Глина минеральная - Clay mineral

Для академического журнала см. Минералы глины .
Оксфордская глина ( юрский период ) обнажена недалеко от Уэймута , Англия

Глинистые минералы представляют собой водные филлосиликаты алюминия , иногда с переменным количеством железа , магния , щелочных металлов , щелочноземельных металлов и других катионов, обнаруженных на некоторых планетных поверхностях или вблизи них .

Глинистые минералы образуются в присутствии воды и были важны для жизни, и многие теории абиогенеза включают их. Они являются важными составляющими почв и с древних времен были полезны людям в сельском хозяйстве и производстве .

Характеристики

Гексагональные листы глинистого минерала каолинита ( изображение СЭМ, увеличение 1340 ×)

Глина - это очень мелкозернистый геологический материал, который при намокании развивает пластичность , но становится твердым, хрупким и непластичным при сушке или обжиге . Это очень распространенный материал и самый старый из известных керамических материалов . Доисторические люди открыли полезные свойства глины и использовали ее для изготовления гончарных изделий . Химический состав глины, включая ее способность удерживать питательные катионы, такие как калий и аммоний , важен для плодородия почвы.

Поскольку отдельные частицы в глине имеют размер менее 4 микрометров (0,00016 дюйма), их нельзя охарактеризовать обычными оптическими или физическими методами. Кристаллографическая структура глинистых минералов стала лучше понятна в 1930-х годах с развитием техники дифракции рентгеновских лучей (XRD), необходимой для расшифровки их кристаллической решетки. Было обнаружено, что частицы глины представляют собой преимущественно листовые силикатные (филлосиликатные) минералы, которые теперь сгруппированы вместе как глинистые минералы. Их структура основана на плоских шестиугольных пластинах, подобных слоям минералов группы слюды . В этот период возникла и стандартизация терминологии, при этом особое внимание было уделено схожим словам, приводившим к путанице, таким как лист и плоскость.

Поскольку глинистые минералы обычно (но не обязательно) ультрамелкозернистые, для их идентификации и изучения требуются специальные аналитические методы. В дополнение к рентгеновской кристаллографии, они включают электронные дифракционные методы, различные спектроскопические методы , такие как мессбауэровской спектроскопии , инфракрасной спектроскопии , спектроскопии комбинационного рассеяния и SEM - EDS или автоматизированных минералогии процессов. Эти методы могут быть дополнены микроскопией в поляризованном свете , традиционным методом установления фундаментальных явлений или петрологических взаимосвязей.

Вхождение

Глинистые минералы являются обычными продуктами выветривания (включая выветривание полевого шпата ) и продуктами низкотемпературных гидротермальных изменений . Глинистые минералы очень распространены в почвах, в мелкозернистых осадочных породах, таких как сланцы , аргиллиты и алевролиты, а также в мелкозернистых метаморфических сланцах и филлитах .

Учитывая потребность в воде, глинистые минералы относительно редки в Солнечной системе , хотя они широко встречаются на Земле, где вода взаимодействует с другими минералами и органическими веществами . Глинистые минералы были обнаружены в нескольких местах на Марсе , в том числе Echus Chasma , Mawrth Vallis , в Memnonia четырехугольника и четырехугольника Elysium . Спектрография подтвердила их присутствие на астероидах, включая карликовые планеты Церера и Темпель 1 , а также спутник Юпитера Европа .

Состав

Вид на четырехгранную пластинчатую структуру глинистого минерала. Апикальные ионы кислорода окрашены в розовый цвет.

Как и все филлосиликаты, глинистые минералы характеризуются двумерными слоями SiO2, разделенными углами.
4тетраэдры или AlO
4октаэдры. Листовые агрегаты имеют химический состав (Al, Si)
3О
4. Каждый тетраэдр кремнезема разделяет три своих вершинных иона кислорода с другими тетраэдрами, образуя гексагональный массив в двух измерениях. Четвертый ион кислорода не является общим с другим тетраэдром, и все тетраэдры «указывают» в одном направлении; т.е. все неподеленные ионы кислорода находятся на одной стороне листа. Эти неподеленные ионы кислорода называются апикальными ионами кислорода.

