第二章-粘土礦物教學(xué)文案

粘土(zhāntǔ)礦物和粘土(zhāntǔ)膠體化學(xué)基礎(chǔ)第二章《鉆井液工藝(gōngyì)原理》講義第一頁，共83頁。第一節(jié)粘土礦物的晶體(jīngtǐ)構(gòu)造⊕粘土礦物的兩種基本構(gòu)造(gòuzào)單元⊕幾種(jǐzhǒnɡ)主要粘土礦物的晶體構(gòu)造第二頁，共83頁。1、硅氧四面體與硅氧四面體晶片硅氧四面體：有一個(gè)硅原子與四個(gè)氧原子，硅原子在四面體的中心(zhōngxīn)，氧原子在四面體的頂點(diǎn)，硅原子與各氧原子之間的距離相等，其結(jié)構(gòu)見右圖上。硅氧面體晶片：指硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)。硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)由硅氧四面體通過相臨的氧原子連接而成，其立體結(jié)構(gòu)見右下圖。一、粘土礦物的兩種基本(jīběn)構(gòu)造單元第三頁，共83頁。

2、鋁氧八面體與鋁氧八面體晶片鋁氧八面體：六個(gè)頂點(diǎn)為氫氧原子(yuánzǐ)團(tuán)，鋁、鐵或鎂原子(yuánzǐ)居于八面體中央(如右上圖所示)。鋁氧八面體晶片：多個(gè)鋁氧八面體通過共用的O或OH連接而成的AL-O八面體網(wǎng)絡(luò)。第四頁，共83頁。3、晶片的結(jié)合四面體晶片與八面體晶片以適當(dāng)(shìdàng)的方式結(jié)合，構(gòu)成晶層1：1型晶層：由一個(gè)硅氧四面體晶片與一個(gè)鋁氧八面體晶片構(gòu)成。OOHSi-OAl-O第五頁，共83頁。2：1型晶層：由兩個(gè)(liǎnɡɡè)硅氧四面體晶片與一個(gè)鋁氧八面體晶片構(gòu)成，八面體片夾在四面體中間。氧原子氧原子Si-OAl-OSi-O第六頁，共83頁。C晶層間距(jiānjù)C：一個(gè)晶層到相臨晶層的垂直距離。層間域：相鄰(xiānɡlín)晶層之間的空間層間物：層間域中的物質(zhì)(wùzhì)單位構(gòu)造：晶層+層間域4、晶體：?jiǎn)卧用婷娑询B在一起形成晶體第七頁，共83頁。（1）晶格取代：在粘土礦物晶體中，一部分陽離子被另外陽離子所置換，產(chǎn)生(chǎnshēng)過剩電荷的現(xiàn)象。Si-O四面體：Al3+取代(qǔdài)Si4+Al-O八面體：Mg2+、Fe2+取代(qǔdài)Al3+粘土帶負(fù)電荷二、幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造1、基本概念第八頁，共83頁。例1：蒙脫石在不發(fā)生晶格取代(qǔdài)時(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為：Al4Si8O10(OH)4.nH2O蒙脫石的實(shí)際(shíjì)結(jié)構(gòu)式為：(1/2Ca,Na)x(MgxAl4-x)(Si8O20)(OH)4.nH2O第九頁，共83頁。例2：伊利石在不發(fā)生晶格(jīnɡɡé)取代時(shí)，其理想結(jié)構(gòu)式為：Al4（Si8O20）（OH）4伊利石的實(shí)際(shíjì)結(jié)構(gòu)式為：(K)xAl4(Si8-xAlx)O20(OH)20第十頁，共83頁。（2）陽離子交換(jiāohuàn)容量（C.E.C)定義：分散介質(zhì)PH=7時(shí)，100g粘土所能交換(jiāohuàn)下來的陽離子的毫摩爾數(shù)（以一價(jià)陽離子毫摩爾數(shù)表示）。說明：C.E.C可用來表示粘土在水中帶電(dàidiàn)性的多少，它與粘土的水化分散、吸附等性質(zhì)密切相關(guān)。第十一頁，共83頁。（3）造漿率造漿率粘土的水化分散(fēnsàn)能力定義：一噸干粘土所能配制(pèizhì)粘度為15mPa.s的鉆井液的體積數(shù)，m3/T。說明(shuōmíng)：第十二頁，共83頁。2、幾種常見(chánɡjiàn)粘土礦物的晶體構(gòu)造①高嶺石晶體結(jié)構(gòu)示意圖（1）高嶺石第十三頁，共83頁。②高嶺石特點(diǎn)(tèdiǎn)A、1：1型粘土礦物B、幾乎不存在(cúnzài)晶格取代，負(fù)電量少C、晶層間引力(yǐnlì)以氫鍵為主，引力(yǐnlì)強(qiáng)，晶層間距C=7.2?Si-OAl-OOHO第十四頁，共83頁。問題(wèntí)：高嶺石屬非膨脹性粘土礦物，為什么？答：高嶺石上下相臨的層面，一面為OH面，另一面為O面，而O與OH很容易形成氫鍵(qīnɡjiàn)，層間引力較強(qiáng)，晶層間連接緊密，水分子不易進(jìn)入晶層。第十五頁，共83頁。D、C.E.C低（3-15mmol/100g土)在三種常見的粘土礦物中，高嶺石的Ｃ.E.C最低。原因在于高嶺石幾乎不存在晶格取代(qǔdài)，所以帶負(fù)電荷很少，周圍吸附的陽離子數(shù)目少，可發(fā)生交換的陽離子數(shù)目就更少了，所以C.E.C小。Ｅ、造漿率低高嶺石晶層間以氫鍵為主，引力較強(qiáng)，晶層間連接緊密，水分子不易進(jìn)入晶層間，水化作用僅限于外表面(biǎomiàn)，故水化分散能力差，造漿率低。第十六頁，共83頁。⑵蒙脫石Al-OSi-OSi-OSi-OSi-OAl-O①蒙脫石晶體結(jié)構(gòu)示意圖第十七頁，共83頁。②蒙脫石特點(diǎn)(tèdiǎn)

