KHOÁNG VẬT SÉT

56
Phần lớn, khoáng vật sét thường gặp dưới dạng tập hợp hạt mịn. Khi hấp phụ nước,
chúng trở thành vật liệu với độ dẻo thay đổi. Hạt sét có dạng vảy; chúng có thể tồn tại ở trạng
thái vô định hình. Kích thước hạt thường nhỏ, có thể thay đổi từ cỡ hạt keo cho đến gần giới
hạn của độ phân giải của kính hiển vi. Về
cấu trúc tinh thể, khoáng vật sét hình thành từ các
lớp TO và TOT gồm lá tứ diện SiO
4
ghép với lá bát diện kiểu brucit/gibbsit.
Dựa trên những đặc trưng khác nhau, trước hết là độ lớn của c (thông số chuỗi mạng
thẳng góc với mặt lớp) khoáng sét chia thành 4 nhóm chính: kaolinit (7Å), illit (10Å), smectit
(15Å) và vermiculit (14,5Å).
Bảng 6.15
Số liệu hoá phân tích của khoáng vật sét
1 2 3 4 5 6 7
SiO
2
46,20 44,46 51,25 56,59 51,46 50,25 34,04
TiO
2
0,09 0,15 0,17 0,06 0,05 0,03 –
Al
2
O
3
39,20 36,58 23,53 20,06 2,20 4.44 15,37
Fe
2
O

3
0,23 0,36 2,02 3,19 24,70 0,50 8,01
FeO – 0,07 0,33 – – – –
MnO – – – 0,03 0,03 0,02 –
MgO 0,07 0,18 3,32 3,10 3,27 23,81 22,58
CaO 0,06 0,19 0,59 0,68 1,45 1,70 0,00
Na
2
O 0,09 0,01 0,05 2,17 1,06 0,76 0,00
K
2
O 0,21 0,51 7,61 0,45 0,24 0,10 0,00
H
2
O
+
13,80 13,38 5,87 13,67 15,34 7.25 19,93
H
2
O
–
– 4,05 5,26 – – 10,76 –
Tổng 99,95 100,12 100,02 100,00 99,80 99,69 99,93

Số ion tính trên 18 (O,OH)
Si 3,981 4,01 7,163 7,776 7,950 7,513 5,44
Al 0,019 – 0,837 0,224 0,050 0,487 2,56
∑
4,00 4,01 8,00 8,00 8,00 8,00 8,00
Al 3,962 3,89 3,040 3,026 0,351 0,296 0,32

Ti 0,006 0,01 0,018 0,006 0,006 0,003 –
Fe
3+
0,015 0,02 0,212 0,330 2,872 0,056 0,96
Fe
2+
– 0,01 0,039 – – – –
Mn – – – 0,003 0,004 0,003 –
Mg 0,009 0,02 0,692 0,635 0,753 5,306 4,72
∑
3,99 3,95 4,00 4,00 3,99 5,67 6,00
Mg 0,64
Ca 0,006 0,02 0,088 0,100 0,240 0,272 –
K 0,023 0,06 1,357 0,079 0,047 0,019 –
Na 0,015 0,00 0,014 0,578 0,318 0,220 –
∑
1,46 0,76 0,60 0,51


57
OH 7,980 8,04 4,000 4,000 4,000 4,00
H
2
O 8,64
1. Kaolinit, St. Austell, Cornwall, UK; Contain 1-2 per cent mica (Jepson, W. B. &
Rowse, J. B., 1975, Clays and Clay Min., 23, 310-17).
2. White halloysite, Bedford, Indiana, USA (Kerr, P. F.,Hamilton, P.K. & Pill, R. J.,
1950, Reference clay minrrals. Amer. Petrolium Inst. Res. Proj., 49, Columbia Univ., New
york, Includes P
2

O
5
0,18).
3. Illite, Aymestry Limestone, Showers End, Worcs, UK (Srodon, J. & Karlinger, M. R.,
1986, Clays and Clay Min., 34,368-78. Includes P
2
O
5
0,02. Containes 7 per cent smectit
layers).
4. Montmorillonite, Creme, Recoaro Terme, Vicenza, Itali (Brigatti, M. F., 1983, Clay
Min., 18, 177-86).
5. Nontronite, Andreasberg, Germany (Brigatti, M. F., 1983, Clay Min., 18, 177-86).
6. Saponite, Ballarat, Inyo Co., California, USA (Post, J. G., 1984, Clays and Clay Min.,
32, 147-53. Includes NiO 0,07).
7. Vermiculit, Kenya (Mathieson, A. McI.. & Walker, G. F., 1954, Amer. Min., 39, 231-
55).
Tuy vậy, thông số này có thể thay đổi giá trị: tăng (trương nở) do nước hay dung môi hữu
cơ bị hấp phụ, nằm chèn vào giữa các lớp; giảm (co rút) do mất cả nước hấp phụ và nước cấu
trúc. Khoáng vật sét hết thảy đều là silicat ngậm nước, ở nhiệt độ cao sau khi mất nước, chúng
biến thành vật li
ệu chịu lửa.
Những trang sau sẽ đề cập đến các khoáng, trừ nhóm năm. Tuy có nhiều điểm chung như
các khoáng dạng lớp, paligorskit và sapiolit có dạng sợi mảnh. Cấu trúc của chúng cũng có
nhóm chức (Al,Si)
2
O
5
dạng lá, nhưng các bát diện (Al, Mg, Fe) không kết thành lớp mà thành
chuỗi, để lại các kênh chứa các phân tử nước và chất hữu cơ.

