黏土-水系統(tǒng)膠體化學(xué)

1、第四節(jié)第四節(jié) 粘土粘土水系統(tǒng)膠體化學(xué)水系統(tǒng)膠體化學(xué)一一 粘土的荷電性粘土的荷電性v負電荷負電荷（1 1）負電性主要是由粘土晶格內(nèi)離子的）負電性主要是由粘土晶格內(nèi)離子的同晶置換同晶置換產(chǎn)生的產(chǎn)生的。蒙脫石：蒙脫石：AlO6中的中的Al3+Mg2+ SiO4Al3+ 伊利石：伊利石：SiO4中有中有1/6的的Si4+被被Al3+取代取代高嶺石：同晶置換很少，少量硅被高嶺石：同晶置換很少，少量硅被Al3+取代取代（2 2）吸附在粘土表面的）吸附在粘土表面的腐殖質(zhì)離解腐殖質(zhì)離解: :羧基和酚羧羧基和酚羧基的氫離解基的氫離解, ,與與PHPH值有關(guān)。值有關(guān)。（3 3）破鍵：破鍵：高嶺石結(jié)晶構(gòu)造斷裂而呈現(xiàn)

2、的活性邊表面高嶺石結(jié)晶構(gòu)造斷裂而呈現(xiàn)的活性邊表面上的破鍵是其帶電的主要原因。上的破鍵是其帶電的主要原因。2 2 兩性電荷兩性電荷 在膠體中，高嶺在膠體中，高嶺石隨介質(zhì)中的石隨介質(zhì)中的PHPH的變的變化而帶有不同的電荷，化而帶有不同的電荷，高嶺石結(jié)晶構(gòu)造斷裂高嶺石結(jié)晶構(gòu)造斷裂呈現(xiàn)呈現(xiàn)活性邊表面活性邊表面上的上的破鍵是其帶電的主要破鍵是其帶電的主要原因。原因。3 3 凈電荷凈電荷正負電荷的代數(shù)和（粘正負電荷的代數(shù)和（粘土帶負電荷）土帶負電荷）二二 粘土的離子吸附與交換粘土的離子吸附與交換1 1、定義與特點、定義與特點 粘土的陽離子交換粘土的陽離子交換：被粘土吸附的陽離子被溶液中濃度大、：被粘土吸附

3、的陽離子被溶液中濃度大、價數(shù)高的電性相同的離子所取代的現(xiàn)象。價數(shù)高的電性相同的離子所取代的現(xiàn)象。特點：特點：（1 1）同號離子相互交換且等當(dāng)電量交換；）同號離子相互交換且等當(dāng)電量交換；（2 2）交換不影響粘土本身結(jié)構(gòu)，但可能會影響）交換不影響粘土本身結(jié)構(gòu)，但可能會影響-電位；電位；（3 3）吸附與交換是可逆過程。）吸附與交換是可逆過程。2. 2. 粘土離子的陽離子交換容量（粘土離子的陽離子交換容量（c.e.cc.e.c） PH=7PH=7時，用時，用100g100g干粘土所吸附離子的毫克當(dāng)量干粘土所吸附離子的毫克當(dāng)量數(shù)來表示，反應(yīng)了數(shù)來表示，反應(yīng)了粘土帶電量和吸附量的大小粘土帶電量和吸附量的大

4、小。影響粘土陽離子交換容量的因素：影響粘土陽離子交換容量的因素：(1)(1)粘土的種類：蒙脫石伊利石高嶺土。粘土的種類：蒙脫石伊利石高嶺土。(2)(2)粘土的分散度：分散度越高，交換容量越大粘土的分散度：分散度越高，交換容量越大(3)(3)溶液的溶液的PHPH值：值：PHPH越大，陽離子交換容量越大。越大，陽離子交換容量越大。(4)(4)介質(zhì)的溫度：溫度越高，交換容量越小。介質(zhì)的溫度：溫度越高，交換容量越小。(5)(5)粘土礦物的結(jié)晶完整程度。粘土礦物的結(jié)晶完整程度。(6)(6)礦物表面有機質(zhì)：腐殖質(zhì)越多，交換容量越大。礦物表面有機質(zhì)：腐殖質(zhì)越多，交換容量越大。3、粘土的陽離子交換順序、粘土的

