粘土胶体化学基础解析

（3）粘土表面吸附着水化阳离子。
水在粘土周围随着距离增大结合力的减弱而分成 牢固结合水、疏松结合水和自由水。
粘土与这三种水结合的状态与数量将会影响粘土水系统的工艺性能。
影响粘土结合水量的因素有粘土矿物组成、粘土 分散度、粘土吸附阳离子种类等。
粘土与水结合情况示意图
（1）粘土的结合水量一般与粘土阳离子交换容量 成正比；
4、阳离子交换容量
阳离子交换容量：为PH＝7 时100g干粘土所 吸附的离子的毫克当量数。
影响因素： 1）粘土矿物组成： 与同晶置换多少有关 蒙脱石 > 伊利石 > 高岭石 2）粘土的细度、含腐殖质数量、溶液的 PH值、离子浓度等
常见粘土的阳离子交换容量
矿物
高岭石
多水高岭 石
伊利石
蒙脱石 蛭
石
阳离子交换
容量 （100g土）
3～15
/mmol
20～40
10～40
75～ 150
100～ 150
5、阳离子交换顺序
与粘土与离子间的作用力有关 电价因素 离子大小
※※粘土阳离子交换顺序： H＋>Al3＋>Ba2＋>Sr2＋>Ca2＋>NH4＋>K＋>Na＋>Li＋
（二）泥浆的流动性与稳定性
1、泥浆粘度与结构的关系
（2）高岭石的结合水量随粒度减小而增高。 （3）粘土与一价阳离子结合水量>与二价阳离子结 合的水量>与三价阳离子结合的水量；同价离子与粘土 结合水量是随着离子半径增大，结合水量减少。
被粘土吸附的Na和Ca的水化值
粘土
Na-粘土 Ca-粘土
吸附容量 Ca Na
23.7 18.0
结合水量 （克/百克土）

1）硅氧四面体及四面体片
硅氧四面体：由一个硅原子和4个氧原子组成，硅位于正四面体中心(见图1-1)。由多个硅氧四面体在a、b两方向上有序排列组成四面体片。四面体片有如下特点 共有三个层面：两层氧原子和一层硅原子，上下两层氧原子均形成六角环(空心)； 在a、b两方向上无限延续。
图1-1 硅氧四面体
第一章 粘土胶体化学基础 （4学时）
第一节 胶体的概念和特征
第二节 常见粘土矿物及性质
第一节 胶体的概念和特征
油田化学研究的体系和过程十分复杂，绝大多数体系属于或涉及胶体分散体系。如原油其实是油和水的乳状液，可归为胶体，而油藏则是巨大而复杂的高度分散体系。原油开发涉及的钻井液、完井液、调剖堵水液、酸化液、压裂液及提高采收率的驱替液等等油田化学的工作液无不与胶体体系有关。
第一章 粘土胶体化学基础
2）具有高度分散性
胶体体系中，分散相颗粒分散得很细，即分散相的分散（程）度很高。
3）具有聚结不稳定性
胶体都是高度分散的多相体系，具有非常大的总表面积，相应地具有很高的总表面自由能，是热力学不稳定体系，体系表面自由能有自发减小的倾向，胶体体系中分散得很细的分散相微粒就有自动聚结（自动降低分散度）以缩小总表面积的趋势，这就是胶体的聚结不稳定性。
第一章 粘土胶体化学基础
进入二十一世纪，时代在前进，科技在进步，胶体化学也得到较大的发展，现代胶体化学的分支领域或主要研究内容列于表1-3。
第一章 粘土胶体化学基础
表1-3 现ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ胶体科学的研究内容
颗粒相互作用力理论
单分散、单一形状颗粒的形成 纳米颗粒的有序排列
纳米材料
分散体系
气溶胶理论 成核理论，DLVO与 HVO稳定理论 高聚物溶液理论 胶束理论 光吸收与光散射理论 理论与现象流变学

