Agyagásványok: osztályozás, összetétel, tulajdonságok és alkalmazások

2024 Szerző: Henry Conors | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-02-12 08:21

Az agyagásványok vizes alumínium-filoszilikátok, néha vas-, magnézium-, alkáli- és alkáliföldfém-szennyeződésekkel, valamint más kationokkal, amelyek egyes bolygófelületeken vagy azok közelében találhatók.

Víz jelenlétében keletkeznek, és egykor fontosak voltak az élet kialakulásához, ezért sok abiogenezis-elmélet bevonja őket ebbe a folyamatba. A talaj fontos alkotórészei, és ősidők óta hasznosak az emberek számára a mezőgazdaságban és a gyártásban.

Oktatás

Az agyagok a csillámhoz hasonló lapos hatszögletű lapokat képeznek. Az agyagásványok gyakori mállási termékek (beleértve a földpát mállást is) és a hidrotermikus változások alacsony hőmérsékletű termékei. Nagyon gyakoriak a talajban, a finomszemcsés üledékes kőzetekben, például palákban, iszapkövekben és aleurolitokban, valamint finomszemcsés metamorf palákban és filitekben.

Jellemzők

Az agyagásványok jellemzően (de nem feltétlenül) ultrafinom méretűek. Általában 2 mikrométernél kisebbnek tekintik őket a szabványos részecskeméret-besorolásban, ezért azonosításukhoz és tanulmányozásukhoz speciális analitikai technikákra lehet szükség. Ide tartozik a röntgendiffrakció, az elektrondiffrakciós technikák, a különféle spektroszkópiai módszerek, mint például a Mössbauer-spektroszkópia, az infravörös spektroszkópia, a Raman-spektroszkópia és a SEM-EDS, vagy az automatizált ásványtani eljárások. Ezeket a módszereket kiegészítheti a polarizált fénymikroszkópia, egy hagyományos technika, amely alapvető jelenségeket vagy kőzettani összefüggéseket állapít meg.

Terjesztés

Tekintettel a vízszükségletre, az agyagásványok viszonylag ritkák a Naprendszerben, bár széles körben elterjedtek a Földön, ahol a víz kölcsönhatásba lép más ásványokkal és szerves anyagokkal. A Marson is több helyen megtalálták őket. A spektrográfia megerősítette jelenlétüket aszteroidákon és planetoidokon, beleértve a Ceres és a Tempel 1 törpebolygót, valamint a Jupiter Europa holdját.

Osztályozás

A fő agyagásványok a következő klaszterekbe tartoznak:

• Kaolincsoport, amely magában foglalja a kaolinit, dickit, halloysite és nakrit ásványokat (Al2Si2O5 (OH) 4 polimorfjait). Egyes források a szerkezeti hasonlóság miatt a kaolinit-szerpentin csoportot tartalmazzák (Bailey1980).
• Szmektitcsoport, amely magában foglalja a dioktaéderes szmektiteket, például a montmorillonitot, a nontronitot és a beidellitet, valamint a trioktaéderes szmektiteket, például a szaponitot. 2013-ban a Curiosity rover analitikai tesztjei a szmektit agyagásványok Mars bolygón való jelenlétével megegyező eredményeket találtak.
• Illite csoport, amely magában foglalja az agyagcsillámokat. Az illit az egyetlen gyakori ásvány ebben a csoportban.
• A kloritcsoport a hasonló ásványok széles skáláját tartalmazza, jelentős kémiai eltérésekkel.

Egyéb fajok

Léteznek más típusú ásványok is, például szepiolit vagy attapulgit, agyagok, amelyek szerkezetében hosszú vízcsatornákkal rendelkeznek. A vegyes rétegű agyag változatok a legtöbb fent említett csoportra vonatkoznak. A rendelést véletlenszerű vagy szabályos rendelésként írják le, és a továbbiakban a „Reichweit” kifejezéssel írják le, ami németül „hatótávolságot” vagy „lefedettséget” jelent. A szakirodalmi cikkek például a megrendelt illit-szmektit R1-re hivatkoznak. Ez a típus az ISISIS kategóriába tartozik. Az R0 viszont egy véletlenszerű sorrendet ír le. Ezeken kívül egyéb bővített rendelési típusokat is találhatunk (R3 stb.). A vegyes rétegű agyagásványok, amelyek az R1 tökéletes típusai, gyakran saját elnevezést kapnak. Az R1 sorrendű klorit-szmektit korrenzitként ismert, az R1 - illit-szmektit - rektorit.

Tanulmányi előzmények

Az agyag természetének ismerete érthetőbbé váltaz 1930-as években az agyagrészecskék molekuláris természetének elemzéséhez szükséges röntgendiffrakciós technológiák kifejlesztésével. Ebben az időszakban is megjelent a terminológia szabványosítása, különös tekintettel a hasonló szavakra, amelyek zavart okoztak, mint például a levél és a sík.

