Характеристика глин. Обменная емкость. Состав, структура свойства монтмориллонита.
Современные глины являются продуктами длительного во времениразложения (выветривания) в основном двух природных минералов:ортоклаза K2Al2Si6O16 и альбита Na2Al2Si6O16. В зависимости от условийвыветривания (H2O + CO2) образовалось более 40 минералов, например, последующей схеме:
– образование монтмориллонита:
K 2 Al 2 Si 6 O 16 + H 2 O + CO 2 → K 2 CO 3 + H 2 Al 2 Si 4 O 12 + 2 SiO 2;
– образование каолинита:
Na 2 Al 2 Si 6 O 16 + H 2 O + CO 2 → Na 2 CO 2 + H 4 Al 2 Si 2 O 9 + 4 SiO 2.
Обычно записывают так:
– монтмориллонит Al2O3·4SiO2·H2O;
– каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O,
где Al2O3 – глинозем, SiO2 – кремнезем.
Располагающиеся в межслоевом пространстве катионы Na+, K+, Ca2+,
Mg2+ и др. в водном растворе способны к эквивалентному обратимому обмену с другими находящимися в растворе катионами, поэтому их называют обменными.
Способность глинистых минералов поглощать ионы из окружающейсреды и выделять эквивалентное количество других ионов, находящихся в данном минерале в обменном состоянии, называется обменной емкостью глин.
Показателем обменной способности глин является емкость поглощения, которая характеризуется количеством обменных ионов в молях, содержащихся в 100 г сухой глины (т.е. моль/100 г или мг-экв./100 г).
Монтмориллонит
Монтмориллонит – это «самый глинистый» минерал в группе бентонитов (пресноводных гелей) и самый распространенный среди группы минералов, называемых смектитами (рис. 14.20).
Рис. 14.20. Внешний вид монтмориллонита под микроскопом (х20000)
|
|
Далее структурные комбинации ионов в тетраэдрической кремнекислородной и октаэдрической алюмокислородной сетках будем называтьподслоями, совокупность двух и более подслоев – слоями, а совокупностьдвух и более слоев – пакетами.
Как видно из рисунка 14.21 б, между соседними слоями монтмориллонита действует слабая связь O–O (силы Ван-дер-Ваальса). Кроме того,изомерные замещения в монтмориллоните произошли, в основном, во внутреннем, алюмокислородном подслое и, следовательно, центр суммарногозаряда сосредоточен вдали от поверхности, в глубине слоя. По этим двумпричинам связи между слоями и пакетами в онтмориллоните слабые.
Важнейшей особенностью описанной выше кристаллической решетки монтмориллонита является замещение в среднем слое 1/6 части атомовалюминия атомами магния, которое происходило в процессе образованияглины.
В связи с замещением Al3+ на Mg2+ возникает ненасыщенная валентность, т.е. в решетке создается избыточный (нескомпенсированный) отрицательный заряд.
14.Особенности состава, структуры и свойств каолинита, гидрослюд и палыгорскита.
Каолинит
– образование каолинита: Na2Al2Si6O16 + H2O + CO2 → Na2CO2 + H4Al2Si2O9 + 4SiO2 .
Каолинит имеет двухподслойную кристаллическую решетку без зарядов на базальных поверхностях, что объясняется отсутствием изоморфных замещений.
|
|
В алюмокислородном подслое значительная часть атомов кислорода замещена гидроксильными группами OH–. Атомы кислорода и гидроксил-ионы смежных соприкасающихся слоев находятся друг против друга и по всей площади довольно прочно связаны водородной связью типа O–H, которая препятствует внутрикристаллическому разбуханию решетки. В связи с тем, что молекулы воды и катионы не могут проникать в межслоевое пространство, каолинит трудно диспергируется, имеет малую емкость обмена (3·10–3…15·10–3 моль/100 г), приходящуюся на внешние механически разорванные грани (разрыв связей Si–O–Si, OH–Al–OH), и очень слабо набухает. По форме частицы каолинита представляют собой несколько вытянутые шестиугольные пластинки. Удельная поверхность каолинита составляет всего 10…20 м2/г
Гидрослюда
KAl2[(SiAl)4O10] (OH)2×nH2O
Кристаллическая решетка гидрослюды подобна монтмориллониту, но имеет большее число изоморфных замещений.
