粘土矿物离子交换

1. 如何评价土壤阳离子交换量的数据

土壤阳离子交换量的影响因素有
胶体的类型；土壤质地；土壤ph值等。不同的粘专土矿物中含腐殖质属和2：1性粘土矿物较多，阳离子交换量较大。而含高岭石和氧化物的土壤盐离子交换量较小。这就是北方土壤保肥性能好的原因之一。交换量大也就是土壤能吸附和交换的阳离子容量大，对肥料的影响就不同了。我也总结不好。你还是找本土壤学、植物营养肥料学看看好了。
一般阳离子交换量直接反映了土壤的保肥、供肥性能和缓冲能力。交换量在>20cmol（+）/kg保肥力强的土壤；20~10cmol（+）/kg为保肥力中等的土壤；<10cmol（+）/kg为保肥力弱的土壤。

2. 黏土矿物为什么具有吸附性

因为黏土矿物晶体边缘带正电荷，阴离子基团可以靠静电引力吸附在黏土矿物的边回面上。介质中有答中性电解质存在时，无机阳离子可以在黏土矿物与阴离子型聚合物之间起“桥接”作用，使高聚物吸附在黏土矿物的表面上。

3. 简述土壤的组成成分.为什么土壤中的粘土矿物和有机物质能交换阳离子

(1)土壤是由固体、液体和气体三相共同组成的多相体系。土壤固相包括土壤矿物质(占土壤固体总重量的90%以上)、土壤有机质(占土壤固体总重量1%~10%，其中，可耕土壤中约占5%，且绝大部分在土壤表层);土壤液相指土壤中的水分及其水溶物;土壤气相指土壤中有无数的空隙充满空气，典型土壤约35%的体积是充满空气的。
(2)对粘土矿物:
①同晶替代。
②电离，如高岭土H或OH电离。高岭土:ZPC (zero point of charge) PH=5
对有机物质:带有羧酸根基团和其它碱性基因团。

4. 关于粘土和粘土矿物的概念

所谓粘土，在岩石学角度是指粘粒(粒径小于μm的颗粒)含量大于50%，具有粘结性和可塑性的土状岩石。粘土的主要组分是粘土矿物。所谓粘土矿物的概念并不十分固定，一般指作为岩石和土壤中粘粒主体的次生层状硅酸盐矿物和非晶质矿物;次生矿物是指原岩在风化作用中或其后的外生作用中新形成的矿物，不是原岩破碎后产生的碎屑矿物。从分类上看，粘土矿物几乎包括了各种结构类型的层状硅酸盐，但分布最广，意义最大的粘土矿物主要是高岭石族、埃洛石族、蒙脱石—皂石族、水云母族、坡缕石—海泡石族的矿物以及海绿石和鲕绿泥石等。据此，粘土矿物的基本定义为形成并稳定于表生风化条件下，具粘土粒级(小于2μm)的层状硅酸盐矿物的总称。

粘土或粘土矿物具有下列一些特殊的性质:

(1)吸水膨胀性:是指某些粘土矿物具有遇水膨胀的性质。表现为层状硅酸盐矿物通过层间(晶内)和晶间吸附水分子，能使体积胀大;

(2)分散性:在水介质中，粘土矿物的微粒会分散形成不易沉淀的悬浮液(即泥浆);

(3)可塑性:是指某些粘土矿物在遇水湿润的条件下具有可任意造型的性质。表现为以适量水调和后，在外力作用下能任意变形而不开裂，除去外力后能保持其形变;

(4)吸附性与离子交换性:是指粘土矿物颗粒具有吸附或交换吸附其他物质成分的性能。表现为粘土矿物层间(晶内)和颗粒表面能吸附介质中的离子或分子，当条件改变后，所吸附的离子或分子会改变，由新吸附的置换原有的，发生离子交换;

(5)触变性:粘土可以饱含大量水分仍保持其“固态”(不流动，表面好像硬的泥地面)，即形成所谓凝胶状态，但一经搅动或振动即变成溶液(泥浆)，这种性质，称触变性。滩涂、沼泽看起来像硬地，越踏越稀，直到使人下陷，即是粘土或含粘土的砂具有触变性的表现;

(6)烧结性与耐火性:是指粘土矿物在加热熔烧完全失水后，变成坚硬块体，失去的水再也不可能复得的性质。利用这一性质可用粘土烧制砖瓦和陶瓷。经烧结后的粘土矿物具有熔点高而耐高温烘烤的特性，许多粘土矿物都是制作耐火材料的原料。

