Transcript 점토 광물 (Clay mineral) - K

토양의 조성 및 구조
Soil Solids: Composition and structure
토양구성 광물
 1차 광물(Primary minerals)
-암석 생성 당시 본래의 형태와 화학적 성분을 보유
-모래(sand)와 미사(silt)의 주요 성분
-석영, 장석, 운모, 휘석, 각섬석류 등
 2차 광물(secondary minerals)
-점토 광물 (Clay mineral)이라고도 함,
cf. 점토(입경 2.0µm 이하)에는 2차 광물과 함께 1차
광물도 포함되어 있음. 0.2µm 보다 작은 입자는 거의 2차
광물임
-토양의 화학적 특성을 지배함
-Kaolinite, Illite, Smectite 등
토양 입경별 광물 구성
점토광물(Clay mineral)
1. 규산염 점토광물(結晶質)
규산4면체(silica tetrahedron)와 알루미나 8면체(alumina
octahedron) 두 개의 구성요소로 이루어 짐
Cf. 규산4면체(silica tetrahedron):Si를 중앙으로 4개의 산소
원자가 둘러싼 형태
Cf. 알루미나 8면체(alumina octahedron):Al을 중앙으로 6개의
산소 원자 또는 수산기와 이온 결함으로 둘러싼 형태
Cf. 규산 4면체층과 알루미나 8면체층이 결합하는 방식과 성질에
따라 결정질 규산염 점토광물은 카올리나이트(kaolinite)군,
일라이트(illite)군, 몽모리오나이트(montmorillonite)군 또는
스멕타이트(smectite)군으로 분류함
토양 광물의 기본 구조
Kaolinite群
 카올리나이트, 할로이사이트(halloysite), 가수할로이사이트,
나트라이트(nacrite), 닥카이트(dickite) 등이 속함
 규산4면체와 알루미나8면체 층이 1:1로 결합하여 하나의 결정단위를
이룸
 이런 결정단위가 7.2A의 간격을 두고 여러층이 겹쳐서 이루어진
점토광물, 1:1형 점토광물 또는 2층형 광물이라고 함Al4Si4O10(OH)8
 결정단위 간의 결합은 강한 수소결합, 결정단위사이에 물분자가 출입
할 수 없어 수축, 팽창 불가, 온난습윤하며 배수가 잘 되는 지역에서
규소가 용해, 용탈되어 알루미늄의 비율이 상대적으로 높아져 생성됨,
우리나라 토양의 주된 점토광물임
1:1 형 점토광물
Illite群
 가수운모(Hydrous mica)라고도 함, 하나의 알루미나8면체층이
두개의 규산4면체층 사이에 끼어서 하나의 결정단위를 이루고 있는
2:1형 점토광물임.
 규산4면체층안에 Si4+의 15% 정도가 Al3+로 동형치환되어
규산4면체층에 과잉음전하 생성되고 이는 칼륨이온(K+)이 중화하고
있음. 또한 O-K-O 연결에 의하여 결정단위의 규산층이 다음
결정단위의 규산층과 강하게 결합하여 물이 층사이를 출입할 수 없음,
따라서 비팽창성 광물이며 결정단위 사이의 간격은 10A임.
 K2(Si6Al2)Al4O20(OH)4, 1차광 물인 운모가 변질되어 생성된 것으로
결정단위 층간 K+가 풍화에 의하여 없어지면서 약간의 수축, 팽창
가능하며 대부분의 K+가 제거되면 버미큘라이트(vermiculite)라는
팽창성 점토광물이 됨
Cf. 동형치환(isomorphous substitution):
점토광물의 결정구조에 있어서 중심이온이
결정의 모양은 크게 변하지 않으면서 크기가
비슷한 다른 양이온으로 치환되는 것을
말함(Si4+가 Al3+로 치환됨), 주로 과잉음전하
발생, 1:1형 점토광물에서는 일어나지 않음
2:1형 점토광물
Smectite群
팽창성 2:1형 점토광물
결정단위 사이에 작용하는 힘은 van der waals
힘으로 약함
 층사이로 물이 쉽게 출입가능하며 수분함량에
따라 결정단위 사이의 거리가 9.6~21.4A 정도로
수축, 팽창함
알루미나 8면체의 Al3+이 Mg2+, Fe2+로
동형치환된 것이
몽모리오나이트(montmorillonite)이며,
규산4면체의 Si4+가 Al3+로 치환된 것을
베이델라이트(Beidellite)라 함
팽창성 2:1형 점토광물
