Kaolinit - Kaolinite

„Kaolin” przekierowuje tutaj. Inne zastosowania, patrz Kaolin (ujednoznacznienie) .
Zobacz także: Krzemian glinu

Kaolinit
Kaolinit z okręgu Twiggs w stanie Georgia w USA.jpg
Ogólny
Kategoria Krzemiany warstwowe
Kaolinit- grupa serpentynowa
Formuła
(jednostka powtarzalna) 		Glin
2(OH)
4Si
2O
5
Klasyfikacja Strunza 9.ED.05
Kryształowy system Trójklinika
Klasa kryształu Pedał (1)
(ten sam symbol HM )
Grupa kosmiczna P 1
Komórka elementarna a = 5,13  Å , b = 8,89 Å
c = 7,25 Å; α = 90°
β = 104,5°, γ = 89,8°; Z = 2
Identyfikacja
Kolor Białe do kremowych, czasem czerwone, niebieskie lub brązowe odcienie od zanieczyszczeń i bladożółte; często też barwiły się na różne odcienie, często podpalane i brązy.
Kryształowy zwyczaj Rzadko jako kryształy, cienkie płytki lub ułożone w stos, Częściej jako mikroskopijne pseudoheksagonalne płytki i skupiska płytek, zagregowane w zwarte, gliniaste masy
Łupliwość Idealny na {001}
Wytrwałość Elastyczny, ale nieelastyczny
Twardość skali Mohsa 2-2,5
Połysk Perłowy do matowego ziemistego
Pasemko biały
Środek ciężkości 2,16–2,68
Właściwości optyczne Dwuosiowy (–)
Współczynnik załamania światła n α = 1,553–1,565,
n β = 1,559–1,569,
n γ = 1,569–1,570
Kąt 2V Zmierzone: 24° do 50°, Obliczone: 44°
Bibliografia
Kaolinit
Tradycyjne chińskie 高嶺 石
Chiński uproszczony 高岭 石
Dosłowne znaczenie „Kamień więzienny”

Kaolinit ( / K eɪ . Ə . L ɪ ˌ n aɪ t / Kay -ə-llh-Nyte ) jest minerałem ilastym , przy czym skład chemiczny Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 . Jest ważnym minerałem przemysłowym . Jest to warstwowy minerał krzemianowy , z jednym czworościennym arkuszem krzemionki ( SiO
4) połączone przez atomy tlenu z jednym oktaedrycznym arkuszem tlenku glinu ( AlO
6) oktaedry. Skały bogate w kaolinit znane są jako kaolin ( / K eɪ . Ə . L ɪ n / ) lub china clay .

Nazwa kaolin pochodzi od Gaoling ( chiński :高嶺; pinyin : Gāolǐng ; dosł. „High Ridge”), chińskiej wioski w pobliżu Jingdezhen w południowo-wschodniej prowincji Jiangxi w Chinach . Nazwa weszła w języku angielskim w 1727 roku z francuskiej wersji słowa: kaolin , zgodnie z doniesieniami François Xavier d'Entrecolles o wytwarzaniu porcelany Jingdezhen .

Kaolinit ma niską zdolność kurczenia się i pęcznienia oraz niską zdolność wymiany kationów (1-15 meq/100 g). Jest to miękki, ziemisty, zwykle biały minerał (dioktaedryczna glina krzemianowa ), wytwarzany przez chemiczne wietrzenie minerałów krzemianu glinu, takich jak skaleń . W wielu częściach świata jest zabarwiony na różowo-pomarańczowo-czerwono przez tlenek żelaza , co nadaje mu wyraźny odcień rdzy . Jaśniejsze stężenia dają białe, żółte lub jasnopomarańczowe kolory. Czasami występują naprzemienne warstwy, jak na przykład w Providence Canyon State Park w stanie Georgia w Stanach Zjednoczonych. Handlowe gatunki kaolinu są dostarczane i transportowane jako suchy proszek, półsuchy makaron lub płynna zawiesina .

