Caolinita

A caolinita é un mineral da arxila, de uso industrial, que ten a composición química Al2Si2O5(OH)4. É un mineral do grupo dos filosilicatos constituído por capas, formado por unha lámina tetraédrica (t) de sílice (SiO4) que está unida por átomos de oxíxeno a unha lámina octaédrica (o) de alúmina (AlO6). estas capas t-o son neutras electricamente e están unidas ás seguintes por enlaces de Van der Waals.
As rochas ou depósitos sedimentarios que son ricos en caolinita denomínanse caolín. No caolín o mineral máis abundante é a caolinita, pero tamén contén menores proporcións doutros minerais da arxila moi similares. O nome caolín considérase que deriva do chinés Kao-Ling (高岭/高嶺, en pinyín Gāolǐng, que significa 'montañas altas'), que é unha vila preto de Jingdezhen, na provincia de Jiangxi, China. O nome kaolin foi publicado en 1727 nos informes de Jingdeshen escritos en francés polo xesuíta Francois Xavier d'Entrecolles, nos que se explicaba a fabricación da porcelana.
A caolinita, a diferenza doutros minerais das arxilas, ten unha baixa capacidade de cambiar de volume por inchamento e encollemento e unha baixa capacidade de intercambio de catións (1–15 meq/100 g). É un mineral xeralmente branco, suave, terroso, un filosilicatro da arxila dioctaédrico (cada oxíxeno ou grupo OH está rodeado por só dous catións), producido por alteración química dos minerais de aluminosilicatos como o feldespato. En moitas partes do mundo, ten unha cor entre rosa, laranxa e vermello debido á presenza de óxido de ferro, o que lle dá un claro ton de óxido. En concentracións baixas toma cor branca, amarela ou alaranxada clara. Ás veces aparece con capas alternantes en cor, como no xacemento de Providence Canyon State Park en Xeorxia, Estados Unidos. O caolín comercial subminístrase e transpórtase como po seco, nódulos semisecos ou como líquido de consistencia lodosa. Utilízase na industria do papel, porcelana e cosmética, principalmente. Química
Notación
A fórmula química da caolinita usada en mineraloxía é Al2Si2O5(OH)4; porén, en aplicacións cerámicas a fórmula escríbese en forma de óxidos, da seguinte maneira: Al2O3·2SiO2·2H2O.
Transformacións estruturais
O grupo das arxilas da caolinita poden sufrir unha serie de transformacións de fase cun tratamento térmico en aire a presión atmosférica.
Secado
Por debaixo dos 100 °C a exposición do caolín ao aire seco elimina lentamente a auga líquida do interior do mineral. Entre os 100 °C e uns 550 °C, calquera resto de líquido que quedase no mineral é expulsado da caolinita. En todo o intervalo de temperaturas a expulsión de auga é reversible: se o caolín se expón a auga líquida, esta é reabsorbida e desintégrase na súa forma particulada fina. As posteriores transformacións non son reversibles e supoñen cambios químicos permanentes.
Metacaolín
A deshidratación endotérmica da caolinita empeza a 550–600 °C producindo o metacaolín desordenado, pero hai unha continua perda de hidroxilos ata os 900 °C. Aínda que historicamente ten habido moitas discrepancias en canto á natureza da fase de metacaolín, as profundas investigacións realizadas levaron finalmente ao consenso xeral de considerar que o metacaolín non é unha simple mestura de sílice (SiO2) e alúmina (Al2O3) amorfas, senón unha complexa estrutura amorfa que mantén certa ordenación a ampla escala (pero non estritamente cristalina) debido ao amoreamento das capas hexagonais. Al2Si2O5(OH)4 → Al2Si2O7 + 2 H2O.
Espinela
Quentándoo a maior temperatura, entre 925 e 950 °C, o metacaolín convértese en espinela de aluminio-silicio, que se denomina ás veces estrutura de tipo gamma-alúmina: 2 Al2Si2O7 → Si3Al4O12 + SiO2.
