黏土水系统胶体化学

1、第四节第四节 粘土粘土水系统胶体化学水系统胶体化学一一 粘土的荷电性粘土的荷电性1.1.负电荷负电荷（1 1）负电性主要是由粘土晶格内离子的）负电性主要是由粘土晶格内离子的同晶置换同晶置换产生的产生的。蒙脱石：蒙脱石：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+取代取代高岭石：同晶置换很少，少量硅被高岭石：同晶置换很少，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质离解腐殖质离解: :羧基和酚羧羧基和酚羧基的氢离解基的氢离解, ,与与PHPH值有关。值有关。（3 3）破键：破键：高岭石结晶构造断裂

2、而呈现的活性边表面高岭石结晶构造断裂而呈现的活性边表面上的破键是其带电的主要原因。上的破键是其带电的主要原因。2 2 两性电荷两性电荷 在胶体中，高岭在胶体中，高岭石随介质中的石随介质中的PHPH的变的变化而带有不同的电荷，化而带有不同的电荷，高岭石结晶构造断裂高岭石结晶构造断裂呈现呈现活性边表面活性边表面上的上的破键是其带电的主要破键是其带电的主要原因。原因。3 3 净电荷净电荷正负电荷的代数和（粘正负电荷的代数和（粘土带负电荷）土带负电荷）二二 粘土的离子吸附与交换粘土的离子吸附与交换1 1、定义与特点、定义与特点 粘土的阳离子交换粘土的阳离子交换：被粘土吸附的阳离子被溶液中浓度大、：被粘

3、土吸附的阳离子被溶液中浓度大、价数高的电性相同的离子所取代的现象。价数高的电性相同的离子所取代的现象。特点：特点：（1 1）同号离子相互交换且等当电量交换；）同号离子相互交换且等当电量交换；（2 2）交换不影响粘土本身结构，但可能会影响）交换不影响粘土本身结构，但可能会影响-电位；电位；（3 3）吸附与交换是可逆过程。）吸附与交换是可逆过程。2. 2. 粘土离子的阳离子交换容量（粘土离子的阳离子交换容量（c.e.cc.e.c） PH=7PH=7时，用时，用100g100g干粘土所吸附离子的毫克当量干粘土所吸附离子的毫克当量数来表示，反应了数来表示，反应了粘土带电量和吸附量的大小粘土带电量和吸附

4、量的大小。影响粘土阳离子交换容量的因素：影响粘土阳离子交换容量的因素：(1)(1)粘土的种类：蒙脱石伊利石高岭土。粘土的种类：蒙脱石伊利石高岭土。(2)(2)粘土的分散度：分散度越高，交换容量越大粘土的分散度：分散度越高，交换容量越大(3)(3)溶液的溶液的PHPH值：值：PHPH越大，阳离子交换容量越大。越大，阳离子交换容量越大。(4)(4)介质的温度：温度越高，交换容量越小。介质的温度：温度越高，交换容量越小。(5)(5)粘土矿物的结晶完整程度。粘土矿物的结晶完整程度。(6)(6)矿物表面有机质：腐殖质越多，交换容量越大。矿物表面有机质：腐殖质越多，交换容量越大。3、粘土的阳离子交换顺序、

5、粘土的阳离子交换顺序 （1 1）阳离子交换与吸附）阳离子交换与吸附 处在粘土胶团紧密层中的阳离子可以被溶液处在粘土胶团紧密层中的阳离子可以被溶液中的另外种类的阳离子所取代，其交换反应如下：中的另外种类的阳离子所取代，其交换反应如下：M+ M+ 粘土粘土M2+ M2+ -粘土粘土2M + （2 2）影响阳离子交换能力的因素）影响阳离子交换能力的因素吸附阳离子的价数：吸附阳离子的价数：阳离子的价数越高，阳离子阳离子的价数越高，阳离子交换能力越强，交换能力越强，M M3+3+MM2+2+MM+ +，相同浓度下，前者交相同浓度下，前者交换后者。换后者。水化半径：水化半径越大，交换能力越弱水化半径：水化

6、半径越大，交换能力越弱. . 水化半径与水化膜厚度有关水化半径与水化膜厚度有关, ,水化膜厚度与离水化膜厚度与离子半径有关。子半径有关。对同价离子，半径越小，水化膜越对同价离子，半径越小，水化膜越厚厚，即水化半径越大。如一价离子的水化膜厚度：，即水化半径越大。如一价离子的水化膜厚度：Li+Na+K+ 根据离子价效应及离子水化半径，粘土的阳离根据离子价效应及离子水化半径，粘土的阳离子交换顺序如下：子交换顺序如下： H+Al3+Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+注：注：三三 粘土胶体的电动性质粘土胶体的电动性质v胶团结构胶团结构v 溶胶的胶团结构分为溶胶的胶团结构分为胶核、胶

