粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)

粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六第2節(jié)粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)主要掌握的內(nèi)容：粘土礦物的晶體構(gòu)造與性質(zhì)典型粘土礦物的化學(xué)組成典型粘土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介粘土的界面吸附作用粘土膠體化學(xué)基礎(chǔ)膠體化學(xué)的基本概念粘土顆粒（片體）的雙電層理論粘土的水化作用作用機(jī)理影響因素第2頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六顆粒直徑在1nm～1μm范圍內(nèi)均屬膠體顆粒，含有膠體顆粒的體系稱為膠體體系或膠體分散體系；膠體體系的重要特點(diǎn)之一是具有很大的表面積；由于大多數(shù)鉆井液是粘土-水的膠體懸浮體系，因而膠體懸浮體系的性能直接影響到鉆井液的工藝性能，進(jìn)而影響到鉆井工程的安全；學(xué)習(xí)鉆井液中常用粘土礦物和粘土膠體化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于理解和掌握鉆井液體系的穩(wěn)定性原理、化學(xué)處理劑的作用原理和鉆井液工藝性能的維護(hù)控制原理具有重要意義。第3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六1）水基鉆井液的組分(Components)水(Water)粘土(膨潤(rùn)土)(Clay)處理劑(DrillingFluidAdditives)第4頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六2）膨潤(rùn)土的特性與作用形狀和尺寸(片狀、小于2-5微米)表面電荷與水化性能在鉆井液中的狀態(tài)（分散、絮凝、聚結(jié)）在鉆井液中的作用（懸浮能力）第5頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六§2）膨潤(rùn)土的的特性與作用粘土(Clay):小于2-5微米，具有塑性的礦物原料。粘土礦物:構(gòu)成粘土的主體礦物。大都具有晶體本性，其化學(xué)成份是含水（鎂）硅酸鹽。粘土礦物的結(jié)構(gòu)：層狀（二層、三層、混層）；鏈狀（纖維狀）。膨潤(rùn)土(Bentonite)：主要成分為蒙脫石的粘土礦物。蒙脫石(Montmorillonite)：三層(2:1)型粘土礦物，因只有范氏力層間引力弱，表面吸附能力強(qiáng)，易水化膨脹和分散。

第6頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六第7頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六1.相和相界面相是指物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)都完全相同的均勻部分。體系中若有兩個(gè)或兩個(gè)以上的相，稱為多相體系。相界面則是相與相之間的宏觀物理界面。通常，在相互接觸的兩相中，若某一相為氣體，則相界面稱為表面。若是液相與固相的分界面，稱為界面。2.分散相與分散介質(zhì)

分散相是指在多相分散體系中被分散的物質(zhì)。

分散介質(zhì)則是分散相所在的連續(xù)介質(zhì)。例如，在水基鉆井液中，粘土顆粒分散在水中，粘土為分散相，水為分散介質(zhì)。一、粘土膠體化學(xué)的幾個(gè)基本概念第8頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六3.分散度和比表面積

分散度是指分散相的分散程度。分散相的分散程度越高，分散度越大，分散相就分散得越細(xì)小。用數(shù)學(xué)式可將分散度表示為：

比表面積是單位體積（V）或單位重量（W）物質(zhì)的總表面積。用數(shù)學(xué)式表示為：上式表明，比表面積越大，物質(zhì)分散得越小，分散度就越高，兩者有相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系。一、粘土膠體化學(xué)的幾個(gè)基本概念第9頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

粘土是巖石學(xué)上的一種稱謂，是巖石經(jīng)過長(zhǎng)期地質(zhì)作用后的產(chǎn)物，主要由粘土礦物和少量非粘土礦物組成的細(xì)粒粘滯土狀物質(zhì)。粘土顆粒的粒度通常小于2～5微米，主要礦物成分由粘土礦物、非粘土礦物和膠體礦物組成。粘土礦物是鋁硅酸鹽的總稱,是含水的層狀及層—鏈狀構(gòu)造。特點(diǎn)是具有相對(duì)固定的化學(xué)組成和確定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)—內(nèi)部格子構(gòu)造。二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)第10頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六粘土：主要由粘土礦物和少量非粘土礦物組成的細(xì)粒粘滯土狀物質(zhì)。

