Lermineraler: klassificering, sammansättning, egenskaper och tillämpningar

2024 Författare: Henry Conors | [email protected]. Senast ändrad: 2024-02-12 12:56

Lermineraler är vattenh altiga aluminiumfyllosilikater, ibland med olika föroreningar av järn, magnesium, alkali- och jordalkalimetaller och andra katjoner som finns på eller nära vissa planetytor.

De bildas i närvaro av vatten och var en gång viktiga för livets uppkomst, vilket är anledningen till att många teorier om abiogenes inkluderar dem i denna process. De är viktiga beståndsdelar i jordar och har varit till nytta för människor sedan urminnes tider inom jordbruk och tillverkning.

Education

Lerar bildar platta sexkantiga ark som liknar glimmer. Lermineraler är vanliga vittringsprodukter (inklusive fältspatvittring) och lågtemperaturprodukter av hydrotermisk förändring. De är mycket vanliga i jordar, i finkorniga sedimentära bergarter som skiffer, lersten och siltsten, samt i finkorniga metamorfa skiffer och fylliter.

Funktioner

Lermineraler är vanligtvis (men inte nödvändigtvis) ultrafina i storlek. De anses generellt vara mindre än 2 mikrometer i standardpartikelstorleksklassificeringen, så speciella analytiska tekniker kan krävas för att identifiera och studera dem. Dessa inkluderar röntgendiffraktion, elektrondiffraktionstekniker, olika spektroskopiska metoder som Mössbauer-spektroskopi, infrarödspektroskopi, Ramanspektroskopi och SEM-EDS, eller automatiserade mineralogiprocesser. Dessa metoder kan kompletteras med polariserad ljusmikroskopi, en traditionell teknik som etablerar fundamentala fenomen eller petrologiska samband.

Distribution

Med tanke på behovet av vatten är lermineraler relativt sällsynta i solsystemet, även om de är utbredda på jorden, där vatten interagerar med andra mineraler och organiskt material. De har också hittats på flera ställen på Mars. Spektrografi har bekräftat deras närvaro på asteroider och planetoider, inklusive dvärgplaneten Ceres och Tempel 1, och Jupiters måne Europa.

Klassificering

De viktigaste lermineralerna ingår i följande kluster:

• Kaolingrupp, som inkluderar mineralerna kaolinit, dikit, halloysit och nakrite (polymorfer av Al2Si2O5 (OH) 4). Vissa källor inkluderar kaolinit-serpentingruppen på grund av strukturell likhet (Bailey1980).
• Smektitgrupp, som inkluderar dioktaedriska smektiter som montmorillonit, nontronit och beidellit och trioktaedriska smektiter som saponit. Under 2013 fann analytiska tester från Curiosity-rovern resultat som överensstämde med förekomsten av smec titlermineraler på planeten Mars.
• Illite-grupp, som inkluderar lerglimmer. Illit är det enda vanliga mineralet i denna grupp.
• Kloritgruppen inkluderar ett brett utbud av liknande mineraler med betydande kemisk variation.

Andra arter

Det finns andra typer av dessa mineraler som sepiolit eller attapulgit, leror med långa vattenkanaler inre i strukturen. Blandade lervariationer är relevanta för de flesta av de tidigare nämnda grupperna. Beställningen beskrivs som slumpmässig eller vanlig beställning och beskrivs vidare med termen "Reichweit", som betyder "räckvidd" eller "täckning" på tyska. Litteraturartiklar avser till exempel beställd illit-smektit R1. Denna typ ingår i kategorin ISISIS. R0, å andra sidan, beskriver en slumpmässig ordning. Utöver dessa kan du även hitta andra utökade beställningstyper (R3, etc.). Blandskikt av lermineral, som är perfekta typer av R1, får ofta sina egna namn. R1-ordnad klorit-smektit är känd som korrensit, R1 - illit-smektit - rektorit.

Studiehistorik

Kunskapen om lerans natur, blev mer begripligpå 1930-talet med utvecklingen av röntgendiffraktionsteknologier som behövs för att analysera den molekylära naturen hos lerpartiklar. Standardisering av terminologi uppstod också under denna period, med särskild uppmärksamhet på liknande ord som ledde till förvirring som blad och plan.

Som alla fyllosilikater kännetecknas lermineraler av tvådimensionella ark av SiO4 hörntetraedrar och/eller AlO4 oktaedrar. Plåtblock har en kemisk sammansättning (Al, Si) 3O4. Varje kiseltetraeder delar 3 av sina vertex syreatomer med andra tetraedrar och bildar ett hexagon alt gitter i två dimensioner. Den fjärde vertexen delas inte med en annan tetraeder, och alla tetraedrar "pekar" i samma riktning. Alla odelade hörn är på samma sida av arket.

Structure

I leror är tetraedriska ark alltid bundna till oktaedriska ark, bildade av små katjoner som aluminium eller magnesium, och koordinerade av sex syreatomer. Det ensamma hörnet av det tetraedriska arket utgör också en del av ena sidan av oktaedrarna, men den extra syreatomen är belägen ovanför gapet i det tetraedriska arket i mitten av de sex tetraedrarna. Denna syreatom är bunden till väteatomen som bildar OH-gruppen i lerstrukturen.

Leror kan kategoriseras efter hur de tetraedriska och oktaedriska arken packas i lager. Om varje lager bara har en tetraedrisk och en oktaedrisk grupp, så tillhör den kategorin 1:1. Ett alternativ känt som 2:1 lera har två tetraedriska ark medden odelade spetsen på var och en av dem, riktade mot varandra och bildande var sida av det åttakantiga arket.

Kopplingen mellan det tetraedriska och oktaedriska arket kräver att det tetraedriska arket blir korrugerat eller vridet, vilket orsakar dirigonal förvrängning av den hexagonala matrisen, och att det oktaedriska arket plattar till. Detta minimerar den totala valensförvrängningen av kristalliten.

Beroende på sammansättningen av de tetraedriska och oktaedriska arken kommer lagret att ha ingen laddning eller ha en negativ. Om skikten är laddade balanseras denna laddning av katjoner mellan skikten såsom Na+ eller K+. I varje fall kan mellanskiktet även innehålla vatten. Kristallstrukturen bildas av en bunt lager placerade mellan andra lager.

Lerkemi

Eftersom de flesta leror är gjorda av mineraler har de hög biokompatibilitet och intressanta biologiska egenskaper. På grund av dess skivform och laddade ytor interagerar leran med ett brett spektrum av makromolekyler såsom proteiner, polymerer, DNA, etc. Några av applikationerna för leror inkluderar läkemedelstillförsel, vävnadsteknik och bioprinting.

Lerkemi är en tillämpad kemidisciplin som studerar lerans kemiska strukturer, egenskaper och reaktioner, samt strukturen och egenskaperna hos lermineraler. Det är ett tvärvetenskapligt fält som innehåller begrepp och kunskap från det oorganiska och strukturellakemi, fysikalisk kemi, materialkemi, analytisk kemi, organisk kemi, mineralogi, geologi och andra.

Studien av lerornas kemi (och fysik) och strukturen hos lermineraler är av stor akademisk och industriell betydelse, eftersom de är bland de mest använda industriella mineral som används som råmaterial (keramik, etc.), adsorbenter, katalysatorer etc.

Vikten av vetenskap

De unika egenskaperna hos jordlermineraler, såsom den skiktade strukturen på nanometerskalan, närvaron av fasta och utbytbara laddningar, förmågan att adsorbera och behålla (interkalera) molekyler, förmågan att bilda stabila kolloidala dispersioner, möjligheten till individuell ytmodifiering och kemisk modifiering mellan skikten, och andra gör att studiet av lerkemi är ett mycket viktigt och extremt mångsidigt studieområde.

Många olika kunskapsområden påverkas av lermineralernas fysikalisk-kemiska beteende, från miljövetenskap till kemiteknik, från keramik till kärnavfallshantering.

Deras katjonbyteskapacitet (CEC) är av stor betydelse för att balansera de mest förekommande katjonerna i jorden (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) och pH-kontroll, vilket direkt påverkar markens bördighet. Studiet av leror (och mineraler) spelar också en viktig roll för att hantera Ca2+, som vanligtvis kommer från land (flodvatten) till haven. Förmågan att modifiera och kontrollera sammansättningen och innehållet av mineraler är ett värdefullt verktyg i utvecklingenselektiva adsorbenter med olika applikationer, som till exempel framställning av kemiska sensorer eller rengöringsmedel för förorenat vatten. Denna vetenskap spelar också en stor roll i klassificeringen av lermineralgrupper.