7、粒及胶团胶核、胶粒及胶团三个三个层次。以层次。以AgCl溶胶为例，当用溶胶为例，当用KCl与与AgNO3制备制备AgCl溶胶时，若溶胶时，若AgNO3是略微过量的，则若干是略微过量的，则若干个个AgCl粒子组成的固体微粒优先吸附与其自身有粒子组成的固体微粒优先吸附与其自身有相同元素的离子（相同元素的离子（Ag）而形成胶核。再按双电）而形成胶核。再按双电层结构分别写出胶粒与胶团部分，即层结构分别写出胶粒与胶团部分，即v胶粒带正电荷。胶粒带正电荷。 胶团胶粒胶核33mNONOAgAgClxxnnx但若制备但若制备AgCl时是采用时是采用KCl稍微过量，稍微过量，则其胶团结构为胶粒带负电荷。则其胶团

8、结构为胶粒带负电荷。胶粒带负电荷。胶粒带负电荷。v1 1）原因：）原因：v粘土晶粒表面上粘土晶粒表面上氧和氢氧基氧和氢氧基与靠近表面与靠近表面水分水分子子通过通过氢键氢键而键合；而键合；v粘土表面的负电荷在粘土附近存在一个静电粘土表面的负电荷在粘土附近存在一个静电场，使得极性分子定向排列；场，使得极性分子定向排列；v粘土表面吸附着水化阳离子。粘土表面吸附着水化阳离子。v 因此，粘土颗粒表面吸附着一层层定向排列的因此，粘土颗粒表面吸附着一层层定向排列的水分子层，极性分子依次重叠排列。水分子层，极性分子依次重叠排列。1 1 粘土与水的作用粘土与水的作用2 2）水的分类：水的分类： 可分为可分为牢固

9、结合水、牢固结合水、疏松结合水和自由疏松结合水和自由水。水。a. a. 粘土颗粒（胶核）粘土颗粒（胶核）吸附着完全定向排列吸附着完全定向排列的水分子层和水化阳的水分子层和水化阳离子，与胶核形成一离子，与胶核形成一个整体，一起在介质个整体，一起在介质中运动，这部分是胶中运动，这部分是胶粒。粒。b.b.在牢固结合水周围在牢固结合水周围一部分定向程度较差一部分定向程度较差的水。的水。 v（3 3）影响粘土结合水的因素：）影响粘土结合水的因素：v粘土的粘土的矿物组成矿物组成: :交换阳离子相同，蒙托石大交换阳离子相同，蒙托石大v粘土的粘土的分散度分散度；高岭土有关；蒙托石无关高岭土有关；蒙托石无关v粘

10、土粘土吸附阳离子的种类吸附阳离子的种类。 粘土吸附不同价的阳离子的结合水量通过实验粘土吸附不同价的阳离子的结合水量通过实验证明：（证明：（与阳离子交换序相反）与阳离子交换序相反）a. a. 粘土与粘土与一价一价阳离子的结合水量阳离子的结合水量 与与二价二价阳离子阳离子的结合水量的结合水量 与与三价阳离子三价阳离子的结合水量；的结合水量；b. b. 同价离子同价离子与粘土与粘土结合水量随离子半径增大结合水量随离子半径增大而而减减少少，如，如LiLi+ +- -粘土结合水量粘土结合水量NaNa+ +- -土结合水量土结合水量KK+ +- -土结合水量。土结合水量。v2 粘土胶体的电动电位粘土胶体的

11、电动电位(与阳离子交换序相反与阳离子交换序相反)电动电位（或电动电位（或-电位）电位）：吸附层与扩散层之间的电位差。：吸附层与扩散层之间的电位差。热力学电位（或热力学电位（或-电位）电位）：粘土质点表面与扩散层之间的：粘土质点表面与扩散层之间的总电位差。总电位差。 -电位电位-电位。电位。影响影响-电位大小的因素电位大小的因素阳离子浓度：阳离子浓度：介质中阳离子浓度介质中阳离子浓度-电位电位；浓度浓度吸附层中的阳离子向扩散层扩散吸附层中的阳离子向扩散层扩散扩散扩散层层-电位电位； 有机质含量：有机质含量：有机质有机质-电位电位，有机质有机质粘土表面负电荷粘土表面负电荷吸附阳离子量吸附阳离子量扩