Так, у гидромусковитаоктаэдрические позиции в основном заполнены Al3+, а у гидробиотита могут быть замещены Fe2+ или Mg2+. Кроме того, у этих минералов в тетраэдрическом слое до 1/6 всех атомов Si4+ изоморфно замещены Al3+, возникающий при этом отрицательный заряд компенсируется катионами K+, входящими в межслоевое пространство гидрослюд. Близкое расположение заряда к поверхности слоя приводит к прочному ионному взаимодействию смежных слоев с катионами K+, и молекулы воды уже не могут легко проникать в межпакетное пространство. Энергия связи между слоями в гидрослюде в 2–2,5 раза выше, чем в монтмориллоните.
|
|
Для гидрослюд обменными являются лишь ионы, расположенные на механически разорванных ребрах (гранях) кристаллической решетки, в связи с чем обменная емкость (емкость поглощения) гидрослюд составляет всего 10·10−3…40·10–3 моль/100 г. Гидратация слюд и некоторое увеличение их объема, которое значительно меньше, чем у монтмориллонита, происходит преимущественно в результате ионообменных реакций на внешних механически разорванных гранях. Удельная поверхность гидрослюд составляет 400…500 м2/г. Для гидрослюдистых глин, тем не менее, характерна высокая коллоидальность и хорошие адсорбционные свойства, объясняемые образованием смешанно-слоистых структур, где алюминатные пакеты одного глинистого минерала переслаиваются с пакетами других. Весьма распространены смешанные структуры различных гидрослюд (иллита, хлорита и др.) с монтмориллонитом и каолинитом. К их числу принадлежат многие минералогические разновидности, известные под самостоятельными названиями. Смешанно-слоистым минералом является бейделлит. Таким образом, свойства гидрослюдистых глин определяются составляющими их структурами. По мере увеличения в них компонентов с подвижной решеткой растут емкость ионного обмена, коллоидно-химическая активность, набухание и т.п.
|
|
Палыгорскит
(OH)2Si8Mg5 O18×4H2O
Зарубежное название аттапульгит (от названия населенного пункта Аттапульгус, штат Джорджия, где в 1935 г. впервые были отобраны для исследований пробы этой глины). Как отмечалось ранее, кристаллическая решетка палыгорскита состоит из трех подслоев. Однако кремнекислородные тетраэдры в подслоях расположены необычно: в них чередуются тетраэдры, попарно обращенные вершинами внутрь и наружу по отношению к среднему октаэдрическому слою.
Особенностью строения палыгорскита является наличие волокнистой структуры, содержащей амфиболовые каналы, чередующиеся с октаэдрическими подслоями. Каналы имеют размеры 3,7 × 6,4 Å, на внутренней поверхности их находятся обменные катионы. Это затрудняет ионный обмен, поэтому палыгорскиты устойчивы к коагулирующему действию солей. Кроме внутренней поверхности каналов, активными у палыгорскита являются разорванные связи на ребрах и торцах граней. Когда палыгорскит помещают в воду, он не набухает, как бентонит, и его приходится диспергировать энергичным перемешиванием. Обменная емкость палыгорскита невысока (20·10–3…30·10– 3 моль/100 г), что обусловлено достаточно прочной связью ионов с элементами структуры. Главной особенностью палыгорскита («солт-джел» – солоноватая глина) является способность диспергироваться и образовывать структурированные суспензии в соленасыщенной воде. При этом получение устойчивых структурированных суспензий достигается благодаря неупорядоченности структуры, которая образуется путем механического зацепления игольчатых частиц друг с другом. Удельная поверхность палыгорскита достигает 800…1000 м2/г.
15. Система "глина-вода": гидратация, форма связи воды и глины, аномалия свойств прочносвязанной воды, дегидратация, набухание
Гидратация глин
Способность глин к гидратации (присоединению воды), набуханию и диспергированию (дезинтеграции) определяется их минералогическим составом.
Чем легче диспергируется и сильнее гидратируется глина, тем больший объем глинистого раствора с определенной вязкостью можно получить из одной и той же массы глины.
При дегидратации глины удаляется химически связанная вода, разрушается кристаллическая решетка материала, глина теряет пластические свойства.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 463; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!