粘土礦物離子交換

1. 如何評價土壤陽離子交換量的數據

土壤陽離子交換量的影響因素有
膠體的類型；土壤質地；土壤ph值等。不同的粘專土礦物中含腐殖質屬和2：1性粘土礦物較多，陽離子交換量較大。而含高嶺石和氧化物的土壤鹽離子交換量較小。這就是北方土壤保肥性能好的原因之一。交換量大也就是土壤能吸附和交換的陽離子容量大，對肥料的影響就不同了。我也總結不好。你還是找本土壤學、植物營養肥料學看看好了。
一般陽離子交換量直接反映了土壤的保肥、供肥性能和緩沖能力。交換量在>20cmol（+）/kg保肥力強的土壤；20~10cmol（+）/kg為保肥力中等的土壤；<10cmol（+）/kg為保肥力弱的土壤。

2. 黏土礦物為什麼具有吸附性

因為黏土礦物晶體邊緣帶正電荷，陰離子基團可以靠靜電引力吸附在黏土礦物的邊回面上。介質中有答中性電解質存在時，無機陽離子可以在黏土礦物與陰離子型聚合物之間起“橋接”作用，使高聚物吸附在黏土礦物的表面上。

3. 簡述土壤的組成成分.為什麼土壤中的粘土礦物和有機物質能交換陽離子

(1)土壤是由固體、液體和氣體三相共同組成的多相體系。土壤固相包括土壤礦物質(占土壤固體總重量的90%以上)、土壤有機質(占土壤固體總重量1%~10%，其中，可耕土壤中約佔5%，且絕大部分在土壤表層);土壤液相指土壤中的水分及其水溶物;土壤氣相指土壤中有無數的空隙充滿空氣，典型土壤約35%的體積是充滿空氣的。
(2)對粘土礦物:
①同晶替代。
②電離，如高嶺土H或OH電離。高嶺土:ZPC (zero point of charge) PH=5
對有機物質:帶有羧酸根基團和其它鹼性基因團。

4. 關於粘土和粘土礦物的概念

所謂粘土，在岩石學角度是指粘粒(粒徑小於μm的顆粒)含量大於50%，具有粘結性和可塑性的土狀岩石。粘土的主要組分是粘土礦物。所謂粘土礦物的概念並不十分固定，一般指作為岩石和土壤中粘粒主體的次生層狀硅酸鹽礦物和非晶質礦物;次生礦物是指原岩在風化作用中或其後的外生作用中新形成的礦物，不是原岩破碎後產生的碎屑礦物。從分類上看，粘土礦物幾乎包括了各種結構類型的層狀硅酸鹽，但分布最廣，意義最大的粘土礦物主要是高嶺石族、埃洛石族、蒙脫石—皂石族、水雲母族、坡縷石—海泡石族的礦物以及海綠石和鮞綠泥石等。據此，粘土礦物的基本定義為形成並穩定於表生風化條件下，具粘土粒級(小於2μm)的層狀硅酸鹽礦物的總稱。

粘土或粘土礦物具有下列一些特殊的性質:

(1)吸水膨脹性:是指某些粘土礦物具有遇水膨脹的性質。表現為層狀硅酸鹽礦物通過層間(晶內)和晶間吸附水分子，能使體積脹大;

(2)分散性:在水介質中，粘土礦物的微粒會分散形成不易沉澱的懸浮液(即泥漿);

(3)可塑性:是指某些粘土礦物在遇水濕潤的條件下具有可任意造型的性質。表現為以適量水調和後，在外力作用下能任意變形而不開裂，除去外力後能保持其形變;

(4)吸附性與離子交換性:是指粘土礦物顆粒具有吸附或交換吸附其他物質成分的性能。表現為粘土礦物層間(晶內)和顆粒表面能吸附介質中的離子或分子，當條件改變後，所吸附的離子或分子會改變，由新吸附的置換原有的，發生離子交換;