5、陽離子交換順序 （1 1）陽離子交換與吸附）陽離子交換與吸附 處在粘土膠團緊密層中的陽離子可以被溶液處在粘土膠團緊密層中的陽離子可以被溶液中的另外種類的陽離子所取代，其交換反應(yīng)如下：中的另外種類的陽離子所取代，其交換反應(yīng)如下：M+ M+ 粘土粘土M2+ M2+ -粘土粘土2M + （2 2）影響陽離子交換能力的因素）影響陽離子交換能力的因素吸附陽離子的價數(shù)：吸附陽離子的價數(shù)：陽離子的價數(shù)越高，陽離子陽離子的價數(shù)越高，陽離子交換能力越強，交換能力越強，M M3+3+MM2+2+MM+ +，相同濃度下，前者交相同濃度下，前者交換后者。換后者。水化半徑：水化半徑越大，交換能力越弱水化半徑：水化半徑越

6、大，交換能力越弱. . 水化半徑與水化膜厚度有關(guān)水化半徑與水化膜厚度有關(guān), ,水化膜厚度與離水化膜厚度與離子半徑有關(guān)。子半徑有關(guān)。對同價離子，半徑越小，水化膜越對同價離子，半徑越小，水化膜越厚厚，即水化半徑越大。如一價離子的水化膜厚度：，即水化半徑越大。如一價離子的水化膜厚度：Li+Na+K+ 根據(jù)離子價效應(yīng)及離子水化半徑，粘土的陽離根據(jù)離子價效應(yīng)及離子水化半徑，粘土的陽離子交換順序如下：子交換順序如下： H+Al3+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+注：注：三三 粘土膠體的電動性質(zhì)粘土膠體的電動性質(zhì)v膠團結(jié)構(gòu)膠團結(jié)構(gòu)v 溶膠的膠團結(jié)構(gòu)分為溶膠的膠團結(jié)構(gòu)分為膠核、膠粒及膠

7、團膠核、膠粒及膠團三個三個層次。以層次。以AgCl溶膠為例，當(dāng)用溶膠為例，當(dāng)用KCl與與AgNO3制備制備AgCl溶膠時，若溶膠時，若AgNO3是略微過量的，則若干是略微過量的，則若干個個AgCl粒子組成的固體微粒優(yōu)先吸附與其自身有粒子組成的固體微粒優(yōu)先吸附與其自身有相同元素的離子（相同元素的離子（Ag）而形成膠核。再按雙電）而形成膠核。再按雙電層結(jié)構(gòu)分別寫出膠粒與膠團部分，即層結(jié)構(gòu)分別寫出膠粒與膠團部分，即v膠粒帶正電荷。膠粒帶正電荷。 膠團膠粒膠核33mNONOAgAgClxxnnx但若制備但若制備AgCl時是采用時是采用KCl稍微過量，稍微過量，則其膠團結(jié)構(gòu)為膠粒帶負電荷。則其膠團結(jié)構(gòu)為

8、膠粒帶負電荷。膠粒帶負電荷。膠粒帶負電荷。v1 1）原因：）原因：v粘土晶粒表面上粘土晶粒表面上氧和氫氧基氧和氫氧基與靠近表面與靠近表面水分水分子子通過通過氫鍵氫鍵而鍵合；而鍵合；v粘土表面的負電荷在粘土附近存在一個靜電粘土表面的負電荷在粘土附近存在一個靜電場，使得極性分子定向排列；場，使得極性分子定向排列；v粘土表面吸附著水化陽離子。粘土表面吸附著水化陽離子。v 因此，粘土顆粒表面吸附著一層層定向排列的因此，粘土顆粒表面吸附著一層層定向排列的水分子層，極性分子依次重疊排列。水分子層，極性分子依次重疊排列。1 1 粘土與水的作用粘土與水的作用2 2）水的分類：水的分類： 可分為可分為牢固結(jié)合水

