Вы когда-нибудь задумывались о том, что такое глина?

А если спросить вас, какая она бывает, что вы ответите? Кто-то сможет вспомнить, что глина бывает гончарной для лепки горшков, керамической для изготовления фарфора и фаянса, а также строительной, из которой делают кирпичи. И ещё может быть легкоплавкой и тугоплавкой.

Но что же такое глина? Самый прозаичный ответ: глина – мелкозернистая осадочная горная порода, плотная в сухом состоянии и пластичная при увлажнении. Но такой ответ не сможет удовлетворить пытливый ум. Чтобы рассказать вам про такую, казалось бы, известную каждому субстанцию, придётся немного нырнуть в минералогию, геологию и даже физику.

Глина известна человеку с древнейших времён, это действительно один из первых строительных материалов. Из глины делали посуду, замазывали щели в соломенных крышах и стенах, первые печи были сделаны из глины. Но вот заглянуть “внутрь” этого необходимого человеку материала получилось лишь в середине XX века.

Дело в том, что если мы применим классический для геолога инструмент познания горных пород, микроскоп, то мы ничего не сможем увидеть, так как глина состоит из частичек, размер которых меньше 2-3 микрон. Ладно бы эти частички просто были очень мелкими, но они ещё и крайне плотно сцеплены между собой, поэтому под микроскопом мы увидим лишь однородную массу, абсолютно лишённую каких бы то ни было диагностических особенностей. Химический анализ тоже не подходит: основа глины всегда алюмосиликатная, а вот прочие химические элементы демонстрируют высокую вариабельность даже в пределах одного месторождения глин. Поэтому в стародавние времена использовался исключительно утилитарный, физический подход к классификации глин, без попыток докопаться до их строения. Самыми важными характеристиками были: цвет, плотность, пластичность, температура спекаемости, способность разбухать в воде. А ещё для классификации глин важны были их свойства после обжига. Из каких-то глин можно сделать только горшок, из каких-то – уже строительные кирпичи, а некоторые могли быть использованы даже в металлургических домнах. Разница, что говорится, налицо.

Примерно в 50-х гг. XX века, в связи с повсеместным распространением рентгеновских аппаратов, наконец-то появилась возможность заглянуть внутрь, раскрыть самую суть глины.
Рентген, он ведь не только переломы смотреть может! Когда рентгеновский луч проходит сквозь кристаллическую решетку минерала, то на “другой” стороне, на детекторе, он формирует «картинку» (в минералогии – лауэграмма), подобную той, которую все мы могли наблюдать на рентгеновских снимках переломов: там, где есть твёрдые плотные материи (кости в медицине и атомы в минералах) – у нас остаются светлые участки, так как рентгеновское излучение сквозь них не прошло, а там, где есть аморфное вещество (в виде мягких тканей человека и свободных пространств в кристаллических решетках минералов) – мы наблюдаем тёмные участки, засвеченные рентгеновским лучом. Для каждого минерала такая «картинка» будет уникальной, здесь играет роль каждая мелочь: тип кристаллической решётки, расстояние и углы между атомами, а также вид связи между ними и тому подобное. Более того, с помощью рентгена мы можем не просто узнать, что это за минерал, но и понять его кристаллические особенности – внутренние дефекты, двойникование и многие другие. Таким образом, мы можем даже различать между собой одинаковые минералы.

Так вот, то, что глина состоит из минералов – ни для кого не было секретом, а вот из каких – это да, это был большой вопрос. Сейчас можно уверенно отвечать, что глина состоит из…. глинистых минералов, – то есть из совершенно уникальных минералов, отличающихся набором собственных свойств, отличных от большинства других.

Например, все глинистые минералы являются слоистыми алюмосиликатами и именно в особенностях их кристаллической решётки кроется вся уникальность свойств глин.

Основным элементом структуры силикатных минералов принято рассматривать кремнекислородные тетраэдры, где один атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода, располагающимися в вершинах тетраэдров. В глинистых минералах эти тетраэдры образуют плоские структуры, подобные слоям, поэтому эти минералы называются слоистыми.

Тетраэдры соединяются друг с другом вершинами, то есть один атом кислорода одновременно будет вершиной для двух кремнекислородных тетраэдров. При соединении нескольких слоев вершинами друг с другом мы получим октаэдр (внимание на картинки для иллюстрации) из вершин тетраэдров. Если в тетраэдрах часть атомов кремния (заряд 4+) поменять на алюминий (заряд 3+), то у нас образуется неизрасходованная зарядная единица: “слот” для положительно заряженного атома, который в природе кто-нибудь обязательно займёт (так называемые, катионы-компенсаторы). Эти катионы и будут располагаться внутри октаэдра (чаще всего это калий, натрий, кальций, магний, железо или сложные комплексы, связанные с водой в виде OH группы). Два слоя тетраэдров и образованный ими слой октаэдров формируют пакет – «кирпич», из которого строится структура глинистого минерала.