Bảng 6.16
Một số đặc trưng chính của các nhóm khoáng vật sét
Kaolinit Illit Smectit Vermiculit
T : O 1 : 1 2 : 1 2 : 1 2 : 1
Lá
bát diện
Hai
bát diện
Hầu hết hai
bát diện
Hai và ba bát diện Hầu hết ba
bát diện
Cation
trao đổi
Không có

K Ca, Na Mg
Nước xen
lớp
Haloysit:
1 lớp
Phân tử H
2
O
Một ít trong
hydromica

1 lớp H
2
O

(Na-smectit)/2 lớp H
2
O
(Ca-smectit)
2 lớp
phân tử
H
2
O
Thông số
c
7,1Å
(haloysit:10Å)

10 Å Không xác định, Ca-
smectit : 15Å
Không xác định,
14,4Å khi ngậm đủ
nước
Glycol Chỉ haloysit
hấp phụ
Không tác dụng 2 lớp pt glycol, 17Å 1 lớp pt glycol, 14Å
Công thức Al
4
Si
4
O
10
(OH)
8

KAl
4
(Si,Al)
8
M
+
(Y
3+
,Y
2+
)
4–6
M
2+
(Y
3+
,Y
2+
)
4-6



58
hoá học ít biến đổi O
20
(OH)
4
(Si,Al)
8

O
20
(OH)
4
.nH
2
O

(Si,Al)
8
O
20
(OH)
4
.8H
2
O
Nung
200°C
Haloysit co rút,
c = 7,4Å
Không biến đổi Co rút,
c = 10 Å
Phân lớp,
c giảm
Nung
650°C
Kaolinit ⇔
Metakaolinit,
c 7Å

c 10 Å c 9,6 – 10Å Co rút
c đến 9Å
Chiết suất
Np,
Ng, 2V

1,55 –1,56
1,56 – 1,57
24 – 50°º

1,54 – 1,57
1,57 – 1,61
< 10°º

1,48 – 1,61
1,50 – 1,64
Không xác định

1,52 – 1,57
1,53 – 1,58
<18°º
Khoáng vật sét phân biệt nhau ở cách chúng mất nước, cách chúng phân rã và ở bản chất
của sản phẩm phân huỷ. Thành phần hoá học (xem bảng 6.15) biến động tuỳ thuộc quy mô
trao đổi của Si, Al và Mg với các cation khác, tuỳ thuộc bản chất và số lượng của cation và
nước chúng hấp phụ.
Khoáng vật sét là thành tố chính của một loại trầm tích, mà sau khi lắng đọng và kết chặt
sản sinh đá phiến sét hay đá sét. Chúng thường là sả
n phẩm của phong hoá và biến đổi nhiệt
dịch, loại hình thay đổi tuỳ thuộc điều kiện hoá lí và bản chất của đá mẹ; ví dụ feldspat, mica,
phun trào thuỷ tinh hay các khoáng vật fema. Khoáng sét đóng vai trò quan trọng trong kiến

trúc và tính chất của đất trồng.
Khoáng vật sét tập hợp trong các nhóm sau:
Nhóm kaolinit, gồm kaolinit, dickit, nacrit và haloysit.
Nhóm illit, gồm illit, hydromica, phengit, bramalit, glauconit và celadolit.
Nhóm smectit, gồm montmorillonit, beidelit, nontronit, hectorit, saponit và sauconit.
Vermiculit
Nhóm paligorskit, gồm paligorskit và sepiolit.
6.10.1. Kaolinit
Hệ ba nghiêng hay một nghiêng (−) Al
4
[Si
4
O
10
] (OH)
8
Np,Nm,Ng 1,553 – 1,565; 1,559 – 1,569; 1,560 – 1,570;
Ng−Np; 2V ∼ 0,006; 24 – 59°
Ô cơ sở :
a ∼5,15Å; b ∼8,95Å; c ∼7,4Å;
α
∼91,8°;
β
∼104,8°;
γ
∼90°.