A、2：1型粘土礦物B、存在晶格取代：取代位置(wèizhi)主要在AL-O八面體中，即AL3+被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，產(chǎn)生的負(fù)電荷由等量的Na+或Ca2+來平衡。C、晶層間引力以分子(fēnzǐ)間力為主：引力弱，晶層間距C=9.6?-40?。第十八頁，共83頁。問題(wèntí)：蒙脫石屬膨脹型粘土礦物，為什么？◆蒙脫石上下相臨的層面皆為O面，晶層間引力以分子(fēnzǐ)間力為主，層間引力較弱，水分子(fēnzǐ)易進(jìn)入晶層。◆蒙脫石由于(yóuyú)晶格取代產(chǎn)生較多的負(fù)電荷，在它周圍必然會(huì)吸附等電量的陽離子，水化陽離子給粘土帶來厚的水化膜，使蒙脫石膨脹。第十九頁，共83頁。D、C.E.C大（70-130mmol/100g土)

Ｅ、造漿率高◆蒙脫石晶層間引力以分子間力為主，層間引力較弱，水分子易進(jìn)入晶層，引起(yǐnqǐ)蒙脫石水化膨脹?！裘擅撌?fù)電荷多，吸附陽離子數(shù)量多，水化陽離子給粘土(zhāntǔ)帶來厚的水化膜，使蒙脫石水化膨脹。因?yàn)槊擅撌哂泻軓?qiáng)的水化膨脹能力(nénglì)，造漿率高，所以它是鉆井泥漿的主要配漿材料。原因在于蒙脫石存在晶格取代，所以帶負(fù)電荷較多，周圍吸附的陽離子數(shù)目較多，可發(fā)生交換的陽離子數(shù)目多，所以C.E.C大。第二十頁，共83頁。（3）伊利石

