第二章粘土矿物

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1、油田化学工程李志勇本课程学习要求及安排课堂教学内容分为两大部分，第一部分主要讲授油田化学的基础理论及共性部分，分三章：粘土矿物学、表面活性剂和水溶性聚合物。第二部分为油田化学分论，分别讲钻井化学、采油化学和集输化学。前面是理论基础，后边是应用。第二章粘土矿物及粘土化学基础目的要求：掌握粘土矿物的晶体构造和特点，以及常见的几种粘土矿物的性能特点。掌握粘土矿物的带电性、吸附性、膨胀性和与有机物的相互作用。重点：粘土矿物的晶体构造与性质。难点：扩散双电层理论。本章安排：本章是油田化学的理论基础，后续章节的现象解释都建立在此基础上，因此要求学生熟练掌握。第一节几种主要粘土矿物的

2、晶体结构和特点V粘土的定义V粘土矿物的基本构造V粘土矿物V粘土电荷种类及产生的原因粘土的定义通常认为粘土是由极细的粘土矿物组成，其颗粒小于2μm。在水中具有分散性、带电性和离子交换性。粘土矿物就是通常构成岩石和土壤细粒部分（<2μm）的主要成分的矿物。一般情况下粘土矿物‘’是细分散的、含水的层状构造硅酸岩矿物和层链状构造硅酸岩矿物及含水的非晶质硅酸岩矿物的总称。通过对粘土进行化学分析表明粘土主要含有氧化硅SiO、2氧化铝AlO和水，还含有少量的铁、碱金属和碱土金属。实23际上粘土矿物就是含水的铝硅酸盐。粘土矿物的基本构造基本构造单元基本构造单元片基本结构层组成各种粘土矿

3、物一、基本构造单元及基本构造单元片硅氧四面体铝氧八面体硅氧四面体由一个硅等距离地配上四个比它大得多的氧构成。底氧和顶氧。铝氧八面体由一个铝与六个氧（或羟基）配位而成。Si、O四面体堆积图四面体连接的透视示意图/硅氧四面体片四面体的平面投影图四面体晶片俯视图/硅氧四面体的六方网格结构八面体连接的透视图/铝氧八面体片铝氧八面体铝氧（羟基）粘土矿物的基本构造二、基本结构层粘土矿物的基本结构层（单位晶层）是由硅氧四面体片与铝氧八面体片按不同比例结合而成。1、1:1层型基本结构层由一个硅氧四面体片与一个铝氧八面体片结合而成，它是层状构造的硅铝酸盐粘土矿物最简单的晶体结构。五层原子

4、面：一层硅面，一层铝面和三层氧（或羟基）面；典型矿物：高龄石2、2:1层型基本结构层由两个硅氧四面体片夹着一个铝氧八面体片结合而成。七层原子面：一层铝面，两层硅面和四层氧（或羟基）面。典型矿物：蒙脱石引伸概念粘土矿物分别由上述两种基本结构层堆叠而成。层间域：当两个基本结构层重复堆叠时，相邻基本结构层之间的空间；粘土矿物的单位构造：基本结构层加上层间域；层间物：存在于层间域中的物质；若层间物为水时，则称为层间水，若层间域中有阳离子，则称为层间阳离子。粘土矿物粘土矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、坡缕石等。一、高岭石（Kaolinite）在高岭石的结构中，晶层的一面全部

5、由氧组成，另一面全部由羟基组成。晶层之间通过氢键紧密联结，水不易进入其中。晶格取代：硅氧四面体中的硅和铝氧八面体中的铝为其他原子（通常为低一价的金属原子）取代。晶格取代的结果，使晶体的电价产生不平衡。为了平衡电价，需在晶格表面结合一定数量的阳离子。为了平衡电价而结合的阳离子是可以互相交换的，称为可交换阳离子。很少晶格取代很少的可交换阳离子氢键非膨胀型粘土矿物很少的可交换阳离子粘土矿物二、蒙脱石（Montmorillonite）基本结构层是由两个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成，2:1层型粘土矿物硅氧四面体的顶氧均指向铝氧八面体，通过共用氧联结在一起。分子间力（不存在氢

6、键）膨胀型粘土矿物大量的晶格取代大量可交换阳离子蒙脱土的晶格取代主要发生在铝氧八面体片中，由铁或镁取代铝氧八面体中的铝。硅氧四面体中的硅很少被取代。晶格取代后，在晶体表面可结合各种可交换阳离子。可交换阳离子为钠钠蒙脱石可交换阳离子为钙钙蒙脱石三、伊利石（Illite）基本结构层是由两个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成，2:1层型粘土矿物。硅氧四面体的顶氧均指向铝氧八面体，通过共用氧联结在一起。与蒙脱石晶格取代主要发生在硅氧四面体片中，约有1/6的硅为不同之处铝所取代。可交换阳离子主要为钾离子。非膨胀型钾离子直径（0.266nm）与硅氧四面体片中的六方网格结粘土矿物构内

7、切圆直径（0.288nm）相近，使它易进入六方网格结构中而不易释出，所以晶层结合紧密，水不易进入其中。伊利石层间距比较稳定，一般为1.0nm。矿物名称晶型晶层间距/10-1-1nm层间引力阳离子交换容量/mmol·(100g粘土)高岭石1:17.2氢键力，引力强3~15蒙脱石2:19.6~40.0分子间力，引力弱70~130伊利石2:110静电力，引力强20~40四、绿泥石（Chlorite）基本结构层是由一层类似伊利石2:1层型的结构片与一层水镁石片组成。与其他2:1层型的粘土矿物相比，不同之处在于它的层间域为水镁石片所充填。水镁石片为