Z = 1; NKG:
C1

Định hướng :
Nm

: x = 1 – 3,5°; Ng

= y. MQT ⊥ (010)
d
hkl
chính, Å : 7,15 (10); 3,57 (10);
2,55 (8); 2,49 (9); 2,33 (10); 2,33 (10).
Đặc điểm cấu trúc
Với T : O = 1 (bảng 6.16), kaolinit có đơn vị cấu trúc gồm hai lá TO; lá tứ diện và lá bát
diện dạng gibbsit. Nhóm chức (Si
4
O
10
)
4–
hình thành từ những tứ diện SiO
4
gắn kết thành lá
(do các vòng lục giác ghép lại). Đáy các tứ diện gần như đồng phẳng, đỉnh của chúng đều
hướng về phía đối. Tại tâm lục giác giữa 6 ion oxy đỉnh này có ion OH
–
, các anion O
2–
và


59

OH
–
ấy tạo nên đáy của lá bát diện dạng gibbsit (OH)
6
–Al
4
–(OH)
2
O
4
. Tại đây, Al chỉ chiếm
2/3 số khoang bát diện (hình 6.28).
Các lớp TO của kaolinit xếp chồng lên nhau, sao cho ion oxy mặt dưới của lớp này kết
nối với ion hydro mặt trên của lớp kia (bằng mối liên kết hydro). Ô mạng cơ sở hệ ba nghiêng
của cấu trúc tinh thể kaolinit hình thành như vậy. Nó chỉ gồm một lớp duy nhất (hình 6.28,b).
Dickit và nacrit có thành phần hoá học giống của kaolinit, nhưng các lớp của chúng sắp
đặt theo nh
ững trình tự khác nhau. Dickit và nacrit có ô mạng cơ sở một nghiêng với bề dày c
lần lượt gồm hai lớp và sáu lớp.
Trong không gian giữa các lớp, haloysit chứa một lớp phân tử nước; làm cho d
001
tăng từ
7,2Å đặc trưng của kaolinit lên khoảng 10Å. Haloysit mất nước có d
001
khoảng 7Å. Trật tự
xếp lớp tạo nên ô cơ sở hai lớp và dù cho phân tử nước sắp xếp có vẻ hợp lí bằng dạng liên
kết hydro, cấu trúc haloysit vẫn bộc lộ sự không trật tự. Các lớp có xu hướng cuộn thành dạng
ống hay dạng cầu. Điều đó, cùng với tình trạng không trật tự, làm cho hiệu ứng nhiễu xạ của
haloysit có dạng trải rộng và không đối xứ
ng. Nước xen lớp có thể thay bằng glycol làm cho

d
001
từ 10 lên khoảng 11Å. Các khoáng vật khác trong nhóm có thể trương nở, không phải do
nước, mà do một số hợp chất hữu cơ đặc biệt.

Hình 6.28
Cấu trúc tinh thể kaolinit
a) Cấu trúc lí tưởng của lớp TO chiếu trên mặt (001);
b) Cấu trúc nhìn dọc trục [010] và [100] cho thấy các lớp chệch nhau
Đặc điểm hoá học
Thành phần hoá học của kaolinit ít biến động. Một lượng nhỏ cation như Fe, Cr, Ti, Mg
và K có mặt, nhưng không phải trong cấu trúc khoáng vật, mà dưới dạng tạp chất như anatas,
rutil và mica. Mặc dầu có một số khoáng vật ba bát diện, đồng cấu trúc với kaolinit như


60
serpentin, amesit, berthierin, cronstedtit, nhưng thay thế đồng hình trong kaolinit của (Mg, Fe)
cho Al là không đáng kể: kaolinit vẫn là cấu trúc hai bát diện.
Haloysit có thành phần biến động hơn. Al
IV
thay thế cho Si nhiều hơn. Một nửa trong
4H
2
O trong công thức của nó (Al
2
O
3
.2SiO
2
.4H

2
O) tồn tại dưới dạng ion OH
−
và số còn lại có
mặt giữa các lớp dưới dạng các phân tử liên kết yếu. Hầu hết chúng bị thải loại ngay ở nhiệt
độ trong phòng, tại môi trường không bão hoà nước.
Năng lực trao đổi cation của kaolinit chỉ bằng 1/20 của illit, 1/40 của haloysit và 1/100
của smectit. Đặc biệt, kaolinit có năng lực trao đổi anion mạnh hơn so với hầu hết các khoáng
vật sét. Xen giữa các lớp có các ion OH
−
dễ bị thay thế.
Tính chất vật lí
Cát khai {001} rất hoàn toàn cho các tấm mềm dẻo, nhưng không đàn hồi và đôi khi có
kích thước khá lớn. Kaolinit không chịu tác động của các dung môi hữu cơ, trong khi các
khoáng sét khác có thể thay đổi chỉ số chiết suất khi tinh thể có các chất này thâm nhập vào.
Đối với các mẫu hạt mịn chỉ có thể đo giá trị trung bình của chiết suất. Chiết suất của haloysit
(khoảng 1,530) thấ
p hơn của kaolinit. Trên ảnh hiển vi điện tử phần lớn các hạt kaolinit có
dạng cạnh thẳng và đôi khi dạng tấm dài với góc của các cạnh là 60°.
Halloysit thường có dạng kéo dài, dạng phỏng cầu và dạng không đều đặn. Trên ảnh hiển
vi điện tử sợi halloysit có dạng ống, dạng cuộn kéo dài dọc trục y. Halloysit cũng có dạng tấm
và kaolinit cũng có dạng sợi.
Tỉ
trọng của khoáng vật sét có lẽ không dễ xác định; độ lớn của nó biến thiên cùng với
trạng thái hydrat hoá. Kaolinit có tỉ trọng khoảng 2,63g/cm
3,
trong khi giá trị này ít thay đổi
thì tỉ trọng của halloysit dao động từ 2,55 đối với trạng thái mất nước đến 2,0g/cm
3
tuỳ độ

