Savi mineraalid: klassifikatsioon, koostis, omadused ja rakendused

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-02-12 06:15

Savimineraalid on vesilahuselised alumiiniumfülosilikaadid, mis mõnikord sisaldavad raua, magneesiumi, leelis- ja leelismuldmetallide ning muude katioonide lisandeid, mida leidub mõnel planeedi pinnal või selle läheduses.

Need tekivad vee juuresolekul ja olid kunagi olulised elu tekkeks, mistõttu paljud abiogeneesi teooriad kaasavad need sellesse protsessi. Need on mulla olulised koostisosad ja on olnud inimestele kasulikud iidsetest aegadest alates põllumajanduses ja tootmises.

Haridus

Savid moodustavad vilgukividega sarnaseid tasaseid kuusnurkseid lehti. Savimineraalid on tavalised murenemisproduktid (sh päevakivi murenemine) ja madala temperatuuriga hüdrotermiliste muutuste saadused. Need on väga levinud pinnases, peeneteralistes settekivimites, nagu kiltkivid, mudakivid ja aleuriidid, aga ka peeneteralistes moondekivides ja fülliitides.

Funktsioonid

Savi mineraalid on tavaliselt (kuid mitte tingimata) ülipeene suurusega. Tavalises osakeste suuruse klassifikatsioonis peetakse neid tavaliselt alla 2 mikromeetri, seega võib nende tuvastamiseks ja uurimiseks vaja minna spetsiaalseid analüütilisi meetodeid. Nende hulka kuuluvad röntgendifraktsioon, elektronide difraktsioonitehnikad, erinevad spektroskoopilised meetodid nagu Mössbaueri spektroskoopia, infrapunaspektroskoopia, Ramani spektroskoopia ja SEM-EDS või automatiseeritud mineraloogia protsessid. Neid meetodeid saab täiendada polariseeritud valguse mikroskoopiaga, mis on traditsiooniline tehnika, mis määrab kindlaks põhilised nähtused või petroloogilised seosed.

Levitamine

Arvestades veevajadust, on savimineraalid päikesesüsteemis suhteliselt haruldased, kuigi need on Maal lai alt levinud, kus vesi suhtleb teiste mineraalide ja orgaanilise ainega. Neid on leitud ka mitmest kohast Marsil. Spektrograafia on kinnitanud nende olemasolu asteroididel ja planetoididel, sealhulgas kääbusplaneedil Ceres ja Tempel 1 ning Jupiteri kuul Europa.

Klassifikatsioon

Peamised savimineraalid sisalduvad järgmistes klastrites:

• Kaoliini rühm, kuhu kuuluvad mineraalid kaoliniit, dikiit, halloysis ja nakriit (Al2Si2O5 (OH) 4 polümorfid). Mõned allikad hõlmavad struktuurse sarnasuse tõttu kaoliniidi-serpentiini rühma (Bailey1980).
• Smektiidirühm, kuhu kuuluvad dioktaeedrilised smektiidid nagu montmorilloniit, nontroniit ja beidelliit ning trioktaeedrilised smektiidid, nagu saponiit. 2013. aastal leidsid kulguri Curiosity analüütilised testid tulemused, mis on kooskõlas smektiit-savi mineraalide olemasoluga planeedil Marsil.
• Illite rühm, kuhu kuuluvad savivilgud. Illiit on selle rühma ainus levinud mineraal.
• Kloriidirühm sisaldab laias valikus sarnaseid mineraale, millel on märkimisväärne keemiline varieeruvus.

Muud liigid

Neid mineraale on ka teist tüüpi, nagu sepioliit või attapulgiit, pikkade sisemiste veekanalitega savid. Segakihilised savi variatsioonid on olulised enamiku eelnimetatud rühmade jaoks. Järjestust kirjeldatakse kui juhuslikku või regulaarset järjestamist ja seda kirjeldatakse täiendav alt terminiga "Reichweit", mis tähendab saksa keeles "vahemikku" või "katvust". Kirjandusartiklid viitavad näiteks tellitud illite-smektiit R1. See tüüp kuulub kategooriasse ISISIS. R0 aga kirjeldab juhuslikku järjestamist. Lisaks nendele leiate ka muid laiendatud tellimistüüpe (R3 jne). Segakihilised savimineraalid, mis on täiuslikud R1 tüübid, saavad sageli oma nimed. R1-järjekorras kloriit-smektiit on tuntud kui korrensiit, R1 - illiit-smektiit - rektoriit.

Õpingute ajalugu

Teadmised savi olemusest muutusid arusaadavamaks1930. aastatel koos saviosakeste molekulaarse olemuse analüüsimiseks vajalike röntgendifraktsioonitehnoloogiate väljatöötamisega. Sel perioodil tekkis ka terminoloogia standardimine, pöörates erilist tähelepanu sarnastele sõnadele, mis tekitasid segadust, nagu leht ja lennuk.

