Elsa Sampaio MINERALOGIA DO SOLO. Elsa Sampaio Departamento de Geociências. Universidade de Évora

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1 Elsa Sampai MINERALOGIA DO SOLO Elsa Sampai Departament de Geciências Universidade de Évra 2006

2 Elsa P. M. Sampai ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO 2. MINERALOGIA DO SOLO 2.1 MINERAIS PRIMÁRIOS Imprtância ds minerais primáris n sl Grau de evluçã d sl Reserva mineral d sl 2.2 MINERAIS SECUNDÁRIOS Minerais secundáris mais frequentes n sl Minerais de Argila Caulinite A - Cmpsiçã B Estrutura C Prpriedades Esmectite / Mntmrilnite A Cmpsiçã B- Estrutura C Prpriedades Ilite A Cmpsiçã B - Estrutura C Prpriedades Imprtância ds minerais de argila n sl Aluminsilicats nã cristalins Óxids de Al Óxids de Fe Carbnats 3. RELAÇÕES ENTRE A COMPOSIÇÃO GRANULOMÉTRICA E MINERALÓGICA DO SOLO 3.1 ELEMENTOS GROSSEIROS Cnstituiçã Características 3.2 FRACÇÃO ARENOSA - AREIA GROSSA Cnstituiçã Características 3.3 FRACÇÃO ARENOSA - AREIA FINA 3.4 FRACÇÃO LIMOSA Cnstituiçã Características 3.5 FRACÇÃO ARGILOSA Cnstituiçã Características 3.6 QUADRO RESUMO DAS PROPRIEDADES DAS CLASSES GRANULOMÉTRICAS DOS 4. BIBLIOGRAFIA CONSTITUINTES MINERAIS 1/21

3 Elsa P. M. Sampai 1. INTRODUÇÃO A fase sólida ds sls é cmpsta de uma fracçã mineral e uma rgânica. Pr sua vez, a fracçã mineral divide-se em ltes de dimensões que apresentam diferenças em relaçã à mineralgia e a cmprtament químic. Na psse deste tip de infrmações a pssibilidade de tmar decisões crrectas n que diz respeit à utilizaçã de um sl é ptenciada. Deste md, A mineralgia d sl cnstitui-se em área básica e essencial a entendiment e desenvlviment da Ciência d Sl. Ela cnstitui uma excelente ferramenta para cnheciment e a avaliaçã da génese d sl, d seu cmprtament físic e químic, além de ser um indicativ da reserva ptencial mineral de nutrientes para as plantas. 2. MINERALOGIA DO SOLO Os minerais d sl pertencem a dis grandes grups: Minerais primáris e minerais secundáris. 2.1 MINERAIS PRIMÁRIOS Os minerais primáris sã herdads d material riginári; mantém-se praticamente inalterad na sua cmpsiçã. Cm exempls de minerais primáris que se pdem encntrar ns sls, referem-se: quartz, feldspats, plagiclases, micas, pirxenas, anfíblas, livinas, etc Imprtância ds minerais primáris n sl Os minerais primáris d sl têm imprtância para a avaliaçã d grau de evluçã d sl e da sua reserva mineral Grau de evluçã d sl Assim, n que respeita a grau de evluçã d sl pde bservar-se seguinte: Os minerais primáris mais abundantes ns sls sã quartz e s feldspats sã s mais abundantes nas rchas da crusta terrestre e sã s mais resistentes. A presença de livina, augite, hrneblenda u plagiclase cálcica, indicam um estádi inicial de meterizaçã das rchas e de evluçã d sl. Um sl derivad de rchas cm quartz, feldspats e minerais ferrmagnesians e em que predminam quartz e feldspat ptássic cm minerais primáris será um sl muit mais evluíd. 2/21