Mullita en plaquiñas
Por calcinación por riba de 1050 °C, a fase de espinela nucléase e transfórmase en mullita (porcelanita) con forma de plaquiñas e cristobalita altamente cristalina: 3 Si3Al4O12 → 2 (3 Al2O3 · 2 SiO2) + 5 SiO2.
Mullita acicular
Finalmente, a 1400 °C aparece a forma acicular da mullita, que ofrece un substancial incremento da forza estrutural e da resistencia á calor. Esta é unha transformación estrutural pero non química. Cristaloquímica
A caolinita forma parte dun grupo de minerais isoestruturais denominado grupo da caolinita, entre os que están, por exemplo, os seguintes minerais: Dickita Al2Si2O5(OH)4
Endellita Al2Si2O5(OH)4•2(H2O)
Halloysita Al2Si2O5(OH)4
Caolinita Al2Si2O5(OH)4
Nacrita Al2Si2O5(OH)4
Odinita (Fe, Mg, Al, Fe, Ti, Mn)2. 5(Si, Al)2O5(OH)4 Distribución
A caolinita é un dos minerais máis comúns; explótase en minas como caolín en Paquistán, Vietnam, o Brasil, Bulgaria, Francia, o Reino Unido, Irán, Alemaña, a India, Australia, Corea, a República Popular da China, a República Checa, España e os Estados Unidos.
As arxilas de caolinita son abondosas nos solos que se formaron por meteorización química das rochas en climas cálidos e húmidos, como os das áreas de selva tropical. Comparando os solos nun gradiente que progresivamente varíe cara a climas máis fríos ou secos, a proporción de caolinita diminúe, mentres que a proporción doutros minerais da arxila, como a illita (en climas máis fríos) ou a esmectita (en climas máis secos), aumenta.
No sistema de clasificación do Institut National pour l'Etude Agronomique au Congo Belge (INEAC), os solos nos que a fracción arxilosa é predominantemente caolinita denomínanse caolisol (de caolín e solo).
En moitas partes do mundo, durante o Máximo térmico do paleoceno–eoceno os sedimentos enriquecéronse en caolinita procedente dunha fonte detrítica debido á denudación.
Foron moi estudados os depósitos de caolín do centro do estado de Xeorxia nos Estados Unidos, que son os principais dese país. Estes depósitos formáronse entre o cretáceo tardío e o paleoxeno temperán, hai entre 100 e 45 millóns de anos, en sedimentos derivados de rochas ígneas meteorizadas e rochas de metacaolín. Síntese e xénese
É difícil explicar a formación da caolinita en condicións atmosféricas extrapolando os datos termodinámicos obtidos da síntese máis existosa a alta temperatura (como indicaron por exemplo Meijer e Van der Plas, 1980 ). La Iglesia e Van Oosterwijk-Gastuche (1978) crían que as condicións nas que se nuclea a caolinita podían deducirse a partrir de diagramas de estabilidade, xa que estes son datos de disolución. Porén, baseándose na falta de resultados convincentes nos seus propios experimentos, La Iglesia e Van Oosterwijk-Gastuche (1978) chegaron á conclusión, de que tiña que haber outros factores aínda descoñecidos implicados na nucleación da caolinita a baixas temperaturas. Debido ás velocidades moi lentas de cristalización da caolinita observadas a partir da solución a temperaturas moderadas, Fripiat e Herbillon (1971) postularon a existencia de altas enerxías de activación na nucleación a baixa temperatura da coalinita.
A altas temperaturas, os modelos de equilibrio termodinámico parecen ser satisfactorios para a descrición da disolución e nucleación da caolinita, porque a enerxía térmica é dabondo para superar as barreiras de enerxía implicadas no proceso de nucleación. A importancia da síntese a temperatura ambiente e a presión atmosférica para a comprensión do mecanismo implicado na nucleación de minerais da arxila depende de poder superar esas barreiras de enerxía. Como indicaron Caillère e Hénin (1962) os procesos implicados terán que ser estudados en experimentos ben definidos, porque é virtualmente imposible illar os factores implicados por simple dedución a partir de sistemas físico-químicos naturais complexos como o ambiente do solo. Fripiat e Herbillon (1971), nun artigo de "revisión" sobre a formación da caolinita, formularon a cuestión fundamental de como un material desordenado (é dicir, a fracción amorfa dos solos tropicais) puido ser transformado na correspondente estrutura ordenada. Esta transformación semella ter lugar en solos sen cambios importantes no ambiente, nun período de tempo relativamente curto e a temperatura ambiente (e presión).