(5)觸變性:粘土可以飽含大量水分仍保持其「固態」(不流動，表面好像硬的泥地面)，即形成所謂凝膠狀態，但一經攪動或振動即變成溶液(泥漿)，這種性質，稱觸變性。灘塗、沼澤看起來像硬地，越踏越稀，直到使人下陷，即是粘土或含粘土的砂具有觸變性的表現;

(6)燒結性與耐火性:是指粘土礦物在加熱熔燒完全失水後，變成堅硬塊體，失去的水再也不可能復得的性質。利用這一性質可用粘土燒制磚瓦和陶瓷。經燒結後的粘土礦物具有熔點高而耐高溫烘烤的特性，許多粘土礦物都是製作耐火材料的原料。

由於以上特殊性質，使粘土礦物具有很大的地質意義和實用意義。

粘土礦物經常呈細分散狀態，肉眼難以精確鑒定，必須藉助於X射線衍射、熱分析，電鏡分析、各種譜學分析，並需進行各種化學試驗和性能測試才能判別。粘土礦物的樣品還需要進行各種復雜的處理才能作為上述測試的試樣。以上內容，可在「粘土礦物學」課程中進一步學習。

5. 什麼叫黏土的陽離子交換容量其大小與水化性能有何關系

不同土壤來的陽離子源交換量不同，主要影響因素：a,土壤膠體類型，不同類型的土壤膠體其陽離子交換量差異較大，例如，有機膠體>蒙脫石>水化雲母>高嶺石>含水氧化鐵、鋁。b,土壤質地越細，其陽離子交換量越高。c,對於實際的土壤而言，土壤黏土礦物的SiO2/R2O3比率越高，其交換量就越大。d,土壤溶液pH值，因為土壤膠體微粒表面的羥基（OH）的解離受介質pH值的影響，當介質pH值降低時，土壤膠體微粒表面所負電荷也減少，其陽離子交換量也降低；反之就增大。土壤陽離子交換量是影響土壤緩沖能力高低，也是評價土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依據。

6. nm粘土礦物

粘土礦物中綠泥石、蛭石、蒙脫石以及由綠泥石晶層與蒙脫石或蛭石的2∶1型含水晶層構成的間層礦物都可具有1.4nm的X射線衍射峰，常統稱其為1.4nm粘土礦物。1.4nm粘土礦物廣泛存在於地表土壤、風化殼和河流、湖泊及海洋沉積物中，其中1.4nm間層礦物是熱帶、亞熱帶酸性土壤和溫帶、寒溫帶灰化土中常見的粘土礦物。1.4nm間層礦物是指由綠泥石晶層與2∶1型含水膨脹層交互連生所構成的不規則間層粘土礦物，其中2∶1型含水晶層可以是蒙脫石層，也可以是蛭石層（楊雅秀等，1994）。因此，1.4nm間層礦物可以由綠泥石與蒙脫石或蛭石形成，而蒙脫石和蛭石層間間距和電荷的差異，使與蒙脫石晶層或蛭石晶層形成的1.4nm間層礦物也有很大差異，尤其對土壤礦物形成演化、土壤發生發育和土壤性質產生不同的影響（徐鳳琳等，1990）。近年來，有關學者對其進行了較深入的討論，並將其稱為1.4nm過渡礦物（賀紀正等，1993）。我國南方碳酸鹽岩紅色風化殼發育的土壤大多屬酸性土壤，並有較突出的酸雨侵蝕和土質退化等問題，而不同的1.4nm粘土礦物對土壤性質和酸沉降等所帶來的土壤環境影響是不同的，因此其已成為土壤礦物學領域的研究熱點。然而，對環境問題較為突出的我國南方碳酸鹽岩紅色風化殼及其土壤中1.4nm粘土礦物的研究目前尚無較詳細的工作。