特性：細(xì)粒，粘性，高溫成型性，可塑成型性

礦物組成：粘土礦物（蒙脫石等）+非粘土礦物（石英、長(zhǎng)石等）+膠體礦物（蛋白石等）?；瘜W(xué)組成:SiOAlOH，少量的FeNaCaMg等粘土礦物：含水的細(xì)分散的層狀及鏈狀構(gòu)造硅酸鹽礦物的及含水的非晶質(zhì)硅酸鹽礦物的總稱。特點(diǎn)：具有相對(duì)固定的化學(xué)組成和確定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)—（內(nèi)部格子構(gòu)造--晶格）。

第11頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

（1）硅氧四面體與硅氧四面體片

硅氧四面體由一個(gè)硅離子和四個(gè)等距的氧離子配位組成的正四面體。硅離子在四面體的中心，氧離子在四面體的頂點(diǎn)。硅離子與各氧離子之間的距離相等，如圖所示。在圖中,四面體底面三個(gè)氧離子組成基底氧，四面體頂點(diǎn)一個(gè)氧離子為頂端氧。氧離子之間距離2.61×10-1nm。硅離子與氧離子距離為1.61×10-1nm.二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)1.粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元OSi第12頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六一、粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元1.硅氧四面體與硅氧四面體片

硅氧四面體(silicatetrahedron)

由一個(gè)硅原子和四個(gè)等距的氧原子組成的正四面體。硅原子在四面體的中心，氧原子在四面體的頂點(diǎn)。圖中：基底氧：四面體底面三個(gè)氧原子。頂端氧：四面體頂點(diǎn)一個(gè)氧原子。O~O距離：2.61埃。Si~O距離：1.61埃?！柙印踉拥?3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

（1）硅氧四面體與硅氧四面體片單個(gè)四面體與若干個(gè)相鄰四面體通過底氧相連，構(gòu)成平面連續(xù)的四面體晶格，此即硅氧四面體片。如圖所示。

四面體片所有基底氧排列在同一個(gè)平面上，所有頂端氧在另一個(gè)平面上，平面投影形成正六角形的三層空心六角環(huán)網(wǎng)格。由于四面體片含有負(fù)電荷，所以，在實(shí)際礦物結(jié)構(gòu)中，四面體片在粘土中不能獨(dú)立存在，僅能以與陽離子和附加氧離子結(jié)合的形式存在。二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)第14頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

硅氧四面體片

單個(gè)四面體與若干個(gè)相鄰四面體通過底面氧相連，構(gòu)成平面連續(xù)的四面體晶格。四面體片特點(diǎn)：由SiO4彼此連接而成的Si4O10的無限重復(fù)的六方網(wǎng)格。所有基底氧排列在同一個(gè)平面上。所有頂端氧在另一個(gè)平面上。平面投影形成三層。是六角對(duì)稱的（六角環(huán)半徑1.33A，空心）四面體片在粘土中不能獨(dú)立存在。——硅原子——氧原子Si4O10

最小重復(fù)單元分子式第15頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六四面體片立體模型第16頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六硅氧四面體與硅氧四面體片第17頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

（2）鋁氧八面體與鋁氧八面體片鋁氧（有時(shí)為鋁-氫氧）八面體的六個(gè)頂點(diǎn)為氧離子或者氫氧離子團(tuán)，鋁、鐵或鎂離子處于正八面體中心，六個(gè)氧離子或氫氧離子處于八面體頂點(diǎn)，如圖所示。八面體中心位置通常由體積較大的陽離子Al3+、Mg2+、Fe2+和Fe3+配位，而不適應(yīng)象Ca2+、Na+或K+等體積更大的陽離子配位。在圖中，八面體氧離子之間距離為2.60埃，氫氧離子之間距離為2.94×10-1nm。

