Mālu minerāli: klasifikācija, sastāvs, īpašības un pielietojums

2024 Autors: Henry Conors | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-02-12 10:37

Mālu minerāli ir alumīnija filosilikāti ūdenī, dažkārt ar dažādiem dzelzs, magnija, sārmu un sārmzemju metālu piemaisījumiem un citiem katjoniem, kas atrodami uz dažām planētu virsmām vai to tuvumā.

Tie veidojas ūdens klātbūtnē un kādreiz bija svarīgi dzīvības rašanās procesā, tāpēc daudzās abioģenēzes teorijās tās ir iekļautas šajā procesā. Tās ir svarīgas augsnes sastāvdaļas un ir bijušas labvēlīgas cilvēkiem kopš seniem laikiem lauksaimniecībā un ražošanā.

Izglītība

Māli veido plakanas sešstūrainas loksnes, kas līdzīgas vizlai. Māla minerāli ir izplatīti laikapstākļu produkti (tostarp laukšpata laikapstākļi) un zemas temperatūras hidrotermisko izmaiņu produkti. Tie ir ļoti izplatīti augsnēs, smalkgraudainos nogulumiežu iežos, piemēram, slānekļos, dubļu akmeņos un aleiroos, kā arī smalkgraudainos metamorfajos slānekļos un filītos.

Funkcijas

Māla minerāliem parasti (bet ne obligāti) ir īpaši smalki izmēri. Standarta daļiņu izmēra klasifikācijā tos parasti uzskata par mazākiem par 2 mikrometriem, tāpēc to identificēšanai un izpētei var būt nepieciešamas īpašas analītiskās metodes. Tie ietver rentgenstaru difrakciju, elektronu difrakcijas metodes, dažādas spektroskopijas metodes, piemēram, Mössbauer spektroskopiju, infrasarkano spektroskopiju, Ramana spektroskopiju un SEM-EDS vai automatizētus mineraloģijas procesus. Šīs metodes var papildināt ar polarizētās gaismas mikroskopiju, tradicionālu metodi, kas nosaka fundamentālas parādības vai petroloģiskās attiecības.

Izplatīšana

Ņemot vērā nepieciešamību pēc ūdens, mālu minerāli Saules sistēmā ir salīdzinoši reti, lai gan tie ir plaši izplatīti uz Zemes, kur ūdens mijiedarbojas ar citiem minerāliem un organiskām vielām. Tie atrasti arī vairākās Marsa vietās. Spektrogrāfija ir apstiprinājusi to klātbūtni uz asteroīdiem un planetoīdiem, tostarp uz pundurplanētas Ceres un Tempel 1, kā arī uz Jupitera pavadoņa Eiropa.

Klasifikācija

Galvenie mālu minerāli ir iekļauti šādās kopās:

Kaolīna grupa, kurā ietilpst minerāli kaolinīts, dikīts, halozīts un nakrīts (Al2Si2O5 (OH) 4 polimorfi). Daži avoti ietver kaolinīta-serpentīna grupu struktūras līdzības dēļ (Bailey1980).
Smektītu grupa, kurā ietilpst dioktaedriski smekti, piemēram, montmorilonīts, nontronīts un beidelīts, un trioktaedriski smektīti, piemēram, saponīts. 2013. gadā rovera Curiosity analītiskās pārbaudes atklāja rezultātus, kas atbilst smektītu mālu minerālu klātbūtnei uz Marsa.
Illite grupa, kurā ietilpst māla vizlas. Illīts ir vienīgais izplatītākais minerāls šajā grupā.
Hlorīta grupā ietilpst plašs līdzīgu minerālu klāsts ar ievērojamām ķīmiskām variācijām.

Citas sugas

Ir arī citi šo minerālu veidi, piemēram, sepiolīts vai atapulgīts, māli ar gariem iekšējiem ūdens kanāliem. Jauktā slāņa māla variācijas ir aktuālas lielākajai daļai iepriekšminēto grupu. Pasūtīšana ir aprakstīta kā nejauša vai regulāra pasūtīšana, un to tālāk raksturo termins "Reichweit", kas vācu valodā nozīmē "diapazons" vai "pārklājums". Literatūras raksti attiecas, piemēram, uz pasūtīto illīta-smektītu R1. Šis tips ir iekļauts kategorijā ISISIS. No otras puses, R0 apraksta nejaušu secību. Papildus tiem varat atrast arī citus paplašinātās pasūtīšanas veidus (R3 utt.). Jauktā slāņa māla minerāli, kas ir ideāli R1 veidi, bieži iegūst savus nosaukumus. R1 sakārtotais hlorīts-smektīts ir pazīstams kā korensīts, R1 - illīts-smektīts - rektorīts.

Studiju vēsture

Zināšanas par māla dabu, kļuva saprotamākas30. gados, attīstoties rentgenstaru difrakcijas tehnoloģijām, kas bija nepieciešamas māla daļiņu molekulārās dabas analīzei. Šajā periodā parādījās arī terminoloģijas standartizācija, īpašu uzmanību pievēršot līdzīgiem vārdiem, kas izraisīja neskaidrības, piemēram, lapa un plakne.

