1粘土矿物的结晶结构及基本特征
土壤胶体的特性
土壤胶体的特性直径为2～0.μm土粒的通称可以是矿质的，即土壤矿质胶体(无机胶体)，主要是次生的黏粒矿物。
也可以是有机的，即土壤有机胶体，主要是多糖、蛋白质和腐殖质。
多数情况下是有机矿质复合体，即核心部分是黏粒矿物，外面是有机胶膜，被吸附在矿质胶体表面。
其特性是：(1)其比表面积相当大(1g 胶体大约有～m2)，具有相当大的反应活性和吸附性；(2) 荷电，有很强的离子交换性；(3)它是土壤各种物质最活跃的部分，因而对土壤性质的影响也最大。
土壤胶体的种类土壤胶体通常可以分成无机胶体、有机胶体、有机—无机无机胶体。
下面我们了解这三类胶体。
ⅰ无机胶体：无机胶体在数量上远比有机胶体要多，主要是土壤粘粒，它包括fe、al、si等含水氧化物类粘土矿物以及层状硅酸盐类粘土矿物。
1、fe、al、si等含水氧化物含水氧化硅：多写成sio2·h2o，也可写成偏硅酸h2sio3，sio2·h2o发生电离时能解离出h+而使胶体带负电荷。
含水水解fe、al：多译成fe2o3·nh2o、al2o3·nh2o，也需用fe（oh）3、al（oh）3的形式去则表示，它就是硅酸盐矿物全盘风化的产物，在风化程度低的土壤上这类矿物较多。
这类矿物属两性胶体，它的带电情况主要取决于土壤的酸碱反应，酸性条件（ph\uc5）带正电荷，碱性条件下带负电荷。
2、层状硅酸盐类矿物层状硅酸盐类矿物，从外部形态上看是极细微的结晶颗粒，从内部构造上看，都是由两种基本结构单位硅氧四面体和铝氧八面体所构成，并且都含有结晶水只是化学成分和水化程度不同而已。
结构特征：p69图3—5、图3—6a：基本结构单位：构成层状硅酸盐矿物的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。
硅氧四面体：由一个硅离子（si4+）和四个氧离子（o2-）共同组成，其中三个氧离子（o2-）形成三角形为底，si4+属这个三角形之上，三个氧离子（o2-）的中心底凹处，第四个o2+属顶部，恰好把si2+砌在下面，象这样的结构体从外表面看看存有四个面，每个面存有三个o2+共同组成，si4+居四个面的中心，我们称作硅氧四面体。
粘土矿物1
（2）非膨胀性
在伊利石晶层之间 吸附有钾离子。它受到 相邻两晶层负电荷的吸 附，因而对相邻两晶层 产生了很强的键联效果， 连接力很强，使晶层不 易膨胀。
（3）电荷数量较大
同晶替代较普遍， 主要发生在硅片中， 但部分电荷被K＋离子 所中和，阳离子交换 量介于高岭石与蒙脱 石之间。
（4）胶体特性
3、水化云母组
又叫2：1型非 膨胀性矿物或伊利 组矿物。
水化云母组具有以下特征：
（1）2：1型晶层结构
晶层结构与蒙脱石相似， 同样是由两层硅片夹一层 铝片组成，硅片和铝片的 比例为2：1，故又称2：1 型非膨胀性矿物。
伊利石是其代表。分子 式为： K2（Al·Fe·Mg）4 （SiAl）8O20（OH） 4·nH2O。
晶层类型
两种晶片的配合比例不 同，而构成： 1：1型晶层 2：1型晶层 2：1：1型晶层
（1）1：1型单位晶层
由一个硅片和一个铝片构成。 硅片顶端的活性氧与铝片底层 的活性氧通过共用的方式形成单位 晶层。这样1：1型层状铝硅酸盐的 单位晶层有两个不同的层面，一个 是由具有六角形空穴的氧原子层面， 一个是由氢氧构成的层面。
2、单位晶片
从化学上来看，四面体 为 （ SiO4）4－， 八 面 体 为 （AlO6）9－，它们都不是化 合物，在它们形成硅酸盐粘 土矿物之前，四面体和八面 体分别各自聚合。
（1）四面体片（简称硅片）
在水平方向上四面体通过共 用底部氧的方式在平面两维方向上 无限延伸，排列成近似六边形蜂窝 状的四面体片（简称硅片）。
粘土矿物的分类
粘土矿物根据结晶学特征分 为三类：
一、层状硅酸盐粘土矿物， 二、纤维状硅酸盐粘土矿物， 三、非硅酸盐粘土矿物（非 晶质粘土矿物）。
1粘土矿物的结晶结构及基本特征
3粘土矿物的结晶结构及基本特征3.1粘土矿物概念、类型及其结构化学特征粘土的本质是粘土矿物。
粘土矿物是细分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。
晶质含水层状硅酸盐矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等: 含水非晶质硅酸盐矿物有水铝英石、胶硅铁石等。
粘土矿物决定了整个粘土类或岩石的性质，它是最活泼的组分。
粘土矿物的晶体结构主要是由两个最基本结构单元组成，即硅氧四面体和铝氧八面体，并沿X轴方向发展。
四面体的中心是四价的硅Si4+，而四个二价的氧O2－分布于四面体的四个顶角，四面体的四个面均为等边三角形(如图3.1- (a))，有时四面体中的氧原子为氢氧原子所代替，四面体的底面落在同一平面上，以三个尖顶彼此连结，第四个尖顶均指向同一个方向，在平面上组成六角形网格状结构或链状结构(如图3.1- (b))，成为四面体层(片)。
八面体由六个氧或氢氧原子以等距排列而成，A13+(或Mg2＋)居于中心(如图3.2- ( a ))，八面体亦排列成层状态结构，成为八面体层(片)(如图3.2- (b))。
由于单位晶格的大小相近似，四面体层与八面体层很容易沿C轴叠合而成为统一的结构层，此结构层称为结构单位层，简称晶层，几个结构层组成晶胞。
四面体层与八面体层的不同组合堆叠重复，便构成了各种粘土矿物的不同层状结构。