1.粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元?dú)溲魽l二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)第18頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六2.鋁氧八面體與鋁氧八面體片

鋁氧（Al—O(OH)）八面體(aluminaoctahedron)

鋁原子處于正八面體中心，六個(gè)氧原子或氫氧原子處于八面體頂點(diǎn)。圖中：O~O距離=2.60埃。OH~OH距離=2.94埃?！X原子——?dú)溲踉拥?9頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六（2）鋁氧八面體與鋁氧八面體片

鋁氧（氫氧）八面體片是由單個(gè)八面體與相鄰的八面體通過共用晶棱連接起來，頂端和底端氧離子則構(gòu)成兩個(gè)平行的平面（每個(gè)八面體同相鄰的六個(gè)其它八面體通過共用氧（氫氧）連接，如圖所示。1.粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元?dú)溲蹁X二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)第20頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

鋁氧（氫氧）八面體片

單個(gè)八面體與相鄰的八面體通過共用氫氧原子連接起來，頂端和底端氧原子則構(gòu)成兩個(gè)平行的平面（每個(gè)八面體同相鄰的六個(gè)其它八面體通過共用氧（氫氧原子）連接）。

——?dú)溲踉印X原子Al4(OH)12最小重復(fù)單位分子式第21頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六鋁氧八面體與鋁氧八面體片第22頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六八面體片立體模型第23頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六（2）鋁氧八面體與鋁氧八面體片如果每三個(gè)八面體中心只有二個(gè)中心被Al3+、Fe3+等三價(jià)離子占據(jù)，留下1/3空位，這種晶片特稱為二八面體晶片，又叫鋁氧片。當(dāng)八面體片的中心全被Mg2+、Fe2+占據(jù)時(shí)，這種晶片稱為三八面體晶片，又叫鎂氧片。與四面體片不同，八面體片能夠獨(dú)立存在。1.粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元?dú)溲蹁X二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)第24頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六（3）晶片的結(jié)合四面體片和八面體片沿C軸按一定比例相互重合，通過共用氧原子連接形成電中性的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)層，即晶層。許多單位晶層在C軸方向上按一定距離反復(fù)重合而構(gòu)成晶體。能代表晶體性質(zhì)的單位層內(nèi)最小物質(zhì)組合叫單位晶胞。常以a、b軸范圍表示其大小。某一晶面與相鄰晶層的對(duì)應(yīng)晶面間的距離叫C軸間距，如圖所示。1.粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)C間距Cab第25頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