4 Elsa P. M. Sampai Reserva mineral d sl A capacidade ds minerais primáris funcinarem cm reserva de nutrientes depende da sua granulmetria e resistência à meterizaçã. Assim pde ter-se: Reserva mineral a curt praz Minerais ferrmagnesians, feldspats e utrs mais resistentes, tds cm dimensã nã superir à d lim (<0,02 mm); Reserva mineral a médi praz Minerais ferrmagnesians (livinas, anfíblas, pirxenas e bitite) e plagiclases cm dimensã superir à d lim (<0,02 mm); Reserva mineral a lng praz - feldspats ptássics, mscvite e utrs minerais mais resistentes, cm dimensã superir à d lim (>0,02 mm). 2.2 MINERAIS SECUNDÁRIOS Os minerais secundáris d sl pdem ter 3 rigens: Sã sintetizads n própri sl (in situ) a partir ds prduts da meterizaçã ds minerais primáris mens resistentes; Resultam de alterações da estrutura de certs minerais primáris, que crrem também in situ; Sã herdads d material riginári Minerais secundáris mais frequentes n sl Os minerais secundáris mais frequentes n sl sã: minerais de argila (silicats de alumíni n estad cristalin), silicats nã cristalins; óxids e hidróxids de alumíni e ferr; carbnats de cálci e de magnési Minerais de Argila Sã silicats de alumíni n estad cristalin pertencentes a grup ds filssilicats e cnstituem partículas de diâmetr <0,002 mm (dimensã d lte de Argila) tal cm se pde bservar na Figura.1. 3/21

5 Elsa P. M. Sampai Para pder cmpreender melhr tds s cnceits relacinads cm a cnstituiçã e caracterizaçã destes minerais cnsidera-se imprtante intrduzir alguns cnheciments básics de química cm aplicaçã nesta área. Assim: Figura.1 - Cristais de caulinite Ampliads 1600 e 9000 vezes (Brady, 1984). Cmpsts químics cm s minerais sã frmads pr transferência electrónica u pr partilha electrónica entre s átms reagentes. Os elements assciam-se uns as utrs de acrd cm a tendência que eles têm para preencher ttalmente a última rbital. De um md geral, existem duas maneiras principais de ligar elements químics; utilizand as chamadas ligações iónicas u as ligações cvalentes. N primeir cas as ligações fazem-se pr transferência electrónica e n segund, pr partilha electrónica Figura.2 Tips de ligações químicas Assim, tal cm se pde bservar n esquema da Figura.2, as Ligações pr transferência electrónica (Ligações iónicas) pdem ser exemplificadas pela frmaçã d clret de sódi. O sódi (Na) tem apenas 1 electrã na última rbital, pel que tem uma enrme facilidade em perder de md a ficar cm a última rbital cmpletamente preenchida. Pr seu lad, clr (Cl) tem 7 electrões na última rbital e pr iss tem uma grande apetência pr capturar 1 electrã de md a ficar cm esta rbital cmpletamente preenchida e deste md ficar cm a estrutura mais estável pssível. Pr utr lad, as ligações pr partilha electrónica (Ligações cvalentes) pdem 4/21

6 Elsa P. M. Sampai ser exemplificadas pela frmaçã ds silicats. Os silicats sã frmads pela ligaçã entre átms de silíci e de xigéni. Quand psts em cntact estes 2 elements "têm que arranjar uma maneira" de tentarem atingir uma mair estabilidade; ist é pssível através das chamadas ligações cvalentes, nas quais há cm que "empréstims tempráris de electrões". A cntrári das ligações iónicas, nas quais um electrã deixava de fazer parte de um element para passar a pertencer a utr, aqui que acntece é que há electrões que vã pder circular livremente entre as últimas rbitais de ambs s elements. Esta livre circulaçã vai criand pntualmente cargas eléctricas cntrárias entre ambs s elements, as quais ligam frtemente ambs s elements. Estrutura ds silicats Os silicats (Figura.3) pssuem uma estrutura cuja gemetria é dminada pel arranj tridimensinal ds átms de silíci e xigéni. Esta dispsiçã segue regras bem definidas determinadas pela natureza química e pela gemetria ds própris átms. Figura.3 estrutura ds silicats 1. Iã silíci (Si 4+ ) pequenas dimensões (r=0,39 Å) - valência psitiva = Iã xigéni (O 2- ) elevadas dimensões (r=1,32 Å) - valência negativa = -2 Filssilicats Frmam uma estrutura tridimensinal mais cmplexa prque sã partilhads s 3 xigénis basais de cada tetraedr, riginand estruturas planares camadas tetraédricas, ist é, estruturas que crescem segund 2 direcções estruturas planas (Figura.4) 5/21

