Lermineral röntgendiffraktion
Lermineraler
Lermineraler är ett av de mest olika mineralerna men alla har en gemensamhet av kristall- eller kornstorlekar under 2 μm. Kemiskt definieras leror av kristallstruktur och kemisk sammansättning. beskrivs finkorniga sediment felaktigt som leror; detta är faktiskt en beskrivning av "fraktionen i lerstorlek" snarare än sedimentets mineralogi . Det finns tre kristallografiska lergrupper: platta leror ( fyllosilikater ), fibrösa lermineraler och amorf lera . Fyllosilikater är de vanligaste lerorna och kategoriseras utifrån skiktningen av ett tetraedriskt och oktaedriskt lager. För de flesta leror är det oktaedriska lagret centrerat med Al 3+ , Fe 3+ eller Mg(OH) 2 , men ibland kan Zn 2+ , Li + och Cr 3+ också ersätta. Si 4+ är normalt mitten av det tetraedriska skiktet men Al 3+ kommer ofta delvis att ersätta och skapa en laddningsobalans. Tvåskiktsleror är sammansatta av ett tetraedriskt skikt och ett oktaedriskt skikt (TO) medan treskiktsleror innehåller ett oktaedriskt skikt inklämt av två tetraedriska skikt (TOT). När ersättning av Al 3+ för Si 4+ skapar en laddningsobalans, kommer en mellanskiktskatjon att fyllas ut mellan tetraedriska skikt för att balansera laddningen i leran.
Röntgendiffraktionsmetod
Röntgenstrålar används för att bestämma kristallstrukturen hos material. Det är en experimentell metod där en röntgenstråle får passera genom ett prov av materialet som testas. Eftersom atomerna är ordnade i någon ordning i kristaller, tenderar de att diffraktera strålen i vissa vinklar och med viss intensitet. Vinklarna för den diffrakterade strålen mäts med röntgenkristallografi och materialets kristallstruktur beräknas därav. Det är möjligt att avgöra om materialet inte är kristallint också.
Röntgendiffraktion av leror
Vanligtvis är pulverröntgendiffraktion (XRD) ett genomsnitt av slumpmässigt orienterade mikrokristaller som lika bör representera all kristallorientering om ett tillräckligt stort prov är närvarande. Röntgenstrålar riktas mot provet medan de roteras långsamt, vilket ger ett diffraktionsmönster som visar intensiteten hos röntgenstrålar som samlats in i olika vinklar. Slumpmässigt orienterade XRD-prover är inte lika användbara för lermineraler eftersom leror vanligtvis har liknande X- och Y-dimensioner. Z-dimensionen skiljer sig från lera till lera och är mest diagnostisk eftersom Z-dimensionen representerar höjden på det tetraedriska-oktaedriska (TO) eller tetraedriska-oktaedriska-tetraedriska (TOT) lagret. Z-dimensionen kan öka eller minska på grund av substitution av den centrala katjonen i både de tetraedriska och oktaedriska skikten. Närvaron och storleken av en laddningsbalanserande katjon i mellanskiktet av TOT-leror kommer också att påverka Z-dimensionen. På grund av detta identifieras lermineraler typiskt genom att förbereda prover så att de är orienterade för att öka basal (00 l ) reflektion. D-positioner beräknas med Braggs lag men eftersom lermineralanalys är endimensionell kan l ersätta n, vilket gör att ekvationen l λ = 2d sin Θ. Vid mätning av röntgendiffraktionen av leror är d konstant och λ är den kända våglängden från röntgenkällan, så avståndet från en 00 l- topp till en annan är lika.
Identifiering av leror med XRD
Basala reflektioner ger d-mellanrum mellan basalskiktet som representerar tjockleken på silikatskikten och enhetscellen innehåller ofta flera skikt. Lermineraltoppar kan i allmänhet särskiljas på bredden halvvägs upp på toppen (dvs hela bredden vid halva maximum, FWHM). Väldefinierade kristallina mineraler har skarpa toppar medan leror, som sträcker sig från kristallina till icke-kristallina, producerar breda toppar med märkbar bredd på båda sidor. Dessa breda toppar gör det enkelt att plocka ut vilka toppar som lerorna bidrar med. Dessa toppar kan jämföras med kända diffraktionsmönster för bättre identifiering, men om vissa toppar är bredare än andra är det troligt att flera leror finns närvarande. Clay Mineral Society upprätthåller en samling leror i syfte att jämföra med okända leror. Eftersom majoriteten av de leror som finns tillgängliga från Clay Mineral Society är naturligt bildade, kan de innehålla andra mineraler än den önskade leran. Diffraktionsmönster beräknade med teoretiska metoder stämmer i allmänhet inte överens med experimentella diffraktionsmönster, så att använda diffraktionsmönster från kända prover för att hjälpa till att identifiera en lera är att föredra framför beräkning. Vissa mineraler kan elimineras från identifiering med hjälp av bakgrundsinformation eller tidigare analys.