Nagu kõiki filosilikaate, iseloomustavad ka savimineraale kahemõõtmelised SiO4 nurgatetraeedri ja/või AlO4 oktaeedri lehed. Lehtplokkide keemiline koostis (Al, Si) 3O4. Igal ränitetraeedril on 3 tipu hapnikuaatomit teiste tetraeedritega, moodustades kahemõõtmelise kuusnurkse võre. Neljandat tippu ei jagata teise tetraeedriga ja kõik tetraeedrid "osutavad" samas suunas. Kõik jagamata tipud asuvad lehe samal küljel.

Struktuur

Savides on tetraeedrilised lehed alati seotud oktaeedriliste lehtedega, mis moodustuvad väikestest katioonidest, nagu alumiinium või magneesium, ja mida koordineerivad kuus hapnikuaatomit. Tetraeedrilehe üksik tipp moodustab samuti osa oktaeedri ühest küljest, kuid lisahapniku aatom asub kuue tetraeedri keskel tetraeedrilehe pilu kohal. See hapnikuaatom on seotud vesinikuaatomiga, mis moodustab savistruktuuris OH-rühma.

Save saab kategoriseerida vastav alt sellele, kuidas tetraeedrilised ja oktaeedrilised lehed on kihtideks pakitud. Kui igal kihil on ainult üks tetraeedriline ja üks oktaeedriline rühm, siis kuulub see kategooriasse 1:1. Alternatiivil, mida tuntakse kui 2:1 savi, on kaks tetraeedrilist lehtenende igaühe jagamata tipp, mis on suunatud üksteise poole ja moodustavad kaheksanurkse lehe mõlema külje.

Tetraeedriliste ja oktaeedriliste lehtede vaheline ühendus nõuab, et tetraeedriline leht muutuks laineliseks või väänduks, põhjustades kuusnurkse maatriksi ditrigonaalset moonutamist ja oktaeedrilise lehe lamenemist. See vähendab kristalliidi üldist valentsmoonutust.

Sõltuv alt tetraeedriliste ja oktaeedriliste lehtede koostisest ei ole kihil laengut või on see negatiivne. Kui kihid on laetud, tasakaalustavad seda laengut kihtidevahelised katioonid nagu Na+ või K+. Igal juhul võib vahekiht sisaldada ka vett. Kristallstruktuur moodustub teiste kihtide vahel paiknevatest kihtidest.

Savi keemia

Kuna enamik savi on valmistatud mineraalidest, on neil kõrge biosobivus ja huvitavad bioloogilised omadused. Ketta kuju ja laetud pindade tõttu interakteerub savi paljude makromolekulidega, nagu valgud, polümeerid, DNA jne. Mõned savi kasutusalad hõlmavad ravimite kohaletoimetamist, koetehnoloogiat ja bioprintimist.

Savi keemia on rakenduslik keemiateadus, mis uurib savi keemilisi struktuure, omadusi ja reaktsioone, aga ka savimineraalide struktuuri ja omadusi. See on interdistsiplinaarne valdkond, mis hõlmab mõisteid ja teadmisi anorgaanilisest ja struktuursestkeemia, füüsikaline keemia, materjalide keemia, analüütiline keemia, orgaaniline keemia, mineraloogia, geoloogia ja teised.

Savide keemia (ja füüsika) ning savimineraalide struktuuri uurimisel on suur akadeemiline ja tööstuslik tähtsus, kuna need on ühed enimkasutatavad toorainena kasutatavad tööstuslikud mineraalid (keraamika jne)., adsorbendid, katalüsaatorid jne.

Teaduse tähtsus

Mulla savimineraalide ainulaadsed omadused, nagu nanomeetri skaala kihiline struktuur, fikseeritud ja vahetatavate laengute olemasolu, võime adsorbeerida ja säilitada (interkaleerida) molekule, võime moodustada stabiilseid kolloidseid dispersioone, pinna individuaalse modifitseerimise ja kihtidevahelise keemilise modifitseerimise võimalus ning teised muudavad savi keemia uurimise väga oluliseks ja äärmiselt mitmekülgseks õppevaldkonnaks.

Savimineraalide füüsikalis-keemiline käitumine mõjutab paljusid erinevaid teadmiste valdkondi keskkonnateadustest keemiatehnikani, keraamikast tuumajäätmete käitlemiseni.

Nende katioonivahetusvõime (CEC) omab suurt tähtsust mullas kõige enam leiduvate katioonide (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) tasakaalustamisel ja pH reguleerimisel, mis mõjutab otseselt mullaviljakust. Savide (ja mineraalide) uurimine mängib olulist rolli ka Ca2+ käsitlemisel, mis tavaliselt jõuab maisma alt (jõeveest) meredesse. Võimalus muuta ja kontrollida mineraalide koostist ja sisaldust on väärtuslik tööriist arendusesselektiivsed adsorbendid mitmesuguste rakendustega, näiteks keemiliste andurite või saastunud vee puhastusvahendite loomine. Sellel teadusel on suur roll ka savimineraalide rühmade klassifitseerimisel.