7 Elsa P. M. Sampai Figura.4 Camadas tetraédricas da estrutura ds filssilicats Oxigéni apical Oxigénis basais Cm resultante da ligaçã ds xigénis basais fica uma estrutura em frma de rede hexagnal (Figura.5) Figura.5 - Estrutura de uma flha de Si 2O 2 Estas camadas de tetraedrs unem-se a camadas de ctaedrs. As camadas de ctaedrs sã unidades ctaédricas, repetidas segund 2 direcções cm 1 iã crdenadr de Al 3+, Fe 3+ u Mg 2+ a mei, cnstituind um plan central, entre dis plans de xigénis (O 2- ) u xidril (OH - ), u seja, rdead pr 6 iões (Figura.6). Figura.6 Esquema de camada ctaedrica Unidades estruturais ds minerais de argila Os minerais de argila sã cnstituíds pr: unidades tetraédricas cm um catiã central de Si rdead pr O 2- u OH - e unidades ctaédricas cm catiã central de Al, Fe u Mg, rdead de OH - u O 2-. A expansã hrizntal destas unidades dá rigem a camadas: camada tetraédrica de sílica cm s átms de Si num plan intermédi; camada ctaédrica de alumina, cm átms de Al, Mg u Fe n plan intermédi. 6/21

8 Elsa P. M. Sampai Muits minerais de argila apresentam substituições ismórficas (substituiçã ds catiões das unidades tetraédricas e/u ctaédricas, pr utrs de diâmetr aprximad) que permite manter as mesmas dimensões mas uma carga menr. As principais substituições sã: Si 4+ pel Al 3+ nas camadas tetraédricas; Al 3+ pel Fe 2+ u Mg 2+ nas camadas ctaédricas As substituições ismórficas riginam um excess de cargas negativas (cargas intrínsecas u permanentes). Cristais ds minerais de argila Os cristais resultam d empilhament das lâminas u unidades estruturais. A dimensã ds cristais é caracterizada: Pela sua extensã lateral, que depende das características das unidades estruturais; Pela sua espessura, frtemente cndicinada pela natureza das ligações entre as unidades estruturais. Sbrepsiçã de várias unidades estruturais (Figura.7) Figura.7 esquema de sbrepsiçã de camadas A sbrepsiçã de várias unidades estruturais tetraédricas e ctaédricas pde cnstituir dis tips de camadas u lâminas. Chama-se camada 1:1 aquelas que resultam da sbrepsiçã de uma camada tetraédrica cm uma camada ctaédrica (Figura.8) u 2:1 aquelas que resultam da sbrepsiçã de uma camada ctaédrica cm 2 camadas tetraédricas (Figura.9). Em cada camada e entre camadas, de cada lâmina u flhet existem ligações (intralamelares), de natureza cvalente (muit frtes). Entre lâminas u flhets (interlamelares) existem ligações intermleculares que pdem ser de natureza electrstática u frças de Van derwaals. 7/21

9 Elsa P. M. Sampai Figura.8 Lâmina u Flhet 1:1 Figura.9 Lâmina u flhet 2:1 Características gerais ds minerais de argila Os minerais argilss sã electrnegativs tend uma estrutura electrstaticamente desequilibrada, que depende: D excess de carga negativas que se trnam cargas intrínsecas u permanentes; Das ligações quebradas n rebrd ds cristais; Da dissciaçã ds hidrgénis ds xidrils existentes n rebrd ds cristais; Das substituições ismórficas: cada substituiçã faz aparecer na superfície da flha uma carga eléctrica livre que faz cm que cada dis flhets fique frtemente unid pr catiões. EX: Si 4+ Al 3+ ; Al 3+ Fe 2+ (Figura.10) Figura.10 ligaçã entre flhets 8/21

