Minerały ilaste

Minerały ilaste są uwodnionymi glinokrzemianami Al, Mg i Fe, należącymi do krzemianów warstwowych (gr. phyllon – liść lub płat; ang. phyllosilicates, layer silicates). Stanowią one zdecydowaną większość koloidów mineralnych i nadają kluczowe właściwości skałom oraz glebom, które tworzą, zwłaszcza w zakresie wymiany jonowej. Są to minerały krystaliczne o strukturze składającej się z warstw powtarzających się jednostek atomowych.

Podstawowe jednostki budulcowe krzemianów warstwowych składają się z warstw tetraedrycznych i oktaedrycznych, które występują w różnych kombinacjach, tworząc poszczególne minerały ilaste:

Warstwy tetraedryczne składają się z powtarzających się jednostek tetraedrycznych, z których każda zawiera atom krzemu (Silicon atom) otoczony czterema atomami tlenu (Oxygen atom): jednym wierzchołkowym atomem tlenu (Apical oxygen atom) i trzema bazowymi atomami tlenu (Basal oxygen atoms), tworząc konfigurację czworościenną (tetraedryczną). Warstwy tetraedryczne rozciągające się w dwóch wymiarach powstają poprzez dzielenie bazowych atomów tlenu pomiędzy atomami krzemu.

Warstwy oktaedryczne składają się z wielu jednostek oktaedrycznych, z których każda zawiera atomy glinu (lub magnezu)(na ryc. poniżej Aluminium atom) otoczone sześcioma atomami tlenu i/lub grupami hydroksylowymi (Oxygen/hydroxyl atom). Trzy atomy tlenu (lub grupy hydroksylowe) znajdują się w dolnej płaszczyźnie, pozostałe trzy atomy tlenu (lub grupy hydroksylowe) znajdują się w górnej płaszczyźnie, a atomy glinu lub magnezu są umieszczone pomiędzy nimi, tworząc ośmioboczną (oktaedryczną) konfigurację. Jednostki te łączą się, dzieląc atomy tlenu, tworząc warstwę oktaedryczną rozciągającą się w dwóch wymiarach.

Warstwy tetraedryczne i oktaedryczne łączą się, tworząc warstwy jednostkowe różnych krzemianów warstwowych poprzez dzielenie się wierzchołkowym atomem tlenu warstwy tetraedrycznej z atomami tlenu w warstwie oktaedrycznej. W zależności od wzajemnego układu tych warstw wyróżnia się układy:

• dwuwarstwowe o typie budowy 1:1 – gdzie warstwa oktaedrów jest trwale i jednostronnie połączona z warstwą tetraedrów (idealny wzór komórki elementarnej: Si₄Al₄O₁₀(OH)₈),
• trójwarstwowe o typie budowy 2:1 – gdzie warstwa oktaedrów zamknięta jest między dwoma warstwami tetraedrów zwróconych do siebie wierzchołkami (idealny wzór komórki elementarnej: Si₈Al₄O₂₀(OH)₄).

Krzemiany warstwowe składają się z wielu takich warstw (typu 1:1 lub 2:1) ułożonych jedna na drugiej, charakteryzujących się różnymi formami wiązań między nimi. Obszar znajdujący się między dwiema sąsiednimi warstwami nazywany jest obszarem międzywarstwowym (przestrzenią międzypakietową). Podstawowe właściwości chemiczne i fizyczne poszczególnych krzemianów warstwowych w dużej mierze zależą właśnie od cech związanych z obszarem międzywarstwowym.

Na podstawie budowy i proporcji warstw, minerały ilaste dzieli się na:

• dwuwarstwowe (typ 1:1):
• grupa kaolinitu (kandyty) – kaolinit, hydrohaloizyt i dickit.
• trójwarstwowe (typ 2:1):
• grupa hydromik: illit i hydromuskowit,
• grupa montmorillonitu (smektyty): montmorillonit i beidellit,
• grupa wermikulitu: wermikulit.
• allofany – formy bezpostaciowe, Al₂O₃ · SiO₂ · nH₂O.

Minerały ilaste powstają głównie w wyniku wietrzenia chemicznego innych glinokrzemianów, mogą także krystalizować z roztworu. Rodzaj powstających minerałów zależy od składu chemicznego minerału pierwotnego oraz od warunków środowiska (odczynu, obecności różnych jonów itp.). Odczyn kwaśny sprzyja powstawaniu kaolinitu, obojętny lub alkaliczny – montmorillonitu.