1.1.4nm粘土礦物特徵

在貴州碳酸鹽岩紅色風化殼72個樣品的X射線衍射圖譜中，有64個樣品的圖譜存在1.4nm衍射峰，說明1.4nm粘土礦物廣泛存在於碳酸鹽岩紅色風化殼中，但它們究竟代表何種1.4nm粘土礦物僅從未經特殊處理的樣品X射線圖譜〔圖3-1（A）、圖3-2（A）〕難以區別。根據1.4nm粘土礦物的晶體結構特徵和近年來的研究成果，對樣品進行了進一步處理後再做X射線衍射分析，發現經甘油飽和處理後的所有樣品的1.4nm衍射峰均未變化〔圖3-1（B）、圖3-2（B）〕，證明樣品中不存在蒙脫石及其間層礦物。經鉀飽和並加溫至300℃和550℃處理，樣品1.4nm衍射峰發生變化〔圖3-1（B），圖3-2（B）〕，並具有明顯的分布規律。風化強度較弱的遵義石灰岩紅色風化殼剖面樣品經鉀飽和處理後，1.4nm衍射峰消失。1.0nm衍射峰增強，並呈向低角度拖尾的不對稱反射峰，0.7nm峰不變〔圖3-2（B）〕，部分樣品中還存在0.15nm的衍射峰（圖3-2、樣品ZC-03、ZC-01），這是較典型的蛭石X射線衍射特徵，屬二八面體型蛭石。風化強度較大的安順白雲岩紅色風化殼剖面樣品經鉀飽和處理後，其1.4nm衍射峰不變，但加熱至300℃和550℃，大部分樣品中的1.4nm衍射峰消失，構成寬緩不對稱的1.0nm衍射峰（圖3-1，樣品PS-7、PS-10），部分樣品僅有微弱的不對稱1.4nm衍射峰存在（圖3-1，樣品PS-1、PS-2），證明安順白雲岩紅色風化殼剖面中的1.4nm粘土礦物主要是綠泥石/蛭石間層礦物及少量綠泥石。遵義石灰岩紅色風化殼剖面中的蛭石紅外光譜特徵明顯（圖3-3，樣品ZC-1、ZC-3、ZC-5、ZC-9），主要表現在高頻區和中低頻區。在高頻區蛭石的紅外吸收譜帶表現出較緩的寬譜帶，Mg-OH的伸縮振動和水分子的伸縮振動造成了3700～3200cm^-1之間的寬緩吸收帶，中低頻區（1000cm^-1附近）的強吸收帶（圖3-3，樣品ZC-3、ZC-5、ZC-9）由結構中Si-Si鍵的伸縮振動造成。綠泥石/蛭石間層礦物的紅外光譜特徵（圖3-3，樣品PS-2、PS-7、PS-10）基本上繼承了綠泥石和蛭石具有的吸收最大值特徵，但由於紅色風化殼中綠泥石/蛭石間層礦物和綠泥石常與高嶺石、三水鋁石等粘土礦物共生，其紅外光譜特徵常受這些礦物干擾，而被掩蓋難以區分。

2.1.4nm間層礦物的環境意義

對紅色風化殼粘土礦物系統的研究表明，1.4nm粘土礦物（綠泥石、蛭石和綠泥石/蛭石間層礦物）是貴州碳酸鹽岩紅色風化殼中粘土礦物的重要組成部分，其分布隨成土環境和風化強度在剖面中呈明顯的規律性變化，並對紅色風化殼的物理化學性質產生明顯影響，特別是1.4nm間層礦物對成土環境的敏感性和在粘土礦物演化中的重要地位，使貴州碳酸鹽岩紅色風化殼中1.4nm間層礦物的確認和共生粘土礦物的研究，具有十分重要的環境指示意義。