Minden filoszilikáthoz hasonlóan az agyagásványokat is kétdimenziós SiO4 saroktetraéder és/vagy AlO4 oktaéder lapok jellemzik. A lemezblokkok kémiai összetétele (Al, Si) 3O4. Mindegyik szilícium-tetraéder 3 csúcsában lévő oxigénatomon osztozik más tetraéderekkel, és két dimenzióban hatszögletű rácsot alkot. A negyedik csúcs nincs megosztva egy másik tetraéderrel, és minden tetraéder ugyanabba az irányba "mutat". Az összes osztatlan csúcs a lap ugyanazon az oldalán található.

Struktúra

Agyagokban a tetraéderes lemezek mindig oktaéderes lemezekhez kötődnek, amelyek kis kationokból, például alumíniumból vagy magnéziumból képződnek, és hat oxigénatom koordinálják őket. A tetraéderlap magányos csúcsa szintén az oktaéder egyik oldalának részét képezi, de az extra oxigénatom a tetraéderlap rés felett helyezkedik el, a hat tetraéder közepén. Ez az oxigénatom ahhoz a hidrogénatomhoz kapcsolódik, amely az agyagszerkezetben az OH-csoportot alkotja.

Az agyagokat aszerint lehet osztályozni, hogy a tetraéderes és oktaéderes lapok hogyan vannak rétegekbe csomagolva. Ha minden rétegnek csak egy tetraéder és egy oktaéder csoportja van, akkor az 1:1 kategóriába tartozik. A 2:1 agyagként ismert alternatíva két tetraéderes lappal rendelkezikmindegyik osztatlan csúcsa, amelyek egymás felé irányulnak és a nyolcszögletű lap mindkét oldalát alkotják.

A tetraéderes és az oktaéderes lapok közötti kapcsolat megköveteli, hogy a tetraéderes lap hullámosodjon vagy csavarodjon, ami a hatszögletű mátrix ditrigonális torzulását okozza, az oktaéderes lap pedig ellaposodik. Ez minimalizálja a krisztallit általános vegyérték-torzulását.

A tetraéderes és oktaéderes lapok összetételétől függően a rétegnek nincs töltése, vagy negatív lesz. Ha a rétegek feltöltöttek, ezt a töltést a rétegközi kationok, például Na+ vagy K+ kiegyenlítik. A közbenső réteg minden esetben vizet is tartalmazhat. A kristályszerkezet a többi réteg között elhelyezkedő rétegek halmazából jön létre.

Agyagkémia

Mivel a legtöbb agyag ásványi anyagokból készül, nagy a biokompatibilitásuk és érdekes biológiai tulajdonságaik vannak. Korong alakjának és töltött felületeinek köszönhetően az agyag számos makromolekulával lép kölcsönhatásba, például fehérjékkel, polimerekkel, DNS-sel stb. Az agyagok egyes alkalmazásai közé tartozik a gyógyszeradagolás, a szövetfejlesztés és a bionyomtatás.

Az agyagkémia a kémia egy alkalmazott tudományága, amely az agyag kémiai szerkezetét, tulajdonságait és reakcióit, valamint az agyagásványok szerkezetét és tulajdonságait vizsgálja. Ez egy interdiszciplináris terület, amely magában foglalja a szervetlen és strukturális fogalmakat és ismereteketkémia, fizikai kémia, anyagkémia, analitikai kémia, szerves kémia, ásványtan, geológia és mások.

Az agyagok kémiájának (és fizikájának), valamint az agyagásványok szerkezetének tanulmányozása nagy tudományos és ipari jelentőséggel bír, mivel ezek a legszélesebb körben használt ipari ásványok közé tartoznak, amelyeket alapanyagként használnak (kerámia stb.), adszorbensek, katalizátorok stb.

A tudomány jelentősége

A talaj agyagásványainak egyedi tulajdonságai, mint például a nanométeres skála réteges szerkezete, a rögzített és cserélhető töltések jelenléte, a molekulák adszorbeálására és megtartására (interkalációjára) való képesség, stabil kolloid diszperzió kialakításának képessége, az egyedi felületmódosítás és a rétegközi kémiai módosítás lehetősége, mások pedig az agyagkémia tanulmányozását nagyon fontos és rendkívül változatos tudományterületté teszik.

Az agyagásványok fizikai-kémiai viselkedése számos tudományterületre hatással van, a környezettudományoktól a vegyészmérnökökig, a kerámiától a nukleáris hulladékkezelésig.

Kationcserélő kapacitásuk (CEC) nagy jelentőséggel bír a talajban leggyakrabban előforduló kationok (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) kiegyensúlyozásában és a pH szabályozásában, ami közvetlenül befolyásolja a talaj termőképességét. Az agyagok (és ásványok) vizsgálata szintén fontos szerepet játszik a Ca2+ kezelésében, amely általában a szárazföldről (folyóvízből) érkezik a tengerekbe. Az ásványi anyagok összetételének és tartalmának módosításának és szabályozásának lehetősége értékes eszköz a fejlesztésbenszelektív adszorbensek különféle alkalmazásokhoz, mint például vegyi érzékelők vagy tisztítószerek létrehozása szennyezett vízhez. Ez a tudomány az agyagásvány-csoportok osztályozásában is óriási szerepet játszik.