Введение

Финозернистые алюминиевые филлосиликаты — академический журнал.

Глинистые минералы — это гидратированные алюминиевые филлосиликаты (например, каолин, Al2Si2O5(OH)4), иногда содержащие переменное количество железа, магния, щелочных металлов, щелочноземельных металлов и других катионов, обнаруженных на или вблизи некоторых планетных поверхностей. Глинистые минералы формируются в присутствии воды и играли важную роль в возникновении жизни, поэтому многие теории абиогенеза связаны с ними. Они являются важными компонентами почв и с древних времен использовались человеком в сельском хозяйстве и производстве.

Свойства

Глина – это очень мелкозернистый геологический материал, который приобретает пластичность при увлажнении, но становится твердым, хрупким и непластичным при высыхании или обжиге. Это чрезвычайно распространенный материал, являющийся самой древней известной керамикой. Первобытные люди обнаружили полезные свойства глины и использовали её для изготовления гончарных изделий. Химия глины, включая её способность удерживать питательные катионы, такие как калий и аммоний, имеет важное значение для плодородия почвы. Поскольку отдельные частицы глины имеют размер менее …, их нельзя характеризовать обычными оптическими или физическими методами. Кристаллическая структура глинистых минералов стала лучше понятна в 1930-х годах благодаря развитию метода рентгеновской дифракции (XRD), незаменимого для расшифровки их кристаллической решетки. Было установлено, что частицы глины преимущественно состоят из слоистых силикатных (филлосиликатных) минералов, которые теперь объединяются в группу глинистых минералов. Их структура основана на плоских гексагональных слоях, аналогичных слоям группы минералов слюды. В этот период также произошла стандартизация терминологии, а также развитие различных спектроскопических методов, таких как спектроскопия Мёссбауэра, инфракрасная спектроскопия и SEM EDS или автоматизированная минералогия.

Возникновение

Глинистые минералы являются обычными продуктами выветривания (включая выветривание полевого шпата) и продуктами низкотемпературного гидротермального изменения. Глинистые минералы широко распространены в почвах, в мелкозернистых осадочных породах, таких как сланец, алевролит и глинистый сланец, а также в мелкозернистых метаморфических породах – сланце и филлите. Встречаются, в частности, в Эхус Часме, Марл Валлис, квадрангле Memnonia и квадрангле Elysium. Спектрография подтвердила их наличие на небесных телах, включая карликовую планету Цереру, астероид 101955 Бенну и комету Темпель 1, а также на спутнике Юпитера Европе.

Структура

Как и все филлосиликаты, глинистые минералы характеризуются двумерными слоями, в которых атомы кислорода разделяют грани тетраэдров |SiO4 или октаэдров |AlO4. Слои имеют химический состав |(Al, Si)3O4. Каждый тетраэдр кремнезема разделяет три своих вершинных иона кислорода с другими тетраэдрами, образуя гексагональный массив в двух измерениях. Четвертый ион кислорода не разделяется с другим тетраэдром, и все тетраэдры "ориентированы" в одном направлении, то есть все неразделенные ионы кислорода находятся на одной стороне слоя. Эти неразделенные ионы кислорода называются апикальными ионами кислорода. В глинах тетраэдрические слои всегда связаны с октаэдрическими слоями, образованными из небольших катионов, таких как алюминий или магний, координированными шестью атомами кислорода. Неразделенная вершина тетраэдрического слоя также образует часть одной стороны октаэдрического слоя, но дополнительный атом кислорода расположен над промежутком в тетраэдрическом слое в центре шести тетраэдров. Этот атом кислорода связан с атомом водорода, образуя группу OH в структуре глины. Глины можно классифицировать в зависимости от способа упаковки тетраэдрических и октаэдрических слоев в слои. Если в каждом слое присутствует только одна тетраэдрическая и одна октаэдрическая группа, глина известна как 1:1 глина. Альтернативный тип, известный как 2:1 глина, имеет два тетраэдрических слоя с неразделенной вершиной каждого слоя, направленной друг к другу и формирующей каждую сторону октаэдрического слоя. Связывание между тетраэдрическими и октаэдрическими слоями требует, чтобы тетраэдрический слой стал волнистым или скрученным, вызывая дитригональное искажение гексагонального массива, а октаэдрический слой выровнялся. Это минимизирует общее искажение валентности связи кристаллита. В зависимости от состава тетраэдрических и октаэдрических слоев слой может быть нейтральным по заряду или иметь чистый отрицательный заряд. Если слои заряжены, этот заряд компенсируется межслойными катионами, такими как Na+ или K+, или одиночным октаэдрическим слоем. Межслойное пространство также может содержать воду. Кристаллическая структура формируется из стопки слоев, разделенных межслойным пространством.