1）陽離子交換量（CEC）是紅色風化殼土體的重要理化性質，對紅粘土的工程地質性質影響很大，也是表層土壤保肥供肥性能的重要指標。貴州碳酸鹽岩紅色風化殼及其發育土壤中廣泛存在的1.4nm粘土礦物，直接影響了紅色風化殼及其表層土壤的理化性質（表3-1）。但究竟是哪一種礦物，如綠泥石、蛭石、蒙脫石，還是1.4nm間層礦物起著決定性作用呢?過去由於研究方法和思路上的局限，一直籠統的稱為綠泥石或蒙脫石，從而影響到碳酸鹽岩紅色風化殼土體和土壤資源的評價與合理施肥以及土壤礦物形成演化等研究。我們的研究證實，這種土壤中的1.4nm礦物為蛭石和綠泥石/蛭石間層礦物及少量綠泥石。以蛭石為主要粘土礦物的紅色風化殼土體及土壤具有較高的陽離子交換量，pH值大於6；綠泥石/蛭石間層礦物為主要粘土礦物的紅色風化殼土體及其土壤陽離子交換量較低，pH值大多小於6，表層土壤屬微酸或酸性土壤。

表3-1 碳酸鹽岩紅色風化殼剖面部分樣品基本特徵

2）碳酸鹽岩紅色風化殼的形成和演化經歷了3個主要的風化成土地球化學階段，即富硅鋁脫鈣鎂階段、富鐵錳階段和富鋁脫硅階段。這也是碳酸鹽岩紅色風化殼風化程度增強的過程。在不同的風化成土階段，相應形成不同的1.4nm粘土礦物。由於1.4nm間層礦物具有對成土環境的敏感性特徵，1.4nm間層礦物的大量出現，反映出碳酸鹽岩紅色風化殼已進入富鋁脫硅的成土地球化學階段並達到較高的風化程度。1.4nm間層礦物是濕熱氣候條件下，酸性富鋁化成土地球化學環境的標志性礦物之一。

3）貴州是我國主要酸沉降地區，酸沉降所帶來的土壤及環境酸化問題較為突出。土壤酸化是指土壤中氫離子和鋁離子數量的增加，具體過程大致是：酸雨中的氫離子與土壤膠體表面吸附的鹽基性離子進行交換反應而被吸附在土粒表面，被交換的鹽基性離子隨滲漏水淋失；土粒表面的氫離子又自發地與礦物晶格表面的鋁反應，迅速轉化成交換性鋁。而不同粘土礦物組成的土壤對酸雨會表現出不同的緩沖能力，即對酸雨具有不同的敏感性特徵。這種特徵除受pH值、陽離子交換量和鹽基飽和度影響外，主要受粘土礦物組合特徵及其風化過程的影響。在某種程度上，土壤對酸雨的緩沖作用實際上是通過土壤礦物（特別是粘土礦物）的形成轉化（風化）過程來體現的。貴州碳酸鹽岩紅色風化殼中1.4nm粘土礦物的形成和轉化較好地體現了土壤礦物的形成轉化（風化）在土壤緩沖酸雨過程中的重要作用。對於處於富鐵錳成土階段，風化程度較低，粘土礦物以蛭石和埃洛石為主的土壤對酸雨具有較強的緩沖能力，pH值保持在6以上，對酸雨不敏感。而處於富鋁脫硅成土階段，風化程度較高，粘土礦物以1.4nm間層礦物和高嶺石為主的土壤對酸雨緩沖能力較弱，pH值多在5.5以下，對酸雨較敏感。因此，1.4nm間層礦物也是土壤對酸雨敏感性特徵的重要指標之一。

