Изучение глинистых материалов, которые всегда имели большое значение в керамическом производстве, сельском хозяйстве, горном деле, ведется с глубокой древности. При этом еще на начальном этапе исследований было установлено, что свойства глин и почв колеблются в широких пределах. Оказалось, что глины и почвы, сходные по окраске, общему виду и текстуре, могут значительно отличаться по иным признакам. Как только были разработаны методы валового анализа глинистых материалов, выявилась пестрота химического состава глин. Оказалось, что содержание алюминия, кремния, щелочных и щелочноземельных металлов колеблется в широких пределах даже в наиболее мелкозернистых фракциях глинистых материалов, которые, как полагали, составляют основу глины. Было установлено также, что глины одинакового валового химического состава часто обладают весьма различными физическими свойствами; в то же время глины, фактически имеющие одинаковые физические свойства, могут в значительной мере отличаться по химическому составу.
Из сказанного выше становится ясно, что возможны колебания не только в содержании химических компонентов, но и в способах их взаимного сочетания, или, точнее, в том, каким образом они связаны друг с другом в различных глинистых материалах. Анализ литературы показывает, что было предложено много различных методов для описания основных и наиболее характерных компонентов глинистых материалов и для объяснения разнообразия их свойств. Эти методы, по существу, уже дают самые общие представления о характере объединения алюминия, кремния и других компонентов в основные слагающие элементы глинистых материалов, однако точного аналитического метода для определения природы основных элементов, слагающих глины, до самого последнего времени не существовало. Отсюда понятно, почему ученые, работавшие в этой области, выдвигали множество идей, но не приходили к общему согласованному выводу.
Мы хотим очень коротко изложить здесь старые взгляды, которые послужат фоном для дальнейшего рассмотрения общепринятых в настоящее время представлений о глинистых минералах. Для более детального обсуждения ранних воззрений на природу глин и почв необходимо сослаться на работы Бланка, Штремме, Одена, Брэдфилда, Маршалла и Келли. В развитии этих наиболее старых пред ставлений нет определенной последовательности; вообще они выдвигались примерно в одно и то же время различными учеными.
Очень давно возникла идея о том, что существует единое чистое глинистое вещество и что этим чистым глинистым веществом является каолинит или подобный ему минерал. Согласно этим представлениям, глинистые материалы состоят из каолинита, который рассматривался как основа глин; различия в химическом составе между чистым каолинитом и природными глинами объяснялись присутствием в глинах различных примесей.
Представление об общем преобладании каолинита в глинах широко поддерживалось геологами и, к сожалению, сохранилось частично и в настоящее время, что находит свое отражение в отдельных работах. Это представление укоренилось и во многих других отраслях знания. В словаре Вебстера, изданном в 1934 году, утверждается, что «основной составной частью чистой глины, или каолина, является минерал каолинит... Большинство глин, однако, содержат другие гидроалюминиевые минералы, а также более или менее тонко измельченные кварц, полевой шпат, слюду и т. д.»
Ряд глии действительно почти полностью состоит из каолинита, и частицы каолинита в ряде случаев настолько крупные, что их можно видеть и определять под микроскопом со сравнительно малым увеличением. Однако глины, в которых основные слагающие их элементы могли быть точно определены до изобретения современных приборов, позволяющих изучать исключительно малые частицы, являются редким исключением. Такие каолиновые глины особенно важны в керамической промышленности, а также представляют интерес для геологов; поэтому они первые подверглись детальному изучению. Очень легко было приписать затем свойства характерные для каолинитовых глин, всем глинистым материалам вообще. Сейчас совершенно определенно установлено, что существует множество глинистых материалов, которые вовсе не содержат каолинита. Меррилл и Райз уже давно отвергали представление о том, что каолинит является основой всех глин, тем не менее ошибочные взгляды высказываются и в настоящее время.
Другое представление, особенно широко распространенное среди почвоведов, заключалось в том, что существенным компонентом глинистых материалов является коллоидный комплекс. Этот взгляд был особенно развит в ранний период исследований глинистых материалов, когда коллоидные вещества вообще, и в том числе коллоидный комплекс глин, считались аморфными. Коллоидный комплекс глин рассматривался как состоящий частично из неорганического, а частично из органического вещества.
Существовало два более или менее определенных взгляда относительно характера коллоидного комплекса. Согласно одному взгляду, с развитием которого связаны имена Ван Беммелена и Штремме, комплекс рассматривался не как определенное соединение, а как рыхлая смесь окислов кремния, алюминия и железа. Позже исследования Тугутта, Брэдфилда и многих других показали, что глинистые материалы обычно не содержат коллоидной смеси окислов. Согласно другому взгляду, коллоидный комплекс являлся соединением или смесью соединений, представляющих собой слабые железо-алюминиево-кремневые кислоты. В некоторых случаях эти соединения считались определенно аморфными, но четкого представления о структуре коллоидного комплекса не существовало.
Уэй в своих ранних работах по изучению реакций обмена в почвах пришел к выводу, что обменный комплекс почв является гидро-алюмосиликатом, который вполне тождественен искусственным осадкам, получаемым в лаборатории.
Ван Беммелен, а позднее Штремме разделили коллоидные фракции на две части. Одну часть, растворимую в соляной кислоте, они назвали аллофановой (аллофантон — allophaneton), а вторую часть, не растворимую в соляной кислоте, но растворимую в горячей концентрированной серной кислоте, — каолинитовой (каолинтон — kaolinton). Считалось, что аллофантон в высокой степени коллоидален, обладает сильно колеблющимся составом и обусловливает пластические и адсорбционные свойства глинистых материалов. Каолинтон считали почти полностью аморфным, но иногда содержащим также и некоторое количество кристаллического материала. Исследования показали, что состав каолинтона колеблется сравнительно слабо и. обычно приближается к составу коалинита. Были предприняты попытки классифицировать глинистые материалы на основании содержания в них каолинтона и аллофантона.