Chemia

Notacja

Wzór chemiczny kaolinitu stosowany w mineralogii to Al
2Si
2O
5(OH)
4jednak w zastosowaniach ceramicznych wzór jest zwykle zapisywany w postaci tlenków, stąd wzór dla kaolinitu to Al
2O
3·2SiO
2· 2H 2 O .

Struktura

Struktura kaolinitu, ukazująca międzywarstwowe wiązania wodorowe

W porównaniu z innymi minerałami ilastymi kaolinit jest prosty chemicznie i strukturalnie. Jest opisywany jako minerał ilasty 1:1 lub TO, ponieważ jego kryształy składają się z ułożonych warstw TO . Każda warstwa TO składa się z arkusza czworościennego ( T ) złożonego z jonów krzemu i tlenu połączonych z arkuszem oktaedrycznym ( O ) złożonym z jonów tlenu, glinu i hydroksylowych. T arkusz jest tak nazywane, ponieważ każdy jonów krzemu jest otoczony przez cztery jony tlenu tworząc czworościan. O arkusz jest tak nazywane, ponieważ każdy jon glinu jest otoczony przez sześć tlenu lub jony hydroksylowe rozmieszczone w narożach ośmiościanu. Dwa arkusze w każdej warstwie są silnie związane ze sobą przez wspólne jony tlenu, podczas gdy warstwy są połączone wiązaniem wodorowym między tlenem na zewnętrznej powierzchni arkusza T jednej warstwy a hydroksylem na zewnętrznej powierzchni arkusza O następnej warstwy.

  • Widok struktury czworościennego ( T ) arkusza kaolinitu

  • Widok struktury arkusza oktaedrycznego ( O ) kaolinitu

  • Struktura kryształu kaolinitu patrząca wzdłuż warstw

Warstwa kaolinitu nie ma ładunku elektrycznego netto, a zatem nie ma między warstwami dużych kationów (takich jak wapń, sód lub potas), jak w przypadku większości innych minerałów ilastych. Stanowi to stosunkowo niską zdolność wymiany jonów kaolinitu. Bliskie wiązania wodorowe między warstwami utrudniają również przenikanie cząsteczek wody między warstwy, co odpowiada za niepęczniejący charakter kaolinitu.

Po zwilżeniu maleńkie, płytkopodobne kryształki kaolinitu nabierają warstwy cząsteczek wody, które powodują przyleganie kryształów do siebie i nadają glince kaolinowej jej spoistość. Wiązania są wystarczająco słabe, aby umożliwić płytkom przesuwanie się obok siebie podczas formowania gliny, ale wystarczająco mocne, aby utrzymać płyty na miejscu i umożliwić uformowanej glinie zachowanie swojego kształtu. Po wysuszeniu gliny większość cząsteczek wody zostaje usunięta, a płyty łączą się bezpośrednio ze sobą wodorem, dzięki czemu wysuszona glinka jest sztywna, ale nadal krucha. Jeśli glina zostanie ponownie zwilżona, ponownie stanie się plastyczna.

Przekształcenia strukturalne

Gliny z grupy kaolinitów przechodzą szereg przemian fazowych po obróbce termicznej w powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym.

Przemiał

Wysokoenergetyczne mielenie kaolinitu powoduje powstanie mechanochemicznie amorfizowanej fazy podobnej do metakaolinu , chociaż właściwości tego ciała stałego są zupełnie inne. Wysokoenergetyczny proces mielenia jest wysoce nieefektywny i zużywa dużą ilość energii.