（3）晶片的結(jié)合四面體片與八面體片的相互結(jié)合構(gòu)成了層狀硅酸鹽礦物的基本結(jié)構(gòu)層。

按照四面體片和八面體片的配合比例，可以把層狀構(gòu)造硅酸鹽礦物的基本結(jié)構(gòu)層分為1：1層型和2：1層型兩個(gè)基本類型。1.粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)第26頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六（3）晶片的結(jié)合單獨(dú)的1：1型層或2：1型層可以是電中性的，也可以是由于晶格取代（在晶體結(jié)構(gòu)保持不變的條件下，中心高價(jià)陽離子被低價(jià)陽離子取代的現(xiàn)象）等原因而帶負(fù)電荷。為了平衡負(fù)電性，晶層間必然吸附了一些陽離子作為補(bǔ)償陽離子。由于基本結(jié)構(gòu)層、層間物質(zhì)、層間電荷、補(bǔ)償陽離子等的不同，加上結(jié)晶學(xué)上的有序-無序和多型等現(xiàn)象，就使得自然界粘土礦物的種類繁多。1.粘土礦物的兩種基本構(gòu)造單元二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)第27頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六（1）高嶺石（Kaolinite）高嶺石的單元晶層構(gòu)造由一層四面體片和一層八面體片組成，所有硅氧四面體的尖頂都朝向八面體。四面體晶片與八面體晶片通過共用氧原子連接在一起。若干個(gè)晶層在C軸方向上層層重疊，而在a、b軸方向上連續(xù)延伸。高嶺石礦物在溶液中陽離子交換容量小，水分子不易進(jìn)入晶層中間，為非膨脹類型的粘土礦物。其水化性能差，造漿性能不好，一般不用作鉆井液的配漿粘土。2.幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)第28頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六（1）高嶺石（Kaolinite）2.幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)第29頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六（1）高嶺石（Kaolinite）高嶺石構(gòu)造單元中原子電荷是平衡的，化學(xué)式為Al4Si4O10(OH)8。因?yàn)槠鋯卧訕?gòu)造是由一片硅氧片和一片鋁氧片組成，故也稱為1：1型粘土礦物。在高嶺石單元晶層中，一面為OH層，另一面為O層，由于OH鍵具有強(qiáng)極性，晶層與晶層之間容易形成氫鍵，因此，晶層之間連接緊密，晶層間距僅為7.2×10-1nm，高嶺石的分散度較低且性能穩(wěn)定，幾乎無晶格取代現(xiàn)象。2.幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)第30頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

（2）蒙托石蒙托石是2：1型層狀構(gòu)造硅酸鹽，由兩層四面體片中間夾一層八面體片組成。每個(gè)四面體尖頂均指向中央的八面體，通過共用的氧連接成晶層。2.幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)C間距第31頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

（2）蒙托石蒙托石礦物的結(jié)晶構(gòu)造天然具有晶格取代的現(xiàn)象，晶格取代多發(fā)生在八面體片中間，即由低價(jià)的Fe2+、Mg2+等取代高價(jià)的Al3+，構(gòu)造單元層剩余電荷為0.2～0.6。2.幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)C間距第32頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

（2）蒙托石

單位層間含有水分子和補(bǔ)償性陽離子Na+和Ca2+，這些補(bǔ)償性陽離子是可以被溶液中其它陽離子交換的。蒙托石的陽離子交換容量為70～130毫克當(dāng)量/100克土。

2.幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)C間距第33頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

（2）蒙托石蒙托石單位晶層兩面均為O層，晶層間依靠分子間力連接，引力小，連接不緊密，水分子容易進(jìn)入晶層之間而發(fā)生膨脹，水化分散性好，造漿能力強(qiáng)，是配制鉆井液的好材料。2.幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)C間距第34頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

（3）伊利石（illite）伊利石也稱為水云母，是2：1型粘土礦物，其晶體構(gòu)造與蒙托石類似，主要區(qū)別在于晶格取代比蒙托石多。取代作用主要發(fā)生在四面體中，鋁離子取代四面體里的硅。晶格取代作用也可以少量發(fā)生在八面體中，典型的是Mg2+和Fe2+取代Al3+，其單位晶胞剩余電荷為0.6～1.0，比蒙托石的高1～1.5倍，產(chǎn)生的負(fù)電荷主要由K+來平衡。伊利石單位晶層間距為10×10-1nm。

伊利石的晶格不易膨脹，水分子不易進(jìn)入晶層間，也不是配制鉆井液的好材料。2.幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)第35頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六粘土礦物的晶格構(gòu)造和特點(diǎn)伊利石伊利石的晶體構(gòu)造和蒙脫石相類似，不同之點(diǎn)在于伊利石中硅氧四面體中有較多的硅被鋁取代，因取代所缺的正電荷由處在相鄰兩個(gè)硅氧層之間的K+補(bǔ)償，因K+存在于晶層之間并進(jìn)入相鄰氧原子網(wǎng)格形成的孔穴中，使各晶胞間拉得較緊，水分不易進(jìn)入層間，因此它是不易膨脹的粘土礦物。第36頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六