12、散层扩散层-电位电位；-电位较高，粘土粒子之间能保持一定距离，电位较高，粘土粒子之间能保持一定距离，削弱和抵消了范德华引力从而提高泥浆和稳定削弱和抵消了范德华引力从而提高泥浆和稳定性。泥浆不易聚沉，具有流动性，性。泥浆不易聚沉，具有流动性，-电位须在电位须在-50mv以上以上影响粘土影响粘土-电位的因素：电位的因素：阳离子的电价、半径和浓度阳离子的电价、半径和浓度不同价阳离子饱和的粘土其不同价阳离子饱和的粘土其-电位顺序：电位顺序：M M+ +- -土土MM2+2+- -土土MM3+3+- -土，而同价离子饱和的粘土土，而同价离子饱和的粘土其其-电位随离子半径增大，电位随离子半径增大，-电位降

13、低。电位降低。腐殖质含量越大，负电荷越腐殖质含量越大，负电荷越多，多，-电位越大。电位越大。粘土的矿物组成。粘土的矿物组成。电解质阴离子的作用。电解质阴离子的作用。粘土胶粒形状和大小、表面粘土胶粒形状和大小、表面光滑程度。光滑程度。 泥浆胶溶：泥浆胶溶：加入适量电解质，是泥浆的粘度显著下降，加入适量电解质，是泥浆的粘度显著下降，粘土颗粒在泥浆中充分分散。粘土颗粒在泥浆中充分分散。絮凝：絮凝：继续增加电解质，粘土颗粒聚集，粘度增大。继续增加电解质，粘土颗粒聚集，粘度增大。泥浆胶溶的机理：拆开泥浆内的边面、边边结合方式泥浆胶溶的机理：拆开泥浆内的边面、边边结合方式使其转变为面面结合方式的过程。使其

14、转变为面面结合方式的过程。v2 2 泥浆的流动性与稳定性泥浆的流动性与稳定性v（1 1）流动性的表示方法：用泥浆的粘度表示，即为）流动性的表示方法：用泥浆的粘度表示，即为粘度的倒数。粘度的倒数。 流动度：流动度：=1/=1/。v（2 2）泥浆胶溶泥浆胶溶须具备的条件（即提高泥浆流动性的须具备的条件（即提高泥浆流动性的方法）方法）介质呈碱性介质呈碱性；必须由必须由一价一价碱金属离子交换粘土碱金属离子交换粘土原吸附的离子原吸附的离子，使，使-电位增大。电位增大。阴离子的作用：阴离子的作用： A A、阴离子与原粘土上吸附的、阴离子与原粘土上吸附的CaCa2+2+、MgMg2+2+形成形成不可溶物不可

15、溶物或形成稳定的或形成稳定的络合物络合物； B B、聚合物阴离子在胶溶过程中的特殊作用、聚合物阴离子在胶溶过程中的特殊作用（胶溶（胶溶剂）。剂）。如图v3 3、泥浆的触变性、泥浆的触变性 (-(-与阳离子交换序相同与阳离子交换序相同) )v（1 1）定义：在外力作用下，其流动性暂时增加，）定义：在外力作用下，其流动性暂时增加，外力消除后能缓慢可逆的恢复原来结构的性能。外力消除后能缓慢可逆的恢复原来结构的性能。（2 2）原因）原因: : 不完全胶溶。不完全胶溶。（3 3）影响触变性的因素：）影响触变性的因素：粘土泥浆含水量；粘土泥浆含水量；粘土的矿物组成；粘土的矿物组成；粘土胶粒的大小与形状；粘

16、土胶粒的大小与形状；电解质的种类与数量电解质的种类与数量 ( (与阳离子交换序相与阳离子交换序相同同) ) ； 粘土吸附阳离子价数愈小粘土吸附阳离子价数愈小, ,或价数相同离子或价数相同离子半径愈小者，触变效应愈小半径愈小者，触变效应愈小. .温度的影响。温度的影响。v4 4粘土的可塑性（粘土的可塑性（与阳离子交换序相同与阳离子交换序相同）（1 1）可塑性：泥团在外力作用下可塑成各种形）可塑性：泥团在外力作用下可塑成各种形状，而外力解除后仍能保持这种形状的性质。状，而外力解除后仍能保持这种形状的性质。v（3）可塑性的表示方法：）可塑性的表示方法：可塑性可塑性= =屈服值屈服值最大应变最大应变v屈服值：使泥团开始发生塑性形变所需的最低应力值屈服值：使泥团开始发生塑性形变所需的最低应力值(A(A点点) )。v最大应变：应力增大到使得泥团开裂时的应变（最大应变：应力增大到使得泥团开裂时的应变（B B）。）。v（4）影响因素：）影响因素：含水量：含水量：粘土在相当狭窄的含水量范围（粘土在相当狭窄的含水量范围（18%18%-25%-25%）内才显）内才显示可塑性。示可塑性。粘土颗粒粘土颗粒吸附阳离子吸附阳离子的影响：可塑性变化与阳离子交换顺的影响：可塑性变化与阳离子交换顺序相同。序