优选材料物理化学固体的表面与界面
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从静电力学原理得ζ电位计算公式：
σ－表面电荷密度； d－扩散层厚度； ε－分散介质介电常数。
影响因素：
a）固相表面电荷密度——σ增大：ζ升高 b）电解质浓度—— 随电解质加入，ζ出现极大值 c）吸附阳离子的影响
粘土吸附以下阳离子时， ζ电位
小
大
离子电价高，每个离子所平衡的胶核负电荷数越多，胶团 中的电位下降越快，扩散层越薄，ζ降低。
1. 粘土与水的结合
结构水——以OH－形成存在于粘土晶格中，约在400～ 600℃ 脱去，可用红外光谱检测。
吸附水——层间结合水，约100～200℃除去，与粘土颗粒 的 中的O或OH以氢键结合的水。 牢固结合水—紧挨粘土表面，通过氢键与粘土离子结合 并作有规则定向排列，又称吸附水膜，其厚度约3～10个 水分子层 。 松 结 合 水—在牢固结合水周围，从有规则定向排列到 无 规则排列的过渡水层，又称扩散水膜，其厚度约60个 水分子层（<20nm）。 自由 水—松结合水以外完全无规则排列的普通的流动水。
（3）介质温度：温度↑，粒子碰撞次数↑，交换容 量↑ ，但吸附强度↓ ；
（4）介质pH值：pH ↑ ，交换容量↑ （高岭石明
显）；
（5）有机质含量：有机质含量↑ ，负电量↑ ，交
换容量↑ ；
（6）粘土矿物结晶完整程度：结晶完整程度↓，
优选材料物理化学固体的 表面与界面
粘土－水系统 ：指粘土粒子分散在水介质中所形成的泥 浆或泥团系统，是介于胶体～悬浮液～粗分散体系之间的 一种特殊状态。
一、 粘土胶体
胶体：物质分散度在1～100nm范围内的一 种分散体系
—— 分散相（分散物质：颗粒、纤维、薄膜） ＋分散介质
分散相：有很高分散度，比表面积远大于 常态物质，因而带来一系列表面物化性质。 胶体粒子：1～100nm
1）粘土矿物组成
粘土结合水量与粘土阳离子交换量成正比。 对于含同一种交换性阳离子的粘土，蒙脱石结 合水量比高岭石大 ;
2）粘土分散度
高岭石结合水量随粒度减小而增高，而蒙脱 石结合水量与颗粒细度无关
（3）粘土吸附阳离子种类
结合水量：吸附R＋＞吸附R2＋＞吸附R3＋ 粘土吸附同价离子的结合水量随吸附离子半
wk.baidu.comX一树脂十 Y一粘土 Y－树脂十X一粘土
式中：X为单一离子；Y为各种离子混合。
2）鉴定粘土矿物
由于各种粘土矿物的交换容量数值差距较大，因此可 通过测定粘土的阳离子交换容量来鉴定粘土矿物组成。
2. 离子交换容量（cation exchange capacity，c·e·c）
离子交换能力的表征；
主要由吸附量来决定。通常以pH=7时，吸附离子毫 克当量数/100g干粘土表示（单位：毫克当量数／百 克干粘土 ）；
注意
结合水（牢固结合水与松结合水）与自由水相 比，其密度大、热容小，介电常数小、冰点低。
（1）粘土结合水量对粘土－水系统工艺性能的影 响
➢ 粘土与水达松结合状态，即粘土胶粒水膜厚度约 10nm（30个水分子层）时，其泥料可塑性最好；
➢ 粘土结合水/自由水比例小，自由水含量高，则泥 浆流动性好。
（2）影响粘土结合水量的因素
（4）表面吸附SiO32－ ：使板面带负电 结论：粘土粒子板面带负电，边棱可带正或负电。
高岭石价键断裂使边棱带正电或负电
酸性介质中（pH＜6）：边棱带正电；
中性介质中（pH≈7）：边棱不带电；
碱性介质中（pH＞8）：边棱带负电。
粘土正负电荷代数和是粘土净电荷。 由于粘土负电荷远大于正电荷，则主 要带负电荷；
3）吸附和解吸是可逆过程，其速率受离子浓度影响； 4）离子交换并不影响粘土本身结构。 （2）类型 按粘土上原先吸附的离子所带电荷的不同，分为 阳离子交换 阴离子交换
（3）应用
1）提纯粘土及制备吸附单一离子的粘土
将带有各种阳离子的粘土通过带一种离子的交换树 脂发生交换反应，由于任何交换树脂的交换容量很高 （250～500毫克当量／百克土），在溶液中X离子浓度远 大于Y，因此能保证交换反应完全。