①伊利石晶體結(jié)構(gòu)示意圖第二十一頁，共83頁。②伊利石特點(diǎn)(tèdiǎn)Al-OSi-OSi-OK+A、2：1型粘土礦物B、存在晶格取代(qǔdài)，取代(qǔdài)位置主要在Si-O四面體中，且取代(qǔdài)數(shù)目比蒙脫石多，產(chǎn)生的負(fù)電荷由等量的K+來平衡。C、晶層間引力(yǐnlì)以靜電力為主，引力(yǐnlì)強(qiáng)，晶層間距C=10?。Al-OSi-OSi-O第二十二頁，共83頁。?由于伊利石取代位置主要(zhǔyào)在Si-O四面體中，產(chǎn)生的負(fù)電荷離晶層表面近，與吸附的K+產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電力，層間引力較強(qiáng)，水分子不易進(jìn)入晶層.?K+的大小剛好(gānghǎo)嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的空穴中，周圍有12個(gè)氧與它配伍，起到連接作用，把相鄰晶層拉在一起，水分子不易進(jìn)入晶層；問題(wèntí)：伊利石屬非膨脹型粘土礦物,為什么？第二十三頁，共83頁。D、C.E.C大介于(jièyú)高嶺石與蒙脫石之間（20-40mmol/100g土)?蒙脫石由于晶格取代作用產(chǎn)生的負(fù)電荷由K+來平衡，由于蒙脫石取代位置主要在Si-O四面體中，產(chǎn)生的負(fù)電荷離晶層表面近，故與K+產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電力，K+不易(bùyì)交換下來。?K+的大小剛好嵌入相鄰晶層間的氧原子網(wǎng)格形成的空穴中，起到連接作用，周圍有12個(gè)氧與它配伍，因此，K+連接通常非常牢固(láogù)，不易交換下來。Ｅ、造漿率低第二十四頁，共83頁。一、粘土礦物電荷種類及產(chǎn)生(chǎnshēng)原因1、永久(yǒngjiǔ)負(fù)電荷定義：粘土在自然界形成時(shí)發(fā)生(fāshēng)晶格取代作用所產(chǎn)生的負(fù)電荷。說明：這種負(fù)電荷的數(shù)量取決于晶格取帶作用的多少，而不受pH值的影響。因此，這種電荷被稱為永久負(fù)電荷。

第二節(jié)粘土的電性第二十五頁，共83頁。由于(yóuyú)不同粘土礦物晶格取代情況不同，永久負(fù)電荷數(shù)量有很大差異，結(jié)果見下表：第二十六頁，共83頁。2、可變負(fù)電荷

定義：隨介質(zhì)的pH值改變(gǎibiàn)而改變(gǎibiàn)的粘±所帶負(fù)電荷的數(shù)量。產(chǎn)生(chǎnshēng)原因：（1）解離：在粘土晶體端面上連接的OH基中的H在堿性或中性條件(tiáojiàn)下解離，因而使粘土帶上可變負(fù)電荷﹥Al-OHOH-﹥Al-O-+H2O(2)吸附：粘土晶體的端面上吸附了某些陰離子，如：OH-、SiO3等，或吸附了有機(jī)陰離子聚電解質(zhì)，如：PHP等。第二十七頁，共83頁。3、正電荷很多研究結(jié)果證明，當(dāng)粘土介質(zhì)的pH值低于9時(shí)，粘土晶體端面上帶正電荷。茲遜(P．A．Thiessen)用電子顯微鏡照相觀察到高嶺石邊角上吸附(xīfù)了負(fù)電性金溶膠，由此證明了粘土端面上帶有正電荷。第二十八頁，共83頁。產(chǎn)生原因：粘土中裸露在邊緣上的鋁氧八面體在酸性條件下從介質(zhì)(jièzhì)中解離出OH-所致。

