土壤胶体与土壤交换性能
第八章 土壤胶体与土壤离子交换-胶体性质
土壤胶体的结构和性质
4. 土壤胶体的吸附性和交换能力
由于胶体的巨大表面能，使其对周围分 子或离子有很强的吸附力，同样胶体的电 性使其扩散层的离子与土壤溶液中的离子 有交换能力。
比表面积 （cm2·g-1）
45,200
226,000
452,000
2,260,000
很显然,土粒越细比表面越大,土壤中颗粒的形状多种多样. 只有砂粒近 似球形,但其表面大多不平,大部分粘粒多为片状,棒状,针状, 实际上胶 体的表面积比光滑的球体大得多。
由于土壤胶体具有巨大表面积，从而具有巨大的表面能。
立方体数 目 1 103 106 109 1012 1015 1018 1021
总表面积
6cm2 60cm2 600cm2 6000cm2 6m2 60m2 600m2 6000m2
比表面积 （cm2·cm-3）
6 6×10 6×102 6×103 6×104 6×105 6×106 6×107
土壤胶体的结构和性质
土壤干燥、冻结过程中，水膜消失，也就加大了电解质浓度，减 小扩散层厚度，使胶粒互相凝聚而形成结构。生产上晒垡、冻垡等 措施也就起了这个作用，所以晒、冻垡有利于土壤形成结构； 相反，土壤水分过多，土壤溶液电解质浓度相应减小，扩散层加厚， 胶粒互相排斥而成溶胶状。 常年泡水的沤水田、烂泥田，土粒分散，缺少结构，通气性差， 栽秧后易产生浮秧，就是因为胶粒分散，土壤不沉实。这种情况下， 施用石灰（CaO）、石膏（CaSO4），增加Ca2+浓度，对沉实土壤， 改良土性，有明显效果。
H2SiO3
HSiO3- +H+
SiO32-+H+ （带正电）
土壤胶体的结构和性质
32土壤胶体与土壤吸收性能
B. 土壤胶体的种类 土壤质地完全相同的两种土壤， 它们所带的电荷数量可以完全不同。这是有胶体 类型不同所致。
C. pH值 主要影响可变电荷的数量。
24
阳离子交换
阳离子交换作用***
在土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都可 以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对
CEC <10 10-20 >20
保肥能力 低
中
高
30
***影响土壤阳离子交换量的因素有：
（1）质地 质地越粘重，含粘粒越多的土壤， 其阳离子交换量也越大。
质地
砂土 砂壤土 壤土
粘土
CEC
1~5
7~8
15~18
（2）有机质 OM % CEC
25~30
沉淀保存在土壤中的过程 • 物理化学吸收性 指土壤对可溶性物质中离子态养分
的保持能力 • 生物吸收性 指土壤中植物根系和微生物对营养物质
的吸收
3
土壤胶体的种类
• 无机胶体 ① 含水氧化硅胶体 ② 含水氧化铁、氧化铝胶体 ③ 层 状 硅 酸 盐 (phyllosilicate,layer silicate)矿物
铝氧八面体
铝氧八面体的构造图示法
9
10
2、单位晶片(硅氧片、水铝片) Si2O52硅氧四面体 硅氧片 （蜂窝状）
共用氧
单位晶胞
11
铝氧八面体 （Al2O6-6） 水铝片（疏散状）
共用2个氧原子
立体侧视图
12
3、单位晶层
（1）1:1型
一层硅层与一层铝层重叠而成
1:1型层状硅酸盐(高岭石)晶体结构示意图 13
第七章 土壤胶体和土壤交换性.
