Все минералы, даже такие устойчивые силикаты, как кварц, имеют поверхности с некомпенсированными электрическими зарядами, хотя и незначительными по величине. Поверхности этих минералов притягивают воду вследствие полярности ее молекул, а также ионы из воды. Немногие минералы обладают структурами, достаточно открытыми, чтобы ионы внутренней части кристалла могли участвовать в ионном обмене. Ионы, удерживаемые на поверхности минерала, могут замещаться другими ионами вследствие разницы в размере или благодаря взаимному притяжению ионов, или вследствие разности относительных концентраций ионов. Чаще всего одновалентные ионы замещаются двухвалентными. Но, если одновалентные ионы присутствуют в большом количестве, они стремятся замещать двухвалентные. Следовательно, эта обменная реакция обратима. Например, кальций обычно удерживается молекулярными силами более прочно, чем натрий, но, если раствор с высокой концентрацией ионов натрия (морская вода) проходит через среду, содержащую поглощенный кальций, натрий будет стремиться замещать кальций. Из распространенных минералов наибольшей ионообменной способностью обладают цеолиты, вермикулит и монтмориллонит. У органических веществ, таких, как гумус, и корней живых растений также высокая способность к ионному обмену.
Обменная способность катиона, т. е. иона с положительным зарядом, измеряется количеством обменных катионов, выраженном в миллиэквива-лентах на 1 или 100 г твердого вещества при рН = 7,0. Мелкоизмельченные изверженные породы имеют ионообменную способность 0,5—5 мэкв/100 г. Глины обладают следующей обменной способностью: каолинит — от 3 до 15 мэкв/100 г, вермикулит и некоторые монтмориллониты — более 100 мэкв/100 г. Обменная способность органического вещества почвы — от 100 до 500 мэкв/100 г.
Наиболее подробно изучался катионный обмен. Некоторые анионы также участвуют в обмене, но этот процесс исследован недостаточно. В целом анионный обмен имеет гораздо меньшее значение, чем катионный.
Обменная способность катионов обычно уменьшается в следующей последовательности: Li+ → Na+ → К+ → Mg2+ → Са2+ → Sr2+ → Ba2+. Таким образом, литий слабо удерживается молекулярными силами, а барий — сильнее всех из указанных элементов. Эта последовательность ни в коей мере не относится ко всем минералам и зависит от природных условий. Так, при низких величинах рН ион Н+ замещает другие катионы.
