黏土实验报告

实验报告

实验名称：粘土的结构与性能研究 指导老师：兰祥辉

实验类型：计算型 实验学时：8学时 试验时间:2013. 10.31

一、实验目的

1、 巩固层状硅酸盐矿物的晶体结构知识：

2、 观察并熟悉粘土胶粒的电泳现象，即用宏观电泳仪测定粘土胶体的电泳速度

并计算其Zeta电位，进行电解质对Zeta电位影响的实验；

3、 掌握测定粘土阳离子交换容量的方法；

4、 通过实验增强材料结构与性能之间关系的理解。

二、实验装置及设备

1、 高岭石、蒙脱石结构模型

2、 U型管界面电泳仪(见图6)

3、 离心分离机

4、 分析天平

5、 显微电泳分析系统

6、 粘土矿物试样

7、 BaC12 溶液(lmol/1)、H2SO4 溶液(O.lmol/1)、NaOH 溶液(0.05mol/l)、

酚猷溶液、离心试管、滴定管、锥形瓶、烧杯、移液管等。1•整流稳压输出端2.•直流电压表3•钳电极4•电泳管

5•辅助溶液（蒸饰水）6•泥浆7•活塞 图6 U形管界面移动电泳仪装置图

三、实验原理

一般将高岭石、蒙脱石、伊利石、蛭石等归结为粘土类矿物，为层状结构的 硅酸盐矿物。其矿物粒度极细,一般在0.1~10 m范围内，具有较高的比表而积， 如高岭石约为20 m2/g,蒙脱石约为100 m2/g,因而表现出一系列的表面化学性 质，如荷电性、离子的吸附与交换、电动电位以及诸如流变、触变、可塑等粘土 一水系统的胶体性质。

（一）粘土的结构

粘土为典型的层状结构，它是硅氧四面体在二维平面内通过三个共用氧连接 而延伸成一个硅氧四面体层，硅氧层中（图1）,处于同一平面的三个氧离子都 被硅离子共用而形成一个无限延伸的六节环层，这三个氧为桥氧。另一个顶角向 上的氧（自由氧），与硅氧层以外的阳离子如A13+、Mg2+、Fe2+、Fe3+等相连， 形成A1・O、Mg-O等八面体。自由氧在空间排列形成八;边形网络，因此A1・O、 Mg・O八面体也连成六边形网络。

高岭石（A14[Si4O10]（OH）8）的晶体结构属于三斜晶系Cl空间群，

a0-0.5139nm, b0-0.8932nm, c0-0.7371nm, -91° 36，, =104° 48', □ =89°

54，, Z=l,是1:1型层状结构，层之间的联系主要是氢键，结构单位层间不易 进入水分子，可以交换的阳离子容量也小。

蒙脱石（（MxnH2O）（A12・xMgx）［Si4O10］（OH）2 ）的晶体结构属于单斜晶系

C2/m空间群，a0*0.523nm, b0^0.906mn, cO值可变，当结构单位层之间无水 时c0-0.960nm・如果结构单位层之间有水分子存在，则cO値将随水分子的多少 以及层间可交换的阳离子不同而不同，Z=2,为2:1型层状结构

高岭石的晶体结构 蒙脱石的晶体结构

（二）粘土胶体的电动电位

电泳是胶体体系在直流电场的作用下胶体分散相在分散介质中作定向移动 的电动现象。按照Gouy-chapman提出并由Stein发展的扩散双电层模型，胶体 分散相的电泳现象是由于胶粒与液相接触时。在胶粒周围形成了连续扩散双电层, 并在扩散双电层的滑动面上相互均匀液相介质具有一个电位即Zeta电位忆•电 位）。根据静电学原理，I •电位的数值与电泳速度有下列关系：u=®/4兀〃 式中：u为电泳速度，D为分散介质的介电常数：〃为分散介质的粘度。因此， 依据电泳速度的大小可以研究胶粒的电动电位和带电性质等情况。