2.幾種主要粘土礦物小結(jié)二、主要粘土礦物的晶體構(gòu)造和特點(diǎn)第37頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六鉆井液循環(huán)系統(tǒng)鉆井液的主要功能鉆井液的組成鉆井液的分類第38頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六鉆井液循環(huán)示意圖CirculationSystem第39頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六鉆井液的主要功能：（1）清洗井底，攜帶巖屑。（2）冷卻、潤(rùn)滑鉆頭和鉆柱。（3）形成泥餅，保護(hù)井壁。（4）控制和平衡地層壓力。（5）懸浮巖屑和加重材料。（6）提供所鉆地層的地質(zhì)資料。（7）傳遞水功率。（8）防止鉆具腐蝕。b第40頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六鉆井液的組成鉆井液的基本成分由分散相+分散介質(zhì)+化學(xué)處理劑組成。第41頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六鉆井液分類方法按照密度大小可將鉆井液分為高密度鉆井液和低密度鉆井液，高低密度的界限一般為1.35g/cm3；按照與粘土水化作用強(qiáng)弱程度可將鉆井液分為抑制性鉆井液和非抑制性鉆井液；按照連續(xù)相性質(zhì)可將鉆井液分為水基鉆井液、油基鉆井液和氣基鉆井液。第42頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六美國石油學(xué)會(huì)(API)和國際鉆井承包商協(xié)會(huì)(IADC)類別：①不分散鉆井液；②分散鉆井液；③鈣處理鉆井液；④聚合物鉆井液；⑤低固相鉆井液；⑥鹽水鉆井液；⑦油基鉆井液；⑧合成基鉆井液；⑨空氣、霧、泡沫和充氣鉆井流體。第43頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六粘土礦物的兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元硅氧四面體鋁氧八面體第44頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六高嶺石結(jié)構(gòu)(1:1)粘土礦物的晶格構(gòu)造和特點(diǎn)鋁氧八面體片硅氧四面體片共用氧原子連接第45頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六蒙脫石晶格結(jié)構(gòu)（2:1）粘土礦物的晶格構(gòu)造和特點(diǎn)硅氧四面體片鋁氧八面體片硅氧四面體片第46頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)

1.粘土-水界面擴(kuò)散雙電層（1）電泳與電滲1809年萊斯（PeHcc）觀察到水中粘土顆粒在直流電場(chǎng)中向陽極移動(dòng)的現(xiàn)象。后來了解到，許多膠體體系都有類似的現(xiàn)象，若將二電極插入膠體溶液而通以電流，即可發(fā)現(xiàn)膠粒向陽極或陰極移動(dòng)。在電場(chǎng)作用下，膠體顆粒在介質(zhì)中向某一電極移動(dòng)的現(xiàn)象，稱為電泳；若固相不動(dòng)而液相對(duì)固定帶電荷的固體表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為電滲。第47頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六電泳電滲電泳現(xiàn)象表明：膠體粒子是帶電的。第48頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)

1.粘土-水界面擴(kuò)散雙電層（2）擴(kuò)散雙電層的形成與結(jié)構(gòu)

既然膠體粒子帶電，那么在它周圍必然分布著電荷數(shù)相等的反離子，于是在固液界面形成雙電層。雙電層中的反離子，一方面受到固體表面電荷的吸引，靠近固體表面；另一方面，由于反離子的熱運(yùn)動(dòng)，又有擴(kuò)散到液相內(nèi)部去的能力，這兩種相反作用的結(jié)果，使得反離子擴(kuò)散地分布在膠粒周圍，構(gòu)成擴(kuò)散雙電層。在擴(kuò)散雙電層中反離子的分布是不均勻的，靠近固體表面密度高，形成緊密層（吸附層）第49頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)

1.粘土-水界面擴(kuò)散雙電層（2）擴(kuò)散雙電層的形成與結(jié)構(gòu)假如固體表面吸附的反離子為負(fù)離子，隨著與界面的距離增大，負(fù)離子的分布由多而少，到了正電荷的電力線所不及的距離處，過剩反離子的濃度就等于零。從固體表面到過剩反離子為零處的這一層稱為擴(kuò)散雙電層。第50頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六滑動(dòng)面從固體表面到過剩正電荷為0處的這一層為擴(kuò)散雙電層均勻液相擴(kuò)散層第51頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)