Сорбционные свойства глин строятся на двух разных механизмах. Первый я упомянул выше: вода удерживается кристаллическими связями через обменные катионы (та самая OH группа).
А вот второй способ намного интереснее! Как я сказал, глинистые минералы сложены из пакетов тетраэдров и октаэдров, которые достаточно надёжно сцеплены ковалентной связью. Между пакетами связь значительно слабее («ионно-электростатическая» или «водородная»). Из-за этого, под действиями внешних сил, расстояние между пакетами может немного меняться, но без разрушения минерала!

Какие такие внешние силы? Например, туда может поместиться молекула воды. И если между пакетами было всего 14 ангстрем (0,14 нм, 10000 ангстрем равны 1 микрону), то после намокания глины, то есть, внедрения молекулы воды в межпакетное пространство, стало все 16. И при этом вода удерживается внутри, а минерал не разрушен, в то время как другие 99% минералов от воды, скорее всего, будут разлагаться/растворяться (лишь вопрос времени).

Кстати говоря, археология часто использует знания не только о минеральном составе глин, но и их кристаллических особенностях. Изучив несколько черепков, сделанных из одинаковых, на первый взгляд, глин, можно обнаружить, что особенности кристаллических решёток у них разные, а вот это уже прямая отсылка к какому-то конкретному месторождению глин, что, в свою очередь, может помочь нам в реконструкции путей миграции или торговых маршрутов древних людей.

Существует несколько групп глинистых минералов, каждая из которых немного отличается по свойствам, химическому составу и способу своего образования. Все глины так или иначе являются продуктом разрушения других горных пород. В основном, глинистые минералы образуются на поверхности континентов в жарком и влажном климате и, в основном, из-за воздействия атмосферной воды.

Этот процесс называют гидролизом (реакция между солью и водой с образованием кислоты и основания). Дело в том, что многие основные минералы (например плагиоклаз, амфиболы, полевые шпаты) являются солями слабых кислот и реагируют с водой с образованием растворённой кремниевой кислоты и различных оснований, а также – вторичных минералов, таких как наши глинистые минералы.

Ещё один способ образования глин – механический. Перетирание других силикатов (например слюд или хлорита) при высокой температуре тоже приведёт к образованию глинистых минералов. Такой механизм распространён на Земле в зонах с повышенной сейсмичностью.

Есть более экзотические механизмы синтеза глин, например, при взаимодействии полевых шпатов с гумусовыми кислотами происходит разложение первых до каолинита (самый простой из всех глинистых минералов). Практически в любом болоте прямо сейчас также синтезируется глина, хоть и не очень в больших количествах.

Самый, на мой взгляд, экзотический способ образования глин – на дне морском. Попадая в морскую воду, вулканический пепел от воздействия солёной воды перекристаллизуется в монтмориллонит, один из смектитовых типов глин.

Сейчас глины являются ценнейшим полезным ископаемым, которые используются во многих сферах хозяйственной деятельности человека. Смотрите сами:

– строительная отрасль: используются при изготовлении улучшенных бетонов, облицовочной плитки, огнеупорных материалов (некоторые каолиновые глины могут выдерживать до 1750 С). Глины добавляют в специальные материалы, из которых строятся экологические барьеры, например в хвостохранилищах опасных производств, а также используются в качестве радиационных барьеров в местах захоронения отходов АЭС;

– фармакология: каолиновые глины – биологически инертный наполнитель, галлуазит (один из видов глинистых минералов) – нужен для изготовления лекарств таргетной терапии (онкология), из смектитов делают «смекту» (великолепный сорбент, как известно), многие виды глин за счёт сорбирующих свойств используются при изготовлении косметических средств («белая/голубая/живая/мёртвая глина, собранная дикими племенами в Африке/найденная в Атлантиде и надо всего лишь… избавит вас от чёрных точек только сегодня всего за пол цены!»). Кроме того, глины способны удалять токсины, образуемые циано-бактериями (это такие сине-зеленые водоросли, а их токсины имеют мутагенный и канцерогенный эффекты, нельзя даже рыбу есть из водоемов с переизбытком этих водорослей);

– химическая промышленность: глины используются для изготовления кислотостойкой посуды, добавляются в фильтры для сорбции вредных компонентов из нефти, различных масел, микропримесей тяжёлых металлов в совершенно разных отраслях (многие фильтры для очистки питьевой воды тоже изготавливаются из смектитовых глин). Глины часто добавляют в сложные полимеры (практически, основа цивилизации) как различные стабилизаторы;

– декоративно-эстетическая: из глин изготавливают изразцы на печи, всевозможный декор, посуду, скульптуры, украшения, всякую сувенирку;

– из глин делают многие красящие пигменты, даже офисную бумагу сейчас делают с добавлением каолина, который хорошо отражает свет и тем самым придаёт бумаге такой великолепный белый цвет, а заодно и улучшает качества впитывания чернил, опять таки, благодаря своим сорбирующим свойствам.

И можно с уверенностью утверждать, что потенциал этой горной породы до сих пор до конца не раскрыт.

источник третьей картинки: онлайн лекции СПБГУ;
Последняя картинка – лауэграмма берилла;