chứa nước. Tỉ trọng của dickit và nacrit là khoảng 2,6g/cm
3
và biến thiên cho tới giá trị lí
thuyết.
Khi ở trạng thái ngậm nước, kaolinit và các khoáng vật sét thường có tính dẻo, tuy nhiên
điều này chưa được giải thích tường tận. Để có độ dẻo tối đa, chúng đồi hỏi một lượng nước
hợp lí. Bằng chứng cho thấy, các phân tử nước phân bố trong cấu trúc của tinh thể khoáng sét
phải theo một trật tự nhất định. Có lẽ liên kết hydro là lực gắn chúng v
ới nhau, với nguyên tử
oxy và với ion hydroxil ở mặt ngoài của lớp TO.
Dấu hiệu phân biệt
Các tính chất quang học có thể sử dụng để phân biệt kaolinit với dickit và nacrit. Dickit
quang dương có chỉ số khúc xạ thấp, và góc tắt Nm : x = 14−20°. Nacrit quang âm và góc tắt
này có giá trị lớn hơn. Montmorillonit có chỉ số khúc xạ thấp so với sericit, cả hai khoáng này
đều có lưỡng chiết suất lớn hơn. Khi phân biệt các khoáng kaolinit hạt mịn với nhau và v
ới
các khoáng vật sét khác cũng như với các silicat lớp (không phải là sét), cần sử dụng phương
pháp nhiễu xạ tia X đối với các mẫu nguyên, mẫu nung, mẫu xử lí glycol; cần kết hợp với
phương pháp DTA, với xử lí màu và với các thực nghiệm khác. Kaolinit thường không chịu
tác động của HCl loãng, nhưng serpentin và chlorit dễ dàng bị acid này phân huỷ.
6.10.2. Illit
Hệ một nghiêng (−) K
1,5 – 1,0
Al
4
[ Si
6,5 – 7,0
Al
1,5 – 1,0
O

20
](OH)
4

Np,Nm,Ng : 1,54 – 1,57 1,57 – 1,61 1,57 – 1,61


61
Ng–Np ~ 0,03
2V < 10°
Định hướng :
Nm ~ ⊥ (001)

Ô cơ sở (loại 1M) : a ~ 5,2Å; b ~ 9,0Å; d
001
~ 10Å; Z = 1
Đặc điểm cấu trúc tinh thể
Về cấu trúc tinh thể, illit cùng với smectit và vermiculit là những khoáng sét giống mica,
nhưng illit còn có thêm nét của mica là chứa kali, cation xen lớp chính. Hầu hết illit đều đơn
vị cấu trúc cơ sở TOT, hai bát diện giống muscovit, một số khác ba bát diện giống biotit.
Công thức tổng quát của illit là:
K
Y
Al
4
(Si
8-Y
, Ali)O
20
(OH)

4

trong đó, y < 2 và thường xấp xỉ 1,5. Vậy, illit khác muscovit về hoá học là có nhiều silic
và ít kali hơn; còn về vật lí học là ở kích thước của hạt sét < 2μm.
Với T : O = 2 : 1, đơn vị cơ sở của cấu trúc tinh thể illit là lớp TOT. Lá bát diện
AlO
4
(OH)
2
kiểu gibbsit nằm giữa hai lá tứ diện (Si,Al)O
4
hướng đỉnh vào trong; nó giống đơn
vị cơ sở của pyrophyllit (xem lại hình 4.21). Các lớp này liên kết nhau bằng lớp cation K xen
giữa.
Hầu hết illit chứa ít cation xen lớp so với muscovit, cho nên các lớp liên kết với nhau yếu
hơn, kém đều đặn hơn. Illit có thể nhận biết bằng hiệu ứng 001 mạnh của nhiễu xạ tia X. Illit
chứa ít hoặc không chứa nước hay dung môi hữu cơ, d
001
không thay giá trị, dù có xử lí nhiệt
hay không.
Illit tự nhiên chứa các lớp smectit, xen kẽ đều đặn hoặc ngẫu nhiên. Thành phần khoáng
vật sét phong phú nhất của đá trầm tích là tập hợp các lớp illit/smectit (I/S). Khi đơn vị cấu
trúc cơ sở của smectit xen với illit thì thông số mạng d
001
tăng giá trị và mẫu khoáng vật mang
thêm những đặc trưng của smectit; chẳng hạn trương nở khi xử lí glycol, co rút khi xử lí nhiệt,
cation K có thể thay bằng Na khi xử lí NaCl. Tỉ lệ smectit trong mẫu I/S có thể định lượng
được.
Đặc điểm hoá học
Lá bát diện của illit chứa 4 Al trong đơn vị công thức, giống như trong muscovit. Lá tứ

