粘土鉱物の化学 其の二

2：1型粘土鉱物としてよく知られているのはモンモリロナイト（モンモリロン石）で、化学式は
[(Na, Ca_1/2)_0.33]^0.33+[(Al_1.67Mg_0.33)Si₄O₁₀(OH)₂]^0.33-

先頭のカチオン（陽イオン）部分にある表記「Na, Ca_1/2」は、ナトリウムNa（一価陽イオン）またはカルシウムCa_1/2（二価陽イオンなので数としてはNaの場合の半分）のどちらかが入るという意味。モンモリロナイトの命名は、フランスのヴィエンヌ県にあるモンモリヨンに由来しており、そこは石灰岩地形であるため、Ca型のモンモリロナイトが産出される。それに対し、日本やアメリカに見出されるのはNa型のモンモリロナイト。ただし、CaやNaは他のアルカリ（カリウムKなど）と交換可能であるため、畑土壌においてはK型のモンモリロナイトが主体である可能性もある。

分かりやすくするために、以後はNa型のモンモリロナイトを用いて考える。
[Na_0.33]^0.33+[(Al_1.67Mg_0.33)Si₄O₁₀(OH)₂]^0.33-

前回考えた、1枚のアルミニウムシートを2枚のケイ酸シートが挟み込む構造からすれば、化学式は
Al₂Si₄O₁₀(OH)₂
となり、陽イオンを引き付けるためのマイナスの電荷が存在しない。しかし、6個中1個の比率（1.67：0.33＝5：1）でアルミニウムAl（三価陽イオン）がマグネシウムMg（二価陽イオン）に入れ替わることで、0.33のマイナス電荷が発生し、それが0.33個のナトリウム、すなわち[Na_0.33]^0.33+を引き付けることになる。これが2：1型粘土鉱物が高いCEC（陽イオン交換容量）を持つ理由である。

さて、ここで一つの疑問が生じる。それは「なぜAl：Mg = 5：1なのか？」という点。
先日、地殻構成元素の比率表から、ケイ素Siの存在率が、アルミニウムAlと鉄Feの合計存在率の2倍になる点を見出した。そのことから、マグネシウムMgの存在比も何らかの影響があるのではないかとの推測が立つ。そこで改めて表を精査してみる。今回はより正確を期するため、重量の割合（重量％）ではなく、各元素の原子量を考慮した原子数の割合（原子％）を算出し、更にケイ素Siを2.00とした場合の原子数比を求めてみる。
＜地殻構成元素＞


原子数比は、アルミニウムAlが0.61、鉄Feが0.18、マグネシウムMgが0.17である。3元素の合計は0.96となり、ケイ素Siのほぼ半分である。そして、3元素の数値比を四捨五入して整数で見積もれば、Al：Fe：Mg = 4：1：1となる。鉄FeはアルミニウムAlと同じく三価の陽イオンであるから、AlがFeに置換したとしても電荷的には変化がない。ゆえに、FeをAlに含めて考えてやれば、Al：Mg = 5：1となり、まさしくモンモリロナイトの化学式と同じ比率が現れる。