由于以上特殊性质，使粘土矿物具有很大的地质意义和实用意义。

粘土矿物经常呈细分散状态，肉眼难以精确鉴定，必须借助于X射线衍射、热分析，电镜分析、各种谱学分析，并需进行各种化学试验和性能测试才能判别。粘土矿物的样品还需要进行各种复杂的处理才能作为上述测试的试样。以上内容，可在“粘土矿物学”课程中进一步学习。

5. 什么叫黏土的阳离子交换容量其大小与水化性能有何关系

不同土壤来的阳离子源交换量不同，主要影响因素：a,土壤胶体类型，不同类型的土壤胶体其阳离子交换量差异较大，例如，有机胶体>蒙脱石>水化云母>高岭石>含水氧化铁、铝。b,土壤质地越细，其阳离子交换量越高。c,对于实际的土壤而言，土壤黏土矿物的SiO2/R2O3比率越高，其交换量就越大。d,土壤溶液pH值，因为土壤胶体微粒表面的羟基（OH）的解离受介质pH值的影响，当介质pH值降低时，土壤胶体微粒表面所负电荷也减少，其阳离子交换量也降低；反之就增大。土壤阳离子交换量是影响土壤缓冲能力高低，也是评价土壤保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依据。

6. nm粘土矿物

粘土矿物中绿泥石、蛭石、蒙脱石以及由绿泥石晶层与蒙脱石或蛭石的2∶1型含水晶层构成的间层矿物都可具有1.4nm的X射线衍射峰，常统称其为1.4nm粘土矿物。1.4nm粘土矿物广泛存在于地表土壤、风化壳和河流、湖泊及海洋沉积物中，其中1.4nm间层矿物是热带、亚热带酸性土壤和温带、寒温带灰化土中常见的粘土矿物。1.4nm间层矿物是指由绿泥石晶层与2∶1型含水膨胀层交互连生所构成的不规则间层粘土矿物，其中2∶1型含水晶层可以是蒙脱石层，也可以是蛭石层（杨雅秀等，1994）。因此，1.4nm间层矿物可以由绿泥石与蒙脱石或蛭石形成，而蒙脱石和蛭石层间间距和电荷的差异，使与蒙脱石晶层或蛭石晶层形成的1.4nm间层矿物也有很大差异，尤其对土壤矿物形成演化、土壤发生发育和土壤性质产生不同的影响（徐凤琳等，1990）。近年来，有关学者对其进行了较深入的讨论，并将其称为1.4nm过渡矿物（贺纪正等，1993）。我国南方碳酸盐岩红色风化壳发育的土壤大多属酸性土壤，并有较突出的酸雨侵蚀和土质退化等问题，而不同的1.4nm粘土矿物对土壤性质和酸沉降等所带来的土壤环境影响是不同的，因此其已成为土壤矿物学领域的研究热点。然而，对环境问题较为突出的我国南方碳酸盐岩红色风化壳及其土壤中1.4nm粘土矿物的研究目前尚无较详细的工作。

1.1.4nm粘土矿物特征

在贵州碳酸盐岩红色风化壳72个样品的X射线衍射图谱中，有64个样品的图谱存在1.4nm衍射峰，说明1.4nm粘土矿物广泛存在于碳酸盐岩红色风化壳中，但它们究竟代表何种1.4nm粘土矿物仅从未经特殊处理的样品X射线图谱〔图3-1（A）、图3-2（A）〕难以区别。根据1.4nm粘土矿物的晶体结构特征和近年来的研究成果，对样品进行了进一步处理后再做X射线衍射分析，发现经甘油饱和处理后的所有样品的1.4nm衍射峰均未变化〔图3-1（B）、图3-2（B）〕，证明样品中不存在蒙脱石及其间层矿物。经钾饱和并加温至300℃和550℃处理，样品1.4nm衍射峰发生变化〔图3-1（B），图3-2（B）〕，并具有明显的分布规律。风化强度较弱的遵义石灰岩红色风化壳剖面样品经钾饱和处理后，1.4nm衍射峰消失。1.0nm衍射峰增强，并呈向低角度拖尾的不对称反射峰，0.7nm峰不变〔图3-2（B）〕，部分样品中还存在0.15nm的衍射峰（图3-2、样品ZC-03、ZC-01），这是较典型的蛭石X射线衍射特征，属二八面体型蛭石。风化强度较大的安顺白云岩红色风化壳剖面样品经钾饱和处理后，其1.4nm衍射峰不变，但加热至300℃和550℃，大部分样品中的1.4nm衍射峰消失，构成宽缓不对称的1.0nm衍射峰（图3-1，样品PS-7、PS-10），部分样品仅有微弱的不对称1.4nm衍射峰存在（图3-1，样品PS-1、PS-2），证明安顺白云岩红色风化壳剖面中的1.4nm粘土矿物主要是绿泥石/蛭石间层矿物及少量绿泥石。遵义石灰岩红色风化壳剖面中的蛭石红外光谱特征明显（图3-3，样品ZC-1、ZC-3、ZC-5、ZC-9），主要表现在高频区和中低频区。在高频区蛭石的红外吸收谱带表现出较缓的宽谱带，Mg-OH的伸缩振动和水分子的伸缩振动造成了3700～3200cm^-1之间的宽缓吸收带，中低频区（1000cm^-1附近）的强吸收带（图3-3，样品ZC-3、ZC-5、ZC-9）由结构中Si-Si键的伸缩振动造成。绿泥石/蛭石间层矿物的红外光谱特征（图3-3，样品PS-2、PS-7、PS-10）基本上继承了绿泥石和蛭石具有的吸收最大值特征，但由于红色风化壳中绿泥石/蛭石间层矿物和绿泥石常与高岭石、三水铝石等粘土矿物共生，其红外光谱特征常受这些矿物干扰，而被掩盖难以区分。