7. 什麼叫粘土礦物

粘土礦物
clay minerals

粘土和粘土岩中晶體一般小於2微米，主要是含水的鋁、鐵和鎂的層狀結構硅酸鹽礦物。有的在其成分中還有某些鹼金屬或鹼土金屬存在。粘土礦物包括高嶺石族礦物、蒙皂石、蛭石、粘土級雲母、伊利石、海綠石、綠泥石和膨脹綠泥石以及有關的混層結構礦物，此外還包括具過渡性的層鏈狀結構的坡縷石（凹凸棒石）和海泡石以及非晶質的水鋁英石。除水鋁英石外均屬層狀或層鏈狀結構硅酸鹽，因此粘土礦物可按層狀結構硅酸鹽礦物的分類來劃分。
形態--粘土礦物的粒度細小，其大小和形態需用電子顯微鏡才能測定。多數粘土礦物如伊利石等呈鱗片狀，結晶良好的高嶺石則呈完整的假六方片狀。少數粘土礦物呈管狀（埃洛石）或纖維狀（坡縷石和海泡石）。
性質--晶體結構與晶體化學特點決定了它們的如下一些性質。①離子交換性。具有吸著某些陽離子和陰離子並保持於交換狀態的特性。一般交換性陽離子是Ca2+、Mg2+、H+、K+、(NH4)+、Na+，常見的交換性陰離子是(SO4)2-、CI-、(PO4)3-、（NO3）-。產生陽離子交換性的原因是破鍵和晶格內類質同象置換引起的不飽和電荷需要通過吸附陽離子而取得平衡。陰離子交換則是晶格外露羥基離子的交代作用。②粘土-水系統特點。粘土礦物中的水以吸附水、層間水和結構水的形式存在。結構水只有在高溫下結構破壞時才失去，但是吸附水、層間水以及海泡石結構孔洞中的沸石水都是低溫水，經低溫（100～150℃）加熱後就可脫出，同時象蒙皂石族礦物失水後還可以復水，這是一個重要的特點。粘土礦物與水的作用所產生的膨脹性、分散和凝聚性、粘性、觸變性和可塑性等特點在工業上得到廣泛應用。③粘土礦物與有機質的反應特點。有些粘土礦物與有機質反應形成有機復合體，改善了它的性能，擴大了應用范圍，還可作為分析鑒定礦物的依據。此外，粘土礦物晶格內離子置換和層間水變化常影響光學性質的變化。蒙皂石族礦物中的鐵、鎂離子置換八面體中的鋁，或者層間水分子的失去，都使折光率與雙折射率增大。
成因--粘土礦物的形成方式有3種：①與風化作用有關。風化原岩的種類和介質條件如水、氣候、地貌、植被和時間等因素決定了礦物種和保存與否。②熱液和溫泉水作用於圍岩，可以形成粘土礦物的蝕變富集帶。③由沉積作用、成岩作用生成粘土礦物。
用途--高嶺土主要用作陶瓷原料、造紙的填料和塗層；主要由蒙脫石構成的膨潤土用於作鑽井泥漿、精煉石油的催化劑和漂白劑、鐵礦球團的粘結劑和鑄形砂粘合劑；凹凸棒石粘土和海泡石粘土是製造抗鹽泥漿的優質原料、油脂的脫色劑和吸收劑。

8. 礦石中蒙脫石族礦物為什麼具有陽離子交換性和晶格可膨脹性

蒙脫石族是以鋁的含水硅酸鹽為主體的一類粘土礦物，在晶體構造層間含水及一些交換陽離子，有較高的離子交換容量，所以具有陽離子交換性，並且具有較高的吸水膨脹能力。

9. 粘土礦物的種類及特點

土壤中最重要的粘土礦物，可以歸納為四個主要的類別：蒙脫石、高嶺石、伊利石和蛭石。這些普通的黏粒類型的顯著特徵見表7—1。

蒙脫石是一種有膨脹晶格的粘土礦物，它具有內吸附面和外吸附面。它是三層黏粒，由一層Al氫氧化合物夾在兩層Si氧化物之間而形成的。一個給定的黏土晶體由若乾片這種三層分子所組成。片或層可以在它們之間被其他物質（例如水）所穿透，因此造成膨脹和收縮。正如其他2/1粘土礦物一樣，內表面和外表面的負電荷來自四面體層中Al代Si和八面體層中二價陽離子（例如Mg）代Al的同晶置換。這些負電荷由交換性陽離子來滿足。表7-1所顯示的粘土礦物陽離子交換量的差異，部分地是由晶格中離子置換的程度不同造成的。