﹥Al-OHH+﹥Al++OH-

粘土(zhāntǔ)晶體的凈電荷數(shù)：粘土(zhāntǔ)的正電荷與負(fù)電荷的代數(shù)和。由于粘土(zhāntǔ)的負(fù)電荷一般多于正電荷，因此，粘土(zhāntǔ)一般都帶負(fù)電荷。第二十九頁，共83頁。二、粘土帶電量及影響(yǐngxiǎng)因素如上所述，在粘土(zhāntǔ)形成過程中，粘土(zhāntǔ)一般帶負(fù)電荷。為了保持電中性，粘土(zhāntǔ)必然從周圍環(huán)境中吸附等量的陽離子。當(dāng)粘土(zhāntǔ)放在水中時(shí)，這些陽離子可以被水中的其它陽離子所交換，故稱為可交換性陽離子?？山粨Q性陽離子越多，說明粘土所帶的負(fù)電荷越多，因此(yīncǐ)，常用陽離子交換容量來表示粘土所帶負(fù)電荷的多少。第三十頁，共83頁。1、三種(sānzhǒnɡ)常見粘土礦物的C.E.C礦物名稱C.E.C高嶺石3-15蒙脫石70-130伊利石20-40思考題：為什么伊利石單位(dānwèi)晶胞所帶負(fù)電荷比蒙脫石多，而C.E.C卻比蒙脫石??？第三十一頁，共83頁。2、粘土礦物帶電(dàidiàn)量影響因素粘土陽離子交換容量大小的因素(yīnsù)有三：粘土礦物的本性，粘土的分散度和分散介質(zhì)的酸堿度。（1）粘土礦物的本性(běnxìng)

晶格取代的數(shù)量晶格取代的位置吸附陽離子類型第三十二頁，共83頁。（2）粘土(zhāntǔ)的分散度

結(jié)論(jiélùn)：對(duì)同種粘土礦物，分散度(或比表面)越大，C.E.C越大。原因：因而顆粒愈小，露在外面的氫氧根愈多，交換容量顯著增加(zēngjiā)，蒙脫石的陽離子交換主要是由于晶格取代所產(chǎn)生的電荷，由于裸露的氫的解離所產(chǎn)生的負(fù)電荷所占比例很小，因而受分散度的影響較小。而高嶺石的陽離子交換主要是由于裸露的氫氧根中氫的解離產(chǎn)引起的，因而受分散度的影響較大。第三十三頁，共83頁。粒徑/?m40-2010-54-21-0.50.5-0.250.25-0.10.1-0.05C.E.C2.42.63.63.83.95.49.5高嶺石C.E.C與顆粒(kēlì)大小的關(guān)系第三十四頁，共83頁。（3）PH值在粘土礦物與分散度相同的條件下，PH，C.E.C,原因如下(rúxià)：①吸附OH-：溶液中OH-，吸附到粘土礦物邊緣上的OH-，可變負(fù)電荷，C.E.C。②解離：在粘土晶體端面上連接的OH基中的H在堿性條件下解離，因而使粘土的可變負(fù)電荷增多。﹥Al-OHOH-﹥Al-O-+H2O第三十五頁，共83頁。常見粘土礦物帶電(dàidiàn)性區(qū)別礦物名稱帶電原因（主）電荷分布單位晶胞電荷數(shù)（個(gè)）C.E.Cmmol/1000g土高嶺石解離邊緣很小30-150蒙脫石晶格取代AL-O八面體0.25-0.6700-1300伊利石晶格取代SI-O四面體0.6-1200-400第三十六頁，共83頁。第三節(jié)粘土(zhāntǔ)的水化膨脹作用一、定義：粘土(zhāntǔ)吸水后體積增大的性質(zhì)。二、粘土礦物的水分(shuǐfèn)膨脹性是衡量粘土親水性的指標(biāo)。粘土親水性越強(qiáng)，吸水量越大，水化膨脹越厲害。粘土礦物的水分按其存在的狀態(tài)可以分為結(jié)晶水、吸附水和自由水等三種類型。

