[科普中國(guó)]-粘土礦物性質(zhì)

粘土礦物主要是指那些粒級(jí)為粘土級(jí)的層狀含水鋁硅酸鹽礦物。粘土礦有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：一是這類礦物的晶體都很細(xì)小，從而具有較大的比表面能；二是它們的晶體結(jié)構(gòu)是層狀的，并都含有“水”。粘土礦物的一切性質(zhì)幾乎都與這兩個(gè)特點(diǎn)有關(guān)。在粘土礦物的所有性質(zhì)中，最引人注目的是它的膨潤(rùn)性(或膨脹性)，吸附離子的可交換性，催化性和可塑性等。

結(jié)構(gòu)特征地層中粘土礦物由很小的結(jié)晶顆粒組成，根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)可以分成幾組粘土礦物。對(duì)石油工業(yè)有重要意義的粘土礦物主要有高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石以及這些礦物組成的混層礦物，這些礦物屬于含水層狀硅酸鹽，其主要構(gòu)造單元為二維排列的硅氧四面體和二維排列的鋁或鎂-氧-氫八面體。在粘土礦物的結(jié)構(gòu)單元層中，硅氧四面體中的Si4+可能被Al3+取代，八面體中的Al3+可能被Mg2+、Fe2+取代，此時(shí)結(jié)構(gòu)單元層中就出現(xiàn)了負(fù)電荷，為平衡多余的層電荷，必然出現(xiàn)層間陽離子。粘土礦物的層間陽離子有“固定的”和“可交換的”的兩種類型。1

礦物類型高嶺石屬1：1型二八面體層狀硅酸鹽，晶層問通過范德華力和氫鍵聯(lián)結(jié)，晶層間聯(lián)結(jié)緊密，無層間物質(zhì)，晶層間距小，這類粘土礦物水化膨脹能力差。伊利石組粘土礦物的基本結(jié)構(gòu)單元由兩個(gè)硅氧四面體層與夾在它們之間的八面體組成。同晶置換主要發(fā)生在四面體中，由此產(chǎn)生的負(fù)電荷被層間K+平衡。層間K+對(duì)晶層起固著作用，與溶液中陽離子交換很難，只有外表棱角上的K+易同其他陽離子交換，但交換能力低，遇水后晶層間膨脹小。綠泥石在結(jié)構(gòu)上與2：1型層狀粘土相似，不同的是層間陽離子被一層八面體氫氧化物片替代，并且這個(gè)八面體片的正電荷與晶層負(fù)電荷相平衡，在2：1型晶層與氫氧化物片之間除靜電引力外，還有氫氧鍵聯(lián)結(jié)，晶層間結(jié)合緊密，遇水后水化膨脹能力弱。

蒙脫石的基本結(jié)構(gòu)單元與伊利石相似，屬2：1型，其差異在于蒙脫石層間電荷比伊利石少，層間陽離子不是K+，而是Ca+，Mg2+、Na+等交換性陽離子。交換性陽離子與晶層通過靜電引力聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)弱，易被置換，水和其他極性分子能夠滲入結(jié)構(gòu)單位層之間，并引起晶格沿縱軸方向膨脹。特別是Na+為其主要吸附的陽離子時(shí)，吸水后有較高的水化膨脹性能，其晶層軸間距可達(dá)40A。。1

膨潤(rùn)性粘土礦物因吸水(溶液)而體積增大的現(xiàn)象，即稱為粘土礦物的膨潤(rùn)性。粘土礦物的膨潤(rùn)性有內(nèi)部膨潤(rùn)和外部膨潤(rùn)兩種。在追加水分的條件下，水被粘土礦物吸入結(jié)構(gòu)單位層之間，在水分子沿層面層層展鋪疊置的同時(shí)，瞬間與粘土礦物形成平行連晶，從而使原層間距(d)擴(kuò)大，此即為內(nèi)部膨潤(rùn)；發(fā)生在粘土礦物晶粒間的膨大，是為外部膨潤(rùn)。2

吸附離子的可交換性膠體質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)相似，粘土礦物的顆粒表面也是帶電的，其帶電原因?yàn)椋?/p>

(1)因粘土礦物顆粒表面有未中和的酸基或堿基而帶電，其所荷電性，視酸基或堿基而定；

(2)因結(jié)構(gòu)單位層中的高價(jià)離子被低價(jià)離子類質(zhì)同象代替而帶電，其電性為負(fù)；

(3)因結(jié)構(gòu)單位層邊緣上出現(xiàn)的破鍵而帶電，其電性視介質(zhì)的pH值而定。

由于粘土礦物顆粒表面的這種性質(zhì)，就使得它能從溶液中不僅吸附異號(hào)的無機(jī)離子，而且也可以吸附極性的有機(jī)分子。其吸附量決定于中和表面電荷所需的量，而吸附能則取決于被吸附離子的作用力場(chǎng)。因此，可用一種離子取代原先吸附于粘土礦物顆粒上的另一種離子，此即謂離子交換。依表面電性的不同，有陽離子和陰離子交換兩種。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

黎明 - 副教授 - 西南大學(xué)