全文电子教材土壤与土壤资源学（上篇：土壤学）林学专业第七章土壤胶体和土壤交换性第一节土壤胶体一、概念土壤胶体是指颗粒直径小于0.001mm或0.002mm的土壤微粒。
目前土壤胶体粒径的大小范围，并不是绝对的。
这是因为胶体性质的出现，是随着粒径的减小逐渐加强的。
没有截然划分的界限。
土壤胶体的成分比较复杂，按化学成分和来源，可分无机胶体、有机胶体和有机无机复合胶体三类。
土壤胶体的一系列性质的表现都是由于具有巨大的比表面和带有电荷的原因。
二、几种主要的胶体类型（一）土壤无机胶体土壤无机胶体存在于极微细的土壤粘粒部分。
包括成分较简单的次生含水氧化铁、含水氧化铝、含水氧化硅等，以及成分较复杂的结晶层状次生铝硅酸盐类（即粘土矿物）。
1、含水氧化硅胶体其分子式为SiO2•H2O或H2SiO3。
在一般情况下，含水氧化硅的外层分子发生解离，解离出H+，而把HSiO3-或SiO32-留在胶核表面，组成决定电位离子层，使胶粒带负电。
土壤反应越偏碱性，硅酸的解离度也越大，所带的负电荷也越多。
2 、含水氧化铁、铝胶体此类胶体包括褐铁矿（2Fe2O3•3H2O）、水赤铁矿（3Fe2O3•H2O）、针铁矿（Fe2O3•H20）、水铝矿（Al2O3•H2O）、三水铝矿（Al2O3•3H2O）等晶质矿物和氢氧化铁[Fe(OH)3]、氢氧化铝[Al(OH)3]等非晶质矿物。
这些矿物都是铝硅酸盐深度风化的产物，均为两性胶体，其电荷随土壤溶液酸碱反应的变化而变化。
当环境反应在它的等电点的酸性方面时，它带正电；反应在等电点的碱性方面时，它带负电。
纯净的氢氧化铁的等电点为pH7.1，氢氧化铝等电点为pH8.1。
所以它们在大多数酸性或中性土壤中都带正电荷。
但土壤中氢氧化铁、氢氧化铝胶体都覆被有机胶体。
因此，测定这些胶体的等电点时，其pH值都大大低于纯净氢氧化铁、铝的等电点。
未经去除腐殖质的砖红壤胶体的等电点大约在pH4~5之间。
铁铝氧化物常以胶膜状态包被土壤颗粒，使其成为稳定性很强的土壤结构。
土壤胶体的名词解释
土壤胶体的名词解释土壤是地球表面上由岩石风化而形成的一种复杂的自然体系，由固体、液体和气体组成。
其中固体部分包括矿物质、有机质和水分，而土壤胶体则是土壤中矿物质和有机质的重要组成部分。
1. 土壤胶体的定义和特征土壤胶体指的是在土壤中具有胶体状态的微小颗粒，其大小一般在1纳米到0.1微米之间。
土壤胶体具有以下几个特征：1.1 小颗粒大小：土壤胶体颗粒的尺寸非常小，这使得它们具有显著的比表面积，从而增加了与其他物质的接触面积，有利于物质的吸附和交换。
1.2 动力稳定性：土壤胶体颗粒在水和土壤溶液中具有很强的稳定性，不易沉淀，这是由于胶体粒子的电荷特性所致。
1.3 微观孔隙率：由于土壤胶体颗粒的小尺寸和颗粒间的紧密排列，土壤胶体能够形成微观孔隙，这些孔隙能够储存水分和提供生物活性空间。
2. 土壤胶体的组成土壤胶体主要由矿物质和有机质两部分组成。
2.1 矿物质：土壤中的矿物质主要来自于岩石的风化作用。
常见的土壤矿物质包括黏土矿物、氧化物、腐殖质等。
其中，黏土矿物是土壤胶体的主要组成部分，其结构特点决定了土壤胶体的吸附和交换能力。
2.2 有机质：有机质是土壤中的一种重要成分，主要由植物和动物残体的分解产物组成。
有机质中富含碳、氢、氧等元素，它能够增加土壤的保水性和肥力，并对土壤胶体的形成和稳定起到重要作用。
3. 土壤胶体的作用土壤胶体在土壤形成和肥力调控中发挥着重要的作用。
3.1 吸附和交换：土壤胶体具有很强的吸附和交换能力，能够吸附和保持营养物质、水分、有机物质和微生物等。
这一特性使土壤胶体能够提供植物生长所需的养分和水分，并调控土壤环境的稳定性。
3.2 保水性和通气性：由于土壤胶体的微观孔隙结构，其能够储存并释放水分，保持土壤水分平衡。
此外，土壤胶体还能够提供氧气和二氧化碳等气体的通道，维持土壤的通气性。
3.3 影响土壤质地和结构：土壤胶体的含量和性质对土壤的质地和结构具有重要影响。