测定胶体电泳速度的方法大致可分为两种，一为宏观的胶体界面移动法。另 一为微观的颗粒移动法。相应地，电泳仪也分为两类：（1）宏观电泳仪——肉 眼观察胶体界而的移动，以测定电泳速度。可以U形管电泳仪为代表（U型管 电泳仪结构见图6）。（2）微观电泳仪42——在显微镜下观察胶粒的移动，以测 定电泳速度。此类电泳仪可分载波片式与毛细管两种。测定方法应根据实际情况 适当选用。本实验分别采用U形管界面移动电泳仪这中方法进行。

•st OAI Oo OOH ■HfO （三）粘土的阳离子交换

分散在水溶液中的粘土胶粒带有电荷，不仅可以吸附反电荷离子，而且可以 在不破坏粘土本身结构的情况下，同溶液中的其它离子进行交换。粘土进行离子 交换的能力（即交换容量，以-mmol/-100g-表示），随着矿物的不同而异。

矿物 高岭石 蒙脱石 伊利石

阳离了交换容量mmol/lOOg 3〜15 80-150 10-40

所以，测得离子交换容最，可以作为鉴定粘土矿物组成的辅助方法。

测定离子交换容星的方法很多，本实验采用做粘土法。首先，以BaC12溶液 冲洗粘土使粘土变成钞!一土，再用己知浓度的稀HjSCU置换出被粘土吸附的 Ba2+,生成BaSO4沉淀，最后用已知浓度的NaOH溶液滴定过剩的稀硫酸，以 NaOH消耗量计第粘土的交换容量。

四、实验方法

1、 粘土-水系统的双电层实验

U型管法

① 称取一定最的粘土，研磨后配制成胶体溶液，使其浓度为O.2wt%0

② 将配制好的胶体溶液加入U形管，使液而超出两活塞，关闭活塞，倾出活塞 上部的胶体溶液，用蒸饰水洗净活塞上的管子。

（3）在活塞以上的管子内注入辅助溶液至一定的高度，并使两端水平。插入钳电 极，并测出两钳电极之间的距离。

④ 接好线路，确定正负极，将稳床器接上电源，一分钟后再逐步升高电圧到

120V 〜150V。

⑤ 打开活塞，并同时接下秒表，待泥浆液面上升到一定位置时，记录时间和相 应的移动距离以及界面移动的方向（向正极移动或向负极移动）。

⑥ 加入电解质BaCl?到粘土胶体溶液中，经充分摇匀后，重复上述操作。

2、 粘土的阳离子交换容最

（1）准确称取粘土矿物试样（0.57.3克）三份（作两个平行试验，分别置于已 知重量的干燥离心试管中，加10ml BaCl2溶液充分搅动（约1分钟），然后离 心分离，并吸出上面澄清溶液，如此，重复操作两次，加蒸镯水洗涤二次。

（2） 小心吸净上层清液，然后将离心管与湿土样在分析天半中称量，算出湿度 校正项。

（3） 在称量后之土样中准确地加人14ml （分两次加H?SO4溶液充分搅拌，放置 数分钟，然后离心，离心后将上层酸液合并入一洁净烧坏屮，用移液管准确吸出 101111置于锥形瓶中，滴加酚fit指示剂三滴，用NaOH溶液滴定，滴定至摇动30 秒钟红色不退为上。记下NaOH溶液的用量。

（4） 吸取10ml未经交换得H2SO4溶液,用和同的NaOH溶液滴定，记下所消 耗的NaOH溶液毫升数。

五、实验数据记录及处理

1、指出高岭石，蒙脱石的结构类型以及正负离子的配位关系。

类型 晶系 正离子配位数 负离子配位数

髙岭石 三斜晶系C1 9卄4, Al*6 O2_=3 0H~=2

蒙脱石 单斜晶系C2/m Si4+ =4 Al3+=6 O2_=3 0H~=2

2、求电泳淌度:

式中：S—界面移动距离，cm；

t—与s对应的移动时间，sec,

H_半均电位剃度，即单位长度内的电圧，H= （L_钳电极之间的距离）。

组数 S —界而移

动距离 t—与S对应的 移动时间 H= —平均

电位剃度 S 11= -TT t・H

未滴加BaCL 0. 76 1350 3. 869 0. 000145

滴加BaCl： 0. 25 1160 3. 869 0. 0000570

3、按下式计算粘土的交换容量，并判断属于哪类粘土。 严GV—（出 L）CV2］

L 10*m J

式中：W—粘土的交换容最（mmol/lOOg）:

