Các khoáng vật sét

3. NHIỆM VỤ CỦA HÓA HỌC ĐẤT

1.3. THÀNH PHẦN KHOÁNG VẬT ĐẤT

1.3.4. Các khoáng vật sét

Các khoáng vật sét là các aluminosilicat chiếm ưu thế trong các nhóm hạt sét của đất ở giai đoạn trung gian (interdiate stage) đến giai đoạn nâng cao (advanced stage) của quá trình phong hoá. Các khoáng vật này giống như các loại mica là những khối nhiều lớp của các cấu trúc phiến khối tứ diện và phiến khối bát diện như những hình vẽ ở hình 2.2. Sự liên kết các phiến khối tứ diện và khối bát diện với nhau xảy ra thông qua các ion oxy ở đỉnh trong các cấu trúc khối tứ diện và luôn luôn tạo ra sự lệch (distortion) đáng kể sự sắp xếp anion trong cấu trúc lớp cuối cùng được tạo thành. Sự lệch xảy ra trước hết do các ion oxy ở đỉnh trong phiến khối tứ diện không xếp vừa với các góc của khối bát diện để hình thành một lớp trong khi giữ mẫu hình 6 cạnh lý tưởng của khối tứ diện. Để hợp nhất 2 phiến lại, các cặp khối tứ diện kề nhau phải xoay và do đó làm lệch tính đối xứng của

27

những khoảng trống 6 cạnh trong mặt phẳng cơ bản của phiến khối tứ diện (hình 2.2). Ngoài sự lệch này, sự dùng chung các cạnh trong phiến khối bát diện làm chúng bị ngắn lại (qui tắc Pauling 3) và sự thay thế đồng hình của các cation trong cả 2 phiến có khuynh hướng làm cho độ dày của cấu trúc lớp nhỏ hơn và bề mặt cơ bản của chúng hơi gấp nếp. Tất cả các tác động này đều có trong cả mica lẫn các khoáng vật sét. Các khoáng vật sét thường được phân thành 3 loại lớp khác biệt nhau bởi số các phiến khối tứ diện và phiến khối bát diện kết hợp với nhau hơn nữa được phân thành 5 nhóm phân biệt với nhau bởi các loại thay thế đồng hình cation tìm thấy. Các loại lớp được chỉ ra ở hình 2.4 và các nhóm được mô tả ở bảng 2.3. Loại lớp 1:1 bao gồm 1 phiến khối tứ diện và 1 phiến khối bát diện. Đại diện cho khoáng sét loại này là nhóm kaolinit có công thức hoá học chung là [Si4]Al4O10(OH)8.nH2O, trong đó cation để trong các ngoặc vuông thuộc phối trí khối tứ diện và n là số mol nước hidrát hoá. Thường sự thay thế đồng hình không đáng kể đối với Si hoặc Al trong khoáng vật sét này (sự thay thế của Fe(III) cho Al chỉ đạt khoảng 3 % mol được tìm thấy ở các đất oxisols). Nói chung trong các khoáng vật sét của đất, phiến khối bát diện thường là phiến khối bát diện đôi (nhị bát diện). Loại lớp 2:1 là loại có hai phiến khối tứ diện ở hai bên và một phiến khối bát diện ở giữa. Ba nhóm khoáng vật sét của đất có cấu trúc này là ilit, vecmiculit và smectit. Nếu a, b và c là các hệ số tỷ lượng (hợp thức) của Si, Al và Fe(III) của khối bát diện trong các công thức hoá học của nhóm này thì x = 12-a-b-c là điện tích lớp, số mol điện tích dư của mỗi công thức hoá học được tạo ra do sự thay thế đồng hình. Như đã chỉ ra ở bảng 2.3, ba nhóm 2:1 khác nhau ở hai điểm chủ yếu: điện tích lớp giảm xuống theo thứ tự: ilit > vecmiculit > smectit và nhóm vecmiculit phân biệt với nhóm smectit bởi giới hạn sự thay thế đồng hình ở phiến khối tứ diện. Trong nhóm smectit, những khoáng vật sét có sự thay thế của Al cho Si mạnh hơn sự thay thế của Fe(II) hoặc Mg cho Al được gọi là baydelit, còn những khoáng vật sét có sự thay thế theo chiều ngược lại được gọi là monmorilonit. Công thức hoá học trong bảng 2.3 đối với smectit là điển hình của monmorilonit. Trong bất kỳ khoáng sét 2:1 nào, điện tích lớp cũng được cân bằng bởi các cation ở các khoảng trống của mặt phẳng cơ bản các nguyên tử oxy của phiến khối tứ diện