1.粘土-水界面擴(kuò)散雙電層（2）擴(kuò)散雙電層的形成與結(jié)構(gòu)反離子是溶劑化（例如水化）的，固體表面上緊密地連接著部分反離子，構(gòu)成圖中的吸附溶劑化層（緊密層或吸附層）。其余的離子帶著其溶劑化殼，擴(kuò)散地分布到液相中，構(gòu)成擴(kuò)散層。當(dāng)粘土運(yùn)動(dòng)時(shí)，界面上的吸附溶劑化層隨著一起運(yùn)動(dòng)，與外層錯(cuò)開。吸附溶劑化層與外層錯(cuò)開的界面稱為滑動(dòng)面。第52頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)

1.粘土-水界面擴(kuò)散雙電層（3）擴(kuò)散雙電層中的電位從吸附溶劑化層界面（滑動(dòng)面）到均勻液相（過剩反離子為零）內(nèi)的電位，稱為電動(dòng)電位（或Zeta電位，又寫作ζ）；從固體表面到均勻液相內(nèi)部的電位，稱為熱力學(xué)電位（0）。熱力學(xué)電位決定于固體表面所帶的總電荷，而Zeta電位則取決于固體表面電荷與吸附溶劑化層內(nèi)反離子電荷之差。ζ0第53頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)1.粘土-水界面擴(kuò)散雙電層（3）擴(kuò)散雙電層中的電位1）電動(dòng)電位（Zeta電位）電動(dòng)電位是擴(kuò)散雙電層的重要特點(diǎn)，它與膠體體系的穩(wěn)定性密切相關(guān)。電動(dòng)電位（ζ）的數(shù)值取決于吸附層滑動(dòng)面上的凈電荷數(shù)，也就是取決于擴(kuò)散層中的反離子數(shù)。膠體電動(dòng)電位（Zeta電位ζ）：式中，ζ—電動(dòng)電位，伏；V—電泳速度，cm／s；E—電位梯度，等于電泳池兩端電壓除以電極距離，伏／cm；

η—介質(zhì)粘度，mPa.s；D—液體介電常數(shù)，在20℃時(shí)水為80；3002—單位換算系數(shù)。第54頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)1.粘土-水界面擴(kuò)散雙電層（3）擴(kuò)散雙電層中的電位2）擴(kuò)散層電位擴(kuò)散層電位比較微弱，隨距固體表面的距離x而變化，服從指數(shù)關(guān)系，即擴(kuò)散層電位（）按指數(shù)關(guān)系下降，如下式：

式中，—擴(kuò)散層中任一點(diǎn)的電位；

0—熱力學(xué)電位（表面電位）；K—德拜常數(shù)；l／K—離子氛（擴(kuò)散雙電層）的厚度；x—離開表面的距離。顯然，當(dāng)x=l／K時(shí)，由該式可以看出，在距離x等于1/K處，電位下降為0的1/e倍。當(dāng)x→∞時(shí)，→0。當(dāng)x等于零時(shí)，=0。第55頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)1.粘土-水界面擴(kuò)散雙電層（3）擴(kuò)散雙電層中的電位3）電解質(zhì)對(duì)雙電層厚度和電動(dòng)電位（ζ）的影響膠體的聚結(jié)穩(wěn)定性與雙電層厚度、電動(dòng)電位大小有密切關(guān)系，雙電層愈厚，ζ愈大，膠體愈穩(wěn)定。根據(jù)強(qiáng)電解質(zhì)的德拜一休格理論，雙電層的厚度主要決定于溶液中電解質(zhì)的反離子價(jià)數(shù)與電解質(zhì)的濃度：

