Leirmineraler: klassifisering, sammensetning, egenskaper og bruksområder

2024 Forfatter: Henry Conors | [email protected]. Sist endret: 2024-02-12 11:32

Leirmineraler er vandige aluminiumfyllosilikater, noen ganger med forskjellige urenheter av jern, magnesium, alkali- og jordalkalimetaller, og andre kationer som finnes på eller nær noen planetariske overflater.

De dannes i nærvær av vann, og var en gang viktige for livets fremvekst, og det er grunnen til at mange teorier om abiogenese inkluderer dem i denne prosessen. De er viktige bestanddeler av jordsmonn og har vært gunstige for mennesker siden antikken i landbruk og produksjon.

Education

Leirer danner flate sekskantede ark som ligner på glimmer. Leirmineraler er vanlige forvitringsprodukter (inkludert feltspatforvitring) og lavtemperaturprodukter av hydrotermisk endring. De er svært vanlige i jordsmonn, i finkornede sedimentære bergarter som skifer, slamstein og siltstein, samt i finkornede metamorfe skifre og fyllitter.

Funksjoner

Leirmineraler er vanligvis (men ikke nødvendigvis) ultrafine i størrelse. De anses generelt for å være mindre enn 2 mikrometer i standard partikkelstørrelsesklassifisering, så spesielle analytiske teknikker kan være nødvendig for å identifisere og studere dem. Disse inkluderer røntgendiffraksjon, elektrondiffraksjonsteknikker, ulike spektroskopiske metoder som Mössbauer-spektroskopi, infrarød spektroskopi, Raman-spektroskopi og SEM-EDS, eller automatiserte mineralogiprosesser. Disse metodene kan suppleres med polarisert lysmikroskopi, en tradisjonell teknikk som etablerer fundamentale fenomener eller petrologiske forhold.

Distribusjon

Gitt behovet for vann, er leirmineraler relativt sjeldne i solsystemet, selv om de er utbredt på jorden, der vann interagerer med andre mineraler og organisk materiale. De er også funnet flere steder på Mars. Spektrografi har bekreftet deres tilstedeværelse på asteroider og planetoider, inkludert dvergplaneten Ceres og Tempel 1, og Jupiters måne Europa.

klassifisering

Hovedleiremineraler er inkludert i følgende klynger:

• Kaolingruppe, som inkluderer mineralene kaolinitt, dikitt, halloysitt og nakrite (polymorfer av Al2Si2O5 (OH) 4). Noen kilder inkluderer kaolinitt-serpentingruppen på grunn av strukturell likhet (Bailey1980).
• Smektittgruppe, som inkluderer dioktaedriske smektitter som montmorillonitt, nontronitt og beidellitt og trioktaedriske smektitter som saponitt. I 2013 fant analytiske tester av Curiosity-roveren resultater i samsvar med tilstedeværelsen av smektittleiremineraler på planeten Mars.
• Illite-gruppen, som inkluderer leirglimmer. Illitt er det eneste vanlige mineralet i denne gruppen.
• Klorittgruppen inkluderer et bredt spekter av lignende mineraler med betydelig kjemisk variasjon.

Andre arter

Det finnes andre typer av disse mineralene som sepiolitt eller attapulgite, leire med lange vannkanaler internt i strukturen. Blandede lagleirevariasjoner er aktuelle for de fleste av de nevnte gruppene. Bestillingen beskrives som tilfeldig eller vanlig bestilling og beskrives videre med begrepet "Reichweit", som betyr "rekkevidde" eller "dekning" på tysk. Litteraturartikler refererer for eksempel til bestilt illite-smektitt R1. Denne typen er inkludert i ISISIS-kategorien. R0, derimot, beskriver en tilfeldig rekkefølge. I tillegg til disse kan du også finne andre utvidede bestillingstyper (R3, etc.). Blandede leirmineraler, som er perfekte typer R1, får ofte sine egne navn. R1-ordnet kloritt-smektitt er kjent som korrensitt, R1 - illitt-smektitt - rektoritt.

Studiehistorikk

Kunnskap om leirens natur, ble mer forståeligpå 1930-tallet med utviklingen av røntgendiffraksjonsteknologier som trengs for å analysere den molekylære naturen til leirpartikler. Standardisering av terminologi dukket også opp i denne perioden, med spesiell oppmerksomhet til lignende ord som førte til forvirring som blad og plan.

Som alle fyllosilikater, er leirmineraler preget av todimensjonale ark av SiO4 hjørnetetraeder og/eller AlO4 oktaedre. Plateblokker har en kjemisk sammensetning (Al, Si) 3O4. Hvert silisiumtetraeder deler 3 av sitt toppunkt oksygenatomer med andre tetraedere, og danner et sekskantet gitter i to dimensjoner. Det fjerde toppunktet er ikke delt med et annet tetraeder, og alle tetraedre "peker" i samme retning. Alle udelte hjørner er på samme side av arket.

Structure

I leire er tetraedriske ark alltid bundet til oktaedriske ark, dannet av små kationer som aluminium eller magnesium, og koordinert av seks oksygenatomer. Den ensomme toppunktet til det tetraedriske arket utgjør også en del av den ene siden av oktaedrikken, men det ekstra oksygenatomet er plassert over gapet i det tetraedriske arket i midten av de seks tetraedrene. Dette oksygenatomet er bundet til hydrogenatomet som danner OH-gruppen i leirestrukturen.

Leirer kan kategoriseres etter hvordan de tetraedriske og oktaedriske arkene er pakket i lag. Hvis hvert lag bare har en tetraedrisk og en oktaedrisk gruppe, tilhører den kategorien 1:1. Et alternativ kjent som 2:1 leire har to tetraedriske ark meddet udelte toppunktet til hver av dem, rettet mot hverandre og danner hver side av det åttekantede arket.

Forbindelsen mellom de tetraedriske og oktaedriske arkene krever at det tetraedriske arket blir korrugert eller vridd, noe som forårsaker ditrigonal forvrengning av den sekskantede matrisen, og det åtteedriske arket flater ut. Dette minimerer den totale valensforvrengningen til krystallitten.

Avhengig av sammensetningen av de tetraedriske og oktaedriske arkene, vil laget ikke ha noen ladning eller ha en negativ. Hvis lagene er ladet, balanseres denne ladningen av mellomlagskationer som Na+ eller K+. I hvert tilfelle kan mellomlaget også inneholde vann. Krystallstrukturen er dannet av en stabel med lag plassert mellom andre lag.

Leirkjemi

Fordi de fleste leire er laget av mineraler, har de høy biokompatibilitet og interessante biologiske egenskaper. På grunn av sin skiveform og ladede overflater, samhandler leiren med et bredt spekter av makromolekyler som proteiner, polymerer, DNA osv. Noen av bruksområdene for leire inkluderer medikamentlevering, vevsteknologi og bioprinting.

Leirkjemi er en anvendt disiplin innen kjemi som studerer de kjemiske strukturene, egenskapene og reaksjonene til leire, samt strukturen og egenskapene til leirmineraler. Det er et tverrfaglig felt, som inneholder konsepter og kunnskap fra det uorganiske og strukturellekjemi, fysisk kjemi, materialkjemi, analytisk kjemi, organisk kjemi, mineralogi, geologi og andre.

Studium av kjemi (og fysikk) til leire og strukturen til leirmineraler er av stor akademisk og industriell betydning, siden de er blant de mest brukte industrielle mineralene som brukes som råmateriale (keramikk, etc.), adsorbenter, katalysatorer osv.

Vitenskapens betydning

De unike egenskapene til jordleiremineraler, som den lagdelte strukturen til nanometerskalaen, tilstedeværelsen av faste og utskiftbare ladninger, evnen til å adsorbere og beholde (interkalere) molekyler, evnen til å danne stabile kolloidale dispersjoner, muligheten for individuell overflatemodifikasjon og kjemisk modifikasjon mellom lag, og andre gjør at studiet av leirekjemi er et veldig viktig og ekstremt mangfoldig fagfelt.

Mange ulike kunnskapsfelt er påvirket av den fysisk-kjemiske oppførselen til leirmineraler, fra miljøvitenskap til kjemiteknikk, fra keramikk til håndtering av kjernefysisk avfall.

Deres kationbytterkapasitet (CEC) er av stor betydning for å balansere de mest rike kationene i jorda (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) og pH-kontroll, som direkte påvirker jordens fruktbarhet. Studiet av leire (og mineraler) spiller også en viktig rolle i håndteringen av Ca2+, som vanligvis kommer fra land (elvevann) til havet. Evnen til å modifisere og kontrollere sammensetningen og innholdet av mineraler er et verdifullt verktøy i utviklingenselektive adsorbenter med ulike bruksområder, som for eksempel å lage kjemiske sensorer eller rengjøringsmidler for forurenset vann. Denne vitenskapen spiller også en stor rolle i klassifiseringen av leirmineralgrupper.