WYSTĘPOWANIE

Kaolinit (Al₄(OH)₈(Si₄O₁₀)) najczęściej jest produktem wietrzenia glinokrzemianów (głównie skaleni) w środowisku wilgotnym i w obecności CO₂ (odczyn kwaśny). Proces kaolinizacji rozwija się zwłaszcza w skałach granitowych i pokrewnych. Kaolinit jest głównym składnikiem glin i iłów, występuje powszechnie w zwietrzelinach i glebach, w których wchodzi w skład frakcji ilastej.

WYSTĘPOWANIE

Illit najczęściej jest produktem wietrzenia glinokrzemianów (głównie skaleni). Może również powstawać w procesach przemian innych minerałów ilastych i muskowitu. Illit jest pospolitym składnikiem iłów, występuje powszechnie w zwietrzelinach i glebach, w których wchodzi w skład frakcji ilastej.

Montmorillonit należy do grupy smektytów – minerałów ilastych cechujących się ekspansywną budową pakietową typu 2:1. Ze względu na słabe wiązania międzypakietowe oraz znaczny deficyt ładunkowy, w przestrzeń międzypakietową łatwo wnikają cząsteczki wody oraz kationy wymienne (głównie Na⁺ i Ca²⁺). Zjawisko to prowadzi do odwracalnego pęcznienia – zwielokrotnienia objętości minerału pod wpływem wilgoci – co nadaje skałom z jego udziałem (np. bentonitom) wyjątkowe właściwości plastyczne i sorpcyjne.

WYSTĘPOWANIE

Montmorillonit powstaje w strefie wietrzenia ciemnych skał magmowych: diabazów, bazaltów i gabra w warunkach alkalicznych. Jest on głównym składnikiem iłów bentonitowych. W glebach występuje jedynie tam, gdzie zaistniały warunki alkaliczne, niezbędne przy jego tworzeniu.

WYSTĘPOWANIE

Wermikulit jest produktem wietrzenia lub hydrotermalnego rozkładu biotytu. Występuje powszechnie w zwietrzelinach i glebach, w których wchodzi w skład frakcji ilastej.

Część substancji ilastej występuje w glebach w postaci amorficznej. Odnosi się to do niektórych uwodnionych tlenków żelaza i glinu oraz części krzemionki, zwłaszcza w glebach powstałych z popiołów wulkanicznych. Grupę tych związków określa się wspólnym mianem allofanów (Al₂O₃ · nSiO₂ · mH₂O), będących słabo dotychczas poznaną kombinacją krzemionki i półtoratlenku glinu. Pojemność sorpcyjna allofanów jest bardzo duża. Na szczególną uwagę zasługuje fakt, iż pojemność ta odnosi się nie tylko do kationów (jak w przypadku pozostałych minerałów ilastych), ale również do anionów. Mechanizm powstawania niezrównoważonych ładunków w tego typu minerałach nie został jeszcze poznany, wiadomo jednak, iż mają one charakter zależny od pH.

Glaukonit (gr. glaukos – niebieskozielony, niebieskawy) jest pospolitym minerałem z gromady krzemianów zaliczanym do minerałów ilastych. Występuje w postaci drobnych, okrągławych ziaren o średnicy dochodzącej 1,0–2,0 mm. Często tworzy skupienia oolitowe, sferolityczne i ziemiste. Jest miękki, przeświecający, barwny – przeważnie w odcieniach zielonych.

WYSTĘPOWANIE

Glaukonit jest pospolitym składnikiem morskich osadów szelfowych. Powstaje do głębokości około 1000 m. Jest spotykany w piaskach, piaskowcach – tzw. piaski i piaskowce glaukonitowe – glaukonityty. Także w marglach, wapieniach, mułowcach.

