Введение

Смектит (; ; ) – это минеральная смесь различных слоистых силикатов (филлосиликатов), обладающих трехслойной структурой 2:1 (TOT) и относящихся к группе глинистых минералов. Смектиты преимущественно состоят из монтмориллонита, но часто содержат вторичные минералы, такие как кварц и кальцит.

Терминология

В глиняной минералогии смектит является синонимом монтмориллионита (который также является названием чистого глинистого минерала) для обозначения класса набухающих глин. Термин "смектит" обычно используется в Европе и Великобритании, а термин "монтмориллионит" – в Северной Америке, однако оба термина эквивалентны и могут использоваться взаимозаменяемо. В промышленных и коммерческих целях чаще всего используется термин "бентонит" вместо "смектита" или "монтмориллионита".

Минералогическая структура

Структура слоя 2:1 (TOT) состоит из двух тетраэдрических (T) слоев кремнезема (SiO2), электростатически связанных через центральный слой Al2O3 (гиббсит) или Fe2O3, имеющий октаэдрическую (O) структуру. Элементарные слои TOT не связаны между собой жестко, а разделены свободным пространством – межслойным пространством, содержащим гидратированные катионы и молекулы воды. Смектит способен набухать из-за обратимого включения воды и катионов в межслойное пространство. Слои TOT несут отрицательный заряд вследствие изоморфной замещения атомов Si(IV) на атомы Al(III) в двух внешних тетраэдрических слоях кремнезема, а также замещения атомов Al(III) или Fe(III) на катионы Mg2+ или Fe2+ во внутреннем октаэдрическом слое гиббсита. Поскольку заряд +4, обусловленный Si(IV) и обычно компенсируемый зарядом -4 от окружающих атомов кислорода, становится +3 при замещении Si(IV) на Al(III), возникает электрический дисбаланс: +3 −4 = −1. Избыток отрицательных зарядов в слое TOT должен компенсироваться присутствием положительных катионов в межслойном пространстве. Такое же рассуждение применимо и к центральному слою гиббсита элементарной единицы TOT, когда ион Al3+ замещается ионом Mg2+ в октаэдре гиббсита. Электрический дисбаланс: +2 −3 = −1.

Роль межслойных катионов в процессе отека

Основными катионами в межслойных пространствах смектитов являются Na+ и Ca2+. Катионы натрия обуславливают наибольшее набухание смектита, в то время как ионы кальция обладают меньшей способностью к набуханию. Кальциевый смектит имеет значительно меньшую способность к набуханию, чем натриевый смектит, но также менее склонен к усадке при высыхании. Степень гидратации катионов и соответствующие им гидратированные радиусы объясняют поведение набухания или усадки филлосиликатов. Другие катионы, такие как ионы Mg2+ и K+, проявляют еще более выраженный эффект: высокогидратированные ионы магния вызывают сильное набухание, как в вермикулите (полностью расширенное межслойное пространство), в то время как плохо гидратированные ионы калия приводят к коллапсу структуры, как в иллите (полностью сжатое межслойное пространство). Поскольку межслойное пространство смектитов более открыто и, следовательно, легче доступно для воды и катионов, смектиты обладают наибольшей ёмкостью обмена катионами (CEC) среди глинистых минералов, обычно встречающихся в почвах. Только более расширяемый вермикулит и некоторые редкие алюмосиликатные минералы (зеолиты) с внутренней канальной структурой могут демонстрировать более высокую ЦЭК, чем смектит.

Процесс формирования

Смектиты образуются в результате выветривания базальта, габбро и вулканического стекла, богатого кремнезёмом (например, пемзы, обсидиана, риолита, дацита). Многие смектиты формируются в вулканических гидротермальных системах (таких как системы гейзеров), где горячая вода, просачиваясь через пористую матрицу или трещины вулканического пепла (пемзы, поццоланы), растворяет большую часть аморфного кремнезёма (до 50 мас.% SiO2 может быть растворено), оставляя смектит на месте. Этот механизм ответственен за образование бентонитового месторождения (Serrata de Nijar) в Кабо-де-Гата, в юго-восточной части региона Альмерия в Андалусии (Испания). Бентонит Вайоминг MX 80 образовался аналогичным образом в крейдовый период, когда вулканический пепел выпадал во внутреннее море на территории американского континента. Высокопористый (с большой и легкодоступной удельной поверхностью) и очень реактивный вулканический пепел быстро реагировал с морской водой. В результате гидролиза кремнезёма большая часть кремнезёма растворялась в морской воде и выносилась из пепла, что приводило к образованию смектитов. Смектиты, обнаруженные во многих морских глинистых отложениях, часто формируются таким образом, как это происходит с ипрезианскими глинами, найденными в Бельгии и богатыми смектитами.

Промышленные применения

Смектиты широко используются в самых разнообразных промышленных областях. В строительстве они регулярно применяются в виде густой бентонитовой суспензии при разработке глубоких и узких траншей для поддержания стенок и предотвращения их обрушения. Они также используются в качестве бурового раствора. Смектиты, чаще известные как бентониты, рассматриваются в качестве буферных материалов и материалов для засыпки пространства вокруг высокоактивных радиоактивных отходов в глубоких геологических хранилищах. Смектиты также применяются в качестве добавки в краски или в качестве загустителя для различных составов.