Kleimineralen: classificatie, samenstelling, eigenschappen en toepassingen

2024 Auteur: Henry Conors | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-02-12 11:18

Kleimineralen zijn waterige aluminiumfyllosilicaten, soms met verschillende onzuiverheden van ijzer, magnesium, alkali- en aardalkalimetalen en andere kationen die op of nabij sommige planetaire oppervlakken worden aangetroffen.

Ze vormen zich in de aanwezigheid van water en waren ooit belangrijk voor het ontstaan van leven. Daarom nemen veel theorieën over abiogenese ze op in dit proces. Ze zijn belangrijke bestanddelen van de bodem en zijn al sinds de oudheid gunstig voor de mens in de landbouw en productie.

Onderwijs

Klei vormt platte zeshoekige platen, vergelijkbaar met mica's. Kleimineralen zijn veel voorkomende verweringsproducten (inclusief veldspaatverwering) en lage temperatuurproducten van hydrothermische verandering. Ze komen veel voor in de bodem, in fijnkorrelige sedimentaire gesteenten zoals leisteen, mudstones en siltstones, evenals in fijnkorrelige metamorfe schalies en phyllites.

Kenmerken

Kleimineralen zijn doorgaans (maar niet noodzakelijk) ultrafijn van formaat. Ze worden over het algemeen beschouwd als minder dan 2 micrometer in de standaard classificatie van deeltjesgrootte, dus er kunnen speciale analytische technieken nodig zijn om ze te identificeren en te bestuderen. Deze omvatten röntgendiffractie, elektronendiffractietechnieken, verschillende spectroscopische methoden zoals Mössbauer-spectroscopie, infraroodspectroscopie, Raman-spectroscopie en SEM-EDS, of geautomatiseerde mineralogieprocessen. Deze methoden kunnen worden aangevuld met gepolariseerde lichtmicroscopie, een traditionele techniek die fundamentele verschijnselen of petrologische relaties vaststelt.

Distributie

Gezien de behoefte aan water, zijn kleimineralen relatief zeldzaam in het zonnestelsel, hoewel ze wijdverbreid zijn op aarde, waar water interageert met andere mineralen en organisch materiaal. Ze zijn ook op verschillende plaatsen op Mars gevonden. Spectrografie heeft hun aanwezigheid op asteroïden en planetoïden bevestigd, waaronder de dwergplaneet Ceres en Tempel 1, en Jupiters maan Europa.

Classificatie

Belangrijkste kleimineralen zijn opgenomen in de volgende clusters:

• Kaoline-groep, die de mineralen kaoliniet, dickiet, halloysiet en nakrite omvat (polymorfen van Al2Si2O5 (OH) 4). Sommige bronnen omvatten de kaoliniet-serpentijngroep vanwege structurele gelijkenis (Bailey1980).
• Smectietgroep, die dioctaëdrische smectieten zoals montmorilloniet, nontroniet en beidelliet en trioctaëdrische smectieten zoals saponiet omvat. In 2013 vonden analytische tests van de Curiosity-rover resultaten die overeenkwamen met de aanwezigheid van smectiet-kleimineralen op de planeet Mars.
• Illite-groep, waaronder kleimica's. Illiet is het enige veel voorkomende mineraal in deze groep.
• De chlorietgroep omvat een breed scala aan vergelijkbare mineralen met aanzienlijke chemische variatie.

Andere soorten

Er zijn andere soorten van deze mineralen zoals sepioliet of attapulgiet, klei met lange interne waterkanalen. Variaties in gemengde klei zijn relevant voor de meeste van de bovengenoemde groepen. De bestelling wordt beschreven als willekeurige of reguliere volgorde en wordt verder beschreven door de term "Reichweit", wat in het Duits "bereik" of "dekking" betekent. Literatuurartikelen verwijzen bijvoorbeeld naar geordende illiet-smectiet R1. Dit type v alt in de categorie ISISIS. R0 daarentegen beschrijft een willekeurige volgorde. Naast deze zijn er ook andere uitgebreide besteltypes (R3, etc.). Gemengde laag kleimineralen, die perfecte soorten R1 zijn, krijgen vaak hun eigen naam. R1-geordend chloriet-smectiet staat bekend als corrensiet, R1 - illiet-smectiet - rectoriet.

Studiegeschiedenis

Kennis van de aard van klei, werd begrijpelijkerin de jaren dertig met de ontwikkeling van röntgendiffractietechnologieën die nodig waren om de moleculaire aard van kleideeltjes te analyseren. In deze periode ontstond ook de standaardisatie van terminologie, met bijzondere aandacht voor gelijkaardige woorden die tot verwarring leidden, zoals blad en plataan.

Zoals alle fyllosilicaten, worden kleimineralen gekenmerkt door tweedimensionale platen van SiO4-hoektetraëders en/of AlO4-octaëders. Plaatblokken hebben een chemische samenstelling (Al, Si) 3O4. Elke siliciumtetraëder deelt 3 van zijn vertex zuurstofatomen met andere tetraëders en vormt een hexagonaal rooster in twee dimensies. Het vierde hoekpunt wordt niet gedeeld met een andere tetraëder, en alle tetraëders "wijzen" in dezelfde richting. Alle onverdeelde hoekpunten bevinden zich aan dezelfde kant van het blad.

Structuur

In klei zijn tetraëdrische platen altijd gebonden aan octaëdrische platen, gevormd uit kleine kationen zoals aluminium of magnesium, en gecoördineerd door zes zuurstofatomen. De enige top van de tetraëdrische laag maakt ook deel uit van één zijde van de octaëdrische, maar het extra zuurstofatoom bevindt zich boven de opening in de tetraëdrische laag in het midden van de zes tetraëders. Dit zuurstofatoom is gebonden aan het waterstofatoom dat de OH-groep vormt in de kleistructuur.

Klei kan worden gecategoriseerd op basis van hoe de tetraëdrische en octaëdrische platen in lagen zijn verpakt. Als elke laag slechts één tetraëdrische en één octaëdrische groep heeft, dan behoort deze tot de 1:1 categorie. Een alternatief dat bekend staat als 2:1-klei heeft twee tetraëdrische platen met:het ongedeelde hoekpunt van elk van hen, naar elkaar gericht en elke zijde van het achthoekige blad vormend.

De verbinding tussen de tetraëdrische en octaëdrische platen vereist dat de tetraëdrische plaat gegolfd of gedraaid wordt, waardoor ditrigonale vervorming van de hexagonale matrix ontstaat en de octaëdrische plaat afvlakt. Dit minimaliseert de algehele valentievervorming van het kristalliet.

Afhankelijk van de samenstelling van de tetraëdrische en octaëdrische platen, zal de laag geen lading hebben of een negatieve lading hebben. Als de lagen geladen zijn, wordt deze lading gecompenseerd door tussenlaagse kationen zoals Na+ of K+. In elk geval kan de tussenlaag ook water bevatten. De kristalstructuur wordt gevormd uit een stapel lagen die zich tussen andere lagen bevinden.

Kleichemie

Omdat de meeste kleisoorten zijn gemaakt van mineralen, hebben ze een hoge biocompatibiliteit en interessante biologische eigenschappen. Door zijn schijfvorm en geladen oppervlakken interageert de klei met een breed scala aan macromoleculen zoals eiwitten, polymeren, DNA, enz. Enkele van de toepassingen voor kleien zijn onder meer medicijnafgifte, weefseltechnologie en bioprinting.

Kleichemie is een toegepaste discipline van de chemie die de chemische structuren, eigenschappen en reacties van klei bestudeert, evenals de structuur en eigenschappen van kleimineralen. Het is een interdisciplinair veld, waarin concepten en kennis uit de anorganische en structurelechemie, fysische chemie, chemie van materialen, analytische chemie, organische chemie, mineralogie, geologie en andere.

De studie van de chemie (en fysica) van kleisoorten en de structuur van kleimineralen is van groot academisch en industrieel belang, aangezien ze tot de meest gebruikte industriële mineralen behoren die als grondstof worden gebruikt (keramiek, enz.), adsorbentia, katalysatoren enz.

Het belang van wetenschap

De unieke eigenschappen van kleimineralen in de bodem, zoals de gelaagde structuur van de nanometerschaal, de aanwezigheid van vaste en uitwisselbare ladingen, het vermogen om moleculen te adsorberen en vast te houden (intercaleren), het vermogen om stabiele colloïdale dispersies te vormen, de mogelijkheid van individuele modificatie van het oppervlak en chemische modificatie tussen de lagen, en andere maken dat de studie van kleichemie een zeer belangrijk en zeer divers vakgebied is.

Veel verschillende kennisgebieden worden beïnvloed door het fysisch-chemische gedrag van kleimineralen, van milieuwetenschappen tot chemische technologie, van keramiek tot beheer van nucleair afval.

Hun kationenuitwisselingscapaciteit (CEC) is van groot belang bij het balanceren van de meest voorkomende kationen in de bodem (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) en de pH-regeling, die de bodemvruchtbaarheid direct beïnvloedt. De studie van klei (en mineralen) speelt ook een belangrijke rol bij het omgaan met Ca2+, dat meestal van land (rivierwater) naar de zee komt. De mogelijkheid om de samenstelling en het geh alte van mineralen aan te passen en te controleren, biedt een waardevol hulpmiddel in ontwikkelingselectieve adsorbentia met verschillende toepassingen, zoals bijvoorbeeld het maken van chemische sensoren of reinigingsmiddelen voor verontreinigd water. Deze wetenschap speelt ook een grote rol bij de classificatie van kleimineraalgroepen.