由一个四面体层与一个八面体层重复堆叠的称为1:1型结构单位层(如高岭石等)，也称为二层型; 由两个四面体层间夹一个八面体层重复堆叠的称为2:1型结构单位层(如蒙脱石、伊利石等)，也称为三层型;在层状结构中，四面体层与八面体层间共用一个氧原子层，故四面体层与八面体层间的键力大，联结较强，但在1:1型或2:1型结构单位层间并不共用氧原子层，层间的联结较弱。
在高岭石类粘土矿物中，结构单位层间为O与HO(或OH与OH)相邻(如图3.3 )，堆叠时，在相邻两晶层之间，除了范德华(Van der waals)力增扩的静电能外，主要为表层(羟)基及氧原子之间的氢键力，将相邻两晶层紧密地结合起来，使水不易进入晶层之间。
三种主要黏土矿物(高岭石、水云母、蒙脱石)的性质。
1、试比较三种主要黏土矿物（高岭石、水云母、蒙脱石）的性质。
(１) 高岭石（１：１型铝硅酸盐矿物）由一个硅氧片和一个水铝片，通过共用硅氧顶端的氧原子连接起来的片状晶格构造。
每个晶层的一面是OH离子组（水铝片上的），另一面是O离子（硅氧片上的），因而叠加时晶层间可形成氢键，使各晶层之间紧密相连从而形成大颗粒，晶粒多呈六角形片状。
其分子结构外形特征为ＯＨＯＨＯＨ .......ＯＨ顶层─────────────底层─────────────ＯＯＯ ........Ｏ许多晶片相互重叠形成高岭矿物特点：晶层与晶层间距离稳定，连接紧密，内部空隙小，电荷量少，单位个体小，分散度低。
多出现于酸性土壤。
如高岭石类。
高岭石的性质特点：晶格内的水铝片和硅氧片很少发生同晶替代，因此无永久性电荷。
但水铝片上的--ＯＨ在一定条件下解离出氢离子，使高岭石带负电。
晶片与晶片之间形成氢键而结合牢固，水分子及其他离子难以进入层间，并且形成较大的颗粒。
因此其吸湿性、粘结性和可塑性较弱，富含高岭石的土壤保肥性差。
（2）蒙脱石类（２：１型铝硅酸盐矿物）由两片硅氧片和一片水铝片结合成的一个晶片（层）单元，再相互叠加而成的。
每个晶层的两面均由O离子组（硅氧片上的），因而叠加时晶层间不能形成氢键，而是通过“氧桥”联结，这种联结力弱，晶层易碎裂，其晶粒比高岭石小。
特点：胀缩性大，吸湿性强，易在两边硅氧片中以Al3+代Si4+，有时可在硅铝片中，一般以Mg2+代Al3+→带负电→吸附负离子。
如蒙脱石，这类矿物多出现于北方土壤。
如东北、华北的栗钙土、黑钙土和褐土等。
（３）水云母类（２：１型粘土矿物）结构与蒙脱石相类似，只是同晶替代产生的负电荷主要被钾离子中和,而少量被钙镁离子中和.特点：a、永久性电荷数量少于蒙脱石。
b、层与层之间由钾离子中和，使得各层相互紧密结合。
形成的颗粒相对比蒙脱石粗而比高岭石细。
其粘结性、可塑、胀缩性居中。
c、钾离子被固定在硅氧片的六角形网孔中，当晶层破裂时，可将被固定的钾重新释放出来，供植物利用。
百科知识精选粘土矿物
正文粘土和粘土岩中晶体一般小于2微米,主要是含水的铝、铁和镁的层状结构硅酸盐矿物。
有的在其成分中还有某些碱金属或碱土金属存在。
粘土矿物包括高岭石族矿物、蒙皂石、蛭石、粘土级云母、伊利石、海绿石、绿泥石和膨胀绿泥石以及有关的混层结构矿物，此外还包括具过渡性的层链状结构的坡缕石（凹凸棒石）和海泡石以及非晶质的水铝英石。
除水铝英石外均属层状或层链伏结构硅酸盐，因此粘土矿物可按层状结构硅酸盐矿物的分类来划分。
形态粘土矿物的粒度细小，其大小和形态需用电子显微镜才能测定。
多数粘土矿物如伊利石等呈鳞片状，结晶良好的高岭石则呈完整的假六方片状。
少数粘土矿物呈管状（埃洛石）或纤维状（坡缕石和海泡石）。
性质晶体结构与晶体化学特点决定了它们的如下一些性质。
①离子交换性。
具有吸着某些阳离子和阴离子并保持于交换状态的特性。
一般交换性阳离子是 Ca2+、Mg2+、H+、K+、(NH4)+、Na+,常见的交换性阴离子是(SO4)2-、Cl-、(PO4)3-、(NO3)-。
高岭石的阳离子交换容量最低,5～15毫克当量/100克；蒙脱石、蛭石的阳离子交换容量最高，100～150毫克当量/100克。
产生阳离子交换性的原因是破键和晶格内类质同象置换引起的不饱和电荷需要通过吸附阳离子而取得平衡。
阴离子交换则是晶格外露羟基离子的交代作用。
②粘土－水系统特点。
粘土矿物中的水以吸附水、层间水和结构水的形式存在。
结构水只有在高温下结构破坏时才失去,但是吸附水、层间水以及海泡石结构孔洞中的沸石水都是低温水，经低温(100～150℃)加热后就可脱出，同时象蒙皂石族矿物失水后还可以复水，这是一个重要的特点。
粘土矿物与水的作用所产生的膨胀性、分散和凝聚性、粘性、触变性和可塑性等特点在工业上得到广泛应用。
③粘土矿物与有机质的反应特点。
有些粘土矿物与有机质反应形成有机复合体，改善了它的性能，扩大了应用范围，还可作为分析鉴定矿物的依据。
如蒙脱石中可交换的钙或钠被有机离子取代后形成有机复合体，使层间距离增大，从原有亲水疏油转变为亲油疏水，利用这种复合体可以制备润滑脂、油漆防沉剂和石油化工产品的添加剂。
黏土矿物形状
黏土矿物形状
黏土矿物是一种常见的矿石，具有多种形状和结构。
它们通常是由细小的颗粒组成的，这些颗粒可以互相黏合在一起形成块状或颗粒状的结构。
在自然界中，黏土矿物可以以不同的形状存在。
有些黏土矿物呈片状，如膨润土。
膨润土是一种吸水性很强的黏土矿物，在水中会膨胀成片状结构。
这种片状结构使得膨润土可以吸附和储存大量的水分，使其成为土壤改良和涂料工业中重要的原料。
另一种常见的黏土矿物形状是颗粒状。
黏土矿物的颗粒可以是微小的粉末状，也可以是较大的颗粒状。