粘土粒子荷电性是粘土－水系统具 有一系列胶体性质的主要原因之一。
3. 粘土胶团的结构
胶核（带负电）：粘土颗粒本身
吸附层：牢固结合水（即吸附水 膜）＋吸附紧密的水化阳离子
扩散层：松结合水（即扩散水膜） ＋吸附疏松的水化阳离子
胶粒（带负电） ：负溶胶
胶团（电中性）
4. 粘土胶体的ζ电位 （电动电位）
d）pH值的影响 pH降低，[H+]升高，ζ在pH=9～10出现极值 e）有机质含量——越高： ζ升高 f）粘土种类——ζ电位：蒙脱石>伊丽石>高岭石
pH值对ζ电位的影响
二、粘土的离子交换
1. 离子交换 用一种离子取代原先吸附于粘土上的另一种离子。
（1）特点 1）同号离子相互交换； 2）离子以等当量（或等电量）交换；
分为阳离子交换容量和阴离子交换容量，如阳离子交 换容量代表粘土在一定pH条件下的净负电荷数；
吸附量决定于中和表面电荷所需的吸附物的量。
影响因素：
（1）粘土种类： 阳离子交换容量：蒙脱石>伊利石>高岭石 阴离子交换容量：蒙脱石≈伊利石≈高岭石
（2）粒度大小：粒度↓，表比面积↑，破键↑，边棱 带正负电荷总数↑，阴阳离子交换容量均升高
粘土矿物特点： （1）粒度小，比表面积大，表现出胶体性质；
粒度：100nm～10μm 比表面积：高岭石约20m2／g、蒙脱石约 100m2／g （2）具有荷电与水化等性质。 注意： ➢ 粘土胶体是指加水后的粘土－水两相系统； ➢ 粘土矿物虽颗粒大些，但层厚符合胶体范围，从整体上来 讲，粘土－水界面也很大； ➢ 对于胶体来说，除分散相尺寸和大小外，其分散相与分散 介质界面结构特性也很重要。则虽然许多粘土几乎不含 100nm以下粒子，但粘土－水系统仍表现出胶体性质。
径增大，结合水量减少。
结合水量：Li-粘土＞Na-粘土＞K-粘土。
被粘土吸附的Na和Ca的水化值
2. 粘土粒子带电原因
（1）同晶取代：使板面（解理面）带负电
（2）边棱价键断裂：使边棱带正电或负电
（3）腐殖质离解：使板面带负电
由于腐殖质的羧基和酚羧基中氢解离而引起的，取决于 粘土有机质含量，其负电荷数量随介质pH改变，碱性介 质中有利H+离解而产生更多负电荷
σ－表面电荷密度； d－扩散层厚度； ε－分散介质介电常数。
影响因素：
a）固相表面电荷密度——σ增大：ζ升高 b）电解质浓度—— 随电解质加入，ζ出现极大值 c）吸附阳离子的影响
粘土吸附以下阳离子时， ζ电位
小
大
离子电价高，每个离子所平衡的胶核负电荷数越多，胶团 中的电位下降越快，扩散层越薄，ζ降低。
1. 粘土与水的结合
结构水——以OH－形成存在于粘土晶格中，约在400～ 600℃ 脱去，可用红外光谱检测。
吸附水——层间结合水，约100～200℃除去，与粘土颗粒 的 中的O或OH以氢键结合的水。 牢固结合水—紧挨粘土表面，通过氢键与粘土离子结合 并作有规则定向排列，又称吸附水膜，其厚度约3～10个 水分子层 。 松 结 合 水—在牢固结合水周围，从有规则定向排列到 无 规则排列的过渡水层，又称扩散水膜，其厚度约60个 水分子层（<20nm）。 自由 水—松结合水以外完全无规则排列的普通的流动水。
（3）介质温度：温度↑，粒子碰撞次数↑，交换容 量↑ ，但吸附强度↓ ；
（4）介质pH值：pH ↑ ，交换容量↑ （高岭石明
显）；
（5）有机质含量：有机质含量↑ ，负电量↑ ，交
换容量↑ ；
（6）粘土矿物结晶完整程度：结晶完整程度↓，
优选材料物理化学固体的 表面与界面
粘土－水系统 ：指粘土粒子分散在水介质中所形成的泥 浆或泥团系统，是介于胶体～悬浮液～粗分散体系之间的 一种特殊状态。
一、 粘土胶体
胶体：物质分散度在1～100nm范围内的一 种分散体系
—— 分散相（分散物质：颗粒、纤维、薄膜） ＋分散介质
分散相：有很高分散度，比表面积远大于 常态物质，因而带来一系列表面物化性质。 胶体粒子：1～100nm
1）粘土矿物组成
粘土结合水量与粘土阳离子交换量成正比。 对于含同一种交换性阳离子的粘土，蒙脱石结 合水量比高岭石大 ;
2）粘土分散度
高岭石结合水量随粒度减小而增高，而蒙脱 石结合水量与颗粒细度无关