胶体颗粒的聚集和胶体团粒的形成会改变土壤的结构和透水性，进而影响土壤的肥力和生物多样性。
土壤肥料学通论-第8讲-土壤胶体及其吸附性能
B、蒙脱石组（2：1型黏土矿物）
①晶架结构由两层硅氧片和一层水铝片重
叠而成而成
Si Al Si Si Al Si
-O -O
②蒙脱石矿物晶架的顶底两个基面都由Si-O 层构成，通过氧键连接，作用力弱，水分和 各种离子容易进入,使晶层间距扩大,为膨胀 型晶体.
③晶架内部普遍存在同晶代换。如Al3+替代Si4+，
• 铝氧八面体：由一个铝原子和六个氧原子或 氢氧原子团构成。铝原子在中央，上下各为 三个氧原子或氢氧原子团相联结，构成一个 八面体，（AlO6）9-。
B、单位晶片
从化学式上看，四面体为（SiO4）4-，八面体
为（AlO6）9-，电性并未中和，在他们形成黏
土矿物之前，四面体通过与其相邻的另一个硅
中的Al3+ 被Mg2+、Fe2+所取代，而使晶层产生剩 余负电荷。
• 同晶替代均为负电荷，也称为永久负电荷， 这种负电荷的数量决定于晶层中同晶替代 的多少，而不受介质PH值的影响。 • 对2：1型黏土矿物而言，由同晶替代产生 的负电荷是其带电的主要原因，而1：1型 矿物中很少发生。 • 所以2：1型黏土矿物如蒙脱石带有较多的 永久负电荷，而高岭石中的永久负电荷低 得多。
决定电位离子层
补 偿 离子层 非活性补偿 离子层 扩散层
土壤胶体的构造
+ +
+ 胶核 扩散层 + + + + 双电子层 + 决定电位离子层 非活性补偿离子层
+ + +
+
+
决定电位离子层：胶核表面带电的离子。 决定电位离子层的特点：
该层带电的离子决定着胶粒的电荷符号和电位大
土壤胶体完美版PPT
Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+> H+> NH4+>K+>Na+
胶体凝聚的稳定性
可逆凝聚 不可逆凝聚
五、 土壤的吸收的性能
1、土壤吸收性能的类型
（四）物理化学吸收作用 第一节土壤胶体与与土壤吸收性能 硅氧片与铝氧片（水铝片）称为基本晶片。 这种吸收是化学反应为基础的，也称为化学固定。 两层硅氧片中间夹一层铝氧片构成蒙脱石晶层。 主单位为m2/g、cm2/g。 二、层状硅酸盐粘土矿物 1、层状硅酸盐粘土矿物 2、氧化物及其水合物 基本结构单位 构成层状硅酸盐粘土矿物晶格的基本结构单位是硅氧四面体和铝氧八面体。 生物吸收具有三个特点： 六、土壤阳离子交换作用 1、土壤吸收性能的类型 （四）阳离子交换量（CEC) 是指在一定PH时每1000g干土所能吸附的全部交换性阳离子的厘摩尔数。 第六章 土壤的酸碱性
土壤化学性 质
第五章 土壤胶体与与土壤吸收性能 第六章 土壤的酸碱性
一、土壤胶体的概念及种类 二、层状硅酸盐粘土矿
物
三、土壤胶体的构造 四、土壤胶体的性质 五、 土壤的吸收性能
六、土壤阳离子交换作用
第一节土壤胶体与与土壤吸收性能
一、土壤胶体的概念及种类
土壤胶体：大小在1-1000nm（在长、宽和高三个方向上，至少有一 个方向在此范围内）的土壤固体颗粒。分三种类型 （水合物 （二）土壤有机胶体 （三）土壤有机无机复合体
铝氧八面体结构示意图
硅氧片和水铝片
05第五章土壤胶体与土壤吸收性能
诸葛玉平制作
外表面积 15－50 90－150 10－20 1－50 70－300 －
总表面积 600－800 90－150 10－20 600－800 70－300 800－900
诸葛玉平制作 8
3.有机一无机复合胶体 土壤中有机胶体和无机胶体通过物理、化学或物理化 学的作用，相互结合在一起形成有机一无机复合体（o rgano-mineral complex）。 结合方式：通过Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、Al3＋或功能团 （如羧基、醇基等）将带负电荷的粘粒矿物与腐殖质 连接起来；有机胶体主要以薄膜状紧密覆盖于粘粒矿 物的表面上，还可能进入粘粒矿物的晶层之间。 通常牢固程度分为水散微团聚体、钠分散微团聚体和 钠质机械分散团聚体三组。 一般把土壤的有机—无机复合体中含碳量占土壤总碳 量的百分数称为有机无机复合度，作为衡量土壤有 机—无机复合体的数量指标。 土壤的肥沃程度同有机胶体与无机胶体的复合程度有 关，有机胶体与无机胶体结合得愈紧密则土壤愈肥沃。
