Jílové minerály: klasifikace, složení, vlastnosti a použití

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-02-12 05:01

Jílové minerály jsou vodné hliníkové fylosilikáty, někdy s různými nečistotami železa, hořčíku, alkalických kovů a kovů alkalických zemin a dalších kationtů nacházejících se na některých planetárních površích nebo v jejich blízkosti.

Tvoří se v přítomnosti vody a kdysi byly důležité pro vznik života, proto je mnoho teorií abiogeneze zahrnuje do tohoto procesu. Jsou důležitými složkami půdy a od pradávna prospívají lidem v zemědělství a výrobě.

Vzdělávání

Jíly tvoří ploché šestihranné pláty podobné slídám. Jílové minerály jsou běžné produkty zvětrávání (včetně živcového zvětrávání) a nízkoteplotní produkty hydrotermální alterace. Jsou velmi časté v půdách, v jemnozrnných sedimentárních horninách, jako jsou břidlice, slínovce a prachovce, stejně jako v jemnozrnných metamorfovaných břidlicích a fylitech.

Funkce

Jílové minerály jsou typicky (ale ne nutně) ultrajemné velikosti. Ve standardní klasifikaci velikosti částic jsou obecně považovány za menší než 2 mikrometry, takže k jejich identifikaci a studiu mohou být vyžadovány speciální analytické techniky. Patří mezi ně rentgenová difrakce, techniky elektronové difrakce, různé spektroskopické metody jako Mössbauerova spektroskopie, infračervená spektroskopie, Ramanova spektroskopie a SEM-EDS nebo automatizované mineralogické procesy. Tyto metody mohou být doplněny mikroskopií v polarizovaném světle, tradiční technikou, která stanoví základní jevy nebo petrologické vztahy.

Distribuce

Vzhledem k potřebě vody jsou jílové minerály ve sluneční soustavě poměrně vzácné, i když jsou na Zemi rozšířené, kde voda interaguje s jinými minerály a organickou hmotou. Byly také nalezeny na několika místech Marsu. Spektrografie potvrdila jejich přítomnost na asteroidech a planetoidech, včetně trpasličích planet Ceres a Tempel 1 a Jupiterova měsíce Europa.

Klasifikace

Hlavní jílové minerály jsou zahrnuty v následujících skupinách:

Skupina kaolinů, která zahrnuje minerály kaolinit, dickit, halloysit a nakrit (polymorfy Al2Si2O5 (OH) 4). Některé zdroje zahrnují kaolinit-serpentinovou skupinu kvůli strukturální podobnosti (Bailey1980).
Skupina smektitů, která zahrnuje dioktaedrické smektity, jako je montmorillonit, nontronit a beidellit, a trioktaedrické smektity, jako je saponit. V roce 2013 nalezly analytické testy roveru Curiosity výsledky odpovídající přítomnosti smektitových jílových minerálů na planetě Mars.
Skupina Illite, která zahrnuje hliněné slídy. Illit je jediným běžným minerálem v této skupině.
Skupina chloritanů zahrnuje širokou škálu podobných minerálů s významnými chemickými odchylkami.

Jiné druhy

Existují další typy těchto minerálů, jako je sepiolit nebo attapulgit, jíly s dlouhými vodními kanály uvnitř struktury. Variace smíšené vrstvy jílu jsou relevantní pro většinu výše uvedených skupin. Řazení je popisováno jako náhodné nebo pravidelné řazení a je dále popsáno pojmem „Reichweit“, což v němčině znamená „rozsah“nebo „pokrytí“. Články v literatuře odkazují například na uspořádaný illit-smektit R1. Tento typ je zařazen do kategorie ISISIS. R0 na druhé straně popisuje náhodné řazení. Kromě nich můžete najít i další rozšířené typy objednání (R3 atd.). Jílové minerály smíšené vrstvy, které jsou dokonalými typy R1, často dostávají svá vlastní jména. Chlorit-smektit řádu R1 je známý jako correnzit, R1 - illit-smektit - rektorit.

Historie studia

Znalost povahy hlíny se stala srozumitelnějšíve 30. letech 20. století s rozvojem technologií rentgenové difrakce potřebných k analýze molekulární povahy jílových částic. Standardizace terminologie se objevila také během tohoto období, se zvláštní pozorností na podobná slova, která vedla ke zmatku, jako je list a letadlo.

Jako všechny fylosilikáty se jílové minerály vyznačují dvourozměrnými pláty rohových tetraedrů SiO4 a/nebo oktaedrů AlO4. Plechové bloky mají chemické složení (Al, Si) 3O4. Každý křemíkový čtyřstěn sdílí 3 ze svých vrcholových atomů kyslíku s ostatními čtyřstěny, čímž tvoří šestiúhelníkovou mřížku ve dvou rozměrech. Čtvrtý vrchol není sdílen s jiným čtyřstěnem a všechny čtyřstěny „směřují“stejným směrem. Všechny nedělené vrcholy jsou na stejné straně listu.

Struktura

V jílech jsou čtyřstěnné pláty vždy spojeny s oktaedrickými pláty, vytvořené z malých kationtů, jako je hliník nebo hořčík, a koordinované šesti atomy kyslíku. Osamělý vrchol čtyřstěnu také tvoří část jedné strany osmistěnu, ale další atom kyslíku je umístěn nad mezerou v čtyřstěnu ve středu šesti čtyřstěnů. Tento atom kyslíku je vázán na atom vodíku, který tvoří OH skupinu v jílové struktuře.

Jíly lze kategorizovat podle toho, jak jsou čtyřstěnné a oktaedrické desky zabaleny do vrstev. Pokud má každá vrstva pouze jednu čtyřstěnnou a jednu osmistěnnou skupinu, pak patří do kategorie 1:1. Alternativa známá jako hlína 2:1 má dvě čtyřstěnné desky snedělený vrchol každého z nich, nasměrovaný k sobě a tvořící každou stranu osmihranného listu.

Spojení mezi čtyřstěnným a oktaedrickým plátem vyžaduje, aby se čtyřstěnný plát zvlnil nebo zkroutil, což způsobí ditrigonální zkreslení šestiúhelníkové matrice a zploštění oktaedrického plátu. To minimalizuje celkové valenční zkreslení krystalitu.

V závislosti na složení čtyřstěnných a oktaedrických listů nebude mít vrstva žádný náboj nebo bude mít záporný náboj. Pokud jsou vrstvy nabité, je tento náboj vyvážen mezivrstvovými kationty, jako je Na+ nebo K+. V každém případě může mezivrstva obsahovat také vodu. Krystalová struktura je tvořena hromadou vrstev umístěných mezi dalšími vrstvami.

Chemie jílu

Protože většina jílů je vyrobena z minerálů, mají vysokou biokompatibilitu a zajímavé biologické vlastnosti. Díky svému tvaru disku a nabitému povrchu hlína interaguje s širokou škálou makromolekul, jako jsou proteiny, polymery, DNA atd. Některé z aplikací jílů zahrnují dodávání léků, tkáňové inženýrství a biotisk.

Chemie jílu je aplikovaná disciplína chemie, která studuje chemické struktury, vlastnosti a reakce jílu, stejně jako strukturu a vlastnosti jílových minerálů. Jedná se o interdisciplinární obor, zahrnující pojmy a poznatky z anorganické a strukturálníchemie, fyzikální chemie, chemie materiálů, analytická chemie, organická chemie, mineralogie, geologie a další.

Studium chemie (a fyziky) jílů a struktury jílových minerálů má velký akademický a průmyslový význam, protože patří mezi nejpoužívanější průmyslové minerály používané jako suroviny (keramika atd.), adsorbenty, katalyzátory atd.

Význam vědy

Unikátní vlastnosti půdních jílových minerálů, jako je vrstvená struktura nanometrové stupnice, přítomnost pevných a zaměnitelných nábojů, schopnost adsorbovat a zadržovat (interkalovat) molekuly, schopnost vytvářet stabilní koloidní disperze, možnost individuální povrchové úpravy a chemické modifikace mezivrstvy a další činí studium chemie jílu velmi důležitým a extrémně rozmanitým studijním oborem.

Fyzikálně-chemické chování jílových minerálů ovlivňuje mnoho různých oblastí znalostí, od environmentálních věd po chemické inženýrství, od keramiky po nakládání s jaderným odpadem.

Jejich kapacita výměny kationtů (CEC) má velký význam pro vyrovnávání nejhojnějších kationtů v půdě (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) a kontrolu pH, která přímo ovlivňuje úrodnost půdy. Studium jílů (a minerálů) hraje také důležitou roli při řešení Ca2+, který obvykle pochází ze země (říční vody) do moří. Schopnost upravovat a kontrolovat složení a obsah minerálů nabízí cenný nástroj ve vývojiselektivní adsorbenty s různými aplikacemi, jako je například tvorba chemických senzorů nebo čisticích prostředků pro kontaminovanou vodu. Tato věda také hraje obrovskou roli v klasifikaci skupin jílových minerálů.