（3）粘土吸附阳离子种类
结合水量：吸附R＋＞吸附R2＋＞吸附R3＋ 粘土吸附同价离子的结合水量随吸附离子半
wk.baidu.comX一树脂十 Y一粘土 Y－树脂十X一粘土
式中：X为单一离子；Y为各种离子混合。
2）鉴定粘土矿物
由于各种粘土矿物的交换容量数值差距较大，因此可 通过测定粘土的阳离子交换容量来鉴定粘土矿物组成。
2. 离子交换容量（cation exchange capacity，c·e·c）
离子交换能力的表征；
主要由吸附量来决定。通常以pH=7时，吸附离子毫 克当量数/100g干粘土表示（单位：毫克当量数／百 克干粘土 ）；
注意
结合水（牢固结合水与松结合水）与自由水相 比，其密度大、热容小，介电常数小、冰点低。
（1）粘土结合水量对粘土－水系统工艺性能的影 响
➢ 粘土与水达松结合状态，即粘土胶粒水膜厚度约 10nm（30个水分子层）时，其泥料可塑性最好；
➢ 粘土结合水/自由水比例小，自由水含量高，则泥 浆流动性好。
（2）影响粘土结合水量的因素
（4）表面吸附SiO32－ ：使板面带负电 结论：粘土粒子板面带负电，边棱可带正或负电。
高岭石价键断裂使边棱带正电或负电
酸性介质中（pH＜6）：边棱带正电；
中性介质中（pH≈7）：边棱不带电；
碱性介质中（pH＞8）：边棱带负电。
粘土正负电荷代数和是粘土净电荷。 由于粘土负电荷远大于正电荷，则主 要带负电荷；
3）吸附和解吸是可逆过程，其速率受离子浓度影响； 4）离子交换并不影响粘土本身结构。 （2）类型 按粘土上原先吸附的离子所带电荷的不同，分为 阳离子交换 阴离子交换
（3）应用
1）提纯粘土及制备吸附单一离子的粘土
将带有各种阳离子的粘土通过带一种离子的交换树 脂发生交换反应，由于任何交换树脂的交换容量很高 （250～500毫克当量／百克土），在溶液中X离子浓度远 大于Y，因此能保证交换反应完全。
粘土粒子荷电性是粘土－水系统具 有一系列胶体性质的主要原因之一。
3. 粘土胶团的结构
胶核（带负电）：粘土颗粒本身
吸附层：牢固结合水（即吸附水 膜）＋吸附紧密的水化阳离子
扩散层：松结合水（即扩散水膜） ＋吸附疏松的水化阳离子
胶粒（带负电） ：负溶胶
胶团（电中性）
4. 粘土胶体的ζ电位 （电动电位）
d）pH值的影响 pH降低，[H+]升高，ζ在pH=9～10出现极值 e）有机质含量——越高： ζ升高 f）粘土种类——ζ电位：蒙脱石>伊丽石>高岭石
pH值对ζ电位的影响
二、粘土的离子交换
1. 离子交换 用一种离子取代原先吸附于粘土上的另一种离子。
（1）特点 1）同号离子相互交换； 2）离子以等当量（或等电量）交换；
分为阳离子交换容量和阴离子交换容量，如阳离子交 换容量代表粘土在一定pH条件下的净负电荷数；
吸附量决定于中和表面电荷所需的吸附物的量。
影响因素：
（1）粘土种类： 阳离子交换容量：蒙脱石>伊利石>高岭石 阴离子交换容量：蒙脱石≈伊利石≈高岭石
（2）粒度大小：粒度↓，表比面积↑，破键↑，边棱 带正负电荷总数↑，阴阳离子交换容量均升高
粘土矿物特点： （1）粒度小，比表面积大，表现出胶体性质；
粒度：100nm～10μm 比表面积：高岭石约20m2／g、蒙脱石约 100m2／g （2）具有荷电与水化等性质。 注意： ➢ 粘土胶体是指加水后的粘土－水两相系统； ➢ 粘土矿物虽颗粒大些，但层厚符合胶体范围，从整体上来 讲，粘土－水界面也很大； ➢ 对于胶体来说，除分散相尺寸和大小外，其分散相与分散 介质界面结构特性也很重要。则虽然许多粘土几乎不含 100nm以下粒子，但粘土－水系统仍表现出胶体性质。
径增大，结合水量减少。
结合水量：Li-粘土＞Na-粘土＞K-粘土。
被粘土吸附的Na和Ca的水化值
2. 粘土粒子带电原因
（1）同晶取代：使板面（解理面）带负电
（2）边棱价键断裂：使边棱带正电或负电
（3）腐殖质离解：使板面带负电
由于腐殖质的羧基和酚羧基中氢解离而引起的，取决于 粘土有机质含量，其负电荷数量随介质pH改变，碱性介 质中有利H+离解而产生更多负电荷