A síntese a baixa temperatura de minerais da arxila (dos cales a caolinita é un exemplo) presenta varios aspectos. En primeiro lugar o ácido silícico que se subministra ao cristal en crecemento debe estar en forma monomérica, é dicir, a sílice debería estar presente en solución moi diluída (Caillère et al. , 1957; Caillère e Hénin, 1962; Wey e Siffert, 1962; Millot, 1970 ). Para impedir a formación de xeles de sílice amorfa que precipitan a partir de solucións supersaturadas sen reaccionaren con catións de aluminio ou de magnesio para formar silicatos cristalinos, o ácido silícico debe estar presente en concentracións por debaixo da solubilidade máxima da sílice amorfa. O principio que está detrás deste requisito pode encontrarse na química estrutural: “Como os ións de polisilicato non son de tamaño uniforme, non poden dispoñerse xunto cos ións metálicos nunha rede cristalina regular” (Iler, 1955, p. 182 ).
O segundo aspecto da síntese a baixa temperatura da caolinita é que os catións de aluminio deben estar hexacoordinados con respecto ao oxíxeno (Caillère e Hénin, 1947; Caillère et al. , 1953; Hénin e Robichet, 1955). Gastuche et al. (1962), e tamén Caillère e Hénin (1962) concluíron que só pode formarse caolinita naqueles casos nos que o hidróxido de aluminio está en forma de gibbsita. Se non é así, o precipitado formado será un “xel alumino-silícico mesturado” (como sinalou Millot, 1970, p. 343). Se este fose o único requirimento, poderíanse obter grandes cantidades de caolinita simplemente engadindo po de gibbsita a unha solución de sílice. Indubidablemente ten lugar un alto grao de absorción da sílice da solución polas superficies da gibbsita, mais, como se indicou antes, a simple absorción non crea a rede con capas típica dos cristais de caolinita.
O terceiro aspecto é que estes dous compoñentes iniciais deben ser incorporados nun mesmo cristal mesturado cunha estrutura en capas. A partir da seguinte ecuación (como indicaron Gastuche e DeKimpe, 1962) para a formación da caolinita 2 Al(OH)3 + 2 H4SiO4 → Si2O5·2 Al(OH)3 + 5 H2O
pode verse que deben ser retiradas da reacción cinco moléculas de auga por cada molécula de caolinita formada. As evidencias de campo que ilustran a importancia da retirada desta auga da reacción da caolinita obtivéronas Gastuche e DeKimpe (1962). Gastuche e DeKimpe cando estaban estudando a formación do solo nunha rocha basáltica en Kivu (Zaire) notaron que a aparición da caolinita dependía do "grao de drenaxe" da área implicada. Encontraron unha clara distinción entre as áreas con boa drenaxe (é dicir, áreas cunha marcada diferenza entre as estacións húmida e seca) e as áreas con mala drenaxe (é dicir, que eran sempre pantanosas). Soamente se encontraba caolinita nas áreas con clara alternancia de estacións entre condicións húmidas e secas. A posible importancia da alternancia entre as condicións húmidas e secas sobre a transición desde o alófano á caolinita foi salientada por Tamura e Jackson (1953). O papel das alternancias entre humidade e sequidade na formación da caolinita foi tamén indicada por Moore (1964).
Síntese
A síntese de caolinita a altas temperaturas (máis de 100 °C) coñécese bastante ben. Exemplos son as sínteses de Van Nieuwenberg e Pieters (1928); de Noll (1934); e Noll (1936); de Norton (1939); de Roy e Osborn (1954); de Roy (1961); de Tomura et al. (1985); de Satokawa et al. (1994) e de Huertas et al. (1999).
Hai menos métodos de síntese a baixas temperaturas (cf. Brindley e DeKimpe (1961); DeKimpe (1969); Bogatyrev et al. (1997) ).
As sínteses de laboratorio da caolinita a temperatura ambiente moderada e presión atmosférica foron descritas por DeKimpe et al. (1961). A partir destas probas o papel da periodicidade nas transformacións quedou convincentemente claro. DeKimpe et al. (1961) usaron adicións diarias de alúmina (en forma de AlCl3. 6 H2O) e de sílice (en forma de etil silicato) durante polo menos dous meses. Ademais, fixeron axustes do pH cada día engadindo ácido clorhídrico ou hidróxido de sodio. Estas adicións diarias de Si e Al á solución en combinación coas titracións diarias de ácido clorhídrico e de hidróxido de sodio durante polo menos 60 días introduciron os necesarios elementos de periodicidade. Só entón se puido comprender completamente o papel real do que fora descrito como “envellecemento” (Alterung) dos alumino-silicatos amorfos (como por exemplo indicara Harder, 1978 ). Non se orixinan cambios nun sistema pechado en equilibrio, senón que unha serie de alternancias, de cambios periódicos das condicións (que por definición teñen lugar nun sistema aberto), orixinan a formación a baixa temperatura de cada vez máis caolinita de fase estable en lugar dos (mal definidos) alumino-silicatos amorfos. Usos
O principal uso do mineral caolinita é a produción de papel, xa que orixina o brillo e certas calidades do papel couché.
Ademais utilizouse como compoñente do Quick Clot Combat GauzeArquivado 10 de febreiro de 2016 en Wayback Machine. (Gasa de Combate de Coagulación Rápida), unha preparación de gasa especial deseñada para parar hemorraxias en grandes feridas, que consiste nunha infusión de nanopartículas de aluminosilicatos derivados da caolinita nunha gasa tradicional.
O caolín utilízase (ou era utilizado no pasado): En cerámica, xa que é o principal compoñente da porcelana.
Nas pastas de dentes.
Como material de esvaecemento da luz nas bombillas incandescentes brancas.
En cosmética.
En pinturas para estender o pigmento branco de dióxido de titanio (TiO2) e modificar os niveis de brillo.
Para modificar as propiedades da goma vulcanizada.
En adhesivos para modificar a súa reoloxía.
Como indicador en datación radiolóxica, xa que a caoloinita pode conter pequenas cantidades de uranio e torio.
Como adsorbente no tratamento da auga e das augas residuais.
Na súa forma alterada de metacaolín, como unha puzzolana; cando se engade a unha mestura de formigón, o metacaolín acelera a hidratación do cemento Portland e toma parte na reacción puzzolánica coa portlandita formada na hidratación dos principais minerais do cemento (por exemplo, alita).
Na súa forma alterada de metacaolín, como compoñente base de compostos xeopolímeros.
En agricultura orgánica en forma de spray de caolín aplicado ás colleitas para deter pragas de insectos, e previr a deterioración das mazás.
Usos relacionados coa saúde: O caolín inxírese por razóns de saúde ou para suprimir a fame, unha práctica chamada xeofaxia.
Para aliviar os trastornos estomacais, de modo similar a como fan aves como os papagaios (e tamén os humanos) que comen arxilas; máis recentemente, preparacións de caolinita producidas industrialmente utilízanse para tratar a diarrea; a máis común destas preparacións é o caopectato, que abandonou o uso da caolinita en favor do mineral attapulxita e despois o subsalicilato de bismuto, o ingrediente activo do Pepto-Bismol.
Para inducir a coagulación do sangue en procedementos de diagnóstico, por exemplo no chamado tempo de coagulación de caolín.
Outros usos: Utilizouse no pasado como un recheo nos discos de diamante de Edison para fonógrafo.
Como material de encalado na construción tradicional de casas no Nepal.
Para máscaras faciais de xabón nalgúns países africanos. Seguridade
As persoas poden ser expostas ao caolín no seu posto de traballo ao respiraren o seu po, por contacto coa pel ou cos ollos. Algunhas administracións marcan un límite legal de exposición permisible no posto de traballo.