diện sẽ có dư điện tích do illit có tỉ số Si/Al cao hơn. Số lượng ion K tuy nh
ỏ (< 2K/đvct,
bảng 6.15, pt 3), cũng đủ để trung hoà điện tích âm dư này. Khoáng vật phengit cũng có tỉ số
Si/Al cao và điện tích dương dư sẽ trung hoà bằng việc (Mg,Fe
2+
) thay cho Al
IV
. Trong
hydromuscovit, lượng kali thấp hơn 2K/đvct; điện tích âm dôi dư sẽ trung hoà bằng ion
hydroxoni H
3
O
+
xen vào giữa các lớp hay bằng việc thay thế một số anion O
2–
⇔ OH
−
. Một
số illit là hỗn hợp của hai loại: một với khoảng 2K/đvct, một với khoảng 1,1K/đvct, cho thành
phần trung bình khoảng 1,55K/đvct.
Thuật ngữ “sericit” thường dùng mô tả mica trắng hạt mịn, có thể là muscovit hay
paragonit. Đôi khi, nó cũng được áp dụng cho một thứ sét với thành phần biến đổi từ
muscovit theo một trong những cách đã nói trên. Illit thường chứa một ít Ca, Na thay cho K
cũng như Mg, Fe thay cho Al
VI
; những ion này có thể vừa nằm xen lớp vừa nằm trong lớp
illit.
Về năng lực trao đổi cation, illit xếp hạng cao hơn kaolinit, nhưng thấp hơn hẳn so với
haloysit, smectit và vermiculit. Dù sao, trong đất illit cũng thường là dạng bị phong hoá thiếu

62
kali và có thể biến đổi thành smectit hay vermiculit. Các dạng khoáng này có năng lực hấp
phụ mạnh kali từ phân bón và cố định nó.
Illit hai hay ba bát diện đều mất nước theo từng giai đoạn. Nước hấp phụ trên bề mặt các
hạt và có thể cả một ít nước xen lớp đều bốc ra nhanh chóng ở nhiệt độ dưới 110°C, số còn lại
chậm hơn và thoát ra trong khoảng từ 110 đến 350°C. Nước thành tạo từ ion OH
–
sẽ bị đào
thải sớm, giữa 350 và 600°C, để thải nốt số ít sót lại cần nung tiếp.
Illit và tập hợp illit/smectit là những khoáng vật sét phong phú trong đá trầm tích và có
thể hình thành từ những nhóm khác nhau như muscovit, kaolinit và feldspat. Nhưng khối
lượng chính của chúng là sản phẩm của quá trình thành đá hay biến chất thấp (do vùi lấp) tác
dụng lên smectit. Quá trình illit hoá cũng xảy ra trong môi trường nhiệt dịch, ví dụ trong các
trường địa nhiệt hay quanh các mỏ qu
ặng. Nhiệt độ tăng thì quá trình phát triển và sản phẩm
chính sinh ra là biến thể 1M.
Tại phần dưới của các đới phong hoá, feldspat bị sericit hoá cho ra đời illit và
illit/smectit. Các khoáng vật này cũng sinh ra do smectit biến đổi khi chịu tác dụng của vòng
tuần hoàn mùa mưa – mùa khô.
Tính chất vật lí
Khoáng vật illit có giá trị chiết suất thay đôỉ trong khoảng rộng. Đó là do nhiều khả năng
thay thế đồng hình (chỉ số khúc xạ tăng cùng với độ
chứa sắt), do mức độ hydrat hoá, do cấu
trúc có xen các lớp của khoáng vật khác. So với các mica tương ứng là muscovit và biotit, illit
có chiết suất thấp hơn chút ít. Sử dụng tính chất quang học để phân định các khoáng vật này
đòi hỏi độ chuẩn xác cao, do kích thước rất nhỏ của các hạt illit. Dưới kính hiển vi điện tử illit
cho thấy hình thái đa dạng, như vảy méo mó và lục giác đều đặn, thanh hẹp dài và sợi mảnh.
Các sợi này th
ường gặp trong các lỗ hổng của cát kết rỗng và có thể ảnh hưởng tiêu cực tới