Wysuszenie

Zobacz także: suszarka Buell

Poniżej 100°C (212 °F) wystawienie na suche powietrze powoli usunie płynną wodę z kaolinu. Stan końcowy tego przekształcenia jest określany jako „skóra sucha”. Pomiędzy 100 ° C a około 550 ° C (1022 ° F) pozostała woda w stanie ciekłym jest usuwana z kaolinitu. Stan końcowy dla tej transformacji jest określany jako „wysuszenie kości”. W tym zakresie temperatur wydalanie wody jest odwracalne: jeśli kaolin zostanie wystawiony na działanie ciekłej wody, zostanie ponownie wchłonięty i rozpadnie się w postaci drobnych cząstek. Kolejne przemiany nie są odwracalne i reprezentują trwałe zmiany chemiczne.

Metakaolin

Endotermiczne odwodnienie kaolinitu rozpoczyna się w temperaturze 550–600 °C, wytwarzając nieuporządkowany metakaolin , ale ciągłą utratę hydroksyli obserwuje się do 900 °C (1650 °F). Chociaż historycznie było wiele sporów dotyczących natury fazy metakaolinowej, szeroko zakrojone badania doprowadziły do ​​ogólnego konsensusu, że metakaolin nie jest prostą mieszaniną amorficznej krzemionki ( SiO
2) i tlenku glinu ( Al
2O
3), ale raczej złożona struktura amorficzna, która zachowuje pewien porządek o dłuższym zasięgu (ale nie ściśle krystaliczny ) dzięki ułożeniu swoich heksagonalnych warstw.

Spinel

Dalsze ogrzewanie do 925-950 ° C przekształca metakaolin w spinel glinowo-krzemowy, który jest czasami określany również jako struktura typu gamma-tlenku glinu:

Mullit płytkowy

Po kalcynacji w temperaturze powyżej 1050 °C faza spinelu zarodkuje i przekształca się w mulit płytkowy i wysoce krystaliczny krystobalit :

Mullit igłowy

Wreszcie, w temperaturze 1400°C pojawia się mulit w postaci „igieł” , który zapewnia znaczny wzrost wytrzymałości strukturalnej i odporności na ciepło. Jest to transformacja strukturalna, ale nie chemiczna. Zobacz kamionkę, aby uzyskać więcej informacji na temat tego formularza.

Występowanie

Kaolinit jest jednym z najczęstszych minerałów; wydobywa się go jako kaolin w Malezji , Pakistanie , Wietnamie , Brazylii , Bułgarii , Bangladeszu , Francji , Wielkiej Brytanii , Iranie , Niemczech , Indiach , Australii , Korei Południowej , Chińskiej Republice Ludowej , Czechach , Hiszpanii , Południowej Afryka , Tanzania i Stany Zjednoczone .

Koszulki z kaolinitowej saprolite są powszechne w Europie Zachodniej i Północnej. Wiek tych płaszczy jest od mezozoiku do wczesnego kenozoiku.

Glinka kaolinitowa występuje obficie w glebach , które powstały w wyniku chemicznego wietrzenia skał w gorącym, wilgotnym klimacie – na przykład w obszarach tropikalnych lasów deszczowych . Porównując gleby wzdłuż gradientu w kierunku coraz chłodniejszych lub bardziej suchych klimatów, udział kaolinitu zmniejsza się, podczas gdy udział innych minerałów ilastych, takich jak illit (w chłodniejszym klimacie) lub smektyt (w bardziej suchym klimacie) wzrasta. Takie związane z klimatem różnice w zawartości minerałów ilastych są często wykorzystywane do wnioskowania o zmianach klimatu w przeszłości geologicznej, gdzie dawne gleby zostały zakopane i zachowane.

W systemie klasyfikacji Institut National pour l'Etude Agronomique au Congo Belge (INEAC) gleby, w których frakcja iłowa składa się głównie z kaolinitu, nazywane są kaolisolem (od kaolinu i gleby).

