[科普中国]-粘土矿物性质

粘土矿物主要是指那些粒级为粘土级的层状含水铝硅酸盐矿物。粘土矿有两个明显的特点：一是这类矿物的晶体都很细小，从而具有较大的比表面能；二是它们的晶体结构是层状的，并都含有“水”。粘土矿物的一切性质几乎都与这两个特点有关。在粘土矿物的所有性质中，最引人注目的是它的膨润性(或膨胀性)，吸附离子的可交换性，催化性和可塑性等。

结构特征地层中粘土矿物由很小的结晶颗粒组成，根据晶体结构可以分成几组粘土矿物。对石油工业有重要意义的粘土矿物主要有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石以及这些矿物组成的混层矿物，这些矿物属于含水层状硅酸盐，其主要构造单元为二维排列的硅氧四面体和二维排列的铝或镁-氧-氢八面体。在粘土矿物的结构单元层中，硅氧四面体中的Si4+可能被Al3+取代，八面体中的Al3+可能被Mg2+、Fe2+取代，此时结构单元层中就出现了负电荷，为平衡多余的层电荷，必然出现层间阳离子。粘土矿物的层间阳离子有“固定的”和“可交换的”的两种类型。1

矿物类型高岭石属1：1型二八面体层状硅酸盐，晶层问通过范德华力和氢键联结，晶层间联结紧密，无层间物质，晶层间距小，这类粘土矿物水化膨胀能力差。伊利石组粘土矿物的基本结构单元由两个硅氧四面体层与夹在它们之间的八面体组成。同晶置换主要发生在四面体中，由此产生的负电荷被层间K+平衡。层间K+对晶层起固着作用，与溶液中阳离子交换很难，只有外表棱角上的K+易同其他阳离子交换，但交换能力低，遇水后晶层间膨胀小。绿泥石在结构上与2：1型层状粘土相似，不同的是层间阳离子被一层八面体氢氧化物片替代，并且这个八面体片的正电荷与晶层负电荷相平衡，在2：1型晶层与氢氧化物片之间除静电引力外，还有氢氧键联结，晶层间结合紧密，遇水后水化膨胀能力弱。

蒙脱石的基本结构单元与伊利石相似，属2：1型，其差异在于蒙脱石层间电荷比伊利石少，层间阳离子不是K+，而是Ca+，Mg2+、Na+等交换性阳离子。交换性阳离子与晶层通过静电引力联结，联结弱，易被置换，水和其他极性分子能够渗入结构单位层之间，并引起晶格沿纵轴方向膨胀。特别是Na+为其主要吸附的阳离子时，吸水后有较高的水化膨胀性能，其晶层轴间距可达40A。。1

膨润性粘土矿物因吸水(溶液)而体积增大的现象，即称为粘土矿物的膨润性。粘土矿物的膨润性有内部膨润和外部膨润两种。在追加水分的条件下，水被粘土矿物吸入结构单位层之间，在水分子沿层面层层展铺叠置的同时，瞬间与粘土矿物形成平行连晶，从而使原层间距(d)扩大，此即为内部膨润；发生在粘土矿物晶粒间的膨大，是为外部膨润。2

吸附离子的可交换性胶体质点的性质相似，粘土矿物的颗粒表面也是带电的，其带电原因为：

(1)因粘土矿物颗粒表面有未中和的酸基或碱基而带电，其所荷电性，视酸基或碱基而定；

(2)因结构单位层中的高价离子被低价离子类质同象代替而带电，其电性为负；

(3)因结构单位层边缘上出现的破键而带电，其电性视介质的pH值而定。

由于粘土矿物颗粒表面的这种性质，就使得它能从溶液中不仅吸附异号的无机离子，而且也可以吸附极性的有机分子。其吸附量决定于中和表面电荷所需的量，而吸附能则取决于被吸附离子的作用力场。因此，可用一种离子取代原先吸附于粘土矿物颗粒上的另一种离子，此即谓离子交换。依表面电性的不同，有阳离子和阴离子交换两种。2

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学