מינרלים חימר: סיווג, הרכב, תכונות ויישומים

2024 מְחַבֵּר: Henry Conors | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-02-12 07:18

מינרלי חימר הם פילוסיליקטים מימיים מאלומיניום, לפעמים עם זיהומים שונים של ברזל, מגנזיום, מתכות אלקליות ואדמה אלקליין, וקטיונים אחרים שנמצאים על או ליד כמה משטחים פלנטריים.

הם נוצרים בנוכחות מים, ופעם היו חשובים להופעתם של חיים, וזו הסיבה שתיאוריות רבות של אביוגנזה כוללות אותם בתהליך זה. הם מרכיבים חשובים של קרקעות והיו מועילים לבני אדם מאז ימי קדם בחקלאות ובייצור.

Education

חימר יוצרים יריעות משושה שטוחות הדומות לנציץ. מינרלים חימריים הם תוצרי בליה נפוצים (כולל בליית פלד) ותוצרים בטמפרטורה נמוכה של שינוי הידרותרמי. הם נפוצים מאוד בקרקעות, בסלעי משקע עדינים כמו פצלים, אבני בוץ ואבני סחף, וכן בפצלים מטמורפיים ופיליטים עדינים.

תכונות

מינרלי חימר הם בדרך כלל (אך לא בהכרח) בגודל דק במיוחד. הם נחשבים בדרך כלל לפחות מ-2 מיקרומטר בסיווג גודל החלקיקים הסטנדרטי, כך שעשויות להידרש טכניקות אנליטיות מיוחדות כדי לזהות וללמוד אותם. אלה כוללים עקיפה של קרני רנטגן, טכניקות עקיפות אלקטרונים, שיטות ספקטרוסקופיות שונות כמו ספקטרוסקופיה של מוסבאואר, ספקטרוסקופיה אינפרא אדום, ספקטרוסקופיה של ראמאן ו-SEM-EDS, או תהליכי מינרלוגיה אוטומטיים. ניתן להשלים את השיטות הללו על ידי מיקרוסקופיה של אור מקוטב, טכניקה מסורתית שמבססת תופעות יסוד או קשרים פטרולוגיים.

הפצה

בהתחשב בצורך במים, מינרלים חימר נדירים יחסית במערכת השמש, למרות שהם נפוצים על פני כדור הארץ, שם מים מקיימים אינטראקציה עם מינרלים אחרים וחומרים אורגניים. הם גם נמצאו בכמה מקומות על מאדים. ספקטרוגרפיה אישרה את נוכחותם על אסטרואידים וכוכבי לכת, כולל כוכב הלכת הננסי קרס וטמפל 1, וירח צדק אירופה.

Classification

מינרלי חימר עיקריים כלולים באשכולות הבאים:

• קבוצת קאולין, הכוללת את המינרלים קאוליניט, דיקיט, הלוייסיט ונקריטה (פולימורפים של Al2Si2O5 (OH) 4). מקורות מסוימים כוללים את קבוצת הקאוליניט-סרפנטין בשל דמיון מבני (ביילי1980).
• קבוצת Smectite, הכוללת סמקטיטים דיוקטהדרליים כגון מונטמורילוניט, נונטרוניט ו-beillite ו-Smectite trioctahedral כגון ספוניט. בשנת 2013, בדיקות אנליטיות של הרובר Curiosity מצאו תוצאות התואמות את נוכחותם של מינרלים מחימר סמקטיט על כוכב הלכת מאדים.
• קבוצת עילית, הכוללת נציץ חימר. אילייט הוא המינרל הנפוץ היחיד בקבוצה זו.
• קבוצת הכלוריט כוללת מגוון רחב של מינרלים דומים עם שונות כימית משמעותית.

מינים אחרים

ישנם סוגים נוספים של מינרלים אלה כגון ספיוליט או אטפולגיט, חרסיות עם תעלות מים ארוכות במבנה פנימי. וריאציות חימר בשכבות מעורבות רלוונטיות לרוב הקבוצות הנ"ל. ההזמנה מתוארת כסדר אקראי או רגיל ומתוארת עוד במונח "Reichweit", שפירושו "טווח" או "כיסוי" בגרמנית. מאמרי ספרות מתייחסים, למשל, לאיללייט-סמקטיט R1 מסודר. סוג זה נכלל בקטגוריית דאעש. R0, לעומת זאת, מתאר סדר אקראי. בנוסף לאלו, ניתן למצוא גם סוגי הזמנות מורחבים נוספים (R3 וכו'). מינרלים חימר בשכבה מעורבת, שהם סוגים מושלמים של R1, מקבלים לעתים קרובות שמות משלהם. כלוריט-סמקטיט לפי סדר R1 ידוע כקורנסיט, R1 - illite-smectite - רקקטוריט.

היסטוריית מחקר

הידע על טיבו של חימר, הפך מובן יותרבשנות ה-30 של המאה ה-20 עם פיתוח טכנולוגיות עקיפה של קרני רנטגן הדרושות לניתוח האופי המולקולרי של חלקיקי חימר. סטנדרטיזציה של הטרמינולוגיה הופיעה גם בתקופה זו, עם תשומת לב מיוחדת למילים דומות שהובילו לבלבול כמו עלה ומישור.

