Глинистый минерал, рентгеновская дифракция

Глинистые минералы являются одними из наиболее разнообразных минералов, но все они имеют общие размеры кристаллов или зерен менее 2 мкм. Химически глины характеризуются кристаллической структурой и химическим составом, часто определяемым методом рентгеновской дифракции глинистых минералов . Иногда мелкозернистые отложения ошибочно называют глинами; на самом деле это описание «фракции глины», а не минералогии осадка. Выделяют три кристаллографические группы глин: пластинчатые глины ( филлосиликаты ), волокнистые глинистые минералы и аморфные глины . Филлосиликаты представляют собой более распространенные глины и классифицируются в зависимости от наслаивания тетраэдрического и октаэдрического слоев. Для большинства глин октаэдрический слой сосредоточен в центре Al. ³⁺, Фе ³⁺, или Mg(OH) ₂ , но иногда Zn ²⁺, Что ⁺, и Кр ³⁺ можно и заменить. Си ⁴⁺ обычно является центром тетраэдрического слоя, но Al ³⁺ часто частично заменяет и создает дисбаланс заряда. Двухслойные глины состоят из тетраэдрического слоя и октаэдрического слоя (ТО), а трехслойные глины содержат октаэдрический слой, зажатый двумя тетраэдрическими слоями (ТОТ). При замене Al ³⁺ для Си ⁴⁺ создает дисбаланс зарядов, промежуточный катион заполняет пространство между тетраэдрическими слоями, чтобы сбалансировать заряд глины. ^{[ 1 ]}

Рентгенографический метод

Рентгеновские лучи используются для определения кристаллической структуры материалов. Это экспериментальный метод, при котором луч рентгеновских лучей проходит через образец испытуемого материала. Поскольку атомы в кристаллах расположены в определенном порядке, они имеют тенденцию дифрагировать луч под определенными углами и при определенной интенсивности. Рассчитаны углы дифрагированных рентгеновских лучей и кристаллическая структура материала. Также можно определить, не является ли материал кристаллическим. ^{[ 2 ]}

Рентгеновская дифракция глин

Обычно порошковая рентгеновская дифракция (XRD) представляет собой усреднение случайно ориентированных микрокристаллов, которые должны одинаково отражать всю ориентацию кристаллов, если присутствует достаточно большой образец. Рентгеновские лучи направляются на образец при медленном вращении, что создает дифракционную картину , показывающую интенсивность рентгеновских лучей, собранных под разными углами. Случайно ориентированные рентгеновские образцы не так полезны для глинистых минералов, поскольку глины обычно имеют одинаковые размеры X и Y. Размер Z отличается от глины к глине и является наиболее диагностическим, поскольку размер Z представляет собой высоту тетраэдрально-октаэдрического (ТО) или тетраэдрально-октаэдрически-тетраэдрического (ТОТ) слоя. Размер Z может увеличиваться или уменьшаться за счет замещения центрального катиона как в тетраэдрическом, так и в октаэдрическом слоях. Присутствие и размер катиона, уравновешивающего заряд, в промежуточном слое глин ТОТ также будет влиять на размер Z. По этой причине глинистые минералы обычно идентифицируются путем подготовки образцов так, чтобы они были ориентированы на увеличение базального (00 л ) отражение. ^{[ 3 ]} Позиции D рассчитываются с использованием закона Брэгга , но поскольку анализ глинистых минералов является одномерным, l можно заменить n, что составит уравнение l λ = 2d sin Θ. При измерении дифракции рентгеновских лучей глин d является постоянным, а λ — известная длина волны источника рентгеновского излучения, поэтому расстояние от одного пика 00 л до другого одинаково. ^{[ 3 ]}

Идентификация глин с помощью XRD

Базальные отражения дают d-расстояние базального слоя, которое представляет толщину силикатных слоев, а элементарная ячейка часто содержит несколько слоев. ^{[ 1 ]} Пики глинистых минералов обычно можно отличить по ширине на середине пика (т.е. по полной ширине на половине высоты, FWHM). Четко выраженные кристаллические минералы имеют острые пики, в то время как глины, от кристаллических до некристаллических, дают широкие пики с заметной шириной с обеих сторон. Эти широкие пики позволяют легко определить, какие пики представляют собой глины. Эти пики можно сравнить с известными дифракционными картинами для лучшей идентификации, но если некоторые пики шире других, вполне вероятно, что присутствуют несколько глин. ^{[ 3 ]} Общество глиняных минералов ведет коллекцию глин для сравнения с неизвестными глинами. Поскольку большинство глин, доступных в Clay Mineral Society, имеют естественное происхождение, они могут содержать минералы, отличные от желаемой глины. ^{[ 4 ]} Дифрактограммы, рассчитанные с использованием теоретических методов, обычно не совпадают с экспериментальными дифрактограммами, поэтому использование дифрактограмм известных образцов для идентификации глины предпочтительнее расчетов. Некоторые минералы можно исключить из идентификации с помощью исходной информации или предварительного анализа. ^{[ 1 ]}

Хорошо закристаллизованные и чистые образцы идеальны для рентгеновской дифракции, но для глины это случается редко. ^{[ 5 ]} Глинистые минералы почти всегда смешаны с очень небольшим количеством неглинистых минералов, которые могут давать интенсивные пики, даже если в образце очень мало глины. Если известно о присутствии дополнительных минералов, следует попытаться отделить глины от неглин, в противном случае следует ожидать появления дополнительных пиков. Некоторые распространенные минералы, связанные с встречающимися в природе глинами: иногда присутствуют кварц, полевые шпаты, цеолиты, карбонаты и органическое вещество. ^{[ 3 ]} Синтез глин может уменьшить присутствие некоторых из этих сопутствующих материалов, но не гарантирует чистоту образцов, поскольку кварц или другие сопутствующие материалы по-прежнему обычно производятся наряду с синтетическими глинами.

Смешайте слоистые глинистые минералы

Смешанная слоистость, переслаивание и переслоение — все это термины, относящиеся к глинистым минералам, которые образуются из двух или более типов глин с сросшимися слоями. Смешанное наслаивание не относится к глинам, которые были физически перемешаны. Смешанная слоистость глин усложняет интерпретацию, поэтому обычно необходим множественный анализ. Наиболее распространены двухкомпонентные глины, многокомпонентные глины, содержащие более двух компонентов, встречаются очень редко. Вся дифракционная картина способствует идентификации, и пики следует рассматривать как единое целое, а не по отдельности. ^{[ 3 ]}

Смешанно-слоистые глины с двумя равными компонентами (по 50% каждой глины) легче всего идентифицировать. Эти глины считаются одной несмешанной глиной с интервалом 001, равным сумме интервалов 001 обоих компонентов. Некоторым часто встречающимся смешанным глинам с соотношением слоев 50/50 даже присвоены уникальные названия, такие как дозиит, серпентин / хлорит . Смешанные глины, содержащие неравные компоненты при случайном расположении друг на друге, образуют апериодические дифракционные картины, известные как иррациональные картины. Коэффициент вариации (CV) представляет собой процентное стандартное отклонение среднего значения d(001), рассчитанное на основе различных отражений. Если CV меньше 0,75%, минералу присваивается уникальное имя. Если CV превышает 0,75%, используется смешанная номенклатура. ^{[ 3 ]}

Подготовка к рентгеновской дифракции глинистых минералов

Глины следует отделять от неглинистых минералов, чтобы уменьшить влияние пиков 00 л . Неглинистые минералы обычно можно отделить путем просеивания образцов с достаточно мелкими ячейками. Образцы следует слегка раздробить, но не измельчать в порошок, поскольку неглинистые минералы уменьшатся до размеров глины и их станет невозможно отделить от образца. Легкое раздавливание разбивает мягкую глину, сохраняя при этом более твердые неглинистые частицы, что облегчает их удаление. ^{[ 3 ]}

образцы должны быть как можно более однородными Перед установкой для дифракции рентгеновских лучей как по размеру зерен, так и по составу. Идеально подходят длинные, плоские и толстые образцы. Для подготовки проб обычно используются четыре метода, которые различаются по сложности и целесообразности использования.

Метод предметного стекла

Самый простой и быстрый из четырех широко используемых методов, но и наименее точный. Предметное стекло микроскопа покрывают суспензией образца в воде, затем помещают в печь при температуре 90 °C и оставляют сохнуть. Для некоторых образцов сушка при такой высокой температуре может повредить глину. В этом случае можно сушить при комнатной температуре, но это потребует больше времени. Ориентация обычно справедливая, и частицы сегрегируются, причем самые мелкие частицы располагаются вверху. Этот метод позволяет получить тонкие пленки, которые обеспечивают неточную интенсивность дифракции под умеренными и большими углами. ^{[ 3 ]}

Метод мазка

Это быстрый метод, позволяющий хорошо идентифицировать компоненты объемной пробы. Образец измельчают пестиком в ступке до тех пор, пока порошок можно будет нанести кистью на предметное стекло. Затем порошок смешивают с несколькими каплями диспергирующего раствора, обычно этанола, но доступны и другие, и равномерно распределяют по предметному стеклу. Этот метод можно использовать как для крупных, так и для мелких фракций зерна. ^{[ 3 ]}

Техника очистки фильтрующей мембраны

Этот метод предотвращает сегрегацию по размерам за счет использования быстрой фильтрации или быстрого перемешивания для преодоления скорости осаждения . Пробу выливают в вакуумный фильтрующий аппарат и быстро фильтруют, но остается некоторое количество жидкости, чтобы воздух не всасывался через пробу; оставшуюся жидкость затем декантируют. Затем влажный образец переворачивают на предметное стекло и удаляют фильтровальную бумагу. Быстрая фильтрация позволяет частицам представительного размера собираться на фильтровальной бумаге, которую затем переворачивают и обнажают при установке на предметное стекло. ^{[ 4 ]}^{[ 6 ]}

Центрифугированная пористая пластина

Позволяет получить наилучшие дифракционные картины из четырех наиболее распространенных методов, но требует наибольшего мастерства и отнимает больше всего времени. По завершении образцы имеют толстые агрегаты и преимущественную ориентацию. Специальный аппарат, предназначенный для удержания пористой керамической пластины, помещается в контейнер центрифуги и заполняется взвешенным образцом. Центрифугирование вытесняет жидкость через пористую пластину, оставляя образец сушиться при температуре ниже 100 °C. Преимущество этого метода заключается в том, что обменные катионы можно удалить, пропуская через пластину раствор хлорида после высыхания образца. Обмен катионов может быть полезен при установлении пиков для стандартов с переменными межслоевыми катионами. Например, нонтронит имеет прослойку, которая может содержать как кальций, так и натрий. Если подозревалось, что неизвестный образец содержит только один из этих катионов, более точный стандарт можно было бы приготовить, заменив нежелательный катион. ^{[ 3 ]}^{[ 7 ]}

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Фор, Гюнтер (1998). Принципы и приложения геохимии: комплексный учебник для студентов-геологов (2-е изд.). Река Аппер-Седл, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN 978-0023364501 .
^ Бейтс, С. «Дифракция рентгеновских лучей на некристаллических материалах: модель Дебая» (PDF) .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж Рейнольдс, Дуэйн М. Мур; Роберт С. (1997). Рентгеноструктурный анализ, идентификация и анализ глинистых минералов (2-е изд.). Оксфорд [ua]: Oxford Univ. Нажимать. ISBN 9780195087130 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Перейти обратно: ^а ^б Чипера, С.Дж.; Биш, Д.Л. (2001). «Базовые исследования исходных глин Общества глинистых минералов: порошковый рентгеновский дифракционный анализ». Глины и глинистые минералы . 49 (5): 389–409. Бибкод : 2001CCM....49..398C . дои : 10.1346/CCMN.2001.0490507 .
^ Бриндли, Дж. (1952). «Идентификация глинистых минералов методом рентгеноструктурного анализа». Глины и глинистые минералы . 201 (1): 119. Бибкод : 1952CCM.....1..119B . дои : 10.1346/ccmn.1952.0010116 .
^ Древер, Дж.И. (1973). «Подготовка образцов ориентированных глинистых минералов для рентгеноструктурного анализа методом отслаивания фильтр-мембраны» (PDF) . Американский минералог . 58 : 741–751.
^ Кинтер, Е.Б.; Даймонд, С. (1956). «Новый метод приготовления и обработки ориентированно-агрегатов почвенных глин для рентгеноструктурного анализа». Почвоведение . 82 (2): 111–120. дои : 10.1097/00010694-195602000-00003 .

[Faure_1998-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Фор, Гюнтер (1998). Принципы и приложения геохимии: комплексный учебник для студентов-геологов (2-е изд.). Река Аппер-Седл, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN 978-0023364501 .

[2] Бейтс, С. «Дифракция рентгеновских лучей на некристаллических материалах: модель Дебая» (PDF) .

[X-Ray_Diffraction_of_Clay_Minerals-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж Рейнольдс, Дуэйн М. Мур; Роберт С. (1997). Рентгеноструктурный анализ, идентификация и анализ глинистых минералов (2-е изд.). Оксфорд [ua]: Oxford Univ. Нажимать. ISBN 9780195087130 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[Chipera_2001_389–409-4] Перейти обратно: ^а ^б Чипера, С.Дж.; Биш, Д.Л. (2001). «Базовые исследования исходных глин Общества глинистых минералов: порошковый рентгеновский дифракционный анализ». Глины и глинистые минералы . 49 (5): 389–409. Бибкод : 2001CCM....49..398C . дои : 10.1346/CCMN.2001.0490507 .

[5] Бриндли, Дж. (1952). «Идентификация глинистых минералов методом рентгеноструктурного анализа». Глины и глинистые минералы . 201 (1): 119. Бибкод : 1952CCM.....1..119B . дои : 10.1346/ccmn.1952.0010116 .

[6] Древер, Дж.И. (1973). «Подготовка образцов ориентированных глинистых минералов для рентгеноструктурного анализа методом отслаивания фильтр-мембраны» (PDF) . Американский минералог . 58 : 741–751.

[7] Кинтер, Е.Б.; Даймонд, С. (1956). «Новый метод приготовления и обработки ориентированно-агрегатов почвенных глин для рентгеноструктурного анализа». Почвоведение . 82 (2): 111–120. дои : 10.1097/00010694-195602000-00003 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]