W Stanach Zjednoczonych główne złoża kaolinu znajdują się w środkowej Gruzji , na odcinku wybrzeża atlantyckiego między Augusta i Macon . Ten obszar trzynastu hrabstw nazywany jest pasem „białego złota”; Sandersville jest znane jako „Światowa Stolica Kaolinu” ze względu na obfitość kaolinu. Pod koniec XIX wieku w południowo-wschodnim zakątku Pensylwanii, w pobliżu miast Landenberg i Kaolin oraz na terenie dzisiejszego rezerwatu White Clay Creek, istniał aktywny przemysł wydobycia kaolinu . Produkt przywieziono pociągiem do Newark w stanie Delaware , na linii Newark-Pomeroy , wzdłuż której wciąż można zobaczyć wiele odkrywkowych kopalni gliny. Osady powstały między późną kredą a wczesnym paleogenem , około 100 do 45 milionów lat temu, w osadach pochodzących ze zwietrzałych skał magmowych i metakaolinowych. Produkcja kaolinu w USA w 2011 roku wyniosła 5,5 miliona ton.

W okresie paleoceńsko-eoceńskiego maksimum termicznego osady deponowane na obszarze Esplufafreda w Hiszpanii zostały wzbogacone kaolinitem ze źródła detrytycznego w wyniku denudacji .

Synteza i geneza

Trudności pojawiają się podczas próby wyjaśnienia powstawania kaolinitu w warunkach atmosferycznych przez ekstrapolację danych termodynamicznych z bardziej udanych syntez wysokotemperaturowych. La Iglesia i Van Oosterwijk-Gastuche (1978) uważali, że warunki, w których kaolinit będzie się zarodkować, można wywnioskować z diagramów stabilności, opartych na danych dotyczących rozpuszczania. Z powodu braku przekonujących wyników własnych eksperymentów La Iglesia i Van Oosterwijk-Gastuche (1978) musieli jednak dojść do wniosku, że istnieją inne, wciąż nieznane, czynniki związane z niskotemperaturowym zarodkowaniem kaolinitu. Ze względu na obserwowane bardzo wolne szybkości krystalizacji kaolinitu z roztworu w temperaturze pokojowej Fripiat i Herbillon (1971) postulowali istnienie wysokich energii aktywacji w niskotemperaturowym zarodkowaniu kaolinitu.

W wysokich temperaturach równowagowe modele termodynamiczne wydają się być zadowalające do opisu rozpuszczania i zarodkowania kaolinitu , ponieważ energia cieplna wystarcza do pokonania barier energetycznych związanych z procesem zarodkowania . Znaczenie syntez w temperaturze otoczenia i pod ciśnieniem atmosferycznym dla zrozumienia mechanizmu zarodkowania minerałów ilastych polega na pokonaniu tych barier energetycznych. Jak wskazali Caillère i Hénin (1960), zaangażowane procesy będą musiały być badane w dobrze zdefiniowanych eksperymentach, ponieważ praktycznie niemożliwe jest wyizolowanie zaangażowanych czynników poprzez zwykłą dedukcję ze złożonych naturalnych systemów fizykochemicznych, takich jak środowisko glebowe . Fripiat i Herbillon (1971) w przeglądzie na temat powstawania kaolinitu podnieśli fundamentalne pytanie, w jaki sposób nieuporządkowany materiał (tj. amorficzna frakcja gleb tropikalnych) może kiedykolwiek zostać przekształcona w odpowiednią strukturę uporządkowaną. Przemiana ta wydaje się zachodzić w glebach bez większych zmian w środowisku, w stosunkowo krótkim czasie i przy temperaturze otoczenia (i ciśnieniu ).