诸葛玉平制作 13
根据补偿离子的活性又可把补偿离子层分为非活性补 偿离子层和扩散层两层：靠近胶核表面的决定电位离 子层的补偿离子被吸附得很紧，活性很小，难以解离， 不起交换作用，故称为非活性补偿离子。另一层距胶 核表面较远，吸附的较松，有较大的活动性，可以和 周围的离子交换，称为扩散层。 非活性补偿离子和胶核决定电位离子层是一个整体， 故称为胶粒。代换作用大都发生在胶粒表面，故胶粒 是起胶体作用的基本单位。 由决定电位离子层到扩散层外缘的电位差，称之为全 电位（ξ 0），取决于胶核表面的电荷数量和电荷密度 由整个不活动的胶粒的表面到扩散层的外缘的电位， 称为电动电位（ξ ），是表现双电层特性的重要指标，
土壤的组成和性质
土壤的组成和性质一、土壤的组成土壤是环境中特有的组成部分，是位于陆地表面呈连续分布，具有肥力并能生长植物的疏松层，它是一个复杂的体系。
它的组成包括固相（矿物质、有机质）、液相（土壤水分或溶液）和气相（土壤空气）等三相物质四种成分有机地组合在一起构成的一种特殊物质。
按容积计，在较理想的土壤中，矿物质约占38—45%，有机质约占5—12%，土壤孔隙约占50%，土壤水分和空气存在于土壤孔隙内，三相之间亦经常变动而相互消长。
按重量计，矿物质可占固相部分的90—95%以上，有机质约占1—10%左右。
（一）土壤矿物质土壤矿物质来源于地壳岩石（母岩）和母质，它对土壤的性质、结构和功能影响很大。
土壤中的矿物质由岩石风化和成土过程中形成的不同大小的矿物颗粒（或土粒）组成的。
自然界的土壤都是由很多大小不同的土粒，按不同的比例组合而成，各粒级在土壤中所占的相对比例或重量百分数称为土壤的机械组成，也叫土壤质地。
（二）土壤有机质进入土壤中的有机物质包括植物、动物及微生物等死亡残体，经分解转化逐渐形成有机质，即腐殖质，土壤腐殖质是土壤有机质的主要部分，约占有机质总量的50—65%。
腐殖质不是单一分子的有机质，而是在组成、结构和性质上具有共同特征，又有差异的一系列高分子有机化合物，腐殖质在土壤中可以呈腐殖酸或腐殖酸盐类存在，亦可以铁、铝的凝胶状态存在，也可与粘粒紧密结合，以有机-无机复合体等形态存在。
这些存在形态对土壤一系列的物理化学性质有很大影响，对土壤肥力有重大作用。
土壤有机质的化学组成包括：糖类（碳水化合物）、木质素、有机氮、脂肪、蜡质、单宁、木栓质、角质、有机磷及灰分等。
土壤中的有机质组成二、土壤的物理化学性质一）土壤的物理性质土壤结构：一般把土壤颗粒（包括单独颗粒、复粒和团聚体）的空间排列方式及其稳定程度，孔隙的分布和结合的状况称为土壤的结构。
土壤中的Ca2+、Fe3+等多价阳离子及有机质，腐殖质都有胶结剂的作用，参与土壤颗粒的团聚。
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第六章 土壤胶体和土壤吸收性能
第一节 土壤胶体的种类、构造
第二节 土壤胶体的特性
第三节 土壤吸收性能和离子交换
一、土壤吸附性能类型
1、机械吸附 2、物理吸附 3、化学吸附 4、生物吸附
5、物理化学吸附
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第六章 土壤胶体和土壤吸收性能
第三节 土壤吸收性能和离子交换
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胶核
胶体微粒
决定电位离子层（内）
双电层
非活性离子层
补偿离子层（外） 扩散层
胶粒