vai trò của chúng trong việc thu hồi dầu mỏ.
Illit tinh khiết thì không màu, nhưng các tạp chất như oxit và hydroxit sắt hạt mịn có thể
làm cho nó nhiễm màu vàng, xanh hay nâu, v.v..., và có thể bộc lộ tính đa sắc nhẹ. Cũng như
chiết suất, tỉ trọng không thể đo chính xác bởi vì nó chịu ảnh hưởng của sự hydrat hoá và sự
có m
ặt của tạp chất hạt mịn. Thông thường, các khoáng vật illit có tỉ trọng hơi thấp so với các
mica tương ứng.
Dấu hiệu phân biệt
Bản chất hạt mịn của các illit gây nhiều khó khăn cho việc nhận biết chúng bằng phương
pháp quang học. Chiết suất trung bình của chúng xấp xỉ bằng chiết suất của mica tương ứng,
nhưng 2V thường nhỏ so với muscovit. Để nhận bi
ết chúng, có thể áp dụng phối hợp các phép
phân tích hoá với DTA và nhiễu xạ tia X đối với các mẫu trước và sau khi xử lí nhiệt và dung
môi hữu cơ.
Một số đặc điểm trên biểu đồ nhiễu xạ tia X có thể giúp phân biệt illit và các silicat lớp
khác:
∗ d
001
=10Å chỉ loại cấu trúc TOT. d
060
xấp xỉ 1,50Å là của cấu trúc hai bát diện.
∗ Cường độ vạch I
002
> I
001
:4 cho thấy nhôm (không phải sắt) là cation chính của vị trí
bát diện.


63

∗ Ir = (I
001
: I
003
)
mẫu khô
: (I
001
: I
003
)
mẫu xử lí glycol
= 1 cho thấy mẫu không trương nở. Chỉ số
Ir thường lớn hơn 1 khi cấu trúc chứa các lớp smectit.
6.10.3. Smectit
Ba bát diện (
1
2
Ca,Na)
0,7
(Mg,Fe,Al)
4
[(Si,Al)
8
O
20
](OH)
4
.nH
2

O
Hệ một nghiêng (−)
Np,Nm,Ng 1,48 – 1,61; 1,50 – 1,64; 1,50 – 1,64
Ng − Np, 2V
0,01 – 0,04; hầu hết góc nhỏ
Định hướng
Np ∼⊥ (001); Nm = y; M.T.Q.(010)
Ô mạng cơ sở, Å a = 5,2; b = 9,1 – 9,2;
d
001
= 10 – 15, tuỳ độ chứa nước.
Khoáng vật chính là những silicat lớp với T : O = 2 : 1, gồm có: montmorillonit, beidelit
và nontronit (hai bát diện) với công thức chung và saponit, hectorit và sauconit (ba bát diện).
Về mặt hoá học tinh thể, hai nhánh này liên quan lần lượt với pyrophyllit và talc.
Đặc điểm cấu trúc tinh thể
Cấu trúc cơ sở của tinh thể smectit là pyrophyllit (hình 4.21). Với T : O = 2 : 1, đơn vị cơ
sở của cấu trúc tinh thể là lớp TOT gồm 3 lá: nằm giữa hai lá tứ diện (Si,Al)O
4
đối đỉnh là lá
bát diện:
kiểu gibbsit Al(OH)
3
(smectit hai bát diện, với 2/3 bát diện do Al chiếm), hay
kiểu brucit Mg(OH)
2
(với tất cả các bát diện đều do Mg chiếm, smectit ba bát diện) trong
đó 2/3 nhóm OH
−
thay bằng anion oxy thuộc mạng lục giác của nhóm chức silic-oxy. Trong
cả hai mica đồng cấu trúc với smectit, là pyrophyllit và talc, Si, Al

VI
hay Mg không bị thay
thế đồng hình. Thành ra, lớp TOT đã trung hoà điện tích và không cần có cation xen giữa
chúng. Trong khi, smectit lại có sự thay thế đồng hình cả ở vị trí trong bát diện (Al hay Mg)
lẫn vị trí trong tứ diện (Si). Điện tích dôi dư từ đó sẽ được trung hoà bằng một lượng nhỏ
cation Ca
2+
hay Na
+
xen giữa các lớp.
Khoảng cách d
001
trong pyrophyllit và talc lần lượt xấp xỉ bằng 8,9 và 10Å. Smectit cho
thấy thông số này biến thiên trong phạm vi rộng với giá trị nhỏ nhất 9,6Å (ứng với trạng thái
co rút tối đa). Lượng cation xen lớp chỉ đủ để cân bằng điện tích âm của các lớp TOT và do
đó chúng không lấp đầy các vị trí sẵn có, không giống K trong muscovit. Có thể, chúng xếp
theo trật tự xen kẽ giữa chuỗi có cation và chuỗi bỏ trống. Khi thâm nhập vào không gian giữa
các lớp, các phân t
ử nước không xếp thành lớp liên tục, mà bao bọc thành vỏ quanh các
cation. Vị trí các cation và phân tử nước phần nào phân định bằng liên kết hydro.
Bản chất cuả cation xen lớp ảnh hưởng phần nào tới số lớp của phân tử nước.
Montmorillonit calci (thường gặp trong tự nhiên) thường có từ 2 đến 3 lớp trong phạm vi ô
mạng và d
001
lần lượt bằng khoảng 15,5 đến 19Å. Montmorillonit natri có 1 lớp (d
001
≈
12,5Å), 2 lớp (d
001
≈ 15,5Å), 3 lớp (d