C —NaOH溶液浓度：

VI —滴定10ml未经交换的H2SO4溶液所需的NaOH溶液毫升数;

V2—滴定10ml交换后的H2SO4溶液所需的NaOH溶液毫升数；

L—湿度校正项（L=gl・g2）

gl—湿土加离心管重（克）

g2—干土加离心管重（克）

m—土样重量（克）

编号 m L VI V2 W

1 0. 48 1.95 14. 42 12.00 9. 48

2 0. 45 1.83 14. 42 12. 50 5. 14

c=0. 044625 mol/L

分析与思考

1、硅酸盐晶体一共有岛状、链状、组群状、层状、和架状五种结构；

咼岭石（A14［Si4O10］（OH）8 ）的晶体结构屈丁•三斜晶系C1空间群，a0=0.5139nni,

b0=0.8932nnn c0=0.7371nm, =91° 36', =104° 48', □ =89° 54', Z=1,

是1:1型层状结构，层z间的联系主要是氢键，结构单位层间不易进入水分子， 可以交换的阳离子容量也小：而蒙脱石（（MxnH2O）（A12・xMgx）［Si4O10］（OH）2） 的晶体结构属于单斜晶系C2/m空间群，a0^0.523nm, b0^0.906iun, c0值可变， 当结构单位层之间无水时cO切.96011111,如果结构单位层之间有水分子存在，则c0 值将随水分子的多少以及层间可交换的阳离子不同而不同，Z=2,为2:1型层状 结构，在一定的条件下这些水化阳离子容易被交换出来，因此，c轴可以膨胀以 及阳离子交换容量大是蒙脫石的结构特征。

不同：高岭石可以交换的阳离子容量小，蒙脱石阳离子容易被交换出来。

2、 实验中正极一侧颜色加深，表明粘土胶体带负点。原因有：1,黏土晶格内 离子的同晶置换所产生的，在黏土结构中，硅氧四面体层中的Si+4可能被A1+3置 换等，154产生了过剩的负电荷。2,断键，沿平行于C轴方向，使层状结构断裂， 暴露出边面而带电。当黏土在边面上断裂时，其周期性排列被中断，断面上质点 的电价不能饱和从而带电。3,黏土表面通常吸附一些腐烂的有机质，由于有机 质中的竣基和疑基的H解离而可能使黏土表面带负电。

3、 由双电层模型推知，电介质对电位有明显影响，当电介质浓度增大时， 扩散双电层受到压缩，于是〔•电位也随之下降。如黏土胶体中加入阳离子， 电位减小。加入阴离子，©•电位增大。

4、 根据静电学原理，〔•电位的数值与电泳速度有下列关系：u=

4亢J)

式中：影响U电泳速度的因素有：D为分散介质的介电常数；7)为分散介质的 粘度，以及〔•电位。而在本实验中影响电泳速度u的因素有电动电位。影响〔• 电位的因素有双电层的厚度，即加入电解质的浓度，所带电荷数。

5、 由于黏土颗粒表面带有负电荷，因此，他就会吸附介质中的阳离子以半衡其 过剩的电价。当溶液存在其他浓度大或者价数高的阳离子时，这些被吸附的离子 就可能被交换出来。哪些阳离子被交换主耍取决丁黏丄与吸附离子之间作用力的 大小，作用力大的，吸附牢固，从而能够吸附不牢固即作用力小的离子交换。这 种作用力取决与1，黏土吸附阳离子的电荷数。2,离子水化半价。

6、 在用碱滴定交换过的硫酸时，硫酸的试管里面有没有倒干净的水，所以用湿 度校正可以减小误差。

7、受限制，不能冲洗次数超过三次，超过三次以后，离心次数变多，容易把己 经交换过的Ba离子洗去,从而发生胶溶现象，从而得不到Ba-土。

8、先生成Ba-土然后再用硫酸进行交换，硫酸根会与做离子生成沉淀，H离子就 会容易与黏土形成H-土。使交换效果更好。