Глинени минерали: класификация, състав, свойства и приложения

2024 Автор: Henry Conors | [email protected]. Последно модифициран: 2024-02-12 04:01

Глинените минерали са водни алуминиеви филосиликати, понякога с различни примеси от желязо, магнезий, алкални и алкалоземни метали и други катиони, намиращи се върху или близо до някои планетарни повърхности.

Те се образуват в присъствието на вода и някога са били важни за възникването на живота, поради което много теории за абиогенезата ги включват в този процес. Те са важни съставки на почвите и са били полезни за хората от древни времена в селското стопанство и производството.

Образование

Глините образуват плоски шестоъгълни листове, подобни на слюди. Глинените минерали са често срещани продукти на изветряне (включително изветряне на фелдшпат) и нискотемпературни продукти на хидротермална промяна. Те са много разпространени в почвите, в дребнозърнести седиментни скали като шисти, калъпи и алевролити, както и в дребнозърнести метаморфни шисти и филити.

Функции

Глинените минерали обикновено са (но не непременно) ултрафини по размер. Те обикновено се считат за по-малко от 2 микрометра в стандартната класификация на размера на частиците, така че може да са необходими специални аналитични техники за идентифицирането и изследването им. Те включват дифракция на рентгенови лъчи, техники за дифракция на електрони, различни спектроскопски методи като Mössbauer спектроскопия, инфрачервена спектроскопия, Raman спектроскопия и SEM-EDS или автоматизирани минералогични процеси. Тези методи могат да бъдат допълнени от микроскопия на поляризирана светлина, традиционна техника, която установява фундаментални явления или петрологични взаимоотношения.

Разпространение

Като се има предвид нуждата от вода, глинестите минерали са относително редки в Слънчевата система, въпреки че са широко разпространени на Земята, където водата взаимодейства с други минерали и органична материя. Те също са открити на няколко места на Марс. Спектрографията потвърди присъствието им на астероиди и планетоиди, включително планетите джудже Церера и Темпел 1 и спътника на Юпитер Европа.

Класификация

Основните глинени минерали са включени в следните клъстери:

• Каолинова група, която включва минералите каолинит, дикит, халоазит и накрит (полиморфи на Al2Si2O5 (OH) 4). Някои източници включват групата каолинит-серпентин поради структурно сходство (Bailey1980).
• Смектитна група, която включва диоктаедрични смектити като монтморилонит, нонтронит и бейделит и триоктаедрични смектити като сапонит. През 2013 г. аналитичните тестове на марсохода Curiosity установиха резултати, съответстващи на наличието на минерали от смектитна глина на планетата Марс.
• Illite група, която включва глинени слюди. Илитът е единственият често срещан минерал в тази група.
• Хлоритната група включва широка гама от подобни минерали със значителни химически вариации.

Други видове

Има и други видове от тези минерали като сепиолит или атапулгит, глини с дълги водни канали, вътрешни по структура. Вариациите на смесена глина са подходящи за повечето от гореспоменатите групи. Подреждането се описва като произволно или редовно подреждане и допълнително се описва с термина "Reichweit", което означава "обхват" или "покритие" на немски. Литературните статии се отнасят например за поръчан илит-смектит R1. Този тип е включен в категорията ISISIS. R0, от друга страна, описва произволно подреждане. В допълнение към тях можете да намерите и други разширени типове подреждане (R3 и др.). Смесените глинести минерали, които са перфектни видове R1, често получават свои собствени имена. R1-поръчан хлорит-смектит е известен като корензит, R1 - илит-смектит - ректорит.

История на обучение

Познаването на природата на глината стана по-разбираемопрез 30-те години на миналия век с развитието на технологиите за дифракция на рентгенови лъчи, необходими за анализиране на молекулярната природа на глинените частици. Стандартизацията на терминологията се появява и през този период, като се обръща особено внимание на подобни думи, които доведоха до объркване като лист и равнина.

