Lermineraler: klassificering, sammensætning, egenskaber og anvendelser

2024 Forfatter: Henry Conors | [email protected]. Sidst ændret: 2024-02-12 05:17

Lermineraler er vandige aluminiumphyllosilicater, nogle gange med forskellige urenheder af jern, magnesium, alkali- og jordalkalimetaller og andre kationer fundet på eller nær nogle planetariske overflader.

De dannes i nærvær af vand og var engang vigtige for livets fremkomst, hvilket er grunden til, at mange teorier om abiogenese inkluderer dem i denne proces. De er vigtige bestanddele i jordbunden og har været gavnlige for mennesker siden oldtiden inden for landbrug og fremstilling.

Uddannelse

Ler danner flade sekskantede plader, der ligner glimmer. Lermineraler er almindelige forvitringsprodukter (herunder feldspatforvitring) og lavtemperaturprodukter af hydrotermisk ændring. De er meget almindelige i jordbund, i finkornede sedimentære bjergarter såsom skifre, muddersten og siltsten, samt i finkornede metamorfe skifre og phyllitter.

Funktioner

Lermineraler er typisk (men ikke nødvendigvis) ultrafine i størrelse. De anses generelt for at være mindre end 2 mikrometer i standardpartikelstørrelsesklassificeringen, så specielle analytiske teknikker kan være nødvendige for at identificere og studere dem. Disse omfatter røntgendiffraktion, elektrondiffraktionsteknikker, forskellige spektroskopiske metoder såsom Mössbauer-spektroskopi, infrarød spektroskopi, Raman-spektroskopi og SEM-EDS eller automatiserede mineralogiske processer. Disse metoder kan suppleres med polariseret lysmikroskopi, en traditionel teknik, der etablerer fundamentale fænomener eller petrologiske forhold.

Distribution

I betragtning af behovet for vand er lermineraler relativt sjældne i solsystemet, selvom de er udbredt på Jorden, hvor vand interagerer med andre mineraler og organisk materiale. De er også blevet fundet flere steder på Mars. Spektrografi har bekræftet deres tilstedeværelse på asteroider og planetoider, herunder dværgplaneten Ceres og Tempel 1, og Jupiters måne Europa.

Klassificering

De vigtigste lermineraler er inkluderet i følgende klynger:

• Kaolingruppe, som omfatter mineralerne kaolinit, dikit, halloysit og nakrite (polymorfer af Al2Si2O5 (OH) 4). Nogle kilder inkluderer kaolinit-serpentingruppen på grund af strukturel lighed (Bailey1980).
• Smektitgruppe, som omfatter dioktaedriske smektitter såsom montmorillonit, nontronit og beidellit og trioktaedriske smektitter såsom saponit. I 2013 fandt analytiske test foretaget af Curiosity-roveren resultater i overensstemmelse med tilstedeværelsen af smectit-lermineraler på planeten Mars.
• Illite-gruppe, som omfatter lerglimmer. Illite er det eneste almindelige mineral i denne gruppe.
• Kloritgruppen omfatter en bred vifte af lignende mineraler med betydelig kemisk variation.

Andre arter

Der er andre typer af disse mineraler, såsom sepiolit eller attapulgit, ler med lange vandkanaler internt i strukturen. Blandede lervariationer er relevante for de fleste af de førnævnte grupper. Bestillingen beskrives som tilfældig eller almindelig bestilling og beskrives yderligere ved udtrykket "Reichweit", som betyder "rækkevidde" eller "dækning" på tysk. Litteraturartikler henviser for eksempel til bestilt illit-smektit R1. Denne type er inkluderet i ISISIS-kategorien. R0 beskriver på den anden side en tilfældig rækkefølge. Udover disse kan du også finde andre udvidede bestillingstyper (R3 osv.). Blandede lermineraler, som er perfekte typer af R1, får ofte deres egne navne. R1-ordnet chlorit-smektit er kendt som corrensit, R1 - illit-smektit - rektorit.

Studiehistorik

Viden om lerets natur blev mere forståeligi 1930'erne med udviklingen af røntgendiffraktionsteknologier, der var nødvendige for at analysere den molekylære natur af lerpartikler. Standardisering af terminologi dukkede også op i denne periode, med særlig opmærksomhed på lignende ord, der førte til forvirring såsom blade og fly.

Som alle phyllosilicater er lermineraler karakteriseret ved todimensionelle plader af SiO4-hjørne-tetraedre og/eller AlO4-oktaedre. Pladeblokke har en kemisk sammensætning (Al, Si) 3O4. Hvert siliciumtetraeder deler 3 af dets toppunkt oxygenatomer med andre tetraedre, der danner et sekskantet gitter i to dimensioner. Det fjerde toppunkt deles ikke med et andet tetraeder, og alle tetraedre "peger" i samme retning. Alle udelte hjørner er på samme side af arket.

Structure

I ler er tetraedriske plader altid bundet til oktaedriske plader, dannet af små kationer, såsom aluminium eller magnesium, og koordineret af seks oxygenatomer. Det enlige toppunkt af det tetraedriske ark udgør også en del af den ene side af oktaedrikken, men det ekstra iltatom er placeret over hullet i det tetraedriske ark i midten af de seks tetraeder. Dette oxygenatom er bundet til det hydrogenatom, der danner OH-gruppen i lerstrukturen.

Ler kan kategoriseres efter, hvordan de tetraedriske og oktaedriske ark er pakket i lag. Hvis hvert lag kun har én tetraedrisk og én oktaedrisk gruppe, så tilhører det 1:1-kategorien. Et alternativ kendt som 2:1 ler har to tetraedriske plader meddet udelte toppunkt af hver af dem, rettet mod hinanden og danner hver side af det ottekantede ark.

Forbindelsen mellem de tetraedriske og oktaedriske plader kræver, at det tetraedriske ark bliver korrugeret eller snoet, hvilket forårsager ditrigonal forvrængning af den sekskantede matrix, og det oktaedriske ark bliver fladt. Dette minimerer den samlede valensforvrængning af krystallitten.

Afhængigt af sammensætningen af de tetraedriske og oktaedriske ark vil laget ikke have nogen ladning eller have en negativ. Hvis lagene er ladede, balanceres denne ladning af mellemlagskationer såsom Na+ eller K+. I hvert tilfælde kan mellemlaget også indeholde vand. Krystalstrukturen er dannet af en stak af lag placeret mellem andre lag.

Lerkemi

Fordi de fleste lerarter er lavet af mineraler, har de høj biokompatibilitet og interessante biologiske egenskaber. På grund af dets skiveform og ladede overflader interagerer leret med en lang række makromolekyler såsom proteiner, polymerer, DNA osv. Nogle af applikationerne til ler omfatter lægemiddellevering, vævsteknologi og bioprint.

Lerkemi er en anvendt kemidisciplin, der studerer lerets kemiske strukturer, egenskaber og reaktioner samt lermineralers struktur og egenskaber. Det er et tværfagligt felt, der inddrager begreber og viden fra det uorganiske og strukturellekemi, fysisk kemi, materialekemi, analytisk kemi, organisk kemi, mineralogi, geologi og andre.

Undersøgelsen af lerets kemi (og fysik) og strukturen af lermineraler er af stor akademisk og industriel betydning, da de er blandt de mest udbredte industrielle mineraler, der anvendes som råmaterialer (keramik osv.), adsorbenter, katalysatorer osv.

Vigtigheden af videnskab

De unikke egenskaber ved jordlermineraler, såsom den lagdelte struktur på nanometerskalaen, tilstedeværelsen af faste og udskiftelige ladninger, evnen til at adsorbere og tilbageholde (interkalere) molekyler, evnen til at danne stabile kolloide dispersioner, muligheden for individuel overflademodifikation og mellemlagskemisk modifikation, og andre gør, at studiet af lerkemi er et meget vigtigt og ekstremt forskelligartet studieområde.

Mange forskellige vidensområder er påvirket af lermineralers fysisk-kemiske adfærd, fra miljøvidenskab til kemiteknik, fra keramik til håndtering af atomaffald.

Deres kationbytterkapacitet (CEC) er af stor betydning for at balancere de mest udbredte kationer i jorden (Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+) og pH-kontrol, som direkte påvirker jordens frugtbarhed. Studiet af ler (og mineraler) spiller også en vigtig rolle i håndteringen af Ca2+, som norm alt kommer fra land (flodvand) til havene. Evnen til at ændre og kontrollere sammensætningen og indholdet af mineraler er et værdifuldt værktøj i udviklingenselektive adsorbenter med forskellige anvendelsesmuligheder, som for eksempel fremstilling af kemiske sensorer eller rengøringsmidler til forurenet vand. Denne videnskab spiller også en stor rolle i klassificeringen af lermineralgrupper.