2.1.4nm间层矿物的环境意义

对红色风化壳粘土矿物系统的研究表明，1.4nm粘土矿物（绿泥石、蛭石和绿泥石/蛭石间层矿物）是贵州碳酸盐岩红色风化壳中粘土矿物的重要组成部分，其分布随成土环境和风化强度在剖面中呈明显的规律性变化，并对红色风化壳的物理化学性质产生明显影响，特别是1.4nm间层矿物对成土环境的敏感性和在粘土矿物演化中的重要地位，使贵州碳酸盐岩红色风化壳中1.4nm间层矿物的确认和共生粘土矿物的研究，具有十分重要的环境指示意义。

1）阳离子交换量（CEC）是红色风化壳土体的重要理化性质，对红粘土的工程地质性质影响很大，也是表层土壤保肥供肥性能的重要指标。贵州碳酸盐岩红色风化壳及其发育土壤中广泛存在的1.4nm粘土矿物，直接影响了红色风化壳及其表层土壤的理化性质（表3-1）。但究竟是哪一种矿物，如绿泥石、蛭石、蒙脱石，还是1.4nm间层矿物起着决定性作用呢?过去由于研究方法和思路上的局限，一直笼统的称为绿泥石或蒙脱石，从而影响到碳酸盐岩红色风化壳土体和土壤资源的评价与合理施肥以及土壤矿物形成演化等研究。我们的研究证实，这种土壤中的1.4nm矿物为蛭石和绿泥石/蛭石间层矿物及少量绿泥石。以蛭石为主要粘土矿物的红色风化壳土体及土壤具有较高的阳离子交换量，pH值大于6；绿泥石/蛭石间层矿物为主要粘土矿物的红色风化壳土体及其土壤阳离子交换量较低，pH值大多小于6，表层土壤属微酸或酸性土壤。

表3-1 碳酸盐岩红色风化壳剖面部分样品基本特征

2）碳酸盐岩红色风化壳的形成和演化经历了3个主要的风化成土地球化学阶段，即富硅铝脱钙镁阶段、富铁锰阶段和富铝脱硅阶段。这也是碳酸盐岩红色风化壳风化程度增强的过程。在不同的风化成土阶段，相应形成不同的1.4nm粘土矿物。由于1.4nm间层矿物具有对成土环境的敏感性特征，1.4nm间层矿物的大量出现，反映出碳酸盐岩红色风化壳已进入富铝脱硅的成土地球化学阶段并达到较高的风化程度。1.4nm间层矿物是湿热气候条件下，酸性富铝化成土地球化学环境的标志性矿物之一。

