粘土矿物的种类及特点

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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。

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