粘土矿物和粘土胶体化学基础

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1、第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础本章要求重点掌握内容：1.几种粘土矿物的晶体构造特点及其水化性质。2.扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。3.胶体体系的基本概念。4.分散度、比表面的概念。5.聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。15概述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种物质中的分散体系。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泥浆中粘土颗粒多数在悬浮体范围（0.1~2微米），少数

2、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。概述是不稳定的分散体系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。从上式可以看出，

3、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。第一节粘土矿物的晶体构造与性质粘土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质。特点：粒度<5微米.成分：粘土矿物（蒙脱石等）+非粘土矿物（石英、长石等）+胶体矿物（蛋白石等）。粘土矿物：含水的层状及层—链状铝硅酸盐总称。特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部

4、结构—内部格子构造。19第一节粘土矿物的晶体构造与性质1.粘土矿物的分类：粘土矿物按两种晶片配合比例可分为1：1型（一层硅氧四面体晶片与一层铝氧八面体晶片相结合构成单元晶层）、2：1型（两层硅氧四面体晶片中间夹一层铝氧八面体晶片相结合单元晶层）、2：2型（硅氧四面体晶片与铝（镁）氧八面体晶片交替排列的四层晶片构成单元晶层）以及层链状结构。2.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粘土矿物的晶体构造与性质高岭石：其氧化铝含量较高，氧化硅含量较低；蒙脱石：氧化铝含

5、量较低，氧化硅含量较高；伊利石：含有较多的氧化钾。矿物名称化学组成高岭石Al4[Si4O10(OH)8蒙脱石(Al2Mg3)(Si4O10)(OH)2.nH2O伊利石（K,Na,Ca2)m(Al,Mg)4(Si,Al)8O20(OH)4.nH2O第一节粘土矿物的晶体构造与性质一、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片硅氧四面体由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点。图中：基底氧：四面体底面三个氧原子。顶端氧：四面体顶点一个氧原子。O-O距离：2.61埃。Si-O距离：1.61埃。——硅原

6、子——氧原子20硅氧四面体片单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连，构成平面连续的四面体晶格。四面体片特点：由SiO4彼此连接而成的Si4O10的无限重复的六方网格。所有基底氧排列在同一个平面上。所有顶端氧在另一个平面上。平面投影形成正六角形的三层空心六角环网格。四面体片在粘土中不能独立存在。——硅原子——氧原子Si4O10最小重复单元分子式212.铝氧八面体与铝氧八面体晶片铝氧（氢氧，Al—O(OH)）八面体铝原子处于正八面体中心，六个氧原子或氢氧原子处于八面体顶点。图中：O-O距离：2.60埃。OH-OH距离：2.94埃。——铝原

7、子——氢氧原子22铝氧（氢氧）八面体片单个八面体与相邻的八面体通过共用晶棱连接起来，顶端和底端氧原子则构成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接。两种八面体（片）二八面体——每三个八面体中心只有二个中心被Al3+、Fe3+占据（1/3空位）。三八面体——每三个八面体中心全被Mg2+、Fe2+充填（无空位）。——氢氧原子——铝原子Al4(OH)12最小重复单位分子式233.晶片的结合晶层四面体片和八面体片沿C轴按一定比例相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层。晶体许多单位晶层在C轴方向上按一定距离反复重

8、合而成。单位晶胞能代表晶体性质的单位层内最小物质组合。常以a、b轴范围表示其大