3）贵州是我国主要酸沉降地区，酸沉降所带来的土壤及环境酸化问题较为突出。土壤酸化是指土壤中氢离子和铝离子数量的增加，具体过程大致是：酸雨中的氢离子与土壤胶体表面吸附的盐基性离子进行交换反应而被吸附在土粒表面，被交换的盐基性离子随渗漏水淋失；土粒表面的氢离子又自发地与矿物晶格表面的铝反应，迅速转化成交换性铝。而不同粘土矿物组成的土壤对酸雨会表现出不同的缓冲能力，即对酸雨具有不同的敏感性特征。这种特征除受pH值、阳离子交换量和盐基饱和度影响外，主要受粘土矿物组合特征及其风化过程的影响。在某种程度上，土壤对酸雨的缓冲作用实际上是通过土壤矿物（特别是粘土矿物）的形成转化（风化）过程来体现的。贵州碳酸盐岩红色风化壳中1.4nm粘土矿物的形成和转化较好地体现了土壤矿物的形成转化（风化）在土壤缓冲酸雨过程中的重要作用。对于处于富铁锰成土阶段，风化程度较低，粘土矿物以蛭石和埃洛石为主的土壤对酸雨具有较强的缓冲能力，pH值保持在6以上，对酸雨不敏感。而处于富铝脱硅成土阶段，风化程度较高，粘土矿物以1.4nm间层矿物和高岭石为主的土壤对酸雨缓冲能力较弱，pH值多在5.5以下，对酸雨较敏感。因此，1.4nm间层矿物也是土壤对酸雨敏感性特征的重要指标之一。

7. 什么叫粘土矿物

粘土矿物
clay minerals

粘土和粘土岩中晶体一般小于2微米，主要是含水的铝、铁和镁的层状结构硅酸盐矿物。有的在其成分中还有某些碱金属或碱土金属存在。粘土矿物包括高岭石族矿物、蒙皂石、蛭石、粘土级云母、伊利石、海绿石、绿泥石和膨胀绿泥石以及有关的混层结构矿物，此外还包括具过渡性的层链状结构的坡缕石（凹凸棒石）和海泡石以及非晶质的水铝英石。除水铝英石外均属层状或层链状结构硅酸盐，因此粘土矿物可按层状结构硅酸盐矿物的分类来划分。
形态--粘土矿物的粒度细小，其大小和形态需用电子显微镜才能测定。多数粘土矿物如伊利石等呈鳞片状，结晶良好的高岭石则呈完整的假六方片状。少数粘土矿物呈管状（埃洛石）或纤维状（坡缕石和海泡石）。
性质--晶体结构与晶体化学特点决定了它们的如下一些性质。①离子交换性。具有吸着某些阳离子和阴离子并保持于交换状态的特性。一般交换性阳离子是Ca2+、Mg2+、H+、K+、(NH4)+、Na+，常见的交换性阴离子是(SO4)2-、CI-、(PO4)3-、（NO3）-。产生阳离子交换性的原因是破键和晶格内类质同象置换引起的不饱和电荷需要通过吸附阳离子而取得平衡。阴离子交换则是晶格外露羟基离子的交代作用。②粘土-水系统特点。粘土矿物中的水以吸附水、层间水和结构水的形式存在。结构水只有在高温下结构破坏时才失去，但是吸附水、层间水以及海泡石结构孔洞中的沸石水都是低温水，经低温（100～150℃）加热后就可脱出，同时象蒙皂石族矿物失水后还可以复水，这是一个重要的特点。粘土矿物与水的作用所产生的膨胀性、分散和凝聚性、粘性、触变性和可塑性等特点在工业上得到广泛应用。③粘土矿物与有机质的反应特点。有些粘土矿物与有机质反应形成有机复合体，改善了它的性能，扩大了应用范围，还可作为分析鉴定矿物的依据。此外，粘土矿物晶格内离子置换和层间水变化常影响光学性质的变化。蒙皂石族矿物中的铁、镁离子置换八面体中的铝，或者层间水分子的失去，都使折光率与双折射率增大。
成因--粘土矿物的形成方式有3种：①与风化作用有关。风化原岩的种类和介质条件如水、气候、地貌、植被和时间等因素决定了矿物种和保存与否。②热液和温泉水作用于围岩，可以形成粘土矿物的蚀变富集带。③由沉积作用、成岩作用生成粘土矿物。
用途--高岭土主要用作陶瓷原料、造纸的填料和涂层；主要由蒙脱石构成的膨润土用于作钻井泥浆、精炼石油的催化剂和漂白剂、铁矿球团的粘结剂和铸形砂粘合剂；凹凸棒石粘土和海泡石粘土是制造抗盐泥浆的优质原料、油脂的脱色剂和吸收剂。

