แร่ดินเหนียวเป็นอะลูมิเนียมไฟลโลซิลิเกตที่มีน้ำ บางครั้งอาจมีธาตุเหล็ก แมกนีเซียม โลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ธเจือปนและไอออนบวกอื่นๆ ที่พบในหรือใกล้กับพื้นผิวดาวเคราะห์บางส่วน
พวกมันก่อตัวขึ้นในที่ที่มีน้ำ และครั้งหนึ่งเคยมีความสำคัญต่อการเกิดขึ้นของชีวิต ซึ่งเป็นเหตุว่าทำไมทฤษฎีมากมายเกี่ยวกับกระบวนการกำเนิดทางชีวภาพจึงรวมเอาทฤษฎีเหล่านี้ไว้ในกระบวนการนี้ เป็นองค์ประกอบสำคัญของดินและเป็นประโยชน์ต่อมนุษย์ตั้งแต่สมัยโบราณในด้านการเกษตรและการผลิต
การศึกษา
ดินเหนียวเป็นแผ่นหกเหลี่ยมแบนคล้ายไมกา แร่ธาตุจากดินเหนียวเป็นผลิตภัณฑ์ที่ทำให้ผุกร่อนทั่วไป (รวมถึงสภาพดินฟ้าอากาศเฟลด์สปาร์) และผลิตภัณฑ์ที่อุณหภูมิต่ำจากการเปลี่ยนแปลงด้วยความร้อนใต้พิภพ พบมากในดิน ในหินตะกอนเนื้อละเอียด เช่น หินดินดาน หินโคลน และหินตะกอน เช่นเดียวกับในหินแปรละเอียดและไฟลไลต์
คุณสมบัติ
แร่ดินเหนียวโดยทั่วไป (แต่ไม่จำเป็น) มีขนาดเล็กมาก โดยทั่วไปถือว่าน้อยกว่า 2 ไมโครเมตรในการจำแนกขนาดอนุภาคมาตรฐาน ดังนั้นอาจต้องใช้เทคนิคการวิเคราะห์พิเศษในการระบุและศึกษา ซึ่งรวมถึงการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ เทคนิคการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน วิธีการทางสเปกโตรสโกปีแบบต่างๆ เช่น Mössbauer spectroscopy, อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี Raman spectroscopy และ SEM-EDS หรือกระบวนการแร่วิทยาแบบอัตโนมัติ วิธีการเหล่านี้สามารถเสริมด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงโพลาไรซ์ ซึ่งเป็นเทคนิคดั้งเดิมที่สร้างปรากฏการณ์พื้นฐานหรือความสัมพันธ์ทางปิโตรวิทยา
จำหน่าย
เนื่องจากความต้องการน้ำ แร่ธาตุจากดินเหนียวนั้นค่อนข้างหายากในระบบสุริยะ แม้ว่าจะแพร่หลายไปทั่วโลก โดยที่น้ำมีปฏิสัมพันธ์กับแร่ธาตุและอินทรียวัตถุอื่นๆ พวกเขายังถูกพบในหลายแห่งบนดาวอังคาร สเปกโตรกราฟียืนยันการมีอยู่ของพวกมันบนดาวเคราะห์น้อยและดาวเคราะห์ รวมถึงดาวเคราะห์แคระเซเรสและเทมเพล 1 และดวงจันทร์ยูโรปาของดาวพฤหัสบดี
การจำแนก
แร่ดินเหนียวหลักรวมอยู่ในกลุ่มต่อไปนี้:
- กลุ่ม Kaoline ซึ่งรวมถึงแร่ธาตุ kaolinite, dickite, halloysite และ nakrite (polymorphs ของ Al2Si2O5 (OH) 4) บางแหล่งรวมถึงกลุ่ม kaolinite-serpentine เนื่องจากความคล้ายคลึงกันของโครงสร้าง (Bailey1980).
- กลุ่มสเมกไทต์ ซึ่งรวมถึงสเมกไทต์ไดออคทาเฮดรัล เช่น มอนต์มอริลโลไนต์ นอนโทรไนต์และไบเดลไลต์ และสเมกไทต์ไตรออคทาเฮดรัล เช่น ซาโปไนต์ ในปี 2013 การทดสอบเชิงวิเคราะห์โดยรถแลนด์โรเวอร์ Curiosity พบผลลัพธ์ที่สอดคล้องกับการปรากฏตัวของแร่ธาตุดินเหนียวบนดาวอังคาร
- กลุ่มอิลไลต์ ซึ่งรวมถึงไมกาเคลย์ อิลไลท์เป็นแร่ทั่วไปเพียงชนิดเดียวในกลุ่มนี้
- กลุ่มคลอไรท์ประกอบด้วยแร่ธาตุที่คล้ายคลึงกันหลายชนิดและมีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีอย่างมีนัยสำคัญ
สายพันธุ์อื่นๆ
มีแร่ธาตุประเภทอื่น ๆ เหล่านี้ เช่น sepiolite หรือ attapulgite ดินเหนียวที่มีช่องน้ำยาวอยู่ภายในโครงสร้าง รูปแบบดินเหนียวผสมมีความเกี่ยวข้องกับกลุ่มดังกล่าวส่วนใหญ่ การสั่งซื้ออธิบายว่าเป็นการสั่งซื้อแบบสุ่มหรือปกติ และมีการอธิบายเพิ่มเติมโดยคำว่า "Reichweit" ซึ่งหมายถึง "ช่วง" หรือ "ความครอบคลุม" ในภาษาเยอรมัน บทความวรรณกรรมอ้างถึง ตัวอย่างเช่น เพื่อสั่งซื้ออิลไลต์-สเมกไทต์ R1 ประเภทนี้รวมอยู่ในหมวดหมู่ ISISIS R0 ในทางกลับกัน อธิบายการเรียงลำดับแบบสุ่ม นอกจากนี้ คุณยังสามารถค้นหาประเภทการสั่งซื้อเพิ่มเติมอื่นๆ (R3 เป็นต้น) แร่ธาตุดินเหนียวผสมซึ่งเป็นชนิดที่สมบูรณ์แบบของ R1 มักมีชื่อเป็นของตัวเอง คลอไรท์-สเมกไทต์ที่สั่งซื้อ R1 เป็นที่รู้จักกันในชื่อคอร์เรนไซต์ R1 - อิลไลต์-สเมกไทต์ - เรคเตอร์
ประวัติการศึกษา
ความรู้ธรรมชาติของดินเหนียวเข้าใจง่ายขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1930 ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ซึ่งจำเป็นสำหรับการวิเคราะห์ลักษณะโมเลกุลของอนุภาคดินเหนียว การกำหนดมาตรฐานของคำศัพท์ก็เกิดขึ้นในช่วงเวลานี้เช่นกัน โดยให้ความสนใจเป็นพิเศษกับคำที่คล้ายกันซึ่งทำให้เกิดความสับสน เช่น ใบไม้และระนาบ
เช่นเดียวกับไฟลโลซิลิเกตทั้งหมด แร่ธาตุจากดินเหนียวมีลักษณะเป็นแผ่นสองมิติของ SiO4 มุมเตตระเฮดราและ/หรือ AlO4 octahedra แผ่นบล็อกมีองค์ประกอบทางเคมี (Al, Si) 3O4 จัตุรมุขซิลิกอนแต่ละตัวแบ่งอะตอมออกซิเจนจุดยอด 3 อะตอมกับจัตุรมุขอื่น ๆ ก่อตัวเป็นตาข่ายหกเหลี่ยมในสองมิติ จุดยอดที่สี่ไม่ได้ใช้ร่วมกับจัตุรมุขอื่น และจัตุรมุขทั้งหมดจะ "ชี้" ไปในทิศทางเดียวกัน จุดยอดที่ไม่มีการแบ่งทั้งหมดอยู่ด้านเดียวกันของแผ่นงาน
โครงสร้าง
ในดินเหนียว แผ่นสี่เหลี่ยมจตุรัสจะยึดติดกับแผ่นแปดด้านเสมอ ซึ่งเกิดจากไอออนบวกขนาดเล็ก เช่น อะลูมิเนียมหรือแมกนีเซียม และประสานกันโดยอะตอมออกซิเจน 6 อะตอม จุดยอดด้านเดียวของแผ่นจัตุรมุขยังเป็นส่วนหนึ่งของด้านหนึ่งของแปดเหลี่ยม แต่อะตอมออกซิเจนส่วนเกินจะตั้งอยู่เหนือช่องว่างในแผ่นจัตุรมุขที่กึ่งกลางของจตุรัสทั้งหก อะตอมออกซิเจนนี้ถูกพันธะกับอะตอมไฮโดรเจนที่สร้างกลุ่ม OH ในโครงสร้างดินเหนียว
ดินเหนียวสามารถแบ่งได้เป็นชั้นๆ หากแต่ละเลเยอร์มีจัตุรมุขเพียงกลุ่มเดียวและกลุ่มแปดด้านหนึ่งกลุ่ม ก็จะอยู่ในหมวดหมู่ 1:1 อีกทางเลือกหนึ่งที่เรียกว่าดินเหนียว 2: 1 มีแผ่นจัตุรมุขสองแผ่นด้วยจุดยอดแต่ละอันที่ไม่มีการแบ่งแยก พุ่งเข้าหากัน และสร้างแต่ละด้านของแผ่นแปดเหลี่ยม
ความเชื่อมโยงระหว่างแผ่นทรงสี่เหลี่ยมจตุรัสกับแผ่นแปดเหลี่ยมต้องการให้แผ่นทรงสี่เหลี่ยมจตุรัสกลายเป็นลูกฟูกหรือบิดเป็นเกลียว ทำให้เกิดการบิดเบี้ยวในแนวทแยงของเมทริกซ์หกเหลี่ยม และแผ่นทรงแปดเหลี่ยมให้แบน ซึ่งจะช่วยลดความผิดเพี้ยนของความจุโดยรวมของผลึก
ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของแผ่นจัตุรมุขและแปดเหลี่ยม เลเยอร์จะไม่มีค่าใช้จ่ายหรือจะมีค่าลบ ถ้าชั้นถูกชาร์จ ประจุนี้จะสมดุลโดยไอออนบวกระหว่างชั้น เช่น Na+ หรือ K+ ในแต่ละกรณี ชั้นกลางอาจมีน้ำอยู่ด้วย โครงสร้างผลึกเกิดจากชั้นที่ซ้อนกันระหว่างชั้นอื่นๆ
เคมีของดินเหนียว
เนื่องจากดินเหนียวส่วนใหญ่ทำมาจากแร่ธาตุ จึงมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพสูงและมีคุณสมบัติทางชีวภาพที่น่าสนใจ เนื่องจากรูปร่างของดิสก์และพื้นผิวที่มีประจุ ดินเหนียวจึงมีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลขนาดใหญ่หลายชนิด เช่น โปรตีน โพลีเมอร์ DNA เป็นต้น การใช้งานบางอย่างสำหรับดินเหนียว ได้แก่ การนำส่งยา วิศวกรรมเนื้อเยื่อ และการพิมพ์ชีวภาพ
เคมีดินเหนียวเป็นสาขาวิชาเคมีประยุกต์ที่ศึกษาโครงสร้างทางเคมี คุณสมบัติและปฏิกิริยาของดินเหนียว ตลอดจนโครงสร้างและคุณสมบัติของแร่ดินเหนียว เป็นสาขาสหวิทยาการที่ผสมผสานแนวคิดและความรู้จากอนินทรีย์และโครงสร้างเคมี เคมีกายภาพ เคมีของวัสดุ เคมีวิเคราะห์ เคมีอินทรีย์ แร่วิทยา ธรณีวิทยา และอื่นๆ
การศึกษาเคมี (และฟิสิกส์) ของดินเหนียวและโครงสร้างของแร่ธาตุจากดินเหนียวมีความสำคัญทางวิชาการและอุตสาหกรรมอย่างมาก เนื่องจากเป็นแร่ธาตุอุตสาหกรรมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดซึ่งใช้เป็นวัตถุดิบ (เซรามิก ฯลฯ), ตัวดูดซับ, ตัวเร่งปฏิกิริยา เป็นต้น
ความสำคัญของวิทยาศาสตร์
คุณสมบัติเฉพาะของแร่ธาตุดินเหนียว เช่น โครงสร้างชั้นของมาตราส่วนนาโนเมตร การปรากฏตัวของประจุคงที่และแบบเปลี่ยนได้ ความสามารถในการดูดซับและรักษาโมเลกุล (อินเตอร์คาเลต) ความสามารถในการสร้างการกระจายตัวของคอลลอยด์ที่เสถียร ความเป็นไปได้ของการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของแต่ละบุคคลและการดัดแปลงทางเคมีระหว่างชั้น และอื่นๆ ทำให้การศึกษาเคมีดินเหนียวเป็นสาขาวิชาที่สำคัญและมีความหลากหลายอย่างมาก
ความรู้ด้านต่างๆ มากมายได้รับอิทธิพลจากพฤติกรรมทางเคมีกายภาพของแร่ดินเหนียว ตั้งแต่วิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมไปจนถึงวิศวกรรมเคมี จากเซรามิกส์ไปจนถึงการจัดการกากนิวเคลียร์
ความสามารถในการแลกเปลี่ยนไอออนบวก (CEC) มีความสำคัญอย่างยิ่งในการปรับสมดุลของไอออนบวกที่มีมากที่สุดในดิน (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) และการควบคุม pH ซึ่งส่งผลกระทบโดยตรงต่อความอุดมสมบูรณ์ของดิน การศึกษาดินเหนียว (และแร่ธาตุ) ก็มีบทบาทสำคัญในการจัดการกับ Ca2+ ซึ่งมักจะมาจากดิน (น้ำในแม่น้ำ) สู่ทะเล ความสามารถในการปรับเปลี่ยนและควบคุมองค์ประกอบและเนื้อหาของแร่ธาตุเป็นเครื่องมือที่มีคุณค่าในการพัฒนาตัวดูดซับแบบคัดเลือกที่มีการใช้งานที่หลากหลาย เช่น การสร้างเซ็นเซอร์ทางเคมีหรือสารทำความสะอาดสำหรับน้ำที่ปนเปื้อน วิทยาศาสตร์นี้ยังมีบทบาทสำคัญในการจำแนกกลุ่มแร่ดินเหนียว
