土壤颗粒永久电荷来自土壤铝硅酸盐黏土矿物形成时因晶格内部硅离子和铝离子被其他半径相近的阳离子取代后而产生的电荷。通常发生的取代反应为四面体中的硅离子被铝离子取代，八面体中的铝离子被镁离子或二价铁离子等取代。所以同晶替代通常使铝硅酸盐黏土矿物产生了正电荷的亏缺，从导致矿物表面带负电。因此，永久电荷常被称为永久负电荷。同晶替代主要发生在土壤中的2:1型硅酸盐黏土矿物上，而且不同的2:1型铝硅酸盐黏土矿物发生同晶替代的位置是不同的。这使得它们的表面性质和表面活性截然不同。比如蒙脱石的同晶替代主要发生在铝氧八面体中，导致该矿物胶体负电荷的中心距离表面较远，表面氧原子处的电场较弱；而云母、K⁺-蛭石等矿物，由于同晶替代主要发生在硅氧四面体中，负电荷中心离表面较近，表面氧原子处的电场较强。由于表面氧原子处电场强度的这种差异导致表面六个氧所形成的复三方孔隙官能团具有不同的反应活性，最终使这些矿物表现出不同的化学性质。比如蒙脱石表面只能与阳离子发生外圈配位，使蒙脱石成为可膨胀性黏土矿物；而云母和蛭石表面的复三方孔隙官能团可以与阳离子（如K⁺）发生内圈配位，使这些矿物成为非膨胀性黏土矿物。