Меллор и Сеарл также развивали идею о том, что глина состоит из двух основных компонентов. Один из них, который был назван клеитом (Clayite), рассматривался как действительное глинистое вещество, входящее в состав каолина; считалось, что клеит аморфен и обладает примерно таким же составом, что и минерал каолинит. Предполагали, что другой компонент — пелинит (pelinite), подлинное глинистое вещество некаолиновых глин, является аморфным материалом с колеблющимся составом, но с более высоким, чем у клеита, содержанием кремния и с достаточным количеством щелочных и щелочноземельных металлов.
Вигнер на основании своих работ по исследованию катионного обмена в глинах разделял обменный материал на 3 части: 1) зерна; 2) слой адсорбированных на зерне анионов, лежащих вне его, но тесно с ним соприкасающихся; 3) обменные катионы, притянутые к частице под действием адсорбированных анионов. Зерно рассматривалось как водное соединение главным образом алюминия и кремния с колеблющимся составом; структурные свойства его были неизвестны.
При обширных исследованиях катионного обмена в почвах Гедройц рассматривал обменный комплекс как цеолитный материал, но не в минералогическом понимании этого термина. Другими словами, эти комплексы, обладая рядом свойств цеолитов, не обладают в точности их составом и структурой. Характер их структуры оставался неизвестным.
Маттсон разработал новый вариант той же идеи, основанный на том, что коллоидный комплекс построен из сравнительно инертной решетки кремния, железа и алюминия, заключенной в активную аморфную оболочку с колеблющимся содержанием кремния, алюминия, железа, щелочных и щелочноземельных металлов. Маттсон рассматривает соединение данного типа как аморфный изоэлектрический осадок, состоящий из гидратов полуторных окислов и кремневой кислоты. В свете достижений в области минералогии глин и в связи с открытием общекристаллической природы компонентов, составляющих глинистые материалы, Маттсон несколько видоизменил свои представления. Он считает теперь, что коллоидный комплекс представляет собой кристаллическое зерно, покрытое аморфной гидратной оболочкой, которая не обладает определенным составом и не идентична ядру. Согласно Маттсону, рентгеновский диффракционный анализ может отразить лишь характер кристаллического ядра, но не гидратной оболочки, которая составляет существо комплекса. Келли и Маршалл, критикуя взгляды Маттсона, ссылаются на рентгеновский диффракционный анализ, который показал, что во многих глинистых материалах почти всем компонентам присуща кристаллическая структура. Пюри в недавно опубликованной работе выдвигает идею о том, что почвы в основном состоят из фепроалюмосиликатов колеблющегося состава, но обладающих одинаковым строением решетки. Согласно Пюри, при обработке слабыми кислотами почв, полученных из разных мест, образуется осадок решетка которого во всех случаях проявляет одинаковые свойства. Однако изучение глинистых минералов отчетливо показалo, что в структуре различных компонентов, составляющих наиболее тонкие фракции почв, существует значительное различие.
Аш В. и Аш Д., а также Байерс, Александер и Холмс считали, что существенной составной частью почв является не одно вещество, а несколько. Они рассматривали эти вещества как алюмокремневые кислоты или соли алюмокремневых кислот, обладающие определенным составом и определенной структурой. Это представление приближается к современным взглядам на глинистые минералы: именно Байерс предложил для своих кислот такие названия, как монтмориллонитовая и галлуазитовая.
Минералогам давно известно, что минералы цеолитового ряда — силикаты, обладающие свойствами катионного обмена. Как показал Уэй и его последователи, почвы способны к катионному обмену, причем эта способность характерна для силикатного компонента почв. На основании этого предполагалось, что почвы содержат цеолиты. Лемберг в 1876 году развивал идею о присутствии цеолитов в почвах. Позднее, когда широко распространилась идея об аморфности коллоидного комплекса, утверждалось (особенно Гансом), что такой комплекс состоит из цеолитов. Иными словами, комплекс считался аморфным аналогом кристаллических цеолитных минералов. Даже в сравнительно недавних работах коллоидный комплекс иногда рассматривается как цеолитный, хотя Гедройц и многие другие исследователи показали большое различие, существующее между свойствами минеральных цеолитов и наиболее тонкозернистых фракций глинистых материалов. Они подчеркивали, что обменный комплекс может считаться цеолитным только в том смысле, что он обладает способностью к катионному обмену. Современные исследования глин при помощи рентгеновского диффракционного анализа выявили только один или два случая, когда цеолиты содержались в качестве составных частей в бентонитовых глинах. Ho эти минералы не являются существенными компонентами глинистых материалов.
Общепризнано, что малая величина частиц, слагающих глинистые материалы, является одной из причин, обусловливающих специфические свойства глин. Выдвигалось предположение, особенно в работах Одена, что величина частиц является решающим фактором и что фактически глины могут иметь почти любой минералогический состав при условии, если их частицы достаточно мелки (за верхний предел величины частиц принималась величина в 1 u). Согласно Одену, глины состоят из гетерогенной массы частиц кристаллических и аморфных компонентов. Некоторые глины, особенно глины ледникового происхождения, могут содержать множество минералов в весьма дисперсном состоянии. Если с термином «глина» связывать обязательное наличие пластических свойств, то, как показали современные исследования, в глине должны присутствовать в заметных количествах определенные глинистые минералы, Характерными особенностями такого материала (кроме малого размера частиц) являются его облик, адсорбционные и поверхностные свойства.
Главная