Tāpat kā visiem filosilikātiem, mālu minerālus raksturo divdimensiju SiO4 stūra tetraedra un/vai AlO4 oktaedra loksnes. Lokšņu blokiem ir ķīmiskais sastāvs (Al, Si) 3O4. Katram silīcija tetraedram ir 3 virsotnes skābekļa atomi ar citiem tetraedriem, veidojot sešstūrainu režģi divās dimensijās. Ceturtā virsotne nav dalīta ar citu tetraedru, un visi tetraedri "norāda" vienā virzienā. Visas nedalītās virsotnes atrodas vienā lapas pusē.

Struktūra

Mālos tetraedriskās loksnes vienmēr ir saistītas ar oktaedriskām loksnēm, kas veidojas no maziem katjoniem, piemēram, alumīnija vai magnija, un ko koordinē seši skābekļa atomi. Tetraedriskas loksnes vientuļais virsotne arī veido daļu no vienas oktaedra malas, bet papildu skābekļa atoms atrodas virs spraugas tetraedriskajā loksnē sešu tetraedru centrā. Šis skābekļa atoms ir saistīts ar ūdeņraža atomu, kas veido OH grupu māla struktūrā.

Mālus var iedalīt kategorijās atkarībā no tā, kā tetraedriskas un oktaedriskas loksnes ir iepakotas slāņos. Ja katram slānim ir tikai viena tetraedriska un viena oktaedra grupa, tad tas pieder pie kategorijas 1:1. Alternatīvai, kas pazīstama kā 2:1 māls, ir divas tetraedriskas loksnes arkatras no tām nedalītā virsotne, kas vērsta viena pret otru un veido astoņstūra lapas katru pusi.

Lai izveidotu savienojumu starp tetraedrisku un oktaedrisku loksnēm, tetraedriskai loksnei ir jākļūst rievotai vai savītai, izraisot sešstūra matricas ditrigonālus kropļojumus, un oktaedriskai loksnei ir jāsaplacinās. Tas samazina kristalīta kopējo valences kropļojumu.

Atkarībā no tetraedriskās un oktaedriskās loksnes sastāva slānim nebūs lādiņa vai tas būs negatīvs. Ja slāņi ir uzlādēti, šo lādiņu līdzsvaro starpslāņu katjoni, piemēram, Na+ vai K+. Katrā gadījumā starpslānī var būt arī ūdens. Kristāla struktūra veidojas no slāņu kaudzes, kas atrodas starp citiem slāņiem.

Mālu ķīmija

Tā kā lielākā daļa mālu ir izgatavoti no minerāliem, tiem ir augsta bioloģiskā saderība un interesantas bioloģiskās īpašības. Pateicoties tā diska formai un uzlādētajām virsmām, māls mijiedarbojas ar plašu makromolekulu klāstu, piemēram, olb altumvielām, polimēriem, DNS utt. Daži no mālu pielietojumiem ietver zāļu piegādi, audu inženieriju un biodruku.

Mālu ķīmija ir lietišķa ķīmijas disciplīna, kas pēta mālu ķīmiskās struktūras, īpašības un reakcijas, kā arī mālu minerālu struktūru un īpašības. Tā ir starpdisciplināra joma, kurā ir ietverti jēdzieni un zināšanas no neorganiskā un strukturālāķīmija, fizikālā ķīmija, materiālu ķīmija, analītiskā ķīmija, organiskā ķīmija, mineraloģija, ģeoloģija un citas.

Mālu ķīmijas (un fizikas) un mālu minerālu struktūras izpētei ir liela akadēmiskā un rūpnieciskā nozīme, jo tie ir vieni no visplašāk izmantotajiem rūpnieciskajiem minerāliem, ko izmanto kā izejvielas (keramika utt.), adsorbenti, katalizatori utt.

Zinātnes nozīme

Augsnes māla minerālu unikālās īpašības, piemēram, nanometru skalas slāņveida struktūra, fiksētu un maināmu lādiņu klātbūtne, spēja adsorbēt un noturēt (interkalēties) molekulas, spēja veidot stabilas koloidālas dispersijas, atsevišķas virsmas modifikācijas un starpslāņu ķīmiskās modifikācijas iespēja, un citi padara mālu ķīmijas izpēti par ļoti svarīgu un ārkārtīgi daudzveidīgu studiju jomu.

Mālu minerālu fizikāli ķīmiskā uzvedība ietekmē daudzas dažādas zināšanu jomas, sākot no vides zinātnēm līdz ķīmijas inženierijai, no keramikas līdz kodolatkritumu apsaimniekošanai.

To katjonu apmaiņas kapacitātei (CEC) ir liela nozīme augsnē visbiežāk sastopamo katjonu (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) līdzsvarošanā un pH kontrolē, kas tieši ietekmē augsnes auglību. Mālu (un minerālu) izpētei ir arī liela nozīme cīņā ar Ca2+, kas parasti nāk no sauszemes (upes ūdens) uz jūrām. Spēja modificēt un kontrolēt minerālvielu sastāvu un saturu ir vērtīgs attīstības instrumentsselektīvie adsorbenti ar dažādiem pielietojumiem, piemēram, ķīmisko sensoru vai piesārņota ūdens tīrīšanas līdzekļu izveide. Šai zinātnei ir arī liela nozīme mālu minerālu grupu klasifikācijā.