Като всички филосиликати, глинестите минерали се характеризират с двуизмерни листове от SiO4 ъглови тетраедри и/или AlO4 октаедри. Листовите блокове имат химичен състав (Al, Si) 3O4. Всеки силициев тетраедър споделя 3 от своите върхови кислородни атома с други тетраедри, образувайки шестоъгълна решетка в две измерения. Четвъртият връх не е споделен с друг тетраедър и всички тетраедри "сочат" в една и съща посока. Всички неразделени върхове са от една и съща страна на листа.

Структура

В глините тетраедричните листове винаги са свързани с октаедрични листове, образувани от малки катиони като алуминий или магнезий и координирани от шест кислородни атома. Самотният връх на тетраедричния лист също е част от едната страна на октаедра, но допълнителният кислороден атом се намира над пролуката в тетраедричния лист в центъра на шестте тетраедъра. Този кислороден атом е свързан с водородния атом, който образува ОН групата в глинената структура.

Глините могат да бъдат категоризирани според начина, по който тетраедричните и октаедричните листове са опаковани в слоеве. Ако всеки слой има само една тетраедрична и една октаедрична група, тогава той принадлежи към категорията 1:1. Алтернатива, известна като глина 2:1, има два тетраедрични листа снеразделният връх на всеки от тях, насочен един към друг и образуващ всяка страна на осмоъгълния лист.

Връзката между тетраедричния и октаедричния лист изисква тетраедричният лист да стане гофриран или усукан, причинявайки дитригонално изкривяване на шестоъгълната матрица и октаедричният лист да се сплесква. Това свежда до минимум общото валентно изкривяване на кристалита.

В зависимост от състава на тетраедричния и октаедричния лист, слоят няма да има заряд или ще има отрицателен заряд. Ако слоевете са заредени, този заряд се балансира от междинни катиони като Na+ или K+. Във всеки случай междинният слой може също да съдържа вода. Кристалната структура се формира от купчина слоеве, разположени между други слоеве.

Химия на глина

Тъй като повечето глини са направени от минерали, те имат висока биосъвместимост и интересни биологични свойства. Поради формата си на диск и заредените повърхности, глината взаимодейства с широк спектър от макромолекули като протеини, полимери, ДНК и т.н. Някои от приложенията на глините включват доставка на лекарства, тъканно инженерство и биопринтиране.

Химията на глината е приложна дисциплина по химия, която изучава химичните структури, свойствата и реакциите на глината, както и структурата и свойствата на глинените минерали. Това е интердисциплинарна област, включваща концепции и знания от неорганичното и структурнотохимия, физическа химия, химия на материалите, аналитична химия, органична химия, минералогия, геология и други.

Изучаването на химията (и физиката) на глините и структурата на глинените минерали е от голямо академично и промишлено значение, тъй като те са сред най-широко използваните промишлени минерали, използвани като суровини (керамика и др.), адсорбенти, катализатори и др.

Значението на науката

Уникалните свойства на почвените глинести минерали, като слоеста структура от нанометров мащаб, наличието на фиксирани и взаимозаменяеми заряди, способността да се адсорбират и задържат (интеркалират) молекули, способността да се образуват стабилни колоидни дисперсии, възможността за индивидуална повърхностна модификация и междуслойна химическа модификация, а други правят изучаването на химията на глината много важна и изключително разнообразна област на изследване.

Много различни области на познанието са повлияни от физикохимичното поведение на глинените минерали, от науки за околната среда до химическо инженерство, от керамика до управление на ядрените отпадъци.

Капацитетът им за катионен обмен (CEC) е от голямо значение за балансиране на най-разпространените катиони в почвата (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) и контрол на pH, което пряко влияе върху плодородието на почвата. Изучаването на глини (и минерали) също играе важна роля при справянето с Ca2+, който обикновено идва от сушата (речната вода) към моретата. Възможността за модифициране и контрол на състава и съдържанието на минералите предлага ценен инструмент в развитиетоселективни адсорбенти с различни приложения, като например създаването на химически сензори или почистващи препарати за замърсена вода. Тази наука също играе огромна роля в класификацията на глинените минерални групи.