Välkristalliserade och rena prover är idealiska för röntgendiffraktion, men detta är sällan fallet för lera. Lermineraler blandas nästan alltid med mycket små mängder icke-lermineraler som kan producera intensiva toppar, även när det finns mycket lite av provet som inte är en lera. Om ytterligare mineraler är kända för att finnas närvarande, bör försök göras att separera leror från icke-leror, annars bör ytterligare toppar förväntas. Några vanliga mineraler förknippade med naturligt förekommande leror är; organiskt material av kvarts, fältspat, zeoliter och karbonater förekommer ibland. Syntes av leror kan minska förekomsten av vissa av dessa associerade material men garanterar inte rena prover eftersom kvarts eller andra associerade material fortfarande ofta produceras tillsammans med syntetiska leror.
Blanda Layered Clay Minerals
Blandskikt, mellanskikt och mellanskiktning är alla termer som hänvisar till lermineral som bildas med två eller flera typer av leror som med sammanväxt skiktning. Blandad skiktning avser inte leror som har blandats fysiskt. Blandad skiktning i leror gör det svårare att tolka så att flera analyser vanligtvis är nödvändiga. Tvåkomponentleror är vanligast med flerkomponentleror som innehåller mer än två komponenter är mycket sällsynta. Hela diffraktionsmönstret bidrar till identifieringen och toppar bör betraktas som en helhet snarare än individuellt.
Blandlagerleror med två lika komponenter (50 % av varje lera) är lättast att identifiera. Dessa leror betraktas som en, icke-blandad lera med ett 001-avstånd som är lika med summan av 001-avståndet mellan båda komponenterna. Vissa vanligt förekommande 50/50 blandade lagerleror får till och med unika namn som dozyit, en Serpentine / Klorit . Blandade leror som har ojämlika komponenter med slumpmässig stapling producerar aperiodiska 00 l diffraktionsmönster som kallas irrationella mönster. Variationskoefficienten (CV) är den procentuella standardavvikelsen av medelvärdet av d(001) beräknat från olika reflektioner . Om CV är mindre än 0,75 % får mineralet ett unikt namn. Om CV är större än 0,75 % används nomenklatur med blandade lager.
Förberedelse för Clay Mineral röntgendiffraktion
Leror bör separeras från icke-lera mineraler för att minska interferens av 00 l toppar. Icke lermineraler kan vanligtvis separeras genom att sikta prover med tillräckligt liten maskvidd. Prover bör krossas lätt men inte pulveriseras eftersom icke-lera mineraler kommer att reduceras till lerstorlekar och blir omöjliga att separera från provet. Lätt krossning bryter isär de mjuka lerorna samtidigt som de hårdare icke-lerorna behålls intakta för enklare borttagning.
Proverna bör vara så homogena som möjligt, både i kornstorlek och sammansättning innan de monteras för röntgendiffraktion och långa, platta och tjocka prover är idealiska. Fyra metoder används vanligtvis för provberedning och varierar i svårighetsgrad och lämplig användning.
Glasslide metod
Den enklaste och snabbaste av de fyra vanligaste metoderna men också den minst exakta. Ett mikroskopobjektglas täcks med en suspension av prov i vatten och placeras sedan i en ugn vid 90 °C och får torka. För vissa prover kan torkning vid så höga temperaturer skada lerorna. I så fall är torkning i rumstemperatur ett alternativ men kommer att kräva mer tid. Orienteringen är vanligtvis rättvis och partiklar segregeras med de finaste partiklarna mot toppen. Denna metod producerar tunna filmer som ger felaktiga diffraktionsintensiteter vid måttliga och höga vinklar.
Smörjningsmetod
Detta är en snabb metod som är bra för att identifiera bulkprovbeståndsdelar. Provet krossas med en mortel och mortelstöt tills pulvret kan borstas på en glasskