Surface Acidity of Smectites in Relation to Hydration, Exchangeable Cation, and Structure

Abstract

Equilibrium studies on clay films exposed to N H₃ and H₂O vapors demonstrate the effect of exchangeable cations on surface acidity and its relationship to hydration. At a relative humidity of 98 per cent the order of acidity on the clay surface as indicated by protonation of N H₃ was Al > Mg > Ca= Li > Na= K for Wyoming bentonite and Al > Mg > Li > Ca = Na = K for nontronite. At a relative humidity of 20 per cent, however, the order was Al = Mg > Ca > Li > Na > K for the bentonite and Al = Mg > Li > Ca > Na > K for nontronite. The largest change in proton donation properties due to hydration effects was in the calcium clays. For Ca-bentonite the NH₄⁺ formation was 16 me/100 g at 98 per cent and 80 me/100 g at 20 per cent relative humidity. In Ca-nontronite, the NH₄⁺ formation was 14 and 64 me/100 g for the wet and dry systems respectively. The differences in proton donation between the bentonite and nontronite clays are believed to be due to charge site location and its effects on ion hydration. The NH₄⁺ formed by the protonation process seemed to exist in different environments in the bentonite and nontronite as indicated in the i.r. absorption spectra.

Résumé

Des études d’équilibre de pellicules d’argile exposées à des vapeurs de NH, et H₂O démontrent l’effet de cations échangeables sur l’acidité de surface et son rapport avec l’hydratation. A une humidité relative de 98%, l’ordre d’acidité sur la surface d’argile tel qu’il était donné par la protonisation de NH₃ était Al > Mg > Ca = Li > Na = K pour la bentonite du Wyoming et Al > Mg > Li > Ca= Na= K pour la nontronite. Cependant à une humidité relative de 20%, l’ordre était le suivant: Al > Mg > Ca > Li > Na > K pour la bentonite et Al = Mg > Li > Ca > Na > K pour la nontronite. C’est pour les argiles à calcium que l’on a noté les plus grands changements dans les propriétés d’abandon de protons par suite d’hydratation. Pour la Ca-bentonite, la formation NH₄⁺ était de 16 me/100g à 98% et de 80 me/100 g à 20% d’humidité relative. Pour la Ca-nontronite, la formation NH/ était de 14 et de 64 me/100 g pour les systèmes sec et humide respectivement. Les différences d’abandon de protons entre les argiles de bentonite et de nontronite semblent être dues à l’emplacement de la charge et de ses effets sur l’hydratation des ions. Le NH/ formé par le processus de protonisation semblait exister dans des milieux différents dans la bentonite et la nontronite comme indiqué dans les spectres d’absorbtion infrarouges.

Kurzreferat

Gleichgewichtsstudien an dünnen Tonschichten, die NH₃ oder H₂0 Dämpfen ausgesetzt waren, zeigen den Einfluss von austauschbaren Kationen auf die Oberflächenazidität und deren Beziehung zur Hydratation. Bei einer relativen Feuchtigkeit von 98% war die, durch die Pro-tonisierung des NH₃ angedeutete, Reihenfolge der Azidität auf der Tonoberfläche Al > Mg > Ca = Li > Na= K für Wyoming Bentonit und Al > Mg > Li > Ca= Na= K für Nontronit. Bei einer relativen Feuchtigkeit von 20% hingegen war die Reihenfolge Al = Mg > Ca > Li > Na > K für den Bentonit und Al = Mg > Li > Ca > Na > K für Nontronit. Die weitgehendste Veränderung in den Protonabgabeneigenschaften infolge von Hydratations Wirkungen trat bei den Calciumtonen auf. Beim Ca-Bentonit betrug die NH₄⁺ Bildung 16 me/100g bei 98% gegenüber 80me/100g bei 20% relativer Feuchtigkeit. Beim Ca-Nontronit war die NH/ Bildung 14 und 64 me/100g für das feuchte bzw. trockene System. Die Unterschiede in der Protonenabgabe bei Bentonit und Nontronit Tonen scheint mit dem Sitz der Ladung und dessen Einfluss auf die Ionenhydratation zusammenzuhängen. Wie aus den Infratot Absorptionsspektren ersichtlich trat das durch den Protonisierungsprozess entstandene NH₄⁺ im Bentonit und im Nontronit in voneinander verschiedenen Umgebungen auf.

Резюме

Исследование равновесия, предпринятое на глинистых пленках подвергнутых парам NН₃ и Н₂О, демонстрирует воздействие обмениваемых катионов на поверхностную кислотность и на отношение ее к гидратации. При относительной влажности 98% порядок кислотности на поверхности глины, как это указывается протонотацией NH₃, был следующим: Аl > Мg>Са = Li>Nа = K для виомингского бентонита и Аl> Мg>Li>Са = Ка = K для нонтронита. Однако при относительной влажности 20%, порядок был Аl = Мg > Са > Li > Nа>K для бентонита и А1=Мg>Li>Са>Na>K для нонтронита. Наибольшее изменение в протодонорной способности пол воздействием гидратации произошло в кальциевых глинах. Для Са-бентонита формирование NН составило 16 мэ/100 г при 98% и 80 мэ/100 г при 20% относительной влажности. В Са-нонтроните, формирование ЫН составило 14 и 64 мэ/100 г для влажной и сухой системы соответственно. Разница между бентонитом и нонтронитом касательно протодонарной способности является вероятно следствием местоположения заряда и эффектом этого на ионную гидратацию. ЫН образованный процессом протонотации вероятно имеется в разных окружающих породах в бентоните и нонтроните, как это указывается в спектрах инфракрасного поглощения.