001
≈ 19Å) hay nhiều hơn trong ô mạng. Khoáng vật có
thể chứa ô mạng hỗn hợp với độ chứa nước của mỗi ô một khác, cho nên thông số d
001
có các
giá trị biến đổi liên tục giữa 10 và 21Å và có thể biến đổi theo độ ẩm và bản chất cation trao
đổi. Sau khi bị mất nước, montmorillonit và saponit thể hiện năng lực nhiễu xạ trên biểu đồ
Roentgen tương tự như pyrophyllitvà talc.


64
Smectit thường bộc lộ sự chồng xếp lớp không trật tự, sinh ra trên biểu đồ nhiễu xạ tia X
những hiệu ứng trải rộng thay cho những vạch rõ nét. Một số smectit hai lớp bộc lộ độ trật tự
từng phần, sản sinh trên biểu đồ một số hiệu ứng sắc nhọn bên cạnh các hiệu ứng không rõ.
Smectit trải qua vòng xử lí khô – ướt kế tiếp với dung dị
ch chứa K có thể cho cấu trúc trật tự
tốt (C2/m,
β

≈
10°) với cation K cố định tại không gian giữa các lớp.
Smectit kết hợp với các silicat lớp khác theo những độ trật tự khác nhau, thường gặp nhất
là illit/smectit và chlorit/smectit. Một số tên khoáng vật ra đời dành cho các cấu trúc trật tự
cao, ví dụ rectorit (illit/smectit), tosudit (chlorit/smectit), alietit (saponit/talc). Cấu trúc với
trật tự hoàn hảo có d
001
là tổng giá trị của hai thành phần. Với độ trật tự từng phần, cấu trúc có
thông số d
001
nằm giữa các giá trị của hai thành phần. Cũng có thể gặp hỗn hợp các lớp của

hai khoáng vật smectit (montmorillonit và beidelit).
Bên cạnh nước và các cation trao đổi, một số ion hữu cơ như akylammon và chất lỏng
hữu cơ như glycol và glicerol cũng có mặt trong không gian giữa các lớp. Các lớp chất này
định vị ở đây theo số nguyên, góp phần duy trì độ trật tự chung của cấu trúc, làm cho d
001
trở
thành đặc số của dạng khoáng vật. Dưới tác dụng của glicerol, haloysit và vermiculit trương
nở, khiến cho d
001
tăng lên lần lượt đến 11 và 14Å.Còn đối với smectit, kết quả là 17Å.
Khi nung ở nhiệt độ giữa 100 và 200°C, smectit mất nước xen lớp, d
001
giảm còn khoảng
10Å. Nung đến 500°C làm cho d
001
giảm tiếp, còn từ 9,6 đến 10Å tuỳ bản chất của cation xen
lớp.
Đặc điểm hoá học
Thành phần hoá học của tất cả các smectit đếu giống như của pyrophyllit hay talc. Mọi
sự thay thế của ion hoá trị thấp hơn vào các vị trí bát diện và tứ diện đều có kèm theo sự bổ
sung tương ứng của cation trao đổi. Quy mô trung bình của sự thay thế này đòi hỏi bổ sung
kho
ảng 0,7 cation hoá trị một (hay tương đương) tính trên đơn vị công thức và những cation
này thường có thể trao đổi.
Nhóm smectit có nhiều sự khác nhau về thay thế đồng hình (trình bày có phần lí tưởng
hoá, bảng 6.17). Chẳng hạn, montmorillonit và hectorit hầu hết thay thế trong vị trí Y, trong
khi beidelit và saponit chủ yếu trong Z. Ngoài những thay thế giới thiệu trong bảng, smectit
có nhiều trường hợp thường gặp khác. Vị trí Y có thể chứa một lượng nhỏ Fe
2+
, Mn và Ni.

Không những thế, trong tự nhiên cũng tồn tại trường hợp trung gian với các đặc điểm của hai
hay nhiều khoáng vật của nhóm smectit. Ví dụ, montmorillonit có một phần Si bị thay thế bởi
Al, rồi beidelit và nontronit có một ít Mg. Như thế, montmorillonit–beidelit–nontronit là một
chuỗi dung dịch cứng (bảng 6.15, mẫu 4, 5 và 6). Chuỗi montmorillonit–beidelit có thể biểu
thị bằng công thức:
Al
4–Y
Mg
Y
(Si
8–X
Al
X
O
20
)(OH)
4
.X
X + Y
trong đó, X là số cation xen lớp hoá trị một và hoá trị hai. Đối với montmorillonit y > x,
đối với beidelit y < x. Trong smectit nhôm này, lượng trung bình tính trên đơn vị công thức
của Al, Mg, Fe
3+
và Fe
2+
trong bát diện lần lượt bằng 3,0; 0,7; 0,4 và 0,4 và Al trong tứ diện là
khoảng 0,4/đvct. Còn lượng Fe
2+
trong nontronit thường lớn hơn 3, trong
montmorillonit/beidelit nhỏ hơn 3 nguyên tử tính trên đơn vị công thức.