10 Elsa P. M. Sampai Principais grups de minerais de argila Os grups principais sã: Caulinite; Talc-Pirfilites; Esmectites - inclui a mntmrilnite; Vermiculites; Micas - inclui micas hidratadas (ilite); Clrites. Cntud, para estud da pedlgia a este nível de prfundidade vai-se estudar apenas s três grups mais representativs que sã: Caulinite; Mntmrilnite e Ilite. Aspects em que diferem: 1. Cmbinaçã das camadas tetraédricas (T) e ctaédricas(o): T-O u T-O-T (Figura.11); 2. Tip de ligações entre as lâminas: frtes u fracas, diferente natureza ds catiões de ligaçã: K +, Fe 2+, Mg 2+, Ca 2+, que resulta em diferentes valres de espaçament basal entre as bases de lâminas adjacentes (Figura.11); 3. Existência u nã de substituições ismórficas cm mair u menr retençã de catiões entre flhets adjacentes (Figura.10) 4. Natureza ds iões existentes n centr das unidades ctaédricas Figura.11 cmbinaçã de camadas Caulinite A - Cmpsiçã Na unidade ctaédrica s iões centrais sã Al Fnte: 9/21

11 Elsa P. M. Sampai B Estrutura (Figura.12) T-O u 1:1 1 camada tetraédrica de Si + 1 camada ctaédrica de Al Espaçament basal 7 Å Ligações entre flhets adjacentes Hidrgéni (entre s O ds plans de xigéni das unidades tetraédricas e s grups OH - da unidade ctaédrica da camada adjacente) que resulta em ligações frtes Substituições ismórficas nã há (u muit puc) dnde resulta a inexistência de excess de cargas negativas Superfície específica pequena (apenas dependente das suas faces externas) Frma ds cristais platifrmes de cntrn hexagnal Figura.12 fnte: C Prpriedades Expansibilidade frtes ligações entre flhets adjacentes Carga eléctrica e pder de retençã de água frac (mineral puc electrnegativ) Capacidade de trca catiónica baixa (mineral puc electrnegativ) Plasticidade trna-se plástica para teres de humidade relativamente baixs 10/21

12 Elsa P. M. Sampai Esmectite / Mntmrilnite fnte: A Cmpsiçã Mais Fe-Mg. Na unidade ctaédrica iã central pde ser Si, Fe u Mg B- Estrutura Fnte: T-O-T u 2:1 2 camadas tetraédricas de Si + 1 camada ctaédrica de Al, Fe u Mg Ligações entre flhets adjacentes Oxigéni (ligações entre plans de Oxigéni de unidades tetraédricas cntíguas), u seja, ligações fracas (Van der Waals). Ist pssibilidade de acess de mléculas de água e rgânicas e de iões permutáveis que se dispõem em várias camadas entre flhets adjacentes Espaçament basal: Varia cnsante grau de hidrataçã e espécie de catiões permutáveis existentes: N 14 Å; G 17 Å; A (550ºC) 10 Å Substituições ismórficas: - Nas Camadas tetraédricas nã se verificam - Nas camadas ctaédricas Muitas. As psições ctaédricas só em parte sã cupadas pr Al que em mair u menr escala é substituíd pr Mg u Fe 11/21

13 Elsa P. M. Sampai Carga eléctrica: excess de cargas negativas devid às substituições ismórficas e desequilíbri eléctric (s iões permutáveis e as mléculas de água sã intrduzids na estrutura para diminuir deficiência de carga); Superfície específica: fácil acess de mléculas de água + líquids rgânics + iões, levam a uma elevada superfície interna ( m 2 /g); Superfície externa 80 m 2 /g Frma ds cristais: massas irregulares em partículas muit pequenas C Prpriedades 1. Expansibilidade elevada expansibilidade pr fracas ligações entre flhets adjacentes + carga eléctrica negativa 2. Pder de retençã de água elevad (mineral muit electrnegativ) 3. Capacidade de trca catiónica elevada (mineral muit electrnegativ) 4. Plasticidade plástica para teres de humidade superires as da caulinite Ilite fnte: A Cmpsiçã Aluminssilicats de Al, Mg e K B - Estrutura T-O-T u 2:1 2 camadas tetraédricas de Si e Al + 1 camada ctaédrica de Al, Fe u Mg Substituições ismórficas: - Nas camadas ctaédricas pucas: Al Fe, Mg - Nas camadas tetraédricas Muitas; Si Al 12/21

14 Elsa P. M. Sampai A deficiência de carga é cmpensada pr iões K +, um pr cada Si substituíd que se situam entre camadas tetraédricas de unidades cntígua Ligações entre flhets adjacentes ligações de ptássi (Os iões K + funcinam cm pntes que ligam flhets uns as utrs frtes) ligações K + Fnte: Espaçament basal retícul fix ctaédrica (Al 3+ Fe 2+, Mg 2+ ) Carga eléctrica As substituições ismórficas da camada tetraédrica sã cmpensadas pr K +. Assim, a carga eléctrica é média devid às pequenas substituições ismórficas na camada Superfície específica: Superfície externa intermédia (30-80 m2/g); Superfície interna nã tem Frma ds cristais lamelas pequenas mal definidas, em cnjunts irregulares, pr vezes cm cntrn haxagnal C Prpriedades 1. Expansibilidade puc expansível na presença de água u líquids rgânics 2. Pder de retençã de água intermédi (mineral mderadamente electrnegativ) 3. Capacidade de trca catiónica intermédi (mineral mderadamente electrnegativ) 4. Plasticidade intermédi 13/21

15 Elsa P. M. Sampai Imprtância ds minerais de argila n sl Excess de carga eléctrica negativa que permite reter catiões Grande superfície específica que permite uma grande capacidade de retençã de água. Expansibilidade cm a absrçã de água. Sujeits a dispersã e flculaçã Imprtantes para a frmaçã da agregaçã d sl Frmam ligações estáveis cm a matéria rgânica d sl Aluminsilicats nã cristalins Existem em alguns sls jvens, principalmente derivads de materiais vulcânics, alguns minerais cm muit puca cristalinidade. Apresentam cristalinidade apenas na rdem de pucs nanómetrs e revelamse desrdenads a uma escala mair. Predminam as ligações Si-O-Al Exempls: as alfanas e a imglite. As alfanas têm a frma de partículas esféricas irregulares entre 3,5 a 5 nm, que se rganizam em agregads. As imglites têm a frma de tubs muit fins de 2-3 nm de diâmetr e cm alguns micrómetrs de cmpriment. Estes tubs rganizam-se em bandas de nm de diâmetr. Estes materiais crrespndem a fases instáveis que tendem a evluir para fases cristalinas Óxids de Al A gibsite Al(OH)3 é hidróxid de Al mais abundante ns sls. 14/21

16 Elsa P. M. Sampai É mais abundante em sls muit evluíds. Frma camadas ctaédricas (dictaédricas), que crescem puc segund a direcçã z (vertical) Óxids de Fe Hematite (α - Fe2 O3) de cr vermelha frte Getite (α - FeOOH) de cr amarela u amarel-laranja Lepidcrcite (γ - FeOOH) de cr alaranjada Maghemite (γ - Fe2 O3) de cr vermelh escura u anegrada Ferrihidrite óxid de Fe de fraca cristalinidade, cr intermédia entre a getite e a hematite. Ocrre ns hrizntes B ds pdzóis assciad a cmpsts rgânics Magnetite (Fe3O4) crre na frma de grãs negrs magnétics mas é herdad da rcha mãe. Sã muit abundantes ns sls, disperss u cncentrads Sã muit característics pela clraçã frte. Nrmalmente existem na fracçã argilsa. A unidade estrutural básica é ctaédrica, em que cada átm de Fe crdena à sua vlta 6 O u 6 O e OH. PONTO Os diferentes tips de óxids MINERAL ISOELÉCTRICO de Fe diferem entre si quant ph à frma cm s ctaedrs se Geles amrfs de Al 8,3 rganizam entre si. Existem Gibsite 4,8 dis tips de arranjs: Geles amrfs de Fe 8,5 hexagnal (alfa - a) e cúbic Getite 3,2 (gama - g ). Hematite 2,1 Os óxids de Fe e Al apresentam carácter anftéric. 15/21

17 Elsa P. M. Sampai Carbnats Calcite (CaCO3) e a dlmite (MgCO3) sã s carbnats mais cmuns ns sls. Pdem frmar-se ns sls u ser herdads da própria rcha mãe, mas neste cas nã é de natureza pedgenética. As fracções mais activas n sl sã as de dimensã d lim e da argila. Quant mais finamente dividid mais activ é quimicamente, disslvend-se cm facilidade pela acçã das águas cm mair cncentraçã de CO2. 3. RELAÇÕES ENTRE A COMPOSIÇÃO GRANULOMÉTRICA E MINERALÓGICA DO SOLO Fnte: Brady e Weil, /21