9、、牢固結(jié)合水、疏松結(jié)合水和自由疏松結(jié)合水和自由水。水。a. a. 粘土顆粒（膠核）粘土顆粒（膠核）吸附著完全定向排列吸附著完全定向排列的水分子層和水化陽的水分子層和水化陽離子，與膠核形成一離子，與膠核形成一個整體，一起在介質(zhì)個整體，一起在介質(zhì)中運動，這部分是膠中運動，這部分是膠粒。粒。b.b.在牢固結(jié)合水周圍在牢固結(jié)合水周圍一部分定向程度較差一部分定向程度較差的水。的水。 v（3 3）影響粘土結(jié)合水的因素：）影響粘土結(jié)合水的因素：v粘土的粘土的礦物組成礦物組成: :交換陽離子相同，蒙托石大交換陽離子相同，蒙托石大v粘土的粘土的分散度分散度；高嶺土有關(guān)；蒙托石無關(guān)高嶺土有關(guān)；蒙托石無關(guān)v粘土粘土

10、吸附陽離子的種類吸附陽離子的種類。 粘土吸附不同價的陽離子的結(jié)合水量通過實驗粘土吸附不同價的陽離子的結(jié)合水量通過實驗證明：（證明：（與陽離子交換序相反）與陽離子交換序相反）a. a. 粘土與粘土與一價一價陽離子的結(jié)合水量陽離子的結(jié)合水量 與與二價二價陽離子陽離子的結(jié)合水量的結(jié)合水量 與與三價陽離子三價陽離子的結(jié)合水量；的結(jié)合水量；b. b. 同價離子同價離子與粘土與粘土結(jié)合水量隨離子半徑增大結(jié)合水量隨離子半徑增大而而減減少少，如，如LiLi+ +- -粘土結(jié)合水量粘土結(jié)合水量NaNa+ +- -土結(jié)合水量土結(jié)合水量KK+ +- -土結(jié)合水量。土結(jié)合水量。v2 粘土膠體的電動電位粘土膠體的電動電

11、位(與陽離子交換序相反與陽離子交換序相反)電動電位（或電動電位（或-電位）電位）：吸附層與擴散層之間的電位差。：吸附層與擴散層之間的電位差。熱力學(xué)電位（或熱力學(xué)電位（或-電位）電位）：粘土質(zhì)點表面與擴散層之間的：粘土質(zhì)點表面與擴散層之間的總電位差?？傠娢徊?。 -電位電位-電位。電位。影響影響-電位大小的因素電位大小的因素陽離子濃度：陽離子濃度：介質(zhì)中陽離子濃度介質(zhì)中陽離子濃度-電位電位；濃度濃度吸附層中的陽離子向擴散層擴散吸附層中的陽離子向擴散層擴散擴散擴散層層-電位電位； 有機質(zhì)含量：有機質(zhì)含量：有機質(zhì)有機質(zhì)-電位電位，有機質(zhì)有機質(zhì)粘土表面負電荷粘土表面負電荷吸附陽離子量吸附陽離子量擴散層擴

12、散層-電位電位；-電位較高，粘土粒子之間能保持一定距離，電位較高，粘土粒子之間能保持一定距離，削弱和抵消了范德華引力從而提高泥漿和穩(wěn)定削弱和抵消了范德華引力從而提高泥漿和穩(wěn)定性。泥漿不易聚沉，具有流動性，性。泥漿不易聚沉，具有流動性，-電位須在電位須在-50mv以上以上影響粘土影響粘土-電位的因素：電位的因素：陽離子的電價、半徑和濃度陽離子的電價、半徑和濃度不同價陽離子飽和的粘土其不同價陽離子飽和的粘土其-電位順序：電位順序：M M+ +- -土土MM2+2+- -土土MM3+3+- -土，而同價離子飽和的粘土土，而同價離子飽和的粘土其其-電位隨離子半徑增大，電位隨離子半徑增大，-電位降低。電

13、位降低。腐殖質(zhì)含量越大，負電荷越腐殖質(zhì)含量越大，負電荷越多，多，-電位越大。電位越大。粘土的礦物組成。粘土的礦物組成。電解質(zhì)陰離子的作用。電解質(zhì)陰離子的作用。粘土膠粒形狀和大小、表面粘土膠粒形狀和大小、表面光滑程度。光滑程度。 泥漿膠溶：泥漿膠溶：加入適量電解質(zhì)，是泥漿的粘度顯著下降，加入適量電解質(zhì)，是泥漿的粘度顯著下降，粘土顆粒在泥漿中充分分散。粘土顆粒在泥漿中充分分散。絮凝：絮凝：繼續(xù)增加電解質(zhì)，粘土顆粒聚集，粘度增大。繼續(xù)增加電解質(zhì)，粘土顆粒聚集，粘度增大。泥漿膠溶的機理：拆開泥漿內(nèi)的邊面、邊邊結(jié)合方式泥漿膠溶的機理：拆開泥漿內(nèi)的邊面、邊邊結(jié)合方式使其轉(zhuǎn)變?yōu)槊婷娼Y(jié)合方式的過程。使其轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

