Cỏc khoỏng vật sột là cỏc aluminosilicat chiếm ưu thế trong cỏc nhúm hạt sột của đất ở giai đoạn trung gian (interdiate stage) đến giai đoạn nõng cao (advanced stage) của quỏ trỡnh phong hoỏ. Cỏc khoỏng vật này giống như cỏc loại mica là những khối nhiều lớp của cỏc cấu trỳc phiến khối tứ diện và phiến khối bỏt diện như những hỡnh vẽ ở hỡnh 2.2. Sự liờn kết cỏc phiến khối tứ diện và khối bỏt diện với nhau xảy ra thụng qua cỏc ion oxy ở đỉnh trong cỏc cấu trỳc khối tứ diện và luụn luụn tạo ra sự lệch (distortion) đỏng kể sự sắp xếp anion trong cấu trỳc lớp cuối cựng được tạo thành. Sự lệch xảy ra trước hết do cỏc ion oxy ở đỉnh trong phiến khối tứ diện khụng xếp vừa với cỏc gúc của khối bỏt diện để hỡnh thành một lớp trong khi giữ mẫu hỡnh 6 cạnh lý tưởng của khối tứ diện. Để hợp nhất 2 phiến lại, cỏc cặp khối tứ diện kề nhau phải xoay và do đú làm lệch tớnh đối xứng của những khoảng trống 6 cạnh trong mặt phẳng cơ bản của phiến khối tứ diện (hỡnh 2.2). Ngoài sự lệch này, sự dựng chung cỏc cạnh trong phiến khối bỏt diện làm chỳng bị ngắn lại (qui tắc Pauling 3) và sự thay thế đồng hỡnh của cỏc cation trong cả 2 phiến cú khuynh hướng làm cho độ dày của cấu trỳc lớp nhỏ hơn và bề mặt cơ bản của chỳng hơi gấp nếp. Tất cả cỏc tỏc động này đều cú trong cả mica lẫn cỏc khoỏng vật sột.
Cỏc khoỏng vật sột thường được phõn thành 3 loại lớp khỏc biệt nhau bởi số cỏc phiến khối tứ diện và phiến khối bỏt diện kết hợp với nhau hơn nữa được phõn thành 5 nhúm phõn biệt với nhau bởi cỏc loại thay thế đồng hỡnh cation tỡm thấy. Cỏc loại lớp được chỉ ra ở hỡnh 2.4 và cỏc nhúm được mụ tả ở bảng 2.3.
Loại lớp 1:1 bao gồm 1 phiến khối tứ diện và 1 phiến khối bỏt diện. Đại diện cho khoỏng sột loại này là nhúm kaolinit cú cụng thức hoỏ học chung là[Si4]Al4O10(OH)8.nH2O, trong đú cation để trong cỏc ngoặc vuụng thuộc phối trớ khối tứ diện và n là số mol nước hidrỏt hoỏ. Thường sự thay thế đồng hỡnh khụng đỏng kể đối với Si hoặc Al trong khoỏng vật sột này (sự thay thế của Fe(III) cho Al chỉ đạt khoảng 3 % mol được tỡm thấy ở cỏc đất oxisols). Núi chung trong cỏc khoỏng vật sột của đất, phiến khối bỏt diện thường là phiến khối bỏt diện đụi (nhị bỏt diện).
Loại lớp 2:1 là loại cú hai phiến khối tứ diện ở hai bờn và một phiến khối bỏt diện ở giữa. Ba nhúm khoỏng vật sột của đất cú cấu trỳc này là ilit, vecmiculit và smectit. Nếu a, b và c là cỏc hệ số tỷ lượng (hợp thức) của Si, Al và Fe(III) của khối bỏt diện trong cỏc cụng thức hoỏ học của nhúm này thỡ x = 12-a-b-c là điện tớch lớp, số mol điện tớch dư của mỗi cụng thức hoỏ học được tạo ra do sự thay thế đồng hỡnh. Như đó chỉ ra ở bảng 2.3, ba nhúm 2:1 khỏc nhau ở hai điểm chủ yếu: điện tớch lớp giảm xuống theo thứ tự: ilit > vecmiculit > smectit và nhúm vecmiculit phõn biệt với nhúm smectit bởi giới hạn sự thay thế đồng hỡnh ở phiến khối tứ
diện. Trong nhúm smectit, những khoỏng vật sột cú sự thay thế của Al cho Si mạnh hơn sự thay thế của Fe(II) hoặc Mg cho Al được gọi là baydelit, cũn những khoỏng vật sột cú sự thay thế theo chiều ngược lại được gọi là monmorilonit. Cụng thức hoỏ học trong bảng 2.3 đối với smectit là điển hỡnh của monmorilonit. Trong bất kỳ khoỏng sột 2:1 nào, điện tớch lớp cũng được cõn bằng bởi cỏc cation ở cỏc khoảng trống của mặt phẳng cơ bản cỏc nguyờn tử oxy của phiến khối tứ diện. Cỏc cation giữa cỏc lớp này được biểu thị bằng chữ M trong cụng thức hoỏ học (bảng 2.3).