Đặc trưng cho loại lớp 2:1 với lớp chung hydroxit là clorit có phiến khối bát diện đôi (hình 2.4). Các cation được phối trí khối bát diện trong clorit ở cả 2 phiến: một bao gồm bát diện M(OH)2O4 m-10 (với Mm+ = Al3+, Fe3+ hoặc Mg2+) kẹp giữa lớp 2:1 và một bao gồm chủ yếu bát diện Al(OH)6 3- phân bố ở trên bề mặt của lớp 2:1 đó. Để duy trì sự trung hoà điện của toàn bộ cấu trúc, sự chiếm giữ khối bát diện thường lớn hơn giá trị được coi là 8 cho mỗi công thức hoá học đối với 2 phiến khối bát diện, như vậy sự dư thừa điện tích dương sẽ cân bằng với sự dư thừa điện tích âm được tạo ra do sự thay thế đồng hình ở các phiến khối tứ diện. Sự rối loạn cấu trúc trong tất cả các khoáng vật sét

28

được trình bày ở bảng 2.3 được tạo ra do sự thay thế đồng hình đối với các cation chủ yếu của chúng. Miền thay thế này rất rộng, như được chỉ ra ở bảng 2.3a. Thậm chí sự rối loạn (disorder) cấu trúc tồn tại ở cả thạch anh và các aluminsilicat mới được kết tủa trong đất, vì vậy những hợp chất này chủ yếu là vô định hình (nếu cấu trúc lặp lại trên cơ sở công thức hoá học của một pha rắn còn giữ liên tục một vùng phân tử có đường kính ít nhất lớn hơn 3 nm, pha rắn đó được gọi là tinh thể. Nếu tính cân đối của cấu trúc không tồn tại trên một khoảng phân tử rộng này thì pha rắn đó được gọi là vô định hình)

Các aluminsilicat bị rối loạn cấu trúc đã được biết (như alophan và imogolit) thường có trong các nhóm hạt sét của đất được hình thành từ tro núi lửa. Cấu trúc nguyên tử của alophan tuy chưa được hiểu rõ lắm, nhưng người ta cho rằng nó bao gồm một khung dạng lớp aluminsilicat 1:1 bị thủng với những lỗ khuyết (những vị trí ion trống) và chứa Al ở cả phiến khối tứ diện và phiến khối bát diện. Những lỗ khuyết này làm tăng cường sự quăn của lớp thành dạng quả cầu nhỏ rỗng có đường kính ~ 5 nm, trên bề mặt của nó có nhiều lỗ hổng, qua những lỗ hổng này các phân tử hoặc ion nhỏ từ dung dịch đất có thể đi vào. Alophan thường được tìm thấy trong liên kết với các khoáng vật sét nhóm kaolinit, đặc biệt lá loại bị hydrát hoá-haluasit. Imogolit với công thức theo kinh nghiệm, Si2Al4O10.5H2O có hình ống. Đơn vị ống đó trong cấu trúc chứa Al chỉ trong phối trí bát diện và phơi ra một bề mặt giống như gipxit có lỗ khuyết. Có 3 loại phản ứng phong hoá chủ yếu có liên quan đến các khoáng vật sét loại hình 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 có lớp chung hydroxit) Ca0,7[Si6,6Al1,4]Al4O20(OH)4(r)

+ 0,5Mg2+(dd) + 0,2H+(dd) + 2,7Si(OH)4 0(dd) = (vecmiculit)

29

(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)4 0(dd) + 0,4Mg2+(dd) (2.7c) (kaolinit) Phản ứng trong phương trình 2.7a là sự trao đổi cation giữa Ca2+ trên vecmiculit với Al hydroxit để hình thành vecmiculit có lớp chung hydroxit (vecmiculit bị clorit hoá). Phản ứng này thường diễn ra trong điều kiện axít, ở đó Al hoà tan được tạo thành nhiều do quá phong hoá khoáng vật. Khoáng vật sét tạo thành tương tự clorit trừ số lượng Al hydroxit ở lớp chung ít hơn (xem bảng 2.3).

Loại phản ứng tương tự xảy ra đối với smectit. Phương trình 2.7b miêu tả sự phong hoá vecmiculit thành smectit, beidelit, nó cũng diễn ra thuận lợi trong điều kiện axít. Phương trình 2.7c trình bày sự tấn công của proton và sự thuỷ phân smectit (beidelit) để hình thành kaolinit. Phản ứng này xảy ra thuận lợi trong điều kiện nước ngọt và tiêu nước tốt.