В глинах тетраэдрические листы всегда связаны с октаэдрическими листами, образованными из небольших катионов, таких как алюминий или магний, и координируются шестью атомами кислорода. Неразделенная вершина тетраэдрического листа также образует часть одной стороны октаэдрического листа, но дополнительный атом кислорода расположен над зазором в тетраэдрическом листе в центре шести тетраэдров. Этот атом кислорода связан с атомом водорода, образуя группу ОН в структуре глины. Глины можно разделить на категории в зависимости от способа упаковки тетраэдрических и октаэдрических листов в слои . Если в каждом слое есть только одна тетраэдрическая и одна октаэдрическая группа, глина известна как глина 1: 1. Альтернатива, известная как глина 2: 1, имеет два тетраэдрических листа с неподеленными вершинами каждого листа, направленными друг к другу и образующими каждую сторону октаэдрического листа.

Соединение между тетраэдрическим и октаэдрическим листами требует, чтобы тетраэдрический лист стал гофрированным или скрученным, вызывая дитригональное искажение гексагонального массива, а октаэдрический лист уплощался. Это сводит к минимуму общие искажения валентных связей кристаллита.

В зависимости от состава тетраэдрических и октаэдрических листов слой не будет иметь заряда или будет иметь чистый отрицательный заряд. Если слои заряжены, этот заряд уравновешивается межслойными катионами, такими как Na + или K +, или одиночным октаэдрическим слоем. Промежуточный слой также может содержать воду. Кристаллическая структура сформирована из набора слоев, чередующихся с промежуточными слоями.

Классификация

Глинистые минералы можно классифицировать как 1: 1 или 2: 1. Глина 1: 1 будет состоять из одного тетраэдрического листа и одного октаэдрического листа, и примерами могут быть каолинит и серпентинит . Глина 2: 1 состоит из октаэдрического листа, зажатого между двумя тетраэдрическими листами, примерами являются тальк , вермикулит и монтмориллонит . Слои в глинах 1: 1 не заряжены и связаны водородными связями между слоями, но слои 2: 1 имеют общий отрицательный заряд и могут быть связаны вместе либо отдельными катионами (такими как калий в иллите или натрий или кальций в смектитах). или положительно заряженными октаэдрическими листами (как в хлоритах ).

К глинистым минералам относятся следующие группы:

  • Каолин группа , которая включает в себя минералы каолинит , дикит , галлуазит и накрит ( полиморфы из Al
    2    Si
    2    О
    5    (ОЙ)
    4    ).
  • Группа смектита, которая включает диоктаэдрические смектиты, такие как монтмориллонит , нонтронит и бейделлит, и триоктаэдрические смектиты, такие как сапонит . В 2013 году аналитические тесты марсохода Curiosity показали, что результаты соответствуют наличию смектитовых глинистых минералов на планете Марс .
  • Группа иллита, в которую входят глинистые слюды. Иллит - единственный распространенный минерал в этой группе.
  • Группа хлорита включает большое количество подобных минералов со значительными химическими вариациями.
  • Существуют и другие типы глины 2: 1, такие как палыгорскит (также известный как аттапульгит ) и сепиолит , глины с длинными водными каналами внутри их структуры.

Вариации смешанной глины существуют для большинства вышеперечисленных групп. Заказ описывается как случайный или регулярный порядок и далее описывается термином reichweite , что в переводе с немецкого означает диапазон или охват. Литературные статьи будут относиться, например, к упорядоченному иллит-смектиту R1. Этот тип может быть заказан по типу иллит-смектит-иллит-смектит (ISIS). R0, с другой стороны, описывает случайный порядок, также встречаются другие расширенные типы упорядочения (R3 и т. Д.). Смешанные глинистые минералы, которые являются идеальными типами R1, часто получают собственные названия. Упорядоченный хлорит-смектит R1 известен как коренсит, иллит-смектит R1 - ректорит.