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第六章 土壤胶体和土壤吸收性能
第一节 土壤胶体的种类、构造 第二节 土壤胶体的特性
一、具有巨大的比表面和表面能
比表面 ＝ 总面积 ／ 质量
球形土粒比表面＝4πr2÷(4/3 πr3×2.65)
15-150 1-50 90-150 5-40 10-45 25-30 130-400
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700-850 400-800 90-150
5-40 10-45 430 260-800
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我国几种主要土壤的比表面积：
砖红壤 60－80m2g-1 红 壤 100－150m2g-1 黄棕壤 200－300m2g-1
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绿泥石粘粒矿物结构示意图
由两层四面体与两层可八编辑面版体构成2：2型矿物
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各类粘粒矿物的构造和主要性质
构造和性质
蒙脱石
粘粒矿物类型
水云母
高岭石
结晶类型 硅铝铁率 晶层顶、底基面情况 晶层厚度(nm) 晶层间吸力 颗粒大小 比表面（m2/g) 外表面 内表面 阳离子交换量mol(+)/kg 膨胀度（％）可编辑版2源自第六章 土壤胶体和土壤吸收性能
第一节 土壤胶体的种类、构造
一、土壤胶体的种类
1.有机胶体 2.无机胶体
层状铝硅酸盐矿物、无定形氧化物
通常用土壤中粘粒（〈0.001mm）的含量来 反映土壤无机胶体的数量。
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3
层状硅酸盐粘土矿物的种类及一般特性
种类： 高岭组 蒙蛭组 水化云母组 绿泥石组矿物
＝1.13/r(cm3/g)
表面能是指界面上的物质分子（表面分子）所
具有的多余的不饱和能量。
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土壤中常见粘土矿物的比表面积（m2·g-1）
胶体成分
内表面积
外表面积 总表面积
蒙脱石 蛭石 水云母 高岭石 埃洛石 水化埃洛石 水铝英石
700-750 400-750
0-5 0 0 400 130-400
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第六章 土壤胶体和土壤吸收性能
第一节 土壤胶体的种类、构造
一、土壤胶体的种类
1.有机胶体
2.无机胶体
3.有机－无机复合胶体
（1）水分散复合体
（2）钠分散复合体
（3）钠质研磨分散复合体
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第六章 土壤胶体和土壤吸收性能
第一节 土壤胶体的种类、构造
一、土壤胶体的种类 二、土壤胶体的构造
原子团的解离而产生的电荷。其数量和性质随介
质pH而改变。
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可变电荷的成因主要是胶核表面分子或 原子团的解离：
A. 含水氧化硅的解离
B. 粘粒矿物的晶面上的OH和H的解离
C. 腐殖质上某些官能团的解离
D. 含水氧化和水铝石表面的分子中OH 的解离； pH< 3.2
从上述四种情况来看，土壤胶体所带的
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单位晶层
1:1型单位晶层:
由一个硅片和一个铝片构成。硅片顶端的活性氧与 铝片底层的活性氧通过共用的方式形成单位晶层。 这样1:1型层状铝硅酸盐的单位晶层有两个不同的 层面，一个是由具有六角形空穴的氧原子层面，一 个是由氢氧构成的层面。