第三十七頁，共83頁。(1)結(jié)晶水這種水是粘土礦物晶體構(gòu)造的一部分，只有(zhǐyǒu)溫度高于300℃以上時(shí)，結(jié)晶受到破壞，這部分水才能釋放出來。(2)吸附水由于分子間引力和靜電引力，具有極性的水分子可以吸附到帶電的粘土表面上，在粘土顆粒周圍形成一層水化膜，這部分水隨粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)，所以(suǒyǐ)也稱為束縛水。第三十八頁，共83頁。(3)自由(zìyóu)水三、粘土水化膨脹作用(zuòyòng)的機(jī)理這部分水存在于粘土顆粒的孔穴或孔道中，不受粘土的束縛，可以自由(zìyóu)地運(yùn)動(dòng)。各種粘土都會(huì)吸水膨脹，只是不同的粘土礦物水化膨脹的程度不同而已。粘土水化膨脹受三種力制約：表面水化力、滲透水化力和毛細(xì)管作用。第三十九頁，共83頁。(1)表面(biǎomiàn)水化

①定義：由粘土晶體表面直接吸附水分子和通過所吸附的可交換(jiāohuàn)性陽離子間接吸附水分子而導(dǎo)致的水化。②表面(biǎomiàn)水化機(jī)理直接水化：粘土表面通過氫鍵吸附水分子間接水化：通過所吸附的可交換性陽離子間接吸附水分子第四十頁，共83頁。(2)滲透(shèntòu)水化①定義：由于晶層間陽離子濃度大于溶液(róngyè)內(nèi)部的陽離子濃度，因而發(fā)生水的濃差擴(kuò)散，使水進(jìn)入晶層，增加晶層間距，使粘土膨脹。②作用機(jī)理(jīlǐ)：濃差擴(kuò)散第四十一頁，共83頁。三、影響粘土水化膨脹(péngzhàng)的因素(1)粘土晶體(jīngtǐ)的部位粘土晶體(jīngtǐ)的部位不同，水化膜的厚度也不相同。粘土晶體(jīngtǐ)所帶的負(fù)電荷大部分都集中在層面上，于是吸附的陽離子也多。表面水化和滲透水化都較強(qiáng)，水化膜厚；在粘土晶體(jīngtǐ)的端面上帶電量較少，吸附的陽離子也少，故水化膜薄。第四十二頁，共83頁。(3)粘土(zhāntǔ)吸附的交換性陽離子不同，其水化程度有很大差別(2)粘土礦物類型(lèixíng)粘土礦物不同，水化作用的強(qiáng)弱也不同。蒙脫石晶層間作用力為分子間力，水易進(jìn)入晶層，水化膨脹性好；高嶺石晶層間作用力為氫鍵，水不易(bùyì)進(jìn)入晶層，水化膨脹性差，分散度也低，是非膨脹性礦物；伊利石由于晶層間作用力為靜電引力及晶層間K+的特殊作用也是非膨脹性礦物。鈣蒙脫石水化后其晶層間距最大為17×10-1nm，而鈉蒙脫石水化后其晶層間距可達(dá)17×10-1～40×10-1nm。所以為了提高膨潤(rùn)土的水化性能，一般都需使鈣蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)殁c蒙脫石。第四十三頁，共83頁。第四節(jié)粘土膠體化學(xué)(jiāotǐhuàxué)基礎(chǔ)一、基本概念