14、面面結(jié)合方式的過程。v2 2 泥漿的流動性與穩(wěn)定性泥漿的流動性與穩(wěn)定性v（1 1）流動性的表示方法：用泥漿的粘度表示，即為）流動性的表示方法：用泥漿的粘度表示，即為粘度的倒數(shù)。粘度的倒數(shù)。 流動度：流動度：=1/=1/。v（2 2）泥漿膠溶泥漿膠溶須具備的條件（即提高泥漿流動性的須具備的條件（即提高泥漿流動性的方法）方法）介質(zhì)呈堿性介質(zhì)呈堿性；必須由必須由一價一價堿金屬離子交換粘土堿金屬離子交換粘土原吸附的離子原吸附的離子，使，使-電位增大。電位增大。陰離子的作用：陰離子的作用： A A、陰離子與原粘土上吸附的、陰離子與原粘土上吸附的CaCa2+2+、MgMg2+2+形成形成不可溶物不可溶物或

15、形成穩(wěn)定的或形成穩(wěn)定的絡(luò)合物絡(luò)合物； B B、聚合物陰離子在膠溶過程中的特殊作用（膠溶、聚合物陰離子在膠溶過程中的特殊作用（膠溶劑）。劑）。如圖v3 3、泥漿的觸變性、泥漿的觸變性 (-(-與陽離子交換序相同與陽離子交換序相同) )v（1 1）定義：在外力作用下，其流動性暫時增加，）定義：在外力作用下，其流動性暫時增加，外力消除后能緩慢可逆的恢復(fù)原來結(jié)構(gòu)的性能。外力消除后能緩慢可逆的恢復(fù)原來結(jié)構(gòu)的性能。（2 2）原因）原因: : 不完全膠溶。不完全膠溶。（3 3）影響觸變性的因素：）影響觸變性的因素：粘土泥漿含水量；粘土泥漿含水量；粘土的礦物組成；粘土的礦物組成；粘土膠粒的大小與形狀；粘土膠粒

16、的大小與形狀；電解質(zhì)的種類與數(shù)量電解質(zhì)的種類與數(shù)量 ( (與陽離子交換序相與陽離子交換序相同同) ) ； 粘土吸附陽離子價數(shù)愈小粘土吸附陽離子價數(shù)愈小, ,或價數(shù)相同離子或價數(shù)相同離子半徑愈小者，觸變效應(yīng)愈小半徑愈小者，觸變效應(yīng)愈小. .溫度的影響。溫度的影響。v4 4粘土的可塑性（粘土的可塑性（與陽離子交換序相同與陽離子交換序相同）（1 1）可塑性：泥團在外力作用下可塑成各種形）可塑性：泥團在外力作用下可塑成各種形狀，而外力解除后仍能保持這種形狀的性質(zhì)。狀，而外力解除后仍能保持這種形狀的性質(zhì)。v（3）可塑性的表示方法：）可塑性的表示方法：可塑性可塑性= =屈服值屈服值最大應(yīng)變最大應(yīng)變v屈服值：使泥團開始發(fā)生塑性形變所需的最低應(yīng)力值屈服值：使泥團開始發(fā)生塑性形變所需的最低應(yīng)力值(A(A點點) )。v最大應(yīng)變：應(yīng)力增大到使得泥團開裂時的應(yīng)變（最大應(yīng)變：應(yīng)力增大到使得泥團開裂時的應(yīng)變（B B）。）。v（4）影響因素：）影響因素：含水量：含水量：粘土在相當(dāng)狹窄的含水量范圍（粘土在相當(dāng)狹窄的含水量范圍（18%-25%18%-25%）內(nèi)才顯）內(nèi)才顯示可塑性。示可塑性。粘土顆粒粘土顆粒吸附陽離子吸附陽離子的影響：可塑性變化與陽離子交換順的影響：可塑性變化與陽離子交換順序相同。序相