粘土鉱物

Clay Minerals

すべての粘土鉱物は、類似した化学組成と層状構造をもち、水との親和性に優れています。 水に濡れると容易に膨潤し、厚さが2倍になるものもある。 また、イオン、特に金属陽イオンと可逆的に結合する。 これらの特性は粘土鉱物の構造に起因する。

構造

すべての粘土鉱物は、アニオン性の層状ケイ酸塩と金属カチオンを含む粒子から成っている。 これらは鉱物のフィロケイ酸塩グループの一部である。 多くは八面体の陽イオンに2層のシート状ケイ酸塩が結合した「サンドイッチ」構造である。
土壌中の粘土粒子は、珪酸塩を含む岩石の物理的および化学的風化によって生じる。

1. カオリナイトグループは、式Al2Si2O5（OH）4の多形からなる。
2. モンモリロナイト/スメクタイトグループは、タルク、バーミキュライト、モンモリロナイトなどがある。 一般式は (Ca,Na,H)(Al,Mg,Fe,Zn)2(Si,Al)4O10(OH)2-xH2O で、xは可変量の水を表します。 これらの鉱物はすべて四面体の珪酸塩層が八面体のアルミニウムまたはマグネシウム原子に強く結合したサンドイッチ構造をしている。
3. イライト群の粘土は一般式(K、H)Al2(Si、Al)4O10(OH)2-xH2O、xは変化する水量を表わす。 このグループの構造はモンモリロナイトグループと似ていて、サンドイッチ型の構造をしている。
4. クロライトグループもサンドイッチ型のユニットを含んでいる。 これらの鉱物の多くでは、サンドイッチの間にもう一つ弱く付着した八面体配位のMg2+が存在する。 一般式はX4-6Y4O10(OH,O)8である。 Xはアルミニウム、鉄、リチウム、マグネシウム、マンガン、ニッケル、亜鉛のいずれか、またはまれにクロムを表す。 Yはアルミニウム、ケイ素、ホウ素、鉄のいずれかを表しますが、多くはアルミニウムとケイ素です。

下の写真は、サンドイッチ型の繰り返し単位を持つスメクタイト・イライト粘土の構造です。

イオン交換

「サンドイッチ」の間の空間には、水と弱く結合した陽イオンが含まれています。 陽イオンは、ケイ酸塩-アルミネートサンドイッチユニットの全体的な負電荷のバランスをとるために存在する。
ある陽イオンの濃度が粘土粒子の内側よりも外側のほうが高い場合、その陽イオンは粒子内に拡散し、他の陽イオンは外側に拡散する。
このようにして粘土鉱物は、植物の成長サイクルの終わりに植物が分解するときに植物の成長に不可欠なイオンを拾い、成長期には成長する植物にそれらの栄養分をゆっくりと与えるのである。 硝酸塩やリン酸塩などの陰イオンも、サンドイッチ間の領域に貯蔵され、交換することができる。

水の保持

弱結合陽イオン、塩および極性分子を保持する同じ領域は、多量の水を保持することもできる。 粘土の中には、サンドイッチ層の間の水を増やすことによって、体積を2倍にすることができるものもある。 この水は、植物の根の周りの土にゆっくりと戻される。