ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Механизмы набухания глин из "Состав и свойства буровых агентов" Глинистые минералы всех типов адсорбируют воду, но смектиты благодаря разбухающей решетке вбирают в себя значительно большие объемы воды, чем другие глины. По этой причине большая часть исследований набухания глин проводилась с использованием смектитов, в частности монтмориллонитов. [c.147] Известны два механизма набухания кристаллический и ос- мотический. Кристаллическое набухание (которое называют/го-верхностной гидратацией) происходит в результате адсорбции мономолекулярных слоев воды на базальных поверхностях кристаллов как наружных, так и межслоевых в случае глин с разбухающей решеткой (см. рис. 4.6). Как видно на рис. 4.11, пер-j вый слой воды удерживается на поверхности водородными связями с шестигранной решеткой атомов кислорода. Следовательно, молекулы воды также образуют шестигранную структуру, как показано на рис. 4.12. Следующий слой имеет аналогичное строение и связан с первым. То же относится и к последующим слоям. Прочность связи уменьшается с увеличением расстояния от поверхности кристалла, однако считают, что вода, входящая в структуру кристалла (структурированная вода), j внедряется на расстояния до 10 нм от наружной поверхности. [c.149] Эта вода обладает квазикристаллическими свойствами. Так, на расстоянии 1 нм от поверхности кристалла вода имеет удельный объем, который примерно на 3 % меньше удельного объема свободной воды. (Сравни с удельным объемом льда, который на 8 % больше удель- ного объема свободной воды). [c.149] Обменные катионы влияют на кристаллизационную воду двояко. Во-первых, многие катионы сами гидратированы, т. е. имеют оболочки из молекул воды (исключение составляют NHi. K и Na+). Во-вторых, они являются конкурентами молекул воды в образовании связей с поверхностью кристалла и в связи с этим имеют тенденцию разрушать водную структуру. Исключение составляют Na+ и Li+, которые образуют слабые связи и i имеют тенденцию диффундировать в водную фазу суспензии. [c.149] Норриш использовал метод рентгеноструктурного анализа для измерения с-расстояния чешуек моноионных монтмориллонитов путем погружения глины в насыщенный раствор соли, содержащей обменный катион глины. Затем с-расстояние измеряли во все более разбавленных растворах и, наконец, в чистой воде. [c.150] Полученные значения свидетельствуют о том, что адсорбировалось не более четырех слоев воды. [c.150] В моноионном натриевом монтмориллоните, однако, при эквивалентной концентрации 0,3 н. было отмечено резкое увеличение с-расстояния с 1,9 до 4,9 нм, и рентгенограммы стали нерезкими. При еще меньших концентрациях с-расстояния увеличивались обратно пропорционально квадратному корню концентрации (рис. 4.14). С увеличением с-расстояния рентгенограммы становились все более нерезкими, поэтому с-расстояния вполне могли превышать максимум (13 нм), показанный на рис. 4.14. Аналогичное поведение наблюдалось в растворах хлорида лития и хлорида водорода, если не считать того, что постепенное набухание происходило до момента, когда при эквивалентной концентрации 0,66 н. с-расстояние достигло 2,25 нм. Однако диффузные расстояния, наблюдавшиеся в разбавленных растворах хлорида водорода, снижались при старении раствора, вероятно, в результате действия кислоты на кристаллическую структуру, последующего освобождения ионов А1з+ и перехода глины в алюминиевую форму. [c.150] Осмотическое набухание происходит в результате того, что концентрация катионов между слоями больше их концентрации в основной массе раствора. Поэтому вода втягивается в меж-слоевое пространство, в результате чего с-расстояние увеличивается и появляется возможность образования диффузных частей двойных электрических слоев, которые рассматриваются в следующем разделе. Хотя никакие полупроницаемые мембраны в этом процессе не участвуют, механизм набухания глин в основном носит осмотический характер, так как вызывается разницей в концентрации электролита. [c.151] Осмотическое набухание по сравнению с кристаллическим приводит к значительно большему увеличению общего объема. Например, натриевый монтмориллонит при кристаллическом набухании адсорбирует около 0,5 г воды на 1 г сухой глины и его объем удваивается, а при осмотическом набухании он адсорбирует около 10 г воды на 1 г сухой глины, т. е. его объем возрастает в 20 раз. Однако отталкивающие силы между слоями значительно слабее при осмотическом набухании, чем при кристаллическом. [c.151] Вернуться к основной статье