Savimineraalit: luokitus, koostumus, ominaisuudet ja sovellukset

2024 Kirjoittaja: Henry Conors | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-02-12 06:46

Savimineraalit ovat vesipitoisia alumiinifylosilikaatteja, joissa on joskus erilaisia raudan, magnesiumin, alkali- ja maa-alkalimetallien epäpuhtauksia ja muita kationeja, joita löytyy joidenkin planeettojen pinnoilla tai niiden läheisyydestä.

Ne muodostuvat veden läsnäollessa ja olivat kerran tärkeitä elämän syntymiselle, minkä vuoksi monet abiogeneesin teoriat sisällyttävät ne tähän prosessiin. Ne ovat tärkeitä maaperän ainesosia ja ovat olleet hyödyllisiä ihmisille muinaisista ajoista lähtien maataloudessa ja valmistuksessa.

Koulutus

Savit muodostavat litteitä kuusikulmaisia levyjä, jotka ovat samanlaisia kuin kiillet. Savimineraalit ovat yleisiä sään aiheuttamia aineita (mukaan lukien maasälpä) ja matalan lämpötilan hydrotermisten muutosten tuotteita. Ne ovat hyvin yleisiä maaperässä, hienorakeisissa sedimenttikivissä, kuten liuskeissa, liejuissa ja aleurioissa, sekä hienorakeisissa metamorfisissa liuskeissa ja fylliteissä.

Ominaisuudet

Savemineraalit ovat tyypillisesti (mutta ei välttämättä) kooltaan erittäin hienojakoisia. Niiden katsotaan yleensä olevan alle 2 mikrometriä normaalissa hiukkaskokoluokituksessa, joten niiden tunnistamiseen ja tutkimiseen voidaan tarvita erityisiä analyyttisiä tekniikoita. Näitä ovat röntgendiffraktio, elektronidiffraktiotekniikat, erilaiset spektroskooppiset menetelmät, kuten Mössbauer-spektroskopia, infrapunaspektroskopia, Raman-spektroskopia ja SEM-EDS, tai automatisoidut mineralogiset prosessit. Näitä menetelmiä voidaan täydentää polarisoidulla valomikroskopialla, perinteisellä tekniikalla, joka määrittää perusilmiöitä tai petrologisia suhteita.

Jakelu

Veden tarpeen vuoksi savimineraalit ovat suhteellisen harvinaisia aurinkokunnassa, vaikka ne ovatkin yleisiä maapallolla, jossa vesi on vuorovaikutuksessa muiden mineraalien ja orgaanisen aineen kanssa. Niitä on myös löydetty useista paikoista Marsissa. Spektrografia on vahvistanut niiden esiintymisen asteroideilla ja planetoideilla, mukaan lukien kääpiöplaneetat Ceres ja Tempel 1 sekä Jupiterin kuu Europa.

Luokittelu

Tärkeimmät savimineraalit sisältyvät seuraaviin klustereihin:

• Kaoliiniryhmä, johon kuuluvat mineraalit kaoliniitti, dikiitti, halloysite ja nakriitti (Al2Si2O5 (OH) 4:n polymorfit). Jotkut lähteet sisältävät kaoliniitti-serpentiiniryhmän rakenteellisen samank altaisuuden vuoksi (Bailey1980).
• Smektiittiryhmä, johon kuuluvat dioktaedriset smektiitit, kuten montmorilloniitti, nontroniitti ja beidelliitti, sekä trioktaedriset smektiitit, kuten saponiitti. Vuonna 2013 Curiosity-mönkijän tekemät analyyttiset testit löysivät tuloksia, jotka ovat yhdenmukaisia smektiittisavimineraalien esiintymisen kanssa Mars-planeetalla.
• Illite-ryhmä, johon kuuluu savikiillejä. Illiitti on ainoa yleinen mineraali tässä ryhmässä.
• Kloriittiryhmä sisältää laajan valikoiman samank altaisia mineraaleja, joiden kemiallinen vaihtelu on merkittävää.

Muut lajit

Näitä mineraaleja on muitakin tyyppejä, kuten sepioliitti tai attapulgiitti, savet, joissa on rakenteeltaan pitkät vesikanavat. Sekakerrossavimuunnelmat ovat merkityksellisiä useimmille edellä mainituille ryhmille. Järjestystä kuvataan satunnaiseksi tai säännölliseksi tilaukseksi, ja sitä kuvataan edelleen termillä "Reichweit", joka tarkoittaa "aluetta" tai "kattavuutta" saksaksi. Kirjallisuusartikkeleissa viitataan esimerkiksi tilattuihin illiitti-smektiittiin R1. Tämä tyyppi sisältyy ISISIS-luokkaan. R0 puolestaan kuvaa satunnaista järjestystä. Näiden lisäksi löydät myös muita laajennettuja tilaustyyppejä (R3 jne.). Sekakerrossavimineraalit, jotka ovat täydellisiä R1-tyyppejä, saavat usein omat nimensä. R1-järjestyksessä oleva kloriitti-smektiitti tunnetaan nimellä korrensiitti, R1 - illiitti-smektiitti - rektoriitti.

Opiskeluhistoria

Saven luonteen tunteminen tuli ymmärrettävämmäksi1930-luvulla röntgendiffraktiotekniikoiden kehittämisessä, joita tarvittiin savihiukkasten molekyylisen luonteen analysointiin. Terminologian standardointi syntyi myös tänä aikana, kiinnittäen erityistä huomiota samank altaisiin sekaannukseen johtaneisiin sanoihin, kuten lehti ja lentokone.