18 Elsa P. M. Sampai 3.1 ELEMENTOS GROSSEIROS Cnstituiçã minerais primáris e fragments de rcha Características variáveis de acrd cm a rcha praticamente inertes química e fisicamente 3.2 FRACÇÃO ARENOSA - AREIA GROSSA: Cnstituiçã: fundamentalmente minerais primáris quartz; felspat; agregads de quartz e argila; agregads de minerais de argila Características: frac pder de retençã para a água e substâncias disslvidas; muit permeável; quase sem plasticidade; slta e incerente quand seca, quimicamente é relativamente inerte. 17/21

19 Elsa P. M. Sampai 3.3 FRACÇÃO ARENOSA - AREIA FINA: prpriedades intermédias entre a areia grssa e lim, sem sfrer variações bruscas 3.4 FRACÇÃO LIMOSA Cnstituiçã: minerais primáris de reduzida dimensã; material ferrugins e calcári; agregads de quartz e argila; agregads de argila; minerais de argila Características: cnsiderável pder de retençã para a água; difícil penetraçã da água n sl; plástica quand húmida; puc u nada pegajsa; relativamente tenaz quand seca; relativamente inerte quimicamente; se rica em mat. calcári e/u ferrugins é químicamente activa afectand a reacçã d sl. 18/21

20 Elsa P. M. Sampai 3.5 FRACÇÃO ARGILOSA Cnstituiçã: minerais de argila; óxids e hidróxids de Al e Fe Tips de argila: de acrd cm as relações mleculares sílica/alumina (SiO 2 /Al 3 ) e sílica/sesquióxids [(SiO 2 /(Al 2 O 3 +FeO 3 )] TIPO DE RELAÇÕES MOLECULARES ARGILA SiO 2 /Al 3 SiO 2 /R 2 O 3 Sialítica > 2 > 2 Fersialítica > 2 < 2 Ferralítica < 2 < Características: grande superfície específica; prpriedades clidais; muit activa quimicamente; retençã de elements nutritivs; cnfere pder de agregaçã; elevad pder de retençã para a água; muit plástica e pegajsa quand húmida; muit tenaz quand seca. 19/21

21 Elsa P. M. Sampai 3.6 QUADRO RESUMO DAS PROPRIEDADES DAS CLASSES GRANULOMÉTRICAS DOS CONSTITUINTES MINERAIS CLASSE RETENÇÃO RETENÇÃO PERMEABILIDADE PROPRIEDADES GRANULOMÉTRICA IÓNICA DE ÁGUA MECÂNICAS ARGILA FORTE FORTE FRACA SECO TENAZ HÚMIDO PLÁSTICO E PEGAJOSO LIMO SECO POUCO TENAZ FRACA MÉDIA FRACA HÚMIDO PLÁSTICO E PEGAJOSO AREIA FINA SECO POUCO TENAZ E NULA FRACA FORTE SOLTO HÚMIDO POUCO PLÁSTICO AREIA GROSSA NULA NULA FORTE SECO SOLTO HÚMIDO SOLTO 20/21

22 Elsa P. M. Sampai 4. BIBLIOGRAFIA Brady, N. C., The Nature and Prperties f Sils. 9th ed. Macmillan Publishing Cmpany. New Yrk Brady, N.C. & Weil, R.R., The Nature and Prperties f Sils. 12th ed. Macmillan Publishing Cmpany. New Yrk Bhn, H.L.; McNeal, B.L. & O'Cnnr, G.A., Sil Chemistry. 2nd ed. Jhn Wiley & Sunds. New Yrk Carvalh, A. M. G., Gelgia - Mrfgénese e Sedimentgénese; Universidade Aberta, Lisba Csta, J. B., Caracterizaçã e Cnstituiçã d Sl. Fundaçã Caluste Gulbenkian. Lisba Hillel, D., Envirnmental Sil Physics. Academic Press. San Dieg. SSSA (Sciedade Americana de Ciência d Sl), Sil Mineralgy with Envirmental Applicatins. SSSA Bk Series 7. USA 21/21