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第六章 土壤胶体和土壤吸收性能
第一节 土壤胶体的种类、构造 第二节 土壤胶体的特性 第三节 土壤的吸收性能
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第六章 土壤胶体和土壤吸收性能
第一节 土壤胶体的种类、构造
土壤胶体：是指土壤中最细微的颗粒，
胶体颗粒的直径在1—1000nm之间的 土粒（至少在长、宽、高三者中有一 个方向在此范围内）都可归属于土壤 胶粒的范围。
电荷数量和性质与介质的pH值有密切关系。
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***影响土壤电荷数量的因素主要有：
A. 质地一般来说，土壤的质地越粘，土粒越细， 其电荷总量也越多。所以粘土的电荷数量要比壤 土类和砂土类高得多。
B. 土壤胶体的种类 土壤质地完全相同的两种土 壤，它们所带的电荷数量可以完全不同。这是由于 胶体类型不同所导致的。
总之：2：1型粘土矿物和有机质的含量越 高，土壤的比表面积越大。
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第六章 土壤胶体和土壤吸收性能
第一节 土壤胶体的种类、构造 第二节 土壤胶体的特性
一、具有巨大的比表面和表面能 二、土壤胶体的带电性
永久电荷(permanent charge):由于粘粒矿物晶层
内的同晶替代所产生的电荷。
可变电荷(variable charge):由于胶核表面分子或
C. pH值 主要影响可变电荷的数量。
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第六章 土壤胶体和土壤吸收性能
第一节 土壤胶体的种类、构造 第二节 土壤胶体的特性
一、具有巨大的比表面和表面能 二、土壤胶体的带电性 三、土壤胶体的凝聚和分散
胶体由溶胶状态变成凝胶的过程称为胶体的凝聚； 反之，由凝胶转化为溶胶的过程，称为胶体的分散。
2:1
4 -O层相接 0.96－－2.14
弱 小 700－800 高 高 60－100 90－100
2：1 3－4 -O层相接，中间有钾 1.0 较强 中 100－200 中 中 20－40 25
1：1 2
－OH层与O层相接 0.72 强 大 5－20 低 无 3－15 <5
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含水氧化物类胶体
（1）含水氧化硅胶体
土壤中氧化硅的含量很多，只有无定形的氧化硅 才可能具有胶体性质，是一种活性很高的吸附剂。氧 化硅胶体带有一定的负电荷，随pH值升高，负电荷数 增加，但总的来说，其交换量很有限。
（2）含水氧化铁、铝胶体
氧化铁、氧化铝胶体都是两性胶体，其带电性随 环境的酸碱度变化而改变，在酸性条件下（一般pH<5） 带正电，而碱性条件下可带负电。
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高岭石的矿物结构
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单位晶层
2:1型单位晶层
由两个硅片夹一个铝片构成。两个硅片顶 端的氧都向着铝片，铝片上下两层氧分别 与硅片通过共用顶端氧的方式形成单位晶 层。这样2:1型层状硅酸盐的单位晶层的两 个层面都是氧原子面。
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蒙脱石的可编矿辑版物结构
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伊利石的结构示意图