式中，n—電解質(zhì)濃度；Z—電解質(zhì)中離子價(jià)數(shù)（系均稱電解質(zhì),如NaCl,MgSO4）；k－坡茲曼常數(shù);T—絕對(duì)溫度；e—電子電荷；S—介電常數(shù)?？傊?，隨著加入電解質(zhì)濃度的增加，特別是離子價(jià)數(shù)的升高，擴(kuò)散雙電層厚度下降，電動(dòng)電位下降（電解質(zhì)壓縮雙電層的作用）。第56頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六電解質(zhì)對(duì)雙電層的影響在溶液中加入電解質(zhì)，擴(kuò)散雙電層厚度下降的原因是加入電解質(zhì)后，將有更多的反離子進(jìn)入吸附層，結(jié)果擴(kuò)散層的離子數(shù)目下降，這就導(dǎo)致雙電層厚度下降，電動(dòng)電位下降（電解質(zhì)壓縮雙電層的作用）。當(dāng)所加電解質(zhì)把雙電層壓縮到吸附溶劑化層的厚度時(shí)，膠粒即不帶電，此時(shí)電動(dòng)電位降到零。這種狀態(tài)稱為等電態(tài)。在等電態(tài)，膠體容易聚結(jié)。如果高價(jià)反離子進(jìn)入吸附層，使ζ電勢(shì)改變符號(hào)，稱再帶電現(xiàn)象。此時(shí)，膠粒電荷反號(hào)，電泳方向改變第57頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)1.粘土-水界面擴(kuò)散雙電層（3）擴(kuò)散雙電層中的電位4）粘土—水界面雙電層的特點(diǎn)由于粘土礦物呈片狀，其晶體表面與端面結(jié)構(gòu)不同，因此，可以形成兩種不同的雙電層，這就是所謂粘土膠體雙電層的兩重性。①粘土片表面上的雙電層結(jié)構(gòu)在蒙脫石和伊利石的晶格里，硅氧四面體晶片中部分Si4+可被Al3+取代，鋁氧八面體晶片中部分Al3+可被Mg2+或Fe2+等取代。這種晶格取代作用造成粘土晶格層面上帶有永久負(fù)電荷，于是它們吸附等電量的陽離子（Na＋、Ca2+、Mg2+等）。當(dāng)將這些粘土放到水里，吸附的陽離子向外擴(kuò)散，結(jié)果形成了膠粒帶負(fù)電的擴(kuò)散雙電層。粘土表面上緊密地連結(jié)著一部分水分子（氫鍵連結(jié)）和部分帶水化膜的陽離子，構(gòu)成吸附溶劑化層；其余的陽離子帶著它們的溶劑化水?dāng)U散地分布在液相中，組成擴(kuò)散層。

第58頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)1.粘土-水界面擴(kuò)散雙電層（3）擴(kuò)散雙電層中的電位4）粘土—水界面雙電層的特點(diǎn)

②粘土片端面上的雙電層結(jié)構(gòu)粘土礦物晶體端面上裸露的原子結(jié)構(gòu)和表面上不同。在端面，粘土晶格中鋁氧八面體與硅氧四面體原來的鍵被斷開了。當(dāng)介質(zhì)的PH值低于7時(shí)，八面體處端面上OH解離，露出帶正電的鋁離子，故可以形成正溶膠形式的雙電層；而在堿性介質(zhì)中，端面上的氫解離，裸露出帶負(fù)電的表面（一A－O-），在這種情況下，形成的雙電層，其電性與層面上相同。第59頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)2、 粘土-水懸浮體的穩(wěn)定性

（1）沉降穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性沉降穩(wěn)定性是指在重力作用下分散相顆粒是否容易下沉的性質(zhì)。