Классификация

Глинистые минералы могут быть классифицированы как 1:1 или 2:1. Глина 1:1 состоит из одного тетраэдрического слоя и одного октаэдрического слоя, примерами служат каолинит и серпентинит. Глина 2:1 состоит из октаэдрического слоя, расположенного между двумя тетраэдрическими слоями, примерами являются тальк, вермикулит и монтмориллонит. Слои в глинах 1:1 не имеют заряда и связаны водородными связями между слоями, в то время как слои 2:1 имеют чистый отрицательный заряд и могут быть связаны между собой либо отдельными катионами (такими как калий в иллите или натрий или кальций в смектитах), либо положительно заряженными октаэдрическими слоями (как в хлоритах). Некоторые источники включают каолинитовую группу серпентинов из-за структурного сходства. Группа иллитов, включающая глинистые слюды. Иллит – единственный широко распространенный минерал в этой группе. + Сводка критериев идентификации глинистых минералов – Справочные данные для идентификации глинистых минералов. Clay Kaolinite Dehydrated halloysite Hydrated halloysite Illite VermiculiteSmectiteChlorite X-ray rf(001) 77 10 10 10–14 10–18 14 Glycol (mg/g) 16 35 60 60 200 300 30 CEC (meq/100 g) 3 12 12 25 150 85 40 |K2O (%) 0 0 0 8–10 0 0 0 DTA End. 500–660° + Sharp* Exo. 900–975° Sharp То же, что и каолинит, но отношение наклона пика 600° > 2,5 То же, что и каолинит, но отношение наклона пика 600° > 2,5 End. 500–650° Broad. End. 800–900° Broad Exo. 950°0 End. 600–750° End. 900°. Exo. 950° End. 610 ± 10° или 720 ± 20°
Расстояние между слоями в нанометрах, определяемое рентгеновской кристаллографией. Гликоль (мг/г) – это адсорбционная способность гликоля, который занимает межслоевые позиции при воздействии глины на пар этиленгликоля в течение восьми часов. CEC – это катионно-обменная ёмкость глины. |K2O (%) – процентное содержание оксида калия в глине. DTA описывает кривую дифференциального термического анализа глины.

Глина и происхождение жизни

Гипотеза о происхождении жизни была предложена Грэмом Кэрнсом-Смитом в 1985 году. Она предполагает, что сложные органические молекулы постепенно образовались на ранее существовавших неорганических поверхностях, способных к репликации, – силикатных кристаллах, контактирующих с водным раствором. Показано, что глинистый минерал монтмориллионит катализирует полимеризацию РНК в водном растворе из нуклеотидных мономеров, а также формирование мембран из липидов. В 1998 году Хайман Хартман предположил, что "первые организмы представляли собой самовоспроизводящиеся глины, богатые железом, которые фиксировали углекислый газ в оксаловую кислоту и другие дикарбоновые кислоты. Эта система реплицирующихся глин и их метаболический фенотип затем эволюционировала в сульфидную зону горячего источника, приобретая способность к фиксации азота. В конечном счете, фосфат был включен в развивающуюся систему, что позволило синтезировать нуклеотиды и фосфолипиды."

Биомедицинские применения глины

Многогранность структуры и состава глинистых минералов обуславливает их интересные биологические свойства. Благодаря дисковидной форме и заряженным поверхностям, глина взаимодействует с широким спектром лекарственных препаратов, белков, полимеров, ДНК и других макромолекул. Некоторые области применения глин включают доставку лекарств, тканевую инженерию и биопечать.

Применение в растворах

Минералы глины могут быть включены в известково-метакаолиновые растворы для улучшения механических свойств. Электрохимическое разделение позволяет получить модифицированный сапонит, содержащий продукты с высокой концентрацией минералов группы смектитов, меньшим размером минеральных частиц, более компактной структурой и большей удельной поверхностью. Эти характеристики открывают возможности для производства высококачественной керамики и сорбентов тяжелых металлов из продуктов, содержащих сапонит. Кроме того, при подготовке сырья для керамики происходит доизмельчение отходов; переработка этих отходов важна для использования глинистого шлама в качестве нейтрализующего агента, так как для реакции требуются мелкие частицы. Эксперименты по нейтрализации гистозоля щелочным глинистым шламом показали, что нейтрализация до среднего pH 7,1 достигается при добавлении 30% шлама, а эффективность метода была подтверждена на опытном участке с многолетними травами. Более того, рекультивация нарушенных земель является неотъемлемой частью социальной и экологической ответственности горнодобывающей компании, и данный подход отвечает потребностям сообщества как на местном, так и на региональном уровнях.

Испытания, проверяющие наличие глиняных минералов

Результаты адсорбции гликоля, катионной обменной ёмкости, рентгенодифракционного анализа, дифференциального термического анализа и химических тестов предоставляют данные, которые могут быть использованы для количественных оценок. После определения содержания органического вещества, карбонатов, свободных оксидов и минералов, не относящихся к группе глин, процентное содержание глинистых минералов оценивается на основе соответствующих данных адсорбции гликоля, катионной обменной ёмкости, K2O и ДТА. Количество иллита оценивается по содержанию K2O, так как это единственный глинистый минерал, содержащий калий.

Глинистые породы

Глинистые породы – это породы, в которых глинистые минералы составляют значительную часть. Например, глинистые известняки – это известняки, состоящие преимущественно из карбоната кальция, но содержащие от 10 до 40% глинистых минералов: такие известняки, будучи мягкими, часто называют мергелями. Аналогично, глинистые песчаники, такие как грейвакк, – это песчаники, состоящие главным образом из кварцевых зерен, с пористым пространством, заполненным глинистыми минералами.