8. 矿石中蒙脱石族矿物为什么具有阳离子交换性和晶格可膨胀性

蒙脱石族是以铝的含水硅酸盐为主体的一类粘土矿物，在晶体构造层间含水及一些交换阳离子，有较高的离子交换容量，所以具有阳离子交换性，并且具有较高的吸水膨胀能力。

9. 粘土矿物的种类及特点

土壤中最重要的粘土矿物，可以归纳为四个主要的类别：蒙脱石、高岭石、伊利石和蛭石。这些普通的黏粒类型的显著特征见表7—1。

蒙脱石是一种有膨胀晶格的粘土矿物，它具有内吸附面和外吸附面。它是三层黏粒，由一层Al氢氧化合物夹在两层Si氧化物之间而形成的。一个给定的黏土晶体由若干片这种三层分子所组成。片或层可以在它们之间被其他物质（例如水）所穿透，因此造成膨胀和收缩。正如其他2/1粘土矿物一样，内表面和外表面的负电荷来自四面体层中Al代Si和八面体层中二价阳离子（例如Mg）代Al的同晶置换。这些负电荷由交换性阳离子来满足。表7-1所显示的粘土矿物阳离子交换量的差异，部分地是由晶格中离子置换的程度不同造成的。

表7—1 四种普通粘土矿物的阳离子交换量和比表面积

（据Stevenson，1982）

黏粒上的其他电荷，是由于断键而在结晶边缘发展的，负和正的都有。负电荷来自暴露的OH基，它们随pH的变化而解离，称为“pH—决定”电荷，与由同晶置换而造成的固定电荷相对应。

伊利石黏粒也是三层型的，它们每个单位晶格的负电荷高于蒙脱石，K⁺离子处于相邻四面体层之间，被它们紧紧夹持，使之不收缩膨胀，或有机分子进入层间空隙，故称为“非膨胀2：1”粘土矿物。这些粘土矿物比膨胀类型的具有较低的阳离子交换量和比表面积。

高岭石是一种两层型粘土矿物，它是由Si氧化物和Al氢氧化合物互层而组成的。与蒙脱石和其他三层粘土矿物相反，其阳离子和阴离子交换性质主要来自颗粒边缘的不饱和键。高岭石的一个表层是由Al八面体位置中的OH组成的，它提供了吸附某些有机分子的特殊机会。

高岭石和其他粘土矿物断裂边缘上负电荷的来源，据认为是暴露的OH基质子（H⁺）的解离。这点是可能的，因为边缘的氧原子是与一个而不是两个Si或 Al原子相接触。推测四面体OH（与Si缔合的）中的H比八面体OH更易解离。可以想到，其解离程度强烈地取决于pH。

在黏粒边缘也可以有不连续的正电荷位置，特别是在低pH条件下，通过OH基的质子化（

OH₂+）产生的。

在自然状态下，粘土矿物是水化的。这种表面水较正常水排列不紧密（较有序），称为“类冰”结构。被吸附的离子在其表面上与水分子呈某种程度地缔合，它们本身成为水合的。水合和配位水分子在吸附反应中起着重要作用。

10. 粘土矿物的性质

晶体结构与晶体化学特点决定了它们的如下一些性质。①离子交换性。具有吸着某些阳离子和阴离子并保持于交换状态的特性。一般交换性阳离子是Ca2+、Mg2+、H+、K+、(NH4)+、Na+,常见的交换性阴离子是(SO4)2-、Cl-、(PO4)3-、(NO3)-。高岭石的阳离子交换容量最低,5～15毫克当量/100克；蒙脱石、蛭石的阳离子交换容量最高，100～150毫克当量/100克。产生阳离子交换性的原因是破键和晶格内类质同象置换引起的不饱和电荷需要通过吸附阳离子而取得平衡。阴离子交换则是晶格外露羟基离子的交代作用。②粘土－水系统特点。粘土矿物中的水以吸附水、层间水和结构水的形式存在。结构水只有在高温下结构破坏时才失去，但是吸附水、层间水以及海泡石结构孔洞中的沸石水都是低温水，经低温(100～150℃)加热后就可脱出，同时象蒙皂石族矿物失水后还可以复水，这是一个重要的特点。粘土矿物与水的作用所产生的膨胀性、分散和凝聚性、粘性、触变性和可塑性等特点在工业上得到广泛应用。③粘土矿物与有机质的反应特点。有些粘土矿物与有机质反应形成有机复合体，改善了它的性能，扩大了应用范围，还可作为分析鉴定矿物的依据。如蒙脱石中可交换的钙或钠被有机离子取代后形成有机复合体，使层间距离增大，从原有亲水疏油转变为亲油疏水，利用这种复合体可以制备润滑脂、油漆防沉剂和石油化工产品的添加剂。其他如蛭石、高岭石、埃洛石等也能与有机质形成复合体。此外，粘土矿物晶格内离子置换和层间水变化常影响光学性质的变化。蒙皂石族矿物中的铁、镁离子置换八面体中的铝，或者层间水分子的失去，都使折光率与双折射率增大。