다양한 점토광물의 구조
Cf. Vermiculite: 질석이라고 함, 2:1형 점토광물, 주로 Si4+가 Al3+로
동형치환되어 생성, 보수성이 좋고, CEC 높음(100-150cmolc/kg)
Cf. Bentonite: 미국 와이오밍주 동부의 fort benton층 중에서 산출되는
점토, 주로 몽모리오나이트를 주성분으로 하며, 부성분으로 석영, 장석,
비석, 크리스토발라이트 등을 함유하는 점토, 팽윤성과 높은 양이온
교환용량(CEC) 때문에 방수재료, 사질답의 토양개량제 등으로 많이 쓰임
점토광물(Clay mineral)
2. 규산염 점토광물(非晶質)
 대표적인 광물은 allophane, 규산과 알루미나의
가수산화물로 구성되며 구조내에 Si-O-Al 결합을
갖지만 부정형 점토광물임
 주로 화산회로부터 생성된 토양에 존재하는 점토광물임,
일반적으로 흑색이 많이 나타나며 allophane은
인산고정력이 강하므로 토양에 인산을 시용하지 않을
경우 인산결핍증을 나타낼 수 있음
점토광물(Clay mineral)
3. 가수산화물
 고온 다습한 열대 또는 아열대 지방에서 토양의 풍화가
빠르고, 많은 강우의 영향으로 규산염점토광물이
분해되어 대부분의 규산이 용탈되고 용해도가 낮은
Fe2O3, Al2O3, Fe(OH)3, Al(OH)3 등이 남음
 산화철 또는 그의 수화물로 인하여 토양의 색은 적색
내지 황색이 됨, 수축 팽창하지 않으며 점착성이 없어
규산염 점토광물과는 성질이 다름. 이들 점토의 함량이
30~40% 되는 경우에도 사토 정도의 수분밖에는
흡수하지 못함, 인산 고정력 높음
규산염 점토광물의 전하
 일반적으로 음전하를 띠고 있으며 이들 전하는 영구전하와 pH
의존전하로 나뉨
 영구전하(permanent charge): 동형치환에 의하여 생성되는 전하,
일반적으로 음전하를 띠며 pH 영향을 받지 않음
 pH 의존전하: 규산염 점토광물의 결정단위 가장자리에 있는 –Si-OH
또는 –Al-OH의 pH 변화에 따른 해리에 의하여 음전하가 발생하므로
변두리 전하라고도 함
 몽모리오나이트에서는 음전하의 약80%가 영구전하이며 약20%
정도가 pH의존전하임, 일라이트의 경우 동형치환에 의하여
음전하가 발생하나 K+가 층사이에 들어가 발생한 음전하를 중화시켜
전하량이 비교적 적음, 카올리나이트에서는 동형치환이 일어나지
않으며 결정단위들이 단단하게 결합되어 있기 때문에 변두리 전하가
주가 됨
가수산화물의 전하
동형치환은 일어나지 않으며, 입자표면에 수 많은
OH기가 노출되어 있음, pH 의존전하를 갖음
Cf. 등전점(isoelectric point): 콜로이드 입자
표면의 순전하가 0이 되는 용액의 pH를
등전점이라 함.
철이나 알루미늄 산화물 및 수산화물은 높은
등전점(pH 5~10), 규산염광물(pH 2~5)이나
유기물은 낮은 등전점을 갖음(ex. Kaolinite pH 4)
토양 콜로이드(colloid)
 토양의 경우 무기 입자의 크기가 1μm(0.001mm) 보다
작은 것을 콜로이드라 함.
 수분이나 이온을 다량 함유하며 물속에서 거의 가라앉지
않음.
 부식(humus)에서는 이보다 큰 입자도 콜로이드의 성질을
나타냄.
 우리나라 토양의 경우 일반적으로 음전하를 띠고 있으나
콜로이드용액의 pH에 따라서 양전하를 띠기도 하므로
양성콜로이드로 볼 수 있음. 이들의 전하 특성은
토양콜로이드(점토광물의 특성)에 따라 독특하게 나타남.
Cf. 부식(humus): 토양유기물이 본래의 유기물
형태를 찾아 볼 수 없을 정도로 변하여 형성된
화학적으로 안정된 고분자량의 물질을 말함.
방향성의 고리형 구조를 가지고 있으며 이러한
유기구조단위는 양이온이나 음이온과 결합할 수
있는 전하를 띠는 부위를 제공함.
유기콜로이드의 전하
유기콜로이드(ex. Humus)는 많은 양의
카복실기(-COOH), 페놀기, 또는 아민기(NH2)를 보유하고 있으며 다음과 같이 해리하여
양 또는 음의 전하를 생성함. 표적이 크고 위와
같이 많은 반응기를 가지고 있어 전하량이 많음
Have a nice weekend^^