Bảng 6.17
Thành phần cation trong smectit, pyrophyllit và talc với sự thay thế đồng hình
Z Y X (cation trao đổi)


65
Hai bát diện
Pyrophyllit Si
8
Al
4

Montmorillonit Si
8
Al
3,3
Mg
0,7
(0,5Ca,Na)
0,7
Beidelit Si
7,3
Al
0,7
Al
4
(0,5Ca,Na)
0,7
Nontronit Si
7,3

Al
0,7
Fe
4
3+

(0,5Ca,Na)
0,7

Ba bát diện
Talc Si
8
Mg
6

Saponit Si
7,2
Al
0,8
Mg
6
(0,5Ca,Na)
0,8

Hectorit Si
8
Mg
5,3
Li
0,7

(0,5Ca,Na)
0,7

Sauconit Si
6,7
Al
1,3
Zn
4-6
(Mg,Al,Fe
3+
)
2–0
(0,5Ca,Na)
0,7

Trong smectit ba bát diện, Mg là cation chính tại Y, nhưng nó có thể bị thay thế hoàn
toàn bởi Fe
2+
; làm nảy sinh saponit sắt. Saponit (bảng 6.14, pt 7) thường chứa một số cation
hoá trị ba trong vị trí Y và tương ứng sẽ có thêm Al thay cho Si. Một ít Fe
3+
trong saponit có
thể sinh ra do Fe
2+
nguyên sinh bị oxy hoá. Hectorit thường chứa thêm F do nó vào thay cho
OH.
Tổng lượng ion Y trong smectit thường nằm trong khoảng từ 4 – 4,5 đến 5,7 – 6 và mặc
dù có lẽ không có thành phần trung bình, vẫn có thể gặp nhiều hỗn hợp lớp của cation hoá trị
hai và hóa trị ba.

Cation trao đổi thường gặp nhất là natri, cesi, stronti, magnesi, hydro, và những cation
xen lớp khác; chúng có mức độ trao đổi khác nhau. Chúng có lẽ đã hiện diện sẵn trong
khoáng vật, khi nó thành tạo. Chúng cũng có thể sinh muộn, do quá trình trao đổi về sau.
Năng lự
c trao đổi phụ thuộc vào kích thước của hạt khoáng, vào bản chát của cation. Năng
lực này tăng theo trình tự sau:
Li < Na < K < Rb < Cs, cho cation hoá trị một và
Mg < Ca < Sr < Ba, cho cation hoá trị hai.
Nói chung, với hoá trị càng cao cation có năng lực thay thế càng lớn, khả năng bị thay thế
càng nhỏ. Ví dụ, Ca khó bị thay thế hơn Na. Phân tích hoá của smectit hai bát diện cho thấy
tổng lượng ion tại Y vượt quá 4 nguyên tử/đvct. Dường như một số ion Mg chiếm chỗ tại
không gian giữ
a các lớp, góp phần vào năng lực trao đổi cation của khoáng smectit
Phân tử xen lớp: Lượng phân tử nước thâm nhập vào không gian giữa các lớp biến đổi
tuỳ theo chủng loại smectit, theo bản chất của cation tại chỗ và theo điều kiện tự nhiên. Chẳng
hạn, smectit calci thường hấp phụ hai đến ba lớp phân tử nước tại mỗi khoảng cách lớp. Trong
khi smectit natri liên tục thay đổi khả năng hấp phụ nướ
c và thường bộc lộ sự trương nở
mạnh. Nước xen lớp có thể có dạng đi kèm cation tại chỗ, tạo lớp vỏ gồm các phân tử H
2
O
bao bọc chúng.
Các phân tử hữu cơ khác nhau cũng có thể hiện diện trong khoảng không giữa các lớp. Vì
vậy, smectit được dùng nhiều trong việc tẩy màu, tẩy dầu mỡ, tinh chế dầu mỏ. Một loạt hợp
chất hữu cơ như cồn, keton, amin, urea và amit bám chặt các ion kim loại tại chỗ. Nói chung,
đối với các chất hữu cơ, cation Na, Ca và Mg hấp dẫn hơn K và trong nhiều trường hợp, có sự
tham gia của dạ
ng liên kết hydro nhờ các nhóm (OH) và (NH). Chính nhờ việc đưa những
cation (kimloại – hữu cơ) bền vững loại này vào cấu trúc lớp của smectit, độ rỗng và tính
năng xúc tác của khoáng sét được tăng cường.