidos

La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal (límite de exposición permisible ) para la exposición al caolín en el lugar de trabajo como 15 mg / m 3 de exposición total y 5 mg / m 3 de exposición respiratoria durante una jornada laboral de 8 horas. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 10 mg / m 3 de exposición total TWA 5 mg / m 3 de exposición respiratoria durante una jornada laboral de 8 horas. [67]

Ingeniería geotécnica

Los resultados de la investigación muestran que la utilización de caolinita en ingeniería geotécnica se puede reemplazar alternativamente por illita más segura, especialmente si su presencia es menos del 10,8% de la masa rocosa total. [68]

Ver también

  • Piedra china
  • Pozo de arcilla
  • Dickite
  • Halloysita  - Mineral de arcilla de aluminosilicato
  • Yacimientos de caolín de la cuenca de Charentes, Francia
  • Spray de caolín
  • Arcilla medicinal  - Uso de arcilla por motivos de salud
  • Nacrita  - Mineral filosilicato: grupo de caolinita

Referencias

Citas

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enlaces externos

  • CDC - Guía de bolsillo de NIOSH sobre peligros químicos
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