这些颗粒状的黏土矿物通常具有良好的吸附性能，可以吸附并储存有机物和无机物。
除了片状和颗粒状之外，黏土矿物还可以形成纤维状结构。
这种纤维状结构通常是由微细的纤维组成的，这些纤维可以互相交织在一起形成稳定的结构。
纤维状的黏土矿物常用于制造纺织品和过滤材料，因为它们具有良好的强度和过滤性能。
总的来说，黏土矿物具有多种形状和结构，这些形状和结构决定了它们的性质和用途。
通过对黏土矿物形状的研究和了解，我们可以更好地利用它们的特性，满足人类的需求。
无论是片状的膨润土，颗粒状的吸附剂，还是纤维状的过滤材料，黏土矿物都在各个领域发挥着重要的作用。
这些矿物的形状和结构不仅为我们提供了丰富
的资源，也为人类创造了更好的生活环境。
第二章 第四节 粘土矿物自生与转化
2、高岭石
高岭石族粘土矿物包括高岭石，地开石和珍珠陶土3种矿物。高岭石 族矿物的晶体结构以高岭石为代表。高岭石由一层Si—O四面体和一层Al— （O—H）八面体组成。
3、蒙皂石 现代的用法趋向于建立1个蒙皂石族（Semetite）来代替过去的蒙脱
石族。 蒙皂石又分为蒙脱石（在八面体层中Mg代替Al）和贝得石（在四面
孔隙衬层
孔隙衬层或 孔隙充填 孔隙衬层或 孔隙充填 孔隙衬层
孔隙衬层
孔隙衬层
2-10
2-10 4-150 ， 通 常 4-20 8-40
0.1-10
2-12
2-12
特殊特征
锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？） 锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？） 锯齿状或港 湾状鳞片（双 晶？）
颗粒之间搭 桥 颗粒之间搭 桥 颗粒之间搭 桥
410、蒙皂石与高岭石 （霍6井，1647.02m，大磨拐河组，SEM）
371、粒间大孔隙，颗粒表面贴附蒙皂石 （贝16井, 1334.70m，兴安岭群,SEM）
394、粒间充填伊利石 （乌20井，2073.67m，南屯组，SEM）
395、伊利石贴附颗粒与充填孔隙 （乌20井，2077.09m，南屯组，SEM）
体层中Al代替Si）两个亚组。 蒙脱石有两个四面体层夹1个八面体层组成。
3、伊利石 伊利石并不是一种具体矿物。这个术语表示一组具有云母
构造的粘土矿物，过去称之为水云母。
二、如何区别自生与碎屑粘土矿物
1、识别手段 A 扫描电镜 B 电子探针 C 偏光显微镜 D x射线衍射分析（结晶度，伊利石） E 透射电子显微镜
H2O，Na+，Ca2+
蒙皂石
火山玻璃
＋H2O；—Na+，Ca2+，K+
矿物岩石学
粘土矿物特征及其鉴定一、层状粘土矿物的分类、特征以及代表性矿物有哪些？（至少列举三种）层状硅酸盐粘土矿物的种类很多，根据其构造特点和性质，可以归纳为4个类组，主要有：高岭组，蒙蛭组，水化云母组和绿泥石组矿物。
1.高岭组又叫1：1型矿物，是硅酸盐粘土矿物中结构最简单的一类。
包括高岭石，珍珠陶土，迪恺石和埃洛石等。
高岭组的特点（1）1：1型的晶层结构晶层由一层硅片和一层铝片重叠而成，硅片和铝片的比例为1：1.（2）非膨胀性相邻的晶层的层面不同，分别是硅面和铝面两个层面之间产生了较强的连接力，晶层的距离不变，不易膨胀。
（3）电荷数量少晶层内部硅片和铝片中没有或极少同晶替代现象（4）胶体特性较弱颗粒总表面积相对较小。
可塑性、粘结性、黏着性和吸湿性都较弱。
2.蒙蛭组又叫2：1型膨胀性矿物，包括蒙脱石、绿脱石、拜来石、蛭石等。
蒙蛭组的特点（1）2：1型的晶层结构晶层由二层硅片夹一层铝片构成，硅片和铝片的比例为2：1，故又称2：1型膨胀性矿物。
（2）胀缩性大该组矿物晶层的顶层和底层两个基面都有Si－O面所构成，所以当两个晶层相互重叠时，晶层相互间只能形成很小的分子引力。
晶层间的结合力很弱，故晶层的间距因水分的进入而扩张，因失水而收缩，蒙脱石晶层间距变化在0.96～2.14nm之间，具有很大的膨胀性。
（3）电荷数量大同晶替代现象普遍，蒙脱石主要发生在铝片中，一般以Mg2＋代Al3＋，而蛭石的同晶替代主要发生在硅片中。
（4）胶体特性突出蒙脱石颗粒细微，颗粒的总表面积大。
其可塑性、粘结性、黏着性和吸湿性都特别显著蛭石的颗粒比蒙脱石大，其表面积比蒙脱石小。
3.水化云母组又叫2：1型非膨胀性矿物或伊利组矿物。
伊利石是其代表。
水化云母组的特点（1）2：1型晶层结构晶层结构与蒙脱石相似，同样是由两层硅片夹一层铝片组成，硅片和铝片的比例为2：1，故又称2：1型非膨胀性矿物。
（2）非膨胀性在伊利石晶层之间吸附有钾离子。
它受到相邻两晶层负电荷的吸附，因而对相邻两晶层产生了很强的键联效果，连接力很强，使晶层不易膨胀。
xrd 粘土矿物类型
xrd 粘土矿物类型X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）是一种用于研究物质的晶体结构和晶体学性质的重要技术。
对于粘土矿物的分析，XRD技术尤为重要，因为它能够揭示粘土矿物的组成和晶体结构，为地质学、材料科学、环境科学等领域提供了有价值的信息。
下面我们将介绍几种常见的粘土矿物类型及其特点。
1. 蒙脱石: 蒙脱石是一种层状的软土矿物，分子结构包含硅酸和氧化铝。
它的特点是层间带有大量的水分子，使其具有很强的吸附性能。
蒙脱石在土壤改良、陶瓷制造以及涂料工业等方面有广泛的应用。
2. 高岭石: 高岭石是一种硬质的白色粘土矿物，主要由硅酸和氧化铝组成。
它的结构层间带有铝离子，使其具有较好的塑性和吸附性。
由于其耐高温的特性，高岭石常用于陶瓷、建材和涂料等工业中。
3. 膨润土: 膨润土是一种含水量高、易膨胀的粘土矿物，主要成分为硅酸和氧化铝。
膨润土的层间结构带有大量的水分子，并且可以吸附有机物质。
由于其独特的膨胀性能，膨润土被广泛应用于土壤改良、钻井液和造纸等领域。
4. 白云石: 白云石是一种由碳酸钙组成的粘土矿物，结构呈层状排列。
它具有良好的光学性质和物理性能，广泛应用于建筑材料、化工、冶金和玻璃等工业。
5. 斜方石英: 斜方石英是一种含有二氧化硅的粘土矿物，具有六方晶系的晶体结构。
由于其稳定性较高，斜方石英广泛应用于建筑材料、陶瓷和电子工业等领域。
通过XRD技术，我们可以准确地识别和定量分析上述粘土矿物，并揭示它们的结晶结构、成分和物理性质。
这为相关领域的研究和工业应用提供了重要的指导意义。
无论是土壤改良、材料科学还是环境保护，XRD技术的应用使得我们能够更好地理解和利用粘土矿物的特性，推动相关领域的发展进步。
第二章 粘土矿物
(3)自由水
这部分水存在于粘土颗粒的孔穴或孔道中，不受粘土的
束缚，可以自由地运动。
三、粘土水化膨胀作用的机理 各种粘土都会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的 程度不同而已。粘 土水化膨胀受三种力制约：表面水化
力、渗透水化力和毛细管作用。
(1)表面水化
①定义：由粘土晶体表面直接吸附水分子和通过所吸附的 可交换性阳离子间接吸附水分子而导致的水化。 ②表面水化机理 直接水化：粘土表面通过氢键吸附水分子 间接水化：通过所吸附的可交换性阳离子间接吸附水分子
O OH
Si-O Al-O
问题：高岭石属非膨胀性粘土矿物，为什么？ 答：高岭石上下相临的层面，一面为OH面，另一 面为O面，而O与OH很容易形成氢键，层间引力较
强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层。
D、C.E.C低（3-15 mmol/100g土) 在三种常见的粘土矿物中，高岭石的Ｃ.E.C最低。
著增加，蒙脱石的阳离子交换主要是由于晶格取代所产生的 电荷，由于裸露的氢的解离所产生的负电荷所占比例很小， 因而受分散度的影响较小。而高岭石的阳离子交换主要是由 于裸露的氢氧根中氢的解离产引起的，因而受分散度的影响 较大。
高岭石C.E.C与颗粒大小的关系
粒径 /ųm C.E.C
40-20
10-5
4-2
常见粘土矿物带电性区别
矿物名称
带电原因 （主）
电荷分布
单位晶胞电 荷数（个）
C.E.C mmol/1000g土
高岭石 蒙脱石
伊利石
解离 晶格取代
晶格取代
边缘 AL-O八面体
SI-O四面体
很小 0.25-0.6
0.6-1
30-150 700-1300
1粘土矿物的结晶结构及基本特征
3粘土矿物的结晶结构及基本特征3.1粘土矿物概念、类型及其结构化学特征粘土的本质是粘土矿物。
粘土矿物是细分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。
晶质含水层状硅酸盐矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等：含水非晶质硅酸盐矿物有水铝英石、胶硅铁石等。
粘土矿物决定了整个粘土类或岩石的性质，它是最活泼的组分。
粘土矿物的晶体结构主要是由两个最基本结构单元组成，即硅氧四面体和铝氧八面体，并沿X轴方向发展。
四面体的中心是四价的硅Si4+，而四个二价的氧O2「分布于四面体的四个顶角，四面体的四个面均为等边三角形（如图3.1- （a）），有时四面体中的氧原子为氢氧原子所代替，四面体的底面落在同一平面上，以三个尖顶彼此连结，第四个尖顶均指向同一个方向，在平面上组成六角形网格状结构或链状结构（如图3.1- （b）），成为四面体层（片）。
八面体由六个氧或氢氧原子以等距排列而成，A1 3+（或Mg"）居于中心（如图3.2- （ a ）），八面体亦排列成层状态结构，成为八面体层（片）（如图3.2- （b））。
由于单位晶格的大小相近似，四面体层与八面体层很容易沿C轴叠合而成为统一的结构层，此结构层称为结构单位层，简称晶层，几个结构层组成晶胞。
四面体层与八面体层的不同组合堆叠重复，便构成了各种粘土矿物的不同层状结构。
由一个四面体层与一个八面体层重复（Van der waals）力，层间联结极弱，易于拆开。
蒙脱石既有外表阳13 髙石厂，.堆叠的称为1:1型结构单位层（如高岭石等），也称为Q C/f\ Q二层型；由两个四面体层间夹一个八面体层重复堆叠的称为2:1型结构单位层（如蒙脱石、伊利石等），也称为三层型；在层状结构中，四面体层与八面体层间共用一个氧原子层，故四面体层与八面体层间的键力大，联结较强，但在1:1型或2:1型结构单位层间并不共用氧原子层，层间的联结较弱。
在高岭石类粘土矿物中，结构单位层间为0与H0（或0H与0H）相邻（如图3.3 ）,堆叠时，在相邻两晶层之间，除了范德华（Van der waals）力增扩的静电能外，主要为表层（羟）基及氧原子之间的氢键力，将相邻两晶层紧密地结合起来，使水不易进入晶层之间。
粘土主要矿物的结构与性质
粘土主要矿物的结构与性质摘要主要论述了粘土中主要矿物的结构特点，并对各种矿物的主要性能(如可塑性、干燥收缩和膨润性等)进行了综述。
关键词：粘土,高岭石,蒙脱石,伊利石,晶体结构，可塑性，膨润性ABSTRACTMainly discusses the main structure characteristics of clay minerals, and a variety of mineral properties ( such as plasticity, drying shrinkage and swelling etc.) are reviewed.KEY WORDS: Clay, kaolinite, montmorillonite, illite, crystal structure, plasticity, swelling粘土类原料是日用陶瓷、耐火材料等的主要原料之一，它主要是由粘土矿物和其它矿物组成的并具有一定特性的（其中主要是具有可塑性）土状岩石。
粘土矿物主要是一些含水铝硅酸盐矿物，其晶体结构是由[SiO4]四面体组成的（Si2O5）n层和一层由铝氧八面体组成的AlO（OH）2层相互以顶角联接起来的层状结构，这种结构在很大程度上决定了粘土矿物的各种性能。
粘土很少由单一矿物组成，而是多种微细矿物的混合体，其主要矿物是被统称为“粘土矿物”的一些含水铝硅酸盐矿物。
根据矿物的结构和组成的不同，可把粘土中的主要矿物分为高岭石类、蒙脱石类和伊利石类等三种。
在粘土的使用过程中，由于对各种主要矿物的结构认识不足，常常在生产中造成资源的浪费，并且产品达不到理想的性能。
材料的结构决定性能，只有掌握了矿物的的结构与性能的关系，才能对矿物进行合理、充分的利用。
为此，我主要分析一下三种主要粘土矿物的结构与性能。
1高岭石类高岭石是一般粘土中常见的粘土矿物，主要由高岭石组成的较纯净的粘土称为高岭土。
高岭石首先在我国江西景德镇东部的高岭村山头发现，现在国际上都把这种有利于成瓷粘土称为高岭土，它的主要矿物成分是高岭石和多水高岭石。
1粘土矿物
• 粘土在钻井工艺中起着极其重要的作用，粘土的种 类和数量直接影响钻井液的性能、井眼的稳定性以 及油气层的保护。
• 粘土主要由粘土矿物（含水的硅铝酸盐）组成，呈 颗粒状，其颗粒大多数小于2μm。它在水中具有水 化性、分散性、带电性、离子交换性。这些性能对 于处理与配制钻井液都具有重要作用，是主要的配 浆用原料。
粘土带负电荷
Al-O八面体： Mg2+、Fe2+取代Al3+
二、粘土的性质 （一）粘土的带电性 粘土颗粒通常带有负电荷。 粘土带负电是它具有一系列电化学性质的根本原因。
1、永久性（负）电荷
永久性电荷是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代作用 产生的 ，如四价硅被三价铝取代如伊利石等；三价铝为Fe2+、 Mg2+取代如蒙脱石。晶格取代是粘土带电荷的主要来源。 特点：电荷量不受pH值、介质的影响！
•如果交换离子是Ca2+，则晶层间的静电吸引力大于晶层间 斥力，只能发生晶格膨胀，只能形成粗分散体系。
•如果是Na+则晶层间的静电吸引力小于晶层间斥力，形成水 化分散好的细分散体系。
蒙脱石水化膨胀过程
（六）粘土-水分散体系的稳定性
1、粘土颗粒表面的双电层结构 扩散双电层特点是粘土表面紧 密吸附着部分阳离子及其部分 水分子，构成了吸附溶剂化层。
3、可变性（端面 ）正电荷 • 当粘土介质的pH值小于9时，粘土晶体端面上带正电荷， 这是因为裸露在边缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质 中解离出OH-: ＞Al-OH→＞Al++OH-（两性偏碱性）
粘土表面-OH的两性表现
4、净电荷数
粘土的正电荷与负电荷的代数和称为粘土晶体颗粒的净电 荷数。粘土的负电荷数一般多于正电荷，所以粘土颗粒总起来 讲是带负电荷。
1粘土矿物的结晶结构及基本特征(可编辑修改word版)
3 粘土矿物的结晶结构及基本特征3.1粘土矿物概念、类型及其结构化学特征粘土的本质是粘土矿物。
粘土矿物是细分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。
晶质含水层状硅酸盐矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等: 含水非晶质硅酸盐矿物有水铝英石、胶硅铁石等。
粘土矿物决定了整个粘土类或岩石的性质，它是最活泼的组分。
粘土矿物的晶体结构主要是由两个最基本结构单元组成，即硅氧四面体和铝氧八面体，并沿X 轴方向发展。
四面体的中心是四价的硅Si4+，而四个二价的氧O2－分布于四面体的四个顶角，四面体的四个面均为等边三角形(如图3.1- (a))，有时四面体中的氧原子为氢氧原子所代替，四面体的底面落在同一平面上，以三个尖顶彼此连结，第四个尖顶均指向同一个方向，在平面上组成六角形网格状结构或链状结构(如图3.1- (b))，成为四面体层(片)。
八面体由六个氧或氢氧原子以等距排列而成，A13+(或Mg2＋)居于中心(如图3.2- ( a ))，八面体亦排列成层状态结构，成为八面体层(片)(如图3.2- (b))。
由于单位晶格的大小相近似，四面体层与八面体层很容易沿C 轴叠合而成为统一的结构层，此结构层称为结构单位层，简称晶层，几个结构层组成晶胞。
四面体层与八面体层的不同组合堆叠重复，便构成了各种粘土矿物的不同层状结构。
由一个四面体层与一个八面体层重复堆叠的称为1:1 型结构单位层(如高岭石等)，也称为二层型; 由两个四面体层间夹一个八面体层重复堆叠的称为2:1 型结构单位层(如蒙脱石、伊利石等)，也称为三层型;在层状结构中四，面体层与八面体层间共用一个氧原子层，故四面体层与八面体层间的键力大，联结较强，但在1:1 型或2:1 型结构单位层间并不共用氧原子层，层间的联结较弱。
在高岭石类粘土矿物中，结构单位层间为O 与HO(或OH 与OH)相邻(如图3.3 )，堆叠时，在相邻两晶层之间，除了范德华(Van der waals)力增扩的静电能外，主要为表层(羟)基及氧原子之间的氢键力，将相邻两晶层紧密地结合起来，使水不易进入晶层之间。
煤中的矿物质一(黏土矿物和碳酸盐矿物)
粘土矿物占60％～80％，两种形式出现，一为结晶状态，如高岭石；二为非结晶的微粒体。
最常见的为高岭石、伊利石、蒙脱石和绿泥石。
粘土矿物作为煤中主要矿物质之一, 其矿物特征与煤变质关系密切, 扫描电子显微镜观察结果表明, 低变质煤中粘土矿物标型形态差, 常见的为泥质颗粒集合体或隐晶质物质。
随着煤级的升高, 粘土矿物单矿物形态趋于明显, 矿物种类也随之转变。
高变质无烟煤中后生自形晶粘土矿物多见。
粘土矿物不仅在时间上和空间上与煤有不可分割的成生联系，而且在物性方面(如热导率、渗透率、孔隙度等)也有较多相近之处.二者都是低温低压敏感物质,转变不可逆。
高岭石：高岭石是含氧盐大类硅酸盐类层状硅酸盐亚类矿物。
单晶相互叠置呈书页状或蠕虫状聚合体，一般呈土状，白色，有时带浅褐色、浅红色，在酸性淡水条件下比较稳定。
搬运沉积或风化而成。
高岭石的形成主要受地球化学条件的控制,而且在温度增加时即转变为伊利石。
在缺少碱金属和碱土金属的酸性介质中，由火成岩和变质岩中的长石或其他硅酸盐矿物经风化作用形成。
高岭石的晶体化学式为2SiO2·Al2O3·2H2O，其理论化学组成为46.54%的SiO2，39.5%的Al2O3，13.96%的H2O。
物理性质: 纯者白色，因含杂质可染成深浅不同的色调，本样品为白色。
土状光泽，硬度2~3.5。
比重2.61~2.68；可吸水具可塑性，但不膨胀。
结构特点:三斜晶系。
高岭石的结构单元层为1:1型，八面体片为二八面体型，有三分之一的八面体晶位是空缺的，层间无阳离子。
伊利石：含K2O3％～7％，呈鳞片状、土状或块状，白色、灰白色，有时也为浅黄或浅绿色；中、碱性环境中比较稳定，多为碎屑成因。
伊利石的形成除了必要的地球化学条件外, 与温度关系密切,探讨粘土矿物与煤变质关系, 重点应考虑伊利石的矿物学特征。
煤系地层中伊利石的成因大致有三种, 一是从物源区搬运来的原生沉积伊利石, 二是蒙脱石因钾离子富集而转变成伊利石, 三是由高岭石在碱性条件下于早期成岩作用阶段转变而成。
土力学 第二章 粘性土的物理化学性质
内容提要
本章主要讨论决定粘性土的宏观物理化学性 质的微观结构特征。主要包括：
键力的基本概念
粘土矿物颗粒的结晶结构
粘土颗粒的胶体化学性质
粘性土工程性质的利用和改良
粘性土特有的性质及成因
粘性土随着含水量的不同会呈现不同的 物理状态。
这种性质主要取决于粘粒粒组的含量与 粘粒的矿物成分。
电渗排水和电化学加固
电泳与电渗
在电场作用下，带有负电荷的粘土颗粒
向阳极移动，这种电动现象称为电泳。
水分子及水化阳离子向阴极移动，这种
电动现象称为电渗。
电渗排水和电化学加固
电渗排水
在渗透系数小于 10-6cm/s 的饱和软粘土地
层中开挖基坑或进行其它地下工程活动， 可以采用电渗排水的方法降低地下水位。
两个同性原子形成同一元素分子的联结
力称为共价键。
通过自由电子将原子或离子联结成金属
晶格的联结力为金属键。
总
结
离子键、共价键和金属键都属于主键。 主键的影响范围最小，约为 0.1~0.2μm ，
而其联结能最大，相当于 8.4 ～ 84J/kmol 。
分子键
分子键又称范德华（Van Der Waals）键
粘性土的各种工程性质（可塑性、压缩性、强度
等）主要受组成粘性土的粘土矿物的结晶结构特 征以及矿物颗粒与周围介质的相互作用所制约。
第一节 键力的基本概念
所谓键力是指组成粘土矿物的原子与原子
之间或分子与分子之间的一种联结力。
键力的类型：
化学键 分子键 氢键
化学键
原子与原子之间的联结称为化学键，也称
粘土颗粒在沉积过程中，除受重力作用外，
粘土矿物扫描电镜描述文字图片升级版
案例分析结果
粘土矿物扫描电镜描述文字图片升级版案例分析的背景和目的 粘土矿物扫描电镜描述文字图片升级版案例分析的方法和过程 粘土矿物扫描电镜描述文字图片升级版案例分析的结果和结论 粘土矿物扫描电镜描述文字图片升级版案例分析的应用和意义
扫描电镜观察
图像处理软件处理
文字描述补充
专家审核修改
粘土矿物扫描电镜描述文字图片升 级版案例分析
案例选择标准
代表性：选择的案例应具有代表性，能够反映粘土矿物扫描电镜描述文字图片升级版的典型特 点和应用范围。
实际应用：案例应具有实际应用价值，能够为相关领域的科研、生产或教学提供有益的参考和 借鉴。
矿物共生关系：不同矿物之间 的共生组合规律
矿物结晶度：粘土矿物的结晶 程度对性质的影响
晶体结构分析
粘土矿物晶体结构的特点
晶体结构与扫描电镜观察指标 的关系
粘土矿物晶体结构的分类与命 名
不同粘土矿物晶体结构的扫描 电镜观察指标
粘土矿物扫描电镜观察技巧
观察角度的选择
不同角度观察粘土矿物形态
观察粘土矿物内部结构
粘土矿物扫描电镜观察技巧适用于研究粘土矿物的形貌、结构和成分 观察技巧的应用有助于深入了解粘土矿物的形成过程和演化机制
通过观察技巧的应用，可以进一步探索粘土矿物在地质、环境和工程等领域的重要作用
掌握观察技巧对于提高粘土矿物研究领域的实验技术和研究水平具有重要意义
粘土矿物扫描电镜观察结果分析
观察结果整理
工作原理：电子束聚焦在样品表面并逐点扫描，收集样品发射的二次电子并转换为图像信 号
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3粘土矿物的结晶结构及基本特征3.1粘土矿物概念、类型及其结构化学特征粘土的本质是粘土矿物。
粘土矿物是细分散的含水的层状硅酸盐和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。
晶质含水层状硅酸盐矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等: 含水非晶质硅酸盐矿物有水铝英石、胶硅铁石等。
粘土矿物决定了整个粘土类或岩石的性质，它是最活泼的组分。
粘土矿物的晶体结构主要是由两个最基本结构单元组成，即硅氧四面体和铝氧八面体，并沿X轴方向发展。
四面体的中心是四价的硅Si4+，而四个二价的氧O2－分布于四面体的四个顶角，四面体的四个面均为等边三角形(如图3.1- (a))，有时四面体中的氧原子为氢氧原子所代替，四面体的底面落在同一平面上，以三个尖顶彼此连结，第四个尖顶均指向同一个方向，在平面上组成六角形网格状结构或链状结构(如图3.1- (b))，成为四面体层(片)。
八面体由六个氧或氢氧原子以等距排列而成，A13+(或Mg2＋)居于中心(如图3.2- ( a ))，八面体亦排列成层状态结构，成为八面体层(片)(如图3.2- (b))。
由于单位晶格的大小相近似，四面体层与八面体层很容易沿C轴叠合而成为统一的结构层，此结构层称为结构单位层，简称晶层，几个结构层组成晶胞。
四面体层与八面体层的不同组合堆叠重复，便构成了各种粘土矿物的不同层状结构。
由一个四面体层与一个八面体层重复堆叠的称为1:1型结构单位层(如高岭石等)，也称为二层型; 由两个四面体层间夹一个八面体层重复堆叠的称为2:1型结构单位层(如蒙脱石、伊利石等)，也称为三层型;在层状结构中，四面体层与八面体层间共用一个氧原子层，故四面体层与八面体层间的键力大，联结较强，但在1:1型或2:1型结构单位层间并不共用氧原子层，层间的联结较弱。
在高岭石类粘土矿物中，结构单位层间为O与HO(或OH与OH)相邻(如图3.3 )，堆叠时，在相邻两晶层之间，除了范德华(Van der waals)力增扩的静电能外，主要为表层(羟)基及氧原子之间的氢键力，将相邻两晶层紧密地结合起来，使水不易进入晶层之间。
即使有表面水合能撑开晶层，但不足以克服晶层间大的内聚力，几乎无阳离子交换(阳离子交换容量很小，其CEC值为3－15毫克当量/100克干土)和类质同象置换现象，其基本层是中性的。
同时，高岭石晶体基面间距(C轴间距或doo1值)小(约7.2 A )，没有容纳阳离子的地方，即晶层无阳离子存在。
高岭石晶体只有外表面，没有内表面，比表面积很小(一般远小于100m2/g )，被吸附的交换性阳离子(如Na＋、Ca2+等)仅存于高岭石矿物外表面，这对晶层水合无重要影响，所以高岭石是较稳定的非膨胀性粘土矿物，层间联结强，晶格活动性小，最活跃的表面是在晶体断口、破坏的及残缺部位的边缘部分，浸水后结构单位层间的距离（C轴间距或doo1值)不变，使高岭石膨胀性和压缩性都较小，但有较好的解理面。
蒙脱石类粘土矿物中的结构单位层间为O与O(如图3.4 )，相邻两晶层之间的联结力主要为范德华(Van der waals)力，层间联结极弱，易于拆开。
蒙脱石既有外表面，又有内表面，比表面积大(理论值为800m2／g左右)，其类质同象置换比较普遍，单位结构层内的阳离子(A13＋、Si 4＋)能被其它阳离子(Ca2+,Mg2+, Na＋)部分置换，一般发生于八面体中(高价阳离子被低价阳离子置换，如A13+被Mg2+置换，Mg2+被Na＋置换，有时A13+被Fe3＋或Fe2+置换)，也发生于四面体中(少量的Si 4＋被A13+)。
阳离子交换的结果，一方面是高价被低价置换后所造成的正电荷亏损，由吸附在晶体外表面和晶层间的可交换性阳离子(Ca2+, Mg2+,Na＋……)来中和平衡，另一方面是阳离子交换后引起的电荷不均匀，八面体层内的平衡电荷(33%)大于四面体层内的平衡电荷(15%)，即阳离子交换后的主要电荷在八面体上，可是它距层间阳离子远，吸引力弱，尤其是对水合阳离子更弱。
因此，层间可交换性的阳离子能自由地进出，为阳离子交换提供了十分有利的条件。
可见，吸附的交换性阳离子(如Na+ , Ca2+等)既存于蒙脱石晶体外表面，也充填于晶体内表面(晶层间)，故蒙脱石类粘土矿物的晶格活动性极大，其晶体基面间距(C轴间距或d001，值)和阳离子交换容量比高岭石大(蒙脱石类粘土矿物阳离子交换容量为70～130毫克当量/100克干土)，层间无氢键力，仅靠范德华(Van der waals)力联系，联系弱，所以能允许交换性阳离子带着大量水分子和其它极性分子进入晶层(结构层)之间，并将其沿着C轴推动，表现出极强的膨胀性和极高的压缩性。
蒙脱石内外表面能量具有不等价性，即表面的阳离子与一个外部表面相作用，而层间的阳离子与两个表面(内表面)相作用，结果使后者具有较多的配位数，以致使其电场应力减小及它们与其相互作用物质之间的连结减弱，因此，当蒙脱土类粘土矿物水化时，其层间阳离子的配位圈保持水分子的能力将比表面阳离子弱。
伊利石类粘土矿物与蒙脱石类粘土矿物同属于2:1型结构单位层，但在四面体层之间，于D层的六角形网眼之中央嵌有钾离子(K+ )(如图3.5 )。