Hỡnh 2.4 Ba loại lớp của khoỏng vật sột (bảng 2.3). G. Sporito, 1984.
Đặc trưng cho loại lớp 2:1 với lớp chung hydroxit là clorit cú phiến khối bỏt diện đụi (hỡnh 2.4). Cỏc cation được phối trớ khối bỏt diện trong clorit ở cả 2 phiến: một bao gồm bỏt diện M(OH)2O4m-10 (với Mm+ = Al3+, Fe3+ hoặc Mg2+) kẹp giữa lớp 2:1 và một bao gồm chủ yếu bỏt diện Al(OH)63- phõn bố ở trờn bề mặt của lớp 2:1 đú. Để duy trỡ sự trung hoà điện của toàn bộ cấu trỳc, sự chiếm giữ khối bỏt diện thường lớn hơn giỏ trị được coi là 8 cho mỗi cụng thức hoỏ học đối với 2 phiến khối bỏt diện, như vậy sự dư thừa điện tớch dương sẽ cõn bằng với sự dư thừa điện tớch õm được tạo ra do sự thay thế đồng hỡnh ở cỏc phiến khối tứ diện.
Sự rối loạn cấu trỳc trong tất cả cỏc khoỏng vật sột được trỡnh bày ở bảng 2.3 được tạo ra do sự thay thế đồng hỡnh đối với cỏc cation chủ yếu của chỳng. Miền thay thế này rất rộng, như được chỉ ra ở bảng 2.3a. Thậm chớ sự rối loạn (disorder) cấu trỳc tồn tại ở cả thạch anh và cỏc aluminsilicat mới được kết tủa trong đất, vỡ vậy những hợp chất này chủ yếu là vụ định hỡnh (nếu cấu trỳc lặp lại trờn cơ sở cụng thức hoỏ học của một pha rắn cũn giữ liờn tục một vựng phõn tử cú đường kớnh ớt nhất lớn hơn 3 nm, pha rắn đú được gọi là tinh thể. Nếu tớnh cõn đối của cấu trỳc khụng tồn tại trờn một khoảng phõn tử rộng này thỡ pha rắn đú được gọi là vụ định hỡnh).
Bảng 2.3 Cỏc nhúm khoỏng vật sột (hỡnh 2.4)
Nhúm Loại lớp Điện tớch lớp Cụng thức hoỏ học điển hỡnha Kaolinit Ilit Vecmiculit Smectitb Clorit 1:1 2:1 2:1 2:1 2:1 với lớp hyđroxớt chung < 0,01 1,4-2,0 1,2-1,8 0,5-1,2 Thay đổi [Si4]Al4O10(OH)8.nH2O (n=0 hoặc 4) Mx[Si6,8Al1.2]Al3Fe0,25Mg0,75O20(OH) 4 Mx[Si7Al]Al3Fe0,5Mg0,5O20(OH)4 Mx[Si8Al]Al3,2Fe0,2Mg0,6O20(OH)4 (Al(OH)2,55)4[Si6,8Al1,2]Al3,4Mg0,6O20( OH)4
Ghi chỳ:a. n = 0 là kaolinit và n = 4 là haluasit, M = cation giữa cỏc lớp hoỏ trị 1 b. Chủ yếu là monmorilonit trong đất.
Cỏc aluminsilicat bị rối loạn cấu trỳc đó được biết (như alophan và imogolit) thường cú trong cỏc nhúm hạt sột của đất được hỡnh thành từ tro nỳi lửa. Cấu trỳc nguyờn tử của alophan tuy chưa được hiểu rừ lắm, nhưng người ta cho rằng nú bao gồm một khung dạng lớp aluminsilicat 1:1 bị thủng với những lỗ khuyết (những vị trớ ion trống) và chứa Al ở cả phiến khối tứ diện và phiến khối bỏt diện. Những lỗ khuyết này làm tăng cường sự quăn của lớp thành dạng quả cầu nhỏ rỗng cú đường kớnh ~ 5 nm, trờn bề mặt của nú cú nhiều lỗ hổng, qua những lỗ hổng này cỏc phõn tử hoặc ion nhỏ từ dung dịch đất cú thể đi vào. Alophan thường được tỡm thấy trong liờn kết với cỏc khoỏng vật sột nhúm kaolinit, đặc biệt lỏ loại bị hydrỏt hoỏ-haluasit. Imogolit với cụng thức theo kinh nghiệm, Si2Al4O10.5H2O cú hỡnh ống. Đơn vị ống đú trong cấu trỳc chứa Al chỉ trong phối trớ bỏt diện và phơi ra một bề mặt giống như gipxit cú lỗ khuyết.
Cú 3 loại phản ứng phong hoỏ chủ yếu cú liờn quan đến cỏc khoỏng vật sột loại hỡnh 2:1:
Ca0,7[Si6,6Al1,4]Al4O20(OH)4(r) + 3,6Al(OH)2,60,4+(dd) = (vecmiculit)
(Al(OH)2,6)3,6[Si6,6Al1,4]Al4O20(OH)4(r) + 0,7Ca2+(dd) (2.7a)
(vecmiculit cú lớp chung hydroxit)
Ca0,7[Si6,6Al1,4]Al4O20(OH)4(r) + 0,5Mg2+(dd) + 0,2H+(dd) + 2,7Si(OH)40(dd) = (vecmiculit)
1,24Al0,24Ca0,09[Si7,5Al0,5]Al3,6Mg0,4O20(OH)4(r) + 0,6Ca2+(dd) + 5H2O(l) (2.7b)
(beidelit/smectit)
Al0,3[Si7,5Al0,5]Al3,6Mg0,4O20(OH)4(r) + 0,8H+(dd) + 8,2H2O(l) = (beidelit/smectit)
1.1[Si4]Al4O10(OH)8(r) + 3,1Si(OH)40(dd) + 0,4Mg2+(dd) (2.7c)
(kaolinit)
Phản ứng trong phương trỡnh 2.7a là sự trao đổi cation giữa Ca2+ trờn vecmiculit với Al hydroxit để hỡnh thành vecmiculit cú lớp chung hydroxit (vecmiculit bị clorit hoỏ). Phản ứng này thường diễn ra trong điều kiện axớt, ở đú Al hoà tan được tạo thành nhiều do quỏ phong hoỏ khoỏng vật. Khoỏng vật sột tạo thành tương tự clorit trừ số lượng Al hydroxit ở lớp chung ớt hơn (xem bảng 2.3).
Bảng 2.3a.Cỏc nguyờn tố vết đồng kết tủa cựng với cỏc khoỏng vật đất thứ sinh và chất hữu cơ của đất
Chất rắn Cỏc nguyờn tố vết đồng kết tủa Cỏc oxớt Fe và Al B, P, V, Mn, Ni, Cu, Zn, Mo, As, Se Oxớt Mn P, Fe, Co, Ni, Zn, Mo, As, Se, Pb Ca cacbonat P, V, Mn, Fe, Co, Cd
Ilit B, V, Ni, Co, Cr, Cu, Zn, Mo, As, Se, Pb Smectit B, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pb
Vecmiculit Ti, Mn, Fe
Chất hữu cơ Al, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb
Loại phản ứng tương tự xảy ra đối với smectit. Phương trỡnh 2.7b miờu tả sự phong hoỏ vecmiculit thành smectit, beidelit, nú cũng diễn ra thuận lợi trong điều kiện axớt. Phương trỡnh 2.7c trỡnh bày sự tấn cụng của proton và sự thuỷ phõn smectit (beidelit) để hỡnh thành kaolinit. Phản ứng này xảy ra thuận lợi trong điều kiện nước ngọt và tiờu nước tốt.