1、相：物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)(huàxuéxìngzhì)都完全相同的均勻部分。3.相界面：相與(xiāngyǔ)相之間的接觸面稱為相界面。4.分散相：在多相分散體系中，被分散的物質(zhì)。5.分散介質(zhì)：在多相分散體系中，包圍分散相的另一相。2、多相體系：由兩個(gè)或兩個(gè)以上的相組成的體系。第四十四頁，共83頁。例子(lìzi):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)。（1）分散度：分散程度的量度，通常用分散相顆粒平均直徑或長(zhǎng)度的倒數(shù)(dǎoshù)來表示。式中：D-----分散度a-----用分散相顆粒平均直徑(zhíjìng)或長(zhǎng)度6、分散度和比表面第四十五頁，共83頁。（2）比表面S比＝S／v(m-1)S比＝S／m(m2／kg)S比-----比表面S------分散相表面積m------分散相質(zhì)量(zhìliàng)V------分散相體積定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量(zhìliàng)（或單位體積）分散相的表面積。第四十六頁，共83頁。按分散(fēnsàn)相分散(fēnsàn)程度不同，可將分散(fēnsàn)體系分為兩類：細(xì)分散(fēnsàn)體系：S比≥104m2／kg；a=1nm-1um，如膠體粗分散(fēnsàn)體系：S比≤104m2／kg；a=1-40um，如懸浮體鉆井液是膠體和懸浮體的混合物，習(xí)慣上稱為膠體分散體系。第四十七頁，共83頁。定義：物質(zhì)在兩相界面(jièmiàn)上自動(dòng)濃集的現(xiàn)象。吸附(xīfù)質(zhì)：被吸附(xīfù)的物質(zhì)吸附(xīfù)劑：吸附(xīfù)吸附(xīfù)質(zhì)的物質(zhì)。例子：在鉆井液中，粘土可從水中吸附鉆井液處理劑，粘土為吸附劑，鉆井液處理劑為吸附質(zhì)。7.吸附第四十八頁，共83頁。二、膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)(jiégòu)溶膠粒子的半徑(bànjìng)在1nm-1000nm之間，所以每個(gè)溶膠粒子是由許多分子或原子聚集而成的。第四十九頁，共83頁。例1：AgNO3+

KI→KNO3+AgI↓

[(AgI)mnI–(n-x)K+]x–xK+

|________________________||________________________________|膠核膠粒膠團(tuán)過量(guò〃liàng)的KI作穩(wěn)定劑，膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式：第五十頁，共83頁。過量(guò〃liàng)的AgNO3作穩(wěn)定劑，膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)表達(dá)式：[(AgI)mnAg+(n-x)NO3–]x+x

NO3–

|______________________________||_______________________________________|膠核膠粒膠團(tuán)例2：AgNO3+

KI→KNO3+AgI↓第五十一頁，共83頁。當(dāng)離于鍵固體從溶液中吸附離子時(shí)，若溶液中的離子能與固體中的異號(hào)離子形成(xíngchéng)難溶鹽，則這種離子優(yōu)先被吸附。法楊斯法則(fǎzé)：第五十二頁，共83頁。定勢(shì)離子：固體表面(biǎomiàn)吸附的離子，該離子決定了溶膠離子的帶電符號(hào)。反離子：指為了保持溶膠體系的電中性定勢(shì)離子周圍吸附的符號(hào)相反的離子。膠核膠粒膠團(tuán)第五十三頁，共83頁。三、擴(kuò)散雙電層理論與電動(dòng)(diàndònɡ)電位1、擴(kuò)散雙電層形成(xíngchéng)與結(jié)構(gòu)由于膠核吸附定勢(shì)離子而帶電，在其周圍必然分布著電荷數(shù)相等(xiāngděng)的的反離于，這些反離子的運(yùn)動(dòng)受兩個(gè)相反因素的制約：受到固體表面電荷的吸引，使其靠近固體表面由于反離子的熱運(yùn)動(dòng)，又有使其擴(kuò)散到液相內(nèi)部去的趨勢(shì)第五十四頁，共83頁。以上兩種相反作用的結(jié)果(jiēguǒ)，使得反離于擴(kuò)散地分布在膠核周圍，構(gòu)成擴(kuò)散雙電層。如下圖所示。吸附(xīfù)層（Stern層）：緊密地排在固體表面附近的反離子層。擴(kuò)散(kuòsàn)層：按一定的濃度梯度擴(kuò)散(kuòsàn)到本體溶液中的反離子層。第五十五頁，共83頁。在膠粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸附(xīfù)層隨膠粒一起移動(dòng)，而擴(kuò)散層的反離子則由于與定勢(shì)離子的靜電引力較弱，不跟隨膠粒一起運(yùn)動(dòng)?；瑒?dòng)面（切動(dòng)面）：吸附層與擴(kuò)散(kuòsàn)層錯(cuò)開的界面。第五十六頁，共83頁。2、粘土(zhāntǔ)膠體的雙電層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表面上帶永久(yǒngjiǔ)負(fù)電荷，于是它們吸附等電量的陽離子(Na+、Ca2+和Mg2+等)。第五十七頁，共83頁。若將這些粘土放到水里，吸附的陽離子便解離，向外擴(kuò)散，結(jié)果形成(xíngchéng)了膠粒帶負(fù)電的擴(kuò)散雙電層。粘土表面上緊密地連接著一部分水分子(氫鍵連接)和部分帶水化殼的陽離子，構(gòu)成吸附溶劑化層（吸附層）；其余的陽離于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，如2—15所示。第五十八頁，共83頁。第五十九頁，共83頁。3、雙電層中的電位(diànwèi)（2）電動(dòng)電位：從滑動(dòng)面到均勻液相內(nèi)的電位。其大小(dàxiǎo)取決于固體表面電荷與吸附層內(nèi)反離子電荷之差。（1）熱力學(xué)電位：從固體表面到均勻液相內(nèi)部(nèibù)的電位。熱力學(xué)電位決定于固體表面所帶的總電荷。第六十頁，共83頁。（3）影響雙電層厚度與電動(dòng)(diàndònɡ)電位的因素雙電層厚度(hòudù)公式：式中：第六十一頁，共83頁。第六十二頁，共83頁。在溶液中加入電解質(zhì)之后，擴(kuò)散(kuòsàn)雙電層厚度下降的原因是此時(shí)將有更多的反離子進(jìn)入吸附附層，結(jié)果擴(kuò)散(kuòsàn)層的離于數(shù)目下降，導(dǎo)致雙電層厚度下降，電動(dòng)電位隨之下降(即電解質(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層厚度時(shí)，膠粒即不帶電，此時(shí)電動(dòng)電位降至零，這種狀態(tài)稱為等電態(tài)。在等電態(tài)，膠體容易聚結(jié)。第六十三頁，共83頁。C1<C2<C3第六十四頁，共83頁。四、粘土-水膠體(jiāotǐ)分散體系的穩(wěn)定性1、膠體(jiāotǐ)穩(wěn)定性的概念（1）動(dòng)力(dònglì)穩(wěn)定性定義：在重力作用下，分散相粒子是否容易下沉的性質(zhì)。衡量方法：一般用分散相粒子下沉速度的快慢來衡量動(dòng)力穩(wěn)定性的好壞。鉆井液是復(fù)雜的膠體體系，而膠體是熱力學(xué)上的不穩(wěn)定體系。第六十五頁，共83頁。（2）聚結(jié)(jùjié)穩(wěn)定性失去(shīqù)聚結(jié)穩(wěn)定性失去(shīqù)動(dòng)力穩(wěn)定性定義：分散相粒子是否容易自動(dòng)聚結(jié)變大的性質(zhì)。說明：盡管聚結(jié)穩(wěn)定性和動(dòng)力穩(wěn)定性是兩個(gè)不同的概念，但兩者之間又有聯(lián)系。第六十六頁，共83頁。2、動(dòng)力(dònglì)穩(wěn)定性影響因素（1）重力(zhònglì)影響固體(gùtǐ)顆粒在液體介質(zhì)中受到的凈重力為：F1=（4/3）πr3(ρ-ρ0)g式中：r----固體離子的半徑

ρ----固體的密度

ρ0----分散介質(zhì)的密度固體顆粒受到的凈重力取決于r和(ρ-ρ0)。鉆井液加重材料必須磨的很細(xì)才能懸浮，就是這個(gè)道理。第六十七頁，共83頁。（2）布朗運(yùn)動(dòng)(bùlǎnɡyùndònɡ)顆粒半徑越小，布朗運(yùn)動(dòng)越厲害。溶膠離子直徑在1nm-1um，具有很強(qiáng)的布朗運(yùn)動(dòng)，顯然，布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)溶膠的穩(wěn)定性起著重要的作用。當(dāng)顆粒直徑>5um時(shí)，就沒有布朗運(yùn)動(dòng)，懸浮(xuánfú)體直徑在1-40um，布朗運(yùn)動(dòng)很弱，因此，懸浮(xuánfú)體是動(dòng)力學(xué)上的不穩(wěn)定體系。第六十八頁，共83頁。（3）介質(zhì)(jièzhì)粘度根據(jù)斯托克斯定律，固體顆粒在液體介質(zhì)(jièzhì)中的下沉速度為：v=2r2(ρ-ρ0)g/9η

式中：r----固體離子的半徑(bànjìng)ρ----固體的密度ρ0----分散介質(zhì)的密度η---分散介質(zhì)粘度固體顆粒的下沉速度v和η

成反比，因此提高?可提高動(dòng)力穩(wěn)定性。鉆井液要求有適當(dāng)?shù)恼扯龋褪沁@個(gè)道理。第六十九頁，共83頁。3、聚結(jié)(jùjié)穩(wěn)定性（1）聚結(jié)(jùjié)穩(wěn)定性理論（DLVO理論）溶膠離子之間存在兩種相反的作用力：引力和斥力。如果膠體顆粒(kēlì)在布朗運(yùn)動(dòng)中相互碰撞時(shí)，引力大于斥力，溶膠就聚結(jié)；反之，當(dāng)斥力大于引力時(shí)，粒子碰撞后又分開了，保持其分散狀態(tài)。第七十頁，共83頁。①粒子(lìzǐ)間引力：范德華引力真空中兩個(gè)球形溶膠(róngjiāo)粒子之間的范德華引力VA為：真空中兩個(gè)平行板溶膠粒子(lìzǐ)之間的范德華引力VA為：式中：a----粒子半徑A----哈馬克（Hamaker)常數(shù)H----兩球之間的最短距離式中：D----平板間距離第七十一頁，共83頁。②粒子(lìzǐ)間斥力靜電斥力：由于擴(kuò)散雙電層使膠粒是帶電(dàidiàn)引起的。水化膜斥力：膠粒是溶劑化的，在膠粒周圍吸附一層水分子，且水分子在粒子周圍定向排列。當(dāng)膠粒相互靠近時(shí)，水化膜被擠壓變形，但引起定向排列的引力，將力圖使水分子恢復(fù)原來的定向排列。這樣水化膜表現(xiàn)為彈性，成為膠粒接近的機(jī)械阻力(zǔlì)。另外，水化膜中的水有較高的粘度，從而增加了膠體粒子間的機(jī)械阻力(zǔlì)。這些阻力(zǔlì)統(tǒng)稱為水化膜斥力。第七十二頁，共83頁。兩個(gè)(liǎnɡɡè)平板形膠粒（如粘土膠體）之間的排斥力可由下式求得：VR與膠粒間距離(jùlí)d成指數(shù)關(guān)系（VR?1/e2Kd)，VR隨的d的減少而趨于一極限值；當(dāng)d=0時(shí)，VR不變。第七十三頁，共83頁。③膠粒間吸引(xīyǐn)能與排斥能的總和溶膠粒子(lìzǐ)間的位能為吸引位能與排斥位能之和，若令位能為V，則有:V=VA+VR第七十四頁，共83頁。說明：A、橫坐標(biāo)表示(biǎoshì)兩個(gè)粒子間的距離。B、縱坐標(biāo)表示(biǎoshì)