伊利石阳离子交换容量比蒙脱石少，约1040毫克当量/100克干粘土，其阳离子交换主要发生在Si－O四面体晶片内(Si4+被A13+置换)，所以不均衡电荷也主要在四面体晶片内，距层间阳离子很近，当结构层中出现阳离子K+时，便被紧紧地吸附住，并恰好嵌在上下两个四面体晶片氧原子的六角形网眼中(K+离子半径约1.33A，两个四面体六角形网眼为1.34 A，上下两个为2×1.34 A)形成一种强键，致使水难以进入晶层间，不会引起晶层的膨胀，对水的活跃性只是在表面外部。
所以，伊利石属于非膨胀性粘土矿物，其晶格活动、膨胀性及压缩性均介于高岭石与蒙脱石之间。
绿泥石类粘土矿物类似于伊利石结构，即两个Si－O四面体片夹一个八面体片，不同之处是它多出一个氢氧镁石(水镁石)八面体片(如图3.6 )。
绿泥石的阳离子交换容量比蒙脱石少，近似于伊利石。
在绿泥石两个Si－O四面体片夹一个八面体片中，由于低价A13+置换高价Si4＋所造成的正电荷亏损，由其附加在晶层间的八面体晶片中的高价阳离子A13+置换低价阳离子Mg2+所赢得正电荷来平衡。
可见，绿泥石的晶层间联系力，除了范德华引力和水镁石八面体上OH原子形成的氢键外，就是阳离子交换后形成的静电力。
所以，绿泥石晶层一般不具有膨胀性。
在一定条件下，由一种形式的结构单位层，过渡为另一种形式的结构单位层，形成一类由两种或两种以上不同结构层，沿C轴方向相间成层堆叠组合成的晶体结构，具这类结构的矿物称为混层粘土矿物，有的称为间层粘土矿物或“混层矿物”。
这类矿物在地层中极为常见，分为有序和无序混层粘土，大多数是膨胀层与非膨胀层粘土相间混层。
除了平坦平行的基面外，所有粘上矿物都有不同发育程度的侧面断口的活化表面，微晶的角、棱部位，其能量的不平衡由符号相反的离子所补偿。
粘土矿物在结构方面的差异使它们与水及水溶液作用时的性质及表现截然不同。
由于粘土矿物表面存在有对水的“活化”吸附中心，所以在固相矿物颗粒与孔隙溶液的界面上便形成了一个水层，其性质既有别于自由的溶液，又不同于固相颗粒。
本实验制备的单一离子粘土矿物有Ca－高岭土、Na－高岭土、Ca－蒙脱土、Na－蒙脱土、标准Na－蒙脱土等，它们的部分性质汇总于表3.10。
3.2粘土矿物的微细结构及其理化特性上述粘土矿物结构化学特征是最基本的理想模型，实际上因粘土矿物晶体的缺陷带来的微细结构将影响其理化性质。
粘土矿物的实际晶体结构与理想模型之间的大多数偏差与下列几方面有关:（1）晶体结构中类质同像置换; (2)四面体和八面体晶格畸变；(3)四面体和八面体晶格在层中和层间相互叠置不规则。
1)粘土矿物的类质同像置换所谓类质同像，就是矿物晶体格架中一部分阳离子被另一部分阳离子置换后，矿物的晶体结构类型保持不变，只是晶格常数、化学成分和物化性质有所改变的现象。
类质同像在粘土矿物中，除了高岭石外，其它粘土矿物如伊利石簇、蒙脱石簇、绿泥石簇、混层粘土矿物等均广泛存在类质同像现象。
无论是四面体晶格，还是八面体晶格均如此。
粘土矿物类质同像置换的结果将导致:①异价阳离子置换后晶体结构的电荷中性被破坏和产生过剩负电荷；②矿物晶体格架中进入新的阳离子，即使这种阳离子的半径与被置换的阳离子很接近，也会引起四面体和八面体晶格几何大小的变化以及四面体阳离子位置的改变，即引起晶格常数的变化; ③类质同像置换引起粘土矿物结构层过剩电荷补偿阳离子的出现，这些补偿阳离子进入结构层之间的空间，分布于晶体边棱上，从根本上影响着粘土矿物的结构特征和物理一化学性质。
2)四面体和八面体晶格畸变八面体层阴离子晶格的畸变：层状硅酸盐的理想结构是假设八面体顶面的一些氧原子呈六角形网格。
实际上，几乎这些晶格的所有结构都变了形，并具有较为复杂的形状。
二八面体粘土矿物中八面体阴离子晶格畸变的主要原因是阳离子所占据的位置不平衡。
这种畸变是由八面体晶格中应力的不平均分布造成的。
该应力是由阳离子A13+的相同电荷相互排斥所引起的。
其结果是使八面体阴离子晶格中O－O, OH－OH和O－OH键的长度发生变形；八面体的公共晶棱受到挤压力而缩短到2.4～2.5A，而非共同的晶棱则相反，稍许伸长至2.8～2.9A。
个别八面体的变形引起所有八面体层结构骨架的畸变，其表现为: ①八面体顶面氧原子的规则正六角形格架被破坏，结果是理想八面体晶格ab面上氧原子的正六角形格架(如图3.7(a))转变成实际结构为复三角形的格架(如图3.7(b));②八面体层沿C轴压缩，而沿ab轴伸展; ③由于一些棱边缩短，另一些延长，充填八面体的上顶面和下底面相对于法线以相反方向旋转3～5º; ④类质同像也将引起八面体阴离子晶格畸变，如类质同像引起阳离子与阴离子之间的长度改变; ⑤具粗大层间阳离子K+的云母，其八面体层阴离子晶格的某些畸变，可能由于晶格的大小与四面体晶格的参数不相应，并缺少靠弯转使四面体缩短的条件之故; ⑥三八面体矿物，由于所有八面体的方位都被充填，其阴离子晶格的变形较轻。
四面体晶格畸变：从大量不同程度类质同像置换的层状硅酸盐结构的实测资料看出，四面体阳离子在结构中的位置可依的A13+含量而改变。
特别是当少量Si4+被Al3+置换时，四面体阳离子则从其几何中心移向四面体的底面而削弱其与顶端氧的相互联系。
当四面体中有相当数量的类质同像置换时，阳离子则移向相反方向，即向四面体的顶尖移动，说明其与基底氧的联系减弱，氧与离子补偿的联系则加强。
可以预料，当八面体中类质同像置换程度很高，而四面体中的置换并不大时，则八面体和四面体共顶点上阴离子价将出现严重的不饱和。