Сводка критериев идентификации глинистых минералов - справочные данные для идентификации глинистых минералов
Глина Каолинит Обезвоженный галлуазит Гидратированный галлуазит Иллит Вермикулит Смектит Хлорит
Рентгеновский рф (001) 7 7 10 10 10–14 10–18 14
Гликоль (мг / г) 16 35 год 60 60 200 300 30
CEC (мэкв / 100 г) 3 12 12 25 150 85 40
K
2О (%)		 0 0 0 8-10 0 0 0
DTA Конец. 500-660 ° + Sharp * Exo. 900-975 ° острый То же, что и каолинит, но коэффициент наклона пика 600> 2,5 То же, что и каолинит, но коэффициент наклона пика 600 °> 2,5 Конец. 500-650 ° шир. Конец. 800-900 ° Широкий Exo. 950 ° 0 Конец. 600-750 ° Конец. 900 °. Экзо. 950 ° Конец. 610 ± 10 ° или 720 ± 20 °

X-ray rf (001) - это расстояние между слоями в нанометрах, определенное с помощью рентгеновской кристаллографии. Гликоль (мг / г) - это адсорбционная способность гликоля, который занимает промежуточные участки, когда глина подвергается воздействию пара этиленгликоля при 60 ° C (140 ° F) в течение восьми часов. CEC - катионообменная емкость глины. K
2О (%) - процентное содержание оксида калия в глине. ДТА описываеткривую дифференциального термического анализа глины.

Глина и истоки жизни

Этот раздел представляет собой отрывок из гипотезы абиогенеза § Глина . [ редактировать ]

Монтмориллонит , обильная глина , является катализатором полимеризации РНК и образования мембран из липидов. Модель происхождения жизни с использованием глины была предложена Александром Кэрнс-Смитом в 1985 году и исследована как вероятный механизм несколькими учеными. Гипотеза глины постулирует, что сложные органические молекулы постепенно возникали на ранее существовавших, неорганических поверхностях репликации кристаллов силиката в растворе.

В Политехническом институте Ренсселера исследования Джеймса Ферриса также подтвердили, что минералы монтмориллонитовой глины катализируют образование РНК в водном растворе, соединяя нуклеотиды с образованием более длинных цепей.

В 2007 году Барт Кар из Вашингтонского университета и его коллеги сообщили о своих экспериментах, в ходе которых проверялась идея о том, что кристаллы могут выступать в качестве источника передаваемой информации, используя кристаллы гидрофталата калия . «Материнские» кристаллы с дефектами раскалывались и использовались в качестве затравки для выращивания «дочерних» кристаллов из раствора. Затем они исследовали распределение дефектов в новых кристаллах и обнаружили, что дефекты материнских кристаллов были воспроизведены в дочерних кристаллах, но дочерние кристаллы также имели много дополнительных недостатков. Чтобы можно было наблюдать геноподобное поведение, количество наследований этих недостатков должно было превышать количество мутаций в последующих поколениях, но этого не произошло. Таким образом, Кар пришел к выводу, что кристаллы «недостаточно точны, чтобы хранить и передавать информацию от одного поколения к другому».

Биомедицинские применения глин

Структурное и структурное разнообразие глинистых минералов придает им интересные биологические свойства. Благодаря дискообразной и заряженной поверхности глина взаимодействует с рядом лекарств, белков, полимеров, ДНК или других макромолекул. Некоторые из применений глин включают доставку лекарств, тканевую инженерию и биопечать.

Применение строительного раствора

Минералы глины могут быть включены в известково-метакаолиновые растворы для улучшения механических свойств. Электрохимическое разделение позволяет получать модифицированные сапонитсодержащие продукты с высокими концентрациями минералов группы смектита, меньшим размером минеральных частиц, более компактной структурой и большей площадью поверхности. Эти характеристики открывают возможности для производства высококачественной керамики и сорбентов на основе тяжелых металлов из сапонитсодержащих продуктов. Кроме того, шлифование хвоста происходит во время подготовки сырья для керамики; такая переработка отходов имеет большое значение для использования глиняной пульпы в качестве нейтрализующего агента, поскольку для реакции требуются мелкие частицы. Эксперименты по нейтрализации гистозоля с помощью щелочной глинистой суспензии показали, что нейтрализация со средним уровнем pH 7,1 достигается при добавлении 30% целлюлозы, а экспериментальный участок с многолетними травами доказал эффективность этого метода. Более того, рекультивация нарушенных земель является неотъемлемой частью социальной и экологической ответственности горнодобывающей компании, и этот сценарий отвечает потребностям сообщества как на местном, так и на региональном уровнях.

Смотрите также

использованная литература