Kuten kaikille fylosilikaateille, savimineraaleille on ominaista kaksiulotteiset SiO4-kulmatetraedrit ja/tai AlO4-oktaedrit. Levyharkkojen kemiallinen koostumus (Al, Si) 3O4. Jokainen piitetraedri jakaa 3 kärkihappiatomiaan muiden tetraedrien kanssa muodostaen kuusikulmaisen hilan kahdessa ulottuvuudessa. Neljättä kärkeä ei jaeta toisen tetraedrin kanssa, ja kaikki tetraedrit "osoitavat" samaan suuntaan. Kaikki jakamattomat kärjet ovat arkin samalla puolella.

Rakenne

Saveissa tetraedriset levyt on aina sidottu oktaedrilevyihin, jotka muodostuvat pienistä kationeista, kuten alumiinista tai magnesiumista, ja joita koordinoi kuusi happiatomia. Tetraederisen levyn yksinäinen kärki muodostaa myös osan oktaedrin toisesta sivusta, mutta ylimääräinen happiatomi sijaitsee tetraedrisen levyn raon yläpuolella kuuden tetraedrin keskellä. Tämä happiatomi on sitoutunut vetyatomiin, joka muodostaa OH-ryhmän savirakenteessa.

Savit voidaan luokitella sen mukaan, kuinka tetraedri- ja oktaedrilevyt pakataan kerroksiin. Jos jokaisessa kerroksessa on vain yksi tetraedri- ja yksi oktaedriryhmä, se kuuluu luokkaan 1:1. Vaihtoehto, joka tunnetaan nimellä 2:1 save, on kaksi tetraedristä arkkiakunkin jakamaton kärki, joka on suunnattu toisiaan kohti ja muodostaa kahdeksankulmaisen arkin kummankin puolen.

Tetraedrisen ja oktaedrisen levyn välinen yhteys edellyttää, että tetraedrilevy aallottuu tai kiertyy, mikä aiheuttaa kuusikulmainen matriisin ditrigonaalisen vääristymän ja oktaedrisen levyn litistymisen. Tämä minimoi kristalliitin yleisen valenssivääristymän.

Tetraedri- ja oktaedrilevyjen koostumuksesta riippuen kerroksella ei ole varausta tai se on negatiivinen. Jos kerrokset ovat varattuja, tämä varaus tasapainotetaan kerrosten välisillä kationeilla, kuten Na+ tai K+. Kussakin tapauksessa välikerros voi sisältää myös vettä. Kiderakenne muodostuu kerrosten pinosta, jotka sijaitsevat muiden kerrosten välissä.

Savikemia

Koska useimmat savet valmistetaan mineraaleista, niillä on korkea biologinen yhteensopivuus ja mielenkiintoiset biologiset ominaisuudet. Kiekon muotonsa ja varautuneiden pintojensa ansiosta savi on vuorovaikutuksessa useiden makromolekyylien, kuten proteiinien, polymeerien, DNA:n jne. kanssa. Joitakin saven käyttökohteita ovat lääkkeiden annostelu, kudostekniikka ja biopainatus.

Savikemia on sovellettu kemian tieteenala, joka tutkii saven kemiallisia rakenteita, ominaisuuksia ja reaktioita sekä savimineraalien rakennetta ja ominaisuuksia. Se on monitieteinen ala, joka sisältää käsitteitä ja tietoa epäorgaanisesta ja rakenteellisestakemia, fysikaalinen kemia, materiaalikemia, analyyttinen kemia, orgaaninen kemia, mineralogia, geologia ja muut.

Savien kemian (ja fysiikan) ja savimineraalien rakenteen tutkimuksella on suuri akateeminen ja teollinen merkitys, koska ne ovat eniten käytettyjä raaka-aineina käytettäviä teollisuusmineraaleja (keramiikka jne.), adsorbentit, katalyytit jne.

Tieteen tärkeys

Maan savimineraalien ainutlaatuiset ominaisuudet, kuten nanometrin kerrosrakenne, kiinteiden ja vaihdettavien varausten läsnäolo, kyky adsorboida ja pitää (interkaloitua) molekyylejä, kyky muodostaa pysyviä kolloidisia dispersioita, Yksittäisen pinnan modifioinnin ja kerrosten välisen kemiallisen muuntamisen mahdollisuus ja muut tekevät savikemian opiskelusta erittäin tärkeän ja erittäin monipuolisen tutkimusalan.

Savimineraalien fysikaalis-kemiallinen käyttäytyminen vaikuttaa moniin eri tietoalueisiin, ympäristötieteistä kemiantekniikkaan, keramiikasta ydinjätehuoltoon.

Niiden kationinvaihtokapasiteetilla (CEC) on suuri merkitys maaperän runsaimpien kationien (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) tasapainottamisessa ja pH:n säätelyssä, mikä vaikuttaa suoraan maaperän hedelmällisyyteen. Savien (ja mineraalien) tutkimuksella on myös tärkeä rooli Ca2+:n käsittelyssä, jota yleensä tulee ma alta (joen vedestä) meriin. Kyky muokata ja kontrolloida mineraalien koostumusta ja pitoisuutta tarjoaa arvokkaan työkalun kehittämisessäselektiiviset adsorbentit erilaisiin sovelluksiin, kuten esimerkiksi kemiallisten antureiden tai puhdistusaineiden luomiseen saastuneelle vedelle. Tällä tieteellä on v altava rooli myös savimineraalien ryhmien luokittelussa.