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第二章粘土矿物演示文稿1页，共82页，星期二第一节第一节 粘土矿物的晶体构造粘土矿物的晶体构造 粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的两种基本构造单元几种主要粘土矿物的晶体构造几种主要粘土矿物的晶体构造2页，共82页，星期二1、硅氧四面体与硅氧四面体晶片、硅氧四面体与硅氧四面体晶片 硅氧四面体：有一个硅原子与四个氧原子，硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相等，其结构见右图上 硅氧面体晶片：指硅氧四面体网络硅氧四面体网络由硅氧四面体通过相临的氧原子连接而成，其立体结构见右下图一、一、粘土矿物的两种基本构造单元粘土矿物的两种基本构造单元3页，共82页，星期二 2、铝氧八面体与铝氧八面体晶片、铝氧八面体与铝氧八面体晶片 铝氧八面体：六个顶点为氢氧原子团，铝、铁或镁原子居于八面体中央(如右上图所示) 铝氧八面体晶片：多个铝氧八面体通过共用的O或OH连接而成的AL-O八面体网络4页，共82页，星期二3、晶片的结合、晶片的结合四面体晶片与八面体晶片以适当的方式结合，构成晶层1：1型晶层：由一个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶片构成OOHSi-OAl-O5页，共82页，星期二。

2：1型晶层：由两个硅氧四面体晶片与一个铝氧八面体晶 片构成，八面体片夹在四面体中间氧原子氧原子Si-OAl-OSi-O6页，共82页，星期二C晶层间距晶层间距C：一个晶层到相临晶层的垂直距离层间域：层间域：相邻晶层之间的空间层间物：层间物：层间域中的物质单位构造：单位构造：晶层+层间域4、晶体：、晶体：单元晶层面面堆叠在一起形成晶体7页，共82页，星期二1 1）晶格取代：）晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另外 阳离子所置换，产生过剩电荷的现象Si-O四面体：Al3+取代Si4+Al-O八面体： Mg2+、Fe2+取代Al3+ 粘土带 负负电荷二、几种主要粘土矿物的晶体构造二、几种主要粘土矿物的晶体构造1 1、基本概念、基本概念8页，共82页，星期二例例1 1：蒙脱石在不发生晶格取代时，其理想结构式为： Al4Si8O10 (OH)4.nH2O 蒙脱石的实际结构式为： (1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O9页，共82页，星期二例例2 2：伊利石在不发生晶格取代时，其理想结构式为： Al4（Si8O20）（OH）4 伊利石的实际结构式为： (K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)2010页，共82页，星期二。

2 2）阳离子交换容量（）阳离子交换容量（C.E.C)C.E.C) 定义：定义：分散介质PH=7时，100g粘土所能交换下来的阳离子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）说明：说明：C.E.C可用来表示粘土在水中带电性的多少，它与粘土的水化分散、吸附等性质密切相关11页，共82页，星期二3）造浆率）造浆率造浆率粘土的水化分散能力定义：定义：一吨干粘土所能配制粘度为 15mPa.s的钻 井液的体积数，m3/T说明：说明：12页，共82页，星期二2、几种常见粘土矿物的晶体构造几种常见粘土矿物的晶体构造高岭石晶体结构示意图（1 1）高岭石）高岭石13页，共82页，星期二高岭石特点高岭石特点A、1：1型粘土矿物B、几乎不存在晶格取代，负电量少C、晶层间引力以氢键为主，引力强，晶层间距C=7.2Si-OAl-OOHO14页，共82页，星期二问题：高岭石属非膨胀性粘土矿物，为什么？问题：高岭石属非膨胀性粘土矿物，为什么？ 答：答：高岭石上下相临的层面，一面为OH面，另一面为O面，而O与OH很容易形成氢键，层间引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层15页，共82页，星期二D D、C.E.CC.E.C低（低（3-15 mmol/100g3-15 mmol/100g土土) )在三种常见的粘土矿物中，高岭石的.E.C最低。

原因在于高岭石几乎不存在晶格取代，所以带负电荷很少，周围吸附的阳离子数目少，可发生交换的阳离子数目就更少了，所以C.E.C小造浆率低、造浆率低高岭石晶层间以氢键为主，引力较强，晶层间连接紧密，水分子不易进入晶层间，水化作用仅限于外表面，故水化分散能力差，造浆率低16页，共82页，星期二蒙脱石蒙脱石Al-OSi-OSi-OSi-OSi-OAl-O蒙脱石晶体结构示意图蒙脱石晶体结构示意图17页，共82页，星期二蒙脱石蒙脱石特点特点 A、2：1型粘土矿物型粘土矿物 B、存在晶格取代：、存在晶格取代：取代位置主要在AL-O八面体中，即AL3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，产生的负电荷由等量的Na+或Ca2+来平衡 C、晶层间引力以分子间力为主：、晶层间引力以分子间力为主：引力弱，晶层间距C=9.6- 4018页，共82页，星期二问题：蒙脱石问题：蒙脱石属膨胀型粘土矿物，为什么？属膨胀型粘土矿物，为什么？ 蒙脱石上下相临的层面皆为O面，晶层间引力以分子间力为主，层间引力较弱，水分子易进入晶层 蒙脱石由于晶格取代产生较多的负电荷，在它周围必然会吸附等电量的阳离子，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石膨胀。

19页，共82页，星期二D、C.E.C 大（大（70-130 mmol/100g土土) 、造浆率高、造浆率高 蒙脱石晶层间引力以分子间力为主，层间引力较弱，水分子易进入晶层，引起蒙脱石水化膨胀 蒙脱石负电荷多，吸附阳离子数量多，水化阳离子给粘土带来厚的水化膜，使蒙脱石水化膨胀 因为蒙脱石具有很强的水化膨胀能力，造浆率高，所以它是钻井泥浆的主要配浆材料原因在于蒙脱石存在晶格取代，所以带负电荷较多，周围吸附的阳离子数目较多，可发生交换的阳离子数目多，所以C.E.C大20页，共82页，星期二3）伊利石）伊利石 伊利石晶体结构示意图伊利石晶体结构示意图21页，共82页，星期二伊利石伊利石特点特点 Al-OSi-OSi-OK+A、2：1型粘土矿物型粘土矿物B、存在晶格取代，、存在晶格取代，取代位置主要在Si-O四面体中，且取代数目比蒙脱石多，产生的负电荷由等量的K+来平衡C、晶层间引力以静电力为主，、晶层间引力以静电力为主，引力强，晶层间距C=10Al-OSi-OSi-O22页，共82页，星期二 由于伊利石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，与吸附的K+产生很强的静电力，层间引力较强，水分子不易进入晶层. K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，周围有12个氧与它配伍，起到连接作用，把相邻晶层拉在一起，水分子不易进入晶层；问题：问题：伊利石伊利石属非膨胀型粘土矿物属非膨胀型粘土矿物, 为什么？为什么？23页，共82页，星期二。

D、C.E.C 大介于高岭石与蒙脱石之间（大介于高岭石与蒙脱石之间（20-40mmol/100g土土) 蒙脱石由于晶格取代作用产生的负电荷由K+来平衡，由于蒙脱石取代位置主要在Si-O四面体中，产生的负电荷离晶层表面近，故与K+产生很强的静电力， K+不易交换下来 K+的大小刚好嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，周围有12个氧与它配伍，因此， K+连接通常非常牢固，不易交换下来造浆率低、造浆率低24页，共82页，星期二一、粘土矿物电荷种类及产生原因一、粘土矿物电荷种类及产生原因1 1、永久负电荷、永久负电荷定义：定义：粘土在自然界形成时发生晶格取代作用所产生的负电荷说明：说明：这种负电荷的数量取决于晶格取带作用的多少，而不受pH值的影响因此，这种电荷被称为永久负电荷 第二节第二节 粘土的电性粘土的电性25页，共82页，星期二由于不同粘土矿物晶格取代情况不同，永久负电荷数量有很大差异，结果见下表：26页，共82页，星期二 2、可变负电荷、可变负电荷 定义：定义：随介质的pH值改变而改变的粘所带负电荷的数量 产生原因：产生原因：（1）解离：）解离：在粘土晶体端面上连接的OH基中的H在碱性或中性条件下解离，因而使粘土带上可变负电荷 Al-OH OH- Al-O- + H2O (2)吸附：吸附：粘土晶体的端面上吸附了某些阴离子，如：OH-、SiO3等，或吸附了有机阴离子聚电解质，如：PHP等。

27页，共82页，星期二 3、正电荷、正电荷 很多研究结果证明，当粘土介质的pH值低于9时，粘土晶体端面上带正电荷兹逊(PAThiessen)用电子显微镜照相观察到高岭石边角上吸附了负电性金溶胶，由此证明了粘土端面上带有正电荷28页，共82页，星期二 产生原因：产生原因：粘土中裸露在边缘上的铝氧八面体在酸性条 件下从介质中解离出OH-所致 Al-OH H+ Al+ + OH- 粘土晶体的净电荷数：粘土晶体的净电荷数：粘土的正电荷与负电荷的代数和由于粘土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘土一般都带负电荷29页，共82页，星期二二、粘土带电量及影响因素 如上所述，在粘土形成过程中，粘土一般带负电荷为了保持电中性，粘土必然从周围环境中吸附等量的阳离子当粘土放在水中时，这些阳离子可以被水中的其它阳离子所交换，故称为可交换性阳离子 可交换性阳离子越多，说明粘土所带的负电荷越多，因此，常用阳离子交换容量来表示粘土所带负电荷的多少30页，共82页，星期二1、三种常见粘土矿物的C.E.C矿物名称C.E.C高岭石3-15蒙脱石70-130伊利石20-40思考题：为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多， 而C.E.C却比蒙脱石小？31页，共82页，星期二。

2 2、粘土矿物带电量影响因素、粘土矿物带电量影响因素 粘土阳离子交换容量大小的因素有三：粘土矿物的本性，粘土的分散度和分散介质的酸碱度1）粘土矿物的本性 晶格取代的数量晶格取代的位置吸附阳离子类型32页，共82页，星期二2）粘土的分散度）粘土的分散度 结论：结论：对同种粘土矿物，分散度(或比表面)越大，C.E.C越大原因：原因：因而颗粒愈小，露在外面的氢氧根愈多，交换容量显著增加，蒙脱石的阳离子交换主要是由于晶格取代所产生的电荷，由于裸露的氢的解离所产生的负电荷所占比例很小，因而受分散度的影响较小而高岭石的阳离子交换主要是由于裸露的氢氧根中氢的解离产引起的，因而受分散度的影响较大33页，共82页，星期二粒径/m40-2010-54-21-0.50.5-0.250.25-0.10.1-0.05C.E.C2.42.63.63.83.95.49.5高岭石高岭石C.E.C与颗粒大小的关系与颗粒大小的关系34页，共82页，星期二3）PH值值在粘土矿物与分散度相同的条件下，PH ，C.E.C ,原因如下：吸附OH-：溶液中OH- ，吸附到粘土矿物边缘上的OH- ，可变负电荷 ， C.E.C 解离：在粘土晶体端面上连接的OH基中的H在碱性条件下解离，因而使粘土的可变负电荷增多。

Al-OH OH- Al-O- + H2O35页，共82页，星期二 常见粘土矿物带电性区别常见粘土矿物带电性区别矿物名称带电原因（主）电荷分布单位晶胞电荷数（个）C.E.Cmmol/1000g土高岭石解离边缘很小30-150蒙脱石晶格取代AL-O八面体0.25-0.6700-1300伊利石晶格取代SI-O四面体0.6-1200-40036页，共82页，星期二第三节 粘土的水化膨胀作用 一、定义：一、定义：粘土吸水后体积增大的性质二、粘土矿物的水分二、粘土矿物的水分 膨胀性是衡量粘土亲水性的指标粘土亲水性越强，吸水量越大，水化膨胀越厉害粘土矿物的水分按其存在的状态可以分为结晶水、吸附水和自由水等三种类 型 37页，共82页，星期二1)结晶水结晶水这种水是粘土矿物晶体构造 的一部分，只有温度高于300以上时，结晶受到破坏，这部分水才能释放出来2)吸附水吸附水由于分子间引力和静电引力，具有极性的水分子可以吸附到带电的粘土表面上，在粘土颗粒周围形成一层水化膜，这部分水随粘土颗粒一起运动，所以也称为束缚水38页，共82页，星期二。