第二章讲义粘土矿物和粘

几种主要粘土矿物的晶体构造
伊利石的单元晶层构造：也称为水云母。
伊利石也称为水云母，其 晶体构造和蒙脱石类似，主要 区别在于晶格取代作用多发生 在四面体中，铝原子取代四面 体的硅。晶格取代作用也可以 发生在八面体中，典型的是 Mg2+和Fe2+取代Al3+，其晶胞平 均负电荷比蒙脱石高，产生的 负电荷主要由K+来平衡。
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第二章粘土矿物和粘
概述
一．分散体系的种类 在自然界以及工农业生产中，常常遇到一种或几种物质分散在一中物质中
的分散体系。我们称被分散的物质为分散相，分散相颗粒所在的连续介体为分 散介质。例如钻井用的水基泥浆就是粘土、处理剂、有时还有加重剂等分散在 水中的分散体系。分散体系可以分为三类，见表2-1
几种主要粘土矿物的晶体构造
几种主要粘土矿物的晶体构造
海泡石族的单元晶层构造：
粘土矿物的电性
从电泳现象得到证明，粘土颗粒在水中通常带 有负电荷。粘土的电荷是使粘土具有一系列电化 学性质的基本原因，同时，对粘土的各种性质都 发生影响。
泥浆中粘土颗粒多数在悬浮体范围（0.1~2 微米），少数在溶液范围内（0.1微米~1毫微）， 泥浆是粘土—水的胶质悬浮体系，具有胶体和悬浮 体的性质。
概述
二、 胶体分散体系的基本性质 1.是不均匀分散体系（或称相分散体系） 所谓相，是指物理化学性质均匀的部分，相内
部是不存在物理界面的。均匀分散体系是由一相所 组成的单相体系，如溶液，在溶液里分子与离子和 分散介质之间是不存在物理界面的。
胶体分散体系则不然，由多相所组成，在胶体 颗粒和分散介质之间存在物理界面，为多相分散体 系。如泥浆中的粘土胶粒与水之间存在界面，改变 粘土—水界面的性质即可改变泥浆的性能。认识粘 土—水界面的性质对了解泥浆的本质有重要意义。
概述
2. 比表面积特大的分散体系
随着分散相颗粒的分散程度增大，颗粒变小，颗粒的 表面积（相界面积）增加很大，单位体积物质的总表面积 （称比面积）增加很大。
粘土矿物的晶体构造与性质
粘土作为钻井液的重要组成成分，其晶体构造 与性质对钻井酸性能有十分重要的影响。钻井过程 中井眼的稳定性、油气层的保护均与地层中粘土矿 物类型和特性密切相关。
粘 土 矿 物：含水的铝硅酸盐 粘土组成 非粘土矿物：石英、长石
胶 体 矿 物：氢氧化铁、蛋白石、 氢氧化铝等
粘土矿物颗粒直径较小，在水中具有一定的分 散性、带电性、水化性，可发生离子交换。
概述
3. 是不稳定的分散体系பைடு நூலகம்
因胶体系有巨大表面积引起的。物体表面的分子和内部 分子的处境不同，因而具有不同的能量（见图2-2）。
概述
用σ代表单位面积的表面能（称比表面能），⊿S代表 面积，总面积能=σ⊿S。热力学第二定理，体系表面能有 自发减小的倾向。表面能及其作用原理，在具有巨大界面 的高分散多相体系中具有根本性的意义。
粘土矿物的两种基本构造单元 (1)硅氧四面体与硅氧四面体晶片
粘土矿物的晶体构造与性质
(2)铝氧八面体与铝氧八面体晶片
粘土矿物的晶体构造与性质
(2)铝氧八面体与铝氧八面体晶片
粘土矿物的晶体构造与性质
(2)铝氧八面体与铝氧八面体晶片
几种主要粘土矿物的晶体构造
高岭石的单元晶层构造： 一层硅氧四面体品片和一层铝氧八面体晶片。
从上式可以看出，降低体系表面能有两条途径：一条 是缩小表面积；另一条是减小比表面能σ。前者引起一系 列的毛细管现象和胶态体系的聚结不稳定性，后者引起吸 附作用。
钻井液是粘土—水的胶质悬浮体系，分散在水中的粘 土细粒具有巨大的表面积，因此，它们亦有聚结以及吸附 作用，且都是自发地进行的，以使体系的表面积减小。
更为重要的是由于晶格取 代、带有较多负电荷，能吸 附等电量阳离子。水化阳离 子进人晶层，致使层间距增 加。所以，蒙脱石是膨胀型 粘土矿物，增加了其胶体活 性。其晶层所有表面，包括 内表面和外表面都可以进行 水化及阳离子交换。
几种主要粘土矿物的晶体构造
蒙脱石膨胀程度在很大程度上取决于交换性阳 离子的种类：
粘土矿物的晶体构造与性质
粘土矿物的化学组成：粘土中常见的粘土矿物有三种：高 岭石、蒙脱石(也叫微晶高岭石、胶岭石等)，伊利石(也称 水云母)。它们的化学组成见下表
矿物名称 高岭石 蒙脱石 伊利石
化学组成 Al4[Si4O10(OH)8 (Al2Mg3)(Si4O10)(OH)2. nH2O （K,Na,Ca2)m(Al,Mg)4(Si,Al)8O20(OH)4.nH2O
形成氢键，因而，晶层连 接紧密，晶层间距仅为 7.2×10-1nm，故高岭石分散 度低且性能比较稳定；同时， 几乎无晶格取代现象。故阳 离子交换容量小，水分不易 进人晶层中间，其水化性能 差，造浆性能不好。为非膨 胀类型的粘土矿物。
几种主要粘土矿物的晶体构造
蒙脱石的单元晶层构造：
晶层上下面皆为氧原子， 以分子间力连接，连接力弱， 水分子易进入，引起晶格膨 胀；
几种主要粘土矿物的晶体构造
伊利石的单元晶层构造
伊利石负电荷主要产生在四面体晶 片，离晶层表面近，K+与晶层的负电荷 之间的静电引力比氢键强，水也不易进 入晶层间；
另外，K+的大小刚好嵌入相邻晶层 间的氧原子网格形成的空穴中，起到连 接作用，周围有12个氧与它配位；因此， K+连接通常非常牢固，是不能交换的。 仅粘土颗粒外表面能发生离子交换，其 水化作用仅限于外表面。水化膨胀时， 其体积增加的程度比蒙脱石小得多。因 此，伊利石晶格不易膨胀。
高岭石：其氧化铝含量较高，氧化硅含量较低； 蒙脱石：氧化铝含量较低，氧化硅含量较高； 伊利石：含有较多的氧化钾。
粘土矿物的晶体构造与性质
粘土矿物的两种基本构造单元 (1)硅氧四面体与硅氧四面体晶片
粘土矿物的晶体构造与性质
粘土矿物的两种基本构造单元 (1)硅氧四面体与硅氧四面体晶片
粘土矿物的晶体构造与性质
被吸附的阳离子以钠离子为主的蒙脱石(称为钠 蒙脱石)，其膨胀压很大，晶体可以分散为细小的颗 粒，甚至可以变为单个的单元晶层。
若被吸附的阳离子以钙离子为主的蒙脱石（称 为钙蒙脱石），由于钙离子所带电荷较多，晶层之 间的作用力较强，矿物晶体膨胀性能较差。
当然，可通过离子交换使得不同类型的粘土相 互转化。