第七章 土壤胶体化学和表面反应
Soil colloid and Ion Exchange
第一节 土壤胶体 soil colloid
一.土壤胶体概念（soil colloid）
（一）分散系统（分散体系） 分散体系是由两种或两种以上物质组成的，一种物质呈连续分 布状态，量相对也比较大，称为分散介质(分散剂）；另一种物质分 子不连续，量也比较小，称为分散相（质）。分散相如果与分散介 质之间没有明显物理界面，分散体系称为溶液，若果分散介质与分 散相有明显的物理界面，叫做悬浮液（粗分散体系）。当分散相介 于二者之间时，构成了相对稳定的体系，叫做胶体系统。 土壤本身就是一个复杂的 The soil contains minute particles called soil colloids. They are smaller than one hundredth-thousand of a millimeter. Soil colloids are thin and disc-like. There are mineral as well as organic soil colloids. Mineral colloids are usually found to be fine particles of clay minerals.
Isomorphic substitution is the replacement of one atom by another of similar size in a crystal lattice without disrupting or changing the crystal structure of the mineral , either in the tetrahedral or octahedral layer. Excess negative charge also occurs when octahedrally coordinated divalent cations such as Mg(II) or Fe(II) substitute for Al(III) in the octahedral layer. Isomorphic substitution that does not give rise to charge is Fe(III) substituting for Al in the octahedral layer. This is because both cations have a charge of +3.

第八章胶体化学( 粘土——水系统)教学要求：1. 明确胶体的概念及胶粒的粒径范围。

明确憎液溶胶的主要特征。

2. 明确胶体的光学性质（丁达尔效应）、动力性质（布朗运动、扩散、沉降）。

3. 熟悉溶胶的电学性质（电泳、电渗），理解胶粒带电的原因。

4. 明确扩散双电层理论，能根据胶体制备条件写出胶团的结构式。

5. 掌握憎液溶胶的稳定和聚沉的原因，了解电解质及其他因素对溶胶稳定性的影响。

6. 清楚聚沉值、聚沉能力、价数规则的含义，能判断电解质聚沉能力的大小。

7. 了解粘土胶体结构的带电原因，及影响其阴、阳离子交换能力大小的因素。

8. 明确影响粘土泥浆流动性、稳定性、触变性、可塑性的因素。

教学重点难点：1．明确胶体分散系统的分类、性质及稳定因素，熟悉胶体的基本理论。

2．重点掌握粘土-水系统的胶体的特性，明确其带电原因、电学性质、胶团结构。

明确粘土-水系统的其胶体性质（流动性、稳定性、触变性、可塑性）。

胶体化学部分省略粘土——水系统1粘土的荷电性（1）负电荷：①粘土晶格内离子的同晶置换，硅氧四面体中Si4+被Al3+所转换，或铝氧八面体中三价的铝被二价镁、铁所置换。

蒙脱石：2：1型，二八面，层间水，高岭石：1：1型，二八体，无层间水高岭石中破键,少量同晶置换，③吸附在表面的腐殖质离解而产生。

（2）两性电荷①高岭石在酸性或中性及弱碱性条件下，带正电荷。

②高岭石在强碱性条件下，OH基中H解离，使得边面带负电荷。

2 粘土的离子吸附与交换粘土由于同晶置换，破键和吸附腐殖质的离解使得粘土带负电。

（1）吸附：介质中的阳离子。

H+饱和是纯粘土；Na+饱和是Na粘土；自然界中大量存在是Ca2+。

离子被吸附的难易程度取决于离子的电价及水化半径，电价升高，易被吸附，同价阳离子+>K+>Na+>Li+水化半径越小，越被吸附。

其顺序 H+>Al3+>Ba2+Sr2+>Ca2+>Mg2+NH4（2）离子交换：由于各种阳离子的被吸附能力不同，因而已被吸附在粘土颗粒上的阳离子，就可能被吸附能力更强的离子所置换。