Niskotemperaturowa synteza minerałów ilastych (na przykładzie kaolinitu) ma kilka aspektów. Przede wszystkim kwas krzemowy, który ma być dostarczany do rosnącego kryształu, musi być w postaci monomerycznej, tj. krzemionka powinna być obecna w bardzo rozcieńczonym roztworze (Caillère i in., 1957; Caillère i Hénin, 1960; Wey i Siffert, 1962 ; Millot, 1970). Aby zapobiec tworzeniu się bezpostaciowych żeli krzemionkowych wytrącających się z przesyconych roztworów bez reakcji z kationami glinu lub magnezu z wytworzeniem krystalicznych krzemianów , kwas krzemowy musi być obecny w stężeniach poniżej maksymalnej rozpuszczalności bezpostaciowej krzemionki. Zasadę tego warunku można znaleźć w chemii strukturalnej: „Ponieważ jony polikrzemianowe nie mają jednolitej wielkości, nie mogą układać się razem z jonami metali w regularną sieć krystaliczną”. (Iler, 1955, s. 182)

Drugim aspektem niskotemperaturowej syntezy kaolinitu jest to, że kationy glinu muszą być heksakoordynacyjne względem tlenu (Caillère i Hénin, 1947; Caillère i in., 1953; Hénin i Robichet, 1955). Gastuche i in. (1962), jak również Caillère i Hénin (1962) doszli do wniosku, że tylko w tych przypadkach, gdy wodorotlenek glinu występuje w postaci gibbsytu , kaolinit może kiedykolwiek powstać. Jeśli nie, utworzony osad będzie „mieszanym żelem glinokrzemowym” (jak ujął to Millot, 1970, s. 343). Gdyby był to jedyny wymóg, duże ilości kaolinitu można by zebrać po prostu przez dodanie proszku gibsytowego do roztworu krzemionki. Niewątpliwie nastąpi wyraźny stopień adsorpcji krzemionki w roztworze przez powierzchnie gibbsytu, ale, jak wspomniano wcześniej, sama adsorpcja nie tworzy sieci warstwowej typowej dla kryształów kaolinitu.

Trzecim aspektem jest to, że te dwa początkowe składniki muszą być włączone do jednego i tego samego kryształu mieszanego o strukturze warstwowej. Z następującego równania (podanego przez Gastuche i DeKimpe, 1962) dla tworzenia kaolinitu:

widać, że na każdą powstałą cząsteczkę kaolinitu należy usunąć z reakcji pięć cząsteczek wody . Dowody terenowe ilustrujące znaczenie usuwania wody z reakcji kaolinitu dostarczyli Gastuche i DeKimpe (1962). Badając formację gleby na bazaltowej skale w Kivu ( Zaïre ), zauważyli, że występowanie kaolinitu zależało od „stopnia drenażu” na danym obszarze. Stwierdzono wyraźne rozróżnienie między obszarami o dobrym odwodnieniu (tzn. obszary z wyraźną różnicą między porami suchymi i mokrymi) a obszarami o słabym odwodnieniu (tzn. obszary wiecznie podmokłe ). Jedynie na obszarach o wyraźnych zmianach sezonowych między mokrym a suchym znaleziono kaolinit. Możliwe znaczenie naprzemiennych warunków mokrych i suchych przy przechodzeniu alofanu do kaolinitu zostało podkreślone przez Tamurę i Jacksona (1953). Rolę naprzemiennego zwilżania i suszenia w tworzeniu kaolinitu zauważył również Moore (1964).

Syntezy laboratoryjne

Syntezy kaolinitu w wysokich temperaturach (powyżej 100 °C [212 °F]) są stosunkowo dobrze znane. Są to na przykład syntezy Van Nieuwenberga i Pietersa (1929); Nolla (1934); Nolla (1936); Norton (1939); Roya i Osborna (1954); Roy (1961); Hawkins i Roy (1962); Tomura i in. (1985); Satokawa i in. (1994) oraz Huertas i in. (1999). Znanych jest stosunkowo niewiele syntez niskotemperaturowych (por. Brindley i DeKimpe (1961); DeKimpe (1969); Bogatyrev i in. (1997)).

Laboratoryjne syntezy kaolinitu w temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym opisali DeKimpe i in. (1961). Dzięki tym testom rola okresowości staje się przekonująco jasna. DeKimpe i in. (1961) stosowali codzienne dodawanie tlenku glinu (jako AlCl
3·6 godz
2O ) i krzemionkę (w postaci krzemianu etylu ) przez co najmniej dwa miesiące. Ponadto codziennie korygowano pH przez dodawanie kwasu solnego lub wodorotlenku sodu . Takie codzienne dodawanie Si i Al do roztworu w połączeniu z codziennymi miareczkowaniem kwasem solnym lub wodorotlenkiem sodu przez co najmniej 60 dni wprowadzi niezbędny element okresowości. Dopiero teraz można w pełni zrozumieć rzeczywistą rolę tego, co zostało opisane jako „starzenie się” ( Alterung ) amorficznych glinokrzemianów (jak zauważył np. Harder, 1978). Czas jako taki nie powoduje żadnej zmiany w zamkniętym systemie w równowadze; ale seria przemian, okresowo zmieniających się warunków (z definicji zachodzących w układzie otwartym), spowoduje powstawanie w niskich temperaturach coraz większej ilości stabilnej fazy kaolinitu zamiast (niezdefiniowanych) amorficznych glinokrzemianów .

Zastosowania

Głównym zastosowaniem mineralnego kaolinitu (około 50% czasu) jest produkcja papieru ; jego zastosowanie zapewnia połysk na niektórych gatunkach papieru powlekanego .

Kaolin jest również znany ze swoich zdolności do wywoływania i przyspieszania krzepnięcia krwi. W kwietniu 2008 r. Instytut Badań Medycznych Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych ogłosił pomyślne zastosowanie naparu glinokrzemianu pochodzącego z kaolinitu w tradycyjnej gazie , znanej pod nazwą QuikClot Combat Gauze, która nadal jest hemostatem wybieranym przez wszystkie oddziały armii amerykańskiej.

Kaolin jest używany (lub był używany w przeszłości):

Geofagia

Ludzie czasami jedzą kaolin dla przyjemności lub w celu stłumienia głodu, praktyka znana jako geofagia . W Afryce kaolin używany do takich celów jest znany jako kalaba (w Gabonie i Kamerunie ), calaba i calabachop (w Gwinei Równikowej ). Konsumpcja jest większa wśród kobiet, zwłaszcza w okresie ciąży, a kobiety z regionu czasami określają jej używanie jako nałóg analogiczny do palenia papierosów wśród mężczyzn.

Praktykę tę zaobserwowano również w niewielkiej populacji afroamerykańskich kobiet w południowych Stanach Zjednoczonych , zwłaszcza w Gruzji . Tam kaolin nazywany jest białą ziemią , kredą lub białą gliną .

Bezpieczeństwo

Ludzie mogą być narażeni na kaolin w miejscu pracy poprzez wdychanie proszku lub kontakt ze skórą lub oczami.

Stany Zjednoczone

Podawanie BHP (OSHA) ustaliła wartość graniczną prawnego ( dopuszczalna ekspozycji ) do ekspozycji kaolinu w miejscu pracy, w dawce 15 mg / m 3 całkowitej ekspozycji i 5 mg / m 3 narażenia układu oddechowego dla 8-godzinnego dnia pracy. Narodowy Instytut Zdrowia i Bezpieczeństwa Pracy (NIOSH) ustalił dopuszczalnych zalecanych ekspozycji (REL) z 10 mg / m 3 całkowitej ekspozycji TWA 5 mg / m 3 narażenia układu oddechowego dla 8-godzinnego dnia pracy.

Inżynieria geotechniczna

Wyniki badań wskazują, że wykorzystanie kaolinitu w geotechnice może być alternatywnie zastąpione przez bezpieczniejszy illit, zwłaszcza jeśli jego obecność jest mniejsza niż 10,8% masy górotworu.

Zobacz też

Bibliografia

Cytaty

Ogólne odniesienia

Zewnętrzne linki