若下沉速度很小，甚至可略而不計(jì)，則稱該體系具有沉降穩(wěn)定性。觀察鉆井液沉降穩(wěn)定性的方法，是將充分?jǐn)嚢韬玫你@井液注滿250毫升量簡(jiǎn)，靜置24小時(shí)后，分別量測(cè)上、下部分的鉆井液密度，其上下密度的差值愈小，沉降穩(wěn)定性愈高（一般要求上下密度差不超過0.06g/cm3）。聚結(jié)穩(wěn)定性則指分散相顆粒是否容易自動(dòng)粘結(jié)變大（即自動(dòng)降低分散度）的性質(zhì)。

若實(shí)際上不自動(dòng)降低分散度，則稱此體系具有聚結(jié)穩(wěn)定性。鉆井液是稠的粘土溶膠一懸浮體，其聚結(jié)行為很敏感地反映在屈服值的變化上。此外，由鉆井液的失水量和泥餅厚度也可間接觀察其聚結(jié)穩(wěn)定性。聚結(jié)穩(wěn)定性是沉降穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，沉降穩(wěn)定性是聚結(jié)穩(wěn)定性的反映。第60頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)2、 粘土-水懸浮體的穩(wěn)定性（2）影響沉降穩(wěn)定性的因素影響沉降穩(wěn)定性的因素是分散相粒子的大小、分散相與分散介質(zhì)的密度差、分散介質(zhì)的粘度。斯篤克(stoke)定律

式中，u—分散相顆粒的下沉速度，cm／s；r—分散相顆粒的半徑，cm；ρ、ρ0—分別為分散相和分散介質(zhì)的密度，g／cm3；η—分散介質(zhì)的粘度，泊；

g—重力加速度；981cm／s2。第61頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)2、 粘土-水懸浮體的穩(wěn)定性

（3）影響聚結(jié)穩(wěn)定性的因素1）阻礙粘土顆粒聚結(jié)的因素①雙電層斥力

粘土膠粒周圍形成有擴(kuò)散雙電層。當(dāng)兩個(gè)粘土顆粒聚結(jié)合并前，必然有個(gè)移動(dòng)的過程，在移動(dòng)時(shí)，隨著粘土顆粒一齊運(yùn)動(dòng)的僅是吸附層內(nèi)的反離子，這樣，粘土粒子就具有表示負(fù)電荷多少的ζ電勢(shì)，顯然，ζ電勢(shì)越高，顆粒之間的斥力越大，越難以聚結(jié)合并。②吸附溶劑化層的穩(wěn)定作用

吸附作用降低了固一液界面的表面能，從而降低顆粒的聚結(jié)趨勢(shì)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)指出，吸附溶劑化層的溶劑具有很高的粘度和彈性，這就構(gòu)成妨礙膠粒聚結(jié)的機(jī)械阻力。第62頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)2、 粘土-水懸浮體的穩(wěn)定性（3）影響聚結(jié)穩(wěn)定性的因素

2）引起粘土顆粒聚結(jié)的因素①顆粒之間的吸力（范德華力）

無論是粘土一水溶膠或是其他膠體，它們的顆粒會(huì)聚結(jié)合并這一事實(shí)說明：顆粒之間存在著在數(shù)量上足以和雙電層斥力相抗衡的吸力，這就是范德華力。分子之間的引力也是范德華力，但顆粒之間的吸力和分子之間的引力不同，分子之間的引力與距離的六次方成反比，隨分子間距離的增大而急劇減小，作用力范圍很?。坏珜?duì)于由許多分子聚集而成的質(zhì)點(diǎn)顆粒，此力與表面距離的三次方成反比，作用能量則與距離的二次方成反比，作用力的范圍較大。所以，當(dāng)粘土顆粒之間的距離相互靠近到此吸力的作用范圍，而且吸力超過斥力時(shí)，粘土顆粒之間就發(fā)生聚結(jié)。第63頁，共69頁，2023年，2月20日，星期六三、粘土-水懸浮體系的膠體化學(xué)2、 粘土-水懸浮體的穩(wěn)定性

（3）影響聚結(jié)穩(wěn)定性的因素

2）引起粘土顆粒聚結(jié)的因素②電解質(zhì)的聚結(jié)作用

電解