Specyficzna budowa minerałów ilastych determinuje ich unikalne właściwości fizykochemiczne, które kształtują zachowanie tworzonych przez nie skał i gleb:

Powierzchnia właściwa

Cząstki ilaste ze względu na ich drobne wymiary posiadają dużą powierzchnię zewnętrzną. Jednak nie stanowi ona ich całkowitej powierzchni właściwej, na którą składa się dodatkowo powierzchnia wewnętrzna, czyli międzypakietowa. Ogromna powierzchnia właściwa minerałów ilastych jest więc wynikiem zarówno dużego rozdrobnienia materiału, jak i pakietowej struktury cząstek. Aby dobrze zrozumieć ten problem należy uzmysłowić sobie, iż powierzchnia właściwa frakcji ilastej na 1 ha typowej gleby pyłowej lub ilastej jest w przybliżeniu 20–25 razy większa od powierzchni Polski. Największą powierzchnię właściwą mają minerały trójwarstwowe (grupa montmorillonitu), najmniejszą zaś minerały dwuwarstwowe (grupa kaolinitu).

Elektroujemne ładunki

Cząstki ilaste posiadają zazwyczaj ładunek ujemny. Powoduje on przyciąganie przez powierzchnię minerału ilastego ogromnej ilości kationów. W ten sposób powstaje tzw. podwójna warstwa jonowa. Składniki cząstki koloidalnej stanowią wewnętrzną warstwę jonową, będącą "wielkim anionem", którego powierzchnia posiada znaczną ilość ładunków ujemnych. Zewnętrzną warstwę jonową stanowi ogromna ilość dość luźno związanych kationów, które otaczają cząstkę koloidalną, a w niektórych przypadkach wnikają do jej wnętrza. Oprócz kationów na powierzchni cząstki koloidalnej grupuje się też duża ilość cząsteczek wody. Część tej wody wiązana jest przez zasorbowane kationy, poza tym wszystkie minerały ilaste wiążą duże ilości wody w przestrzeniach międzypakietowych. Sorpcja kationów przez minerały ilaste odgrywa w glebie ogromną rolę.

Właściwości fizyczne

W zależności od uwilgotnienia minerały ilaste wykazują odmienne właściwości. W stanie wilgotnym są one plastyczne i maziste, zaś w trakcie suszenia kurczą się, przechodząc w zwięzły i silnie scementowany materiał. Właściwości te decydują o szeregu właściwości fizycznych gleb, takich jak pęcznienie i kurczliwość, czy plastyczność i lepkość. W minerałach dwuwarstwowych (grupa kaolinitu) poszczególne pakiety związane są trwale wiązaniami wodorowymi (wodór grup OH oktaedrów). Wiązania te są na tyle silne, że nie dopuszczają do zwiększenia przestrzeni międzypakietowych i uniemożliwiają wchodzenie wody i dodatkowych kationów. Zdolności sorpcyjne tych minerałów są ograniczone tylko do ich powierzchni zewnętrznych. Odmienne właściwości posiadają minerały trójwarstwowe. W pakietach illitu (grupa hydromik) około 20% jonów Si⁴⁺ jest podstawione jonami Al³⁺. Wywołane tym podstawieniem ładunki ujemne są rekompensowane występującymi w przestrzeniach międzypakietowych kationami potasu. Wielkość promienia jonowego potasu jest zbliżona do rozmiaru przestrzeni międzypakietowej, dzięki czemu jony te są zasorbowane trwale, działają usztywniająco na sąsiadujące pakiety i uniemożliwiają wchodzenie wody. Struktura illitu nie jest zatem rozciągliwa, a związane jony potasu nie są dostępne dla roślin. Sorbowanie zachodzi tu głównie na powierzchni zewnętrznej minerału. Struktura wermikulitu jest do pewnego stopnia rozciągliwa. W przestrzeniach międzypakietowych, oprócz jonów Mg²⁺ równoważących ujemny ładunek pakietów, mieszczą się dwie warstwy cząsteczek wody. Dzięki temu kationy wymienne mogą być sorbowane również w przestrzeniach międzypakietowych. Pomiędzy pakietami montmorillonitu występują słabe siły międzycząsteczkowe (siły van der Waalsa), które nie są w stanie przeciwdziałać wnikaniu wody i kationów wymiennych. Odległości międzypakietowe tego minerału mogą się zwiększać nawet dwukrotnie (duże zmiany objętości). Wysoka zawartość montmorillonitu w glebach przyczynia się do wzrostu ich zdolności do pęcznienia i kurczliwości, a także plastyczności i lepkości. Najważniejszymi przedstawicielami minerałów ilastych są: kaolinit, illit, montmorillonit i wermikulit.