כמו כל פילosilicates, מינרלים חימר מאופיינים על ידי יריעות דו-ממדיות של SiO4 פינת טטרהדרה ו/או AlO4 octahedra. לגושי גיליון יש הרכב כימי (Al, Si) 3O4. כל טטרהדרון סיליקון חולק 3 מאטומי החמצן שלו בקודקוד עם טטרהדרות אחרות, ויוצרים סריג משושה בשני ממדים. הקודקוד הרביעי אינו משותף עם טטרהדרון אחר, וכל הטטרהדרות "מצביעות" לאותו כיוון. כל הקודקודים הבלתי מחולקים נמצאים באותו צד של הגיליון.

Structure

בחמר, יריעות טטרהדרליות מחוברות תמיד ליריעות אוקטהדרליות, הנוצרות מקטיונים קטנים כגון אלומיניום או מגנזיום, ומתואמות על ידי שישה אטומי חמצן. הקודקוד הבודד של היריעה הטטרהדרלית מהווה גם הוא חלק מצד אחד של האוקטהדרל, אך אטום החמצן הנוסף ממוקם מעל הפער ביריעת הטטרהדרלית במרכז שש הטטרהדרות. אטום חמצן זה קשור לאטום המימן היוצר את קבוצת OH במבנה החימר.

ניתן לסווג חימר לפי האופן שבו היריעות הטטרהדרליות והאוקטהדרליות נארזות לשכבות. אם לכל שכבה יש רק קבוצה טטרהדרלית אחת וקבוצה אוקטהדרלית אחת, אז היא שייכת לקטגוריית 1:1. חלופה המכונה חימר 2:1 יש שתי יריעות טטרהדרליות עםהקודקוד הבלתי מחולק של כל אחד מהם, מכוונים זה כלפי זה ויוצרים כל צד של היריעה המתומנת.

החיבור בין היריעות הטטרהדרליות והתומנתיות מחייב את הסדין הטטרהדרלי להפוך לגלי או מפותל, מה שגורם לעיוות דיטריגוני של המטריצה המשושה, והיריעה המתומנת להשתטח. זה ממזער את עיוות הערכיות הכולל של הגביש.

בהתאם להרכב היריעות הטטרהדרליות והאוקטהדרליות, לשכבה לא יהיה מטען או שיהיה שלילי. אם השכבות טעונות, מטען זה מאוזן על ידי קטיונים בין-שכבתיים כגון Na+ או K+. בכל מקרה, שכבת הביניים עשויה להכיל גם מים. מבנה הגביש נוצר מערימת שכבות הממוקמת בין שכבות אחרות.

Clay chemistry

מכיוון שרוב החימרים עשויים ממינרלים, יש להם תאימות ביולוגית גבוהה ותכונות ביולוגיות מעניינות. בשל צורת הדיסק והמשטחים הטעונים שלו, החימר יוצר אינטראקציה עם מגוון רחב של מקרומולקולות כגון חלבונים, פולימרים, DNA וכו'. חלק מהיישומים של חימר כוללים אספקת תרופות, הנדסת רקמות והדפסה ביולוגית.

כימיה של חימר היא דיסציפלינה יישומית של כימיה החוקרת את המבנים הכימיים, התכונות והתגובות של חימר, כמו גם את המבנה והתכונות של מינרלים חימר. זהו תחום בינתחומי, המשלב מושגים וידע מהאי-אורגני והמבניכימיה, כימיה פיזיקלית, כימיה של חומרים, כימיה אנליטית, כימיה אורגנית, מינרלוגיה, גיאולוגיה ועוד.

למחקר הכימיה (והפיזיקה) של חימר ומבנה מינרלים חרסית יש חשיבות אקדמית ותעשייתית רבה, שכן הם מהמינרלים התעשייתיים הנפוצים ביותר המשמשים כחומרי גלם (קרמיקה וכו')., סופחים, זרזים וכו'.

החשיבות של המדע

התכונות הייחודיות של מינרלי חימר בקרקע, כמו מבנה השכבות של סולם הננומטר, נוכחותם של מטענים קבועים והניתנים להחלפה, היכולת לספוח ולשמור (להשתלב) מולקולות, היכולת ליצור פיזור קולואידי יציבים, האפשרות של שינוי משטח אינדיבידואלי ושינוי כימי בין-שכבתי, ואחרים הופכים את לימודי כימיה של חימר לתחום מחקר חשוב מאוד ומגוון ביותר.

תחומי ידע רבים ושונים מושפעים מההתנהגות הפיזיקוכימית של מינרלים חימר, ממדעי הסביבה ועד הנדסה כימית, מקרמיקה ועד ניהול פסולת גרעינית.

ליכולת חילופי הקטיונים שלהם (CEC) יש חשיבות רבה באיזון הקטיונים הנפוצים ביותר בקרקע (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) ובקרת ה-pH, המשפיעה ישירות על פוריות הקרקע. חקר החרסיות (והמינרלים) ממלא תפקיד חשוב גם בהתמודדות עם Ca2+, שבדרך כלל מגיע מהיבשה (מי הנהר) לים. היכולת לשנות ולשלוט בהרכב ובתוכן של מינרלים מציעה כלי רב ערך בפיתוחסופחים סלקטיביים עם יישומים שונים, כמו למשל יצירת חיישנים כימיים או חומרי ניקוי למים מזוהמים. מדע זה ממלא גם תפקיד עצום בסיווג של קבוצות מינרלים חימר.