表7—1 四種普通粘土礦物的陽離子交換量和比表面積

（據Stevenson，1982）

黏粒上的其他電荷，是由於斷鍵而在結晶邊緣發展的，負和正的都有。負電荷來自暴露的OH基，它們隨pH的變化而解離，稱為「pH—決定」電荷，與由同晶置換而造成的固定電荷相對應。

伊利石黏粒也是三層型的，它們每個單位晶格的負電荷高於蒙脫石，K⁺離子處於相鄰四面體層之間，被它們緊緊夾持，使之不收縮膨脹，或有機分子進入層間空隙，故稱為「非膨脹2：1」粘土礦物。這些粘土礦物比膨脹類型的具有較低的陽離子交換量和比表面積。

高嶺石是一種兩層型粘土礦物，它是由Si氧化物和Al氫氧化合物互層而組成的。與蒙脫石和其他三層粘土礦物相反，其陽離子和陰離子交換性質主要來自顆粒邊緣的不飽和鍵。高嶺石的一個表層是由Al八面體位置中的OH組成的，它提供了吸附某些有機分子的特殊機會。

高嶺石和其他粘土礦物斷裂邊緣上負電荷的來源，據認為是暴露的OH基質子（H⁺）的解離。這點是可能的，因為邊緣的氧原子是與一個而不是兩個Si或 Al原子相接觸。推測四面體OH（與Si締合的）中的H比八面體OH更易解離。可以想到，其解離程度強烈地取決於pH。

在黏粒邊緣也可以有不連續的正電荷位置，特別是在低pH條件下，通過OH基的質子化（

OH₂+）產生的。

在自然狀態下，粘土礦物是水化的。這種表面水較正常水排列不緊密（較有序），稱為「類冰」結構。被吸附的離子在其表面上與水分子呈某種程度地締合，它們本身成為水合的。水合和配位水分子在吸附反應中起著重要作用。

10. 粘土礦物的性質

晶體結構與晶體化學特點決定了它們的如下一些性質。①離子交換性。具有吸著某些陽離子和陰離子並保持於交換狀態的特性。一般交換性陽離子是Ca2+、Mg2+、H+、K+、(NH4)+、Na+,常見的交換性陰離子是(SO4)2-、Cl-、(PO4)3-、(NO3)-。高嶺石的陽離子交換容量最低,5～15毫克當量/100克；蒙脫石、蛭石的陽離子交換容量最高，100～150毫克當量/100克。產生陽離子交換性的原因是破鍵和晶格內類質同象置換引起的不飽和電荷需要通過吸附陽離子而取得平衡。陰離子交換則是晶格外露羥基離子的交代作用。②粘土－水系統特點。粘土礦物中的水以吸附水、層間水和結構水的形式存在。結構水只有在高溫下結構破壞時才失去，但是吸附水、層間水以及海泡石結構孔洞中的沸石水都是低溫水，經低溫(100～150℃)加熱後就可脫出，同時象蒙皂石族礦物失水後還可以復水，這是一個重要的特點。粘土礦物與水的作用所產生的膨脹性、分散和凝聚性、粘性、觸變性和可塑性等特點在工業上得到廣泛應用。③粘土礦物與有機質的反應特點。有些粘土礦物與有機質反應形成有機復合體，改善了它的性能，擴大了應用范圍，還可作為分析鑒定礦物的依據。如蒙脫石中可交換的鈣或鈉被有機離子取代後形成有機復合體，使層間距離增大，從原有親水疏油轉變為親油疏水，利用這種復合體可以制備潤滑脂、油漆防沉劑和石油化工產品的添加劑。其他如蛭石、高嶺石、埃洛石等也能與有機質形成復合體。此外，粘土礦物晶格內離子置換和層間水變化常影響光學性質的變化。蒙皂石族礦物中的鐵、鎂離子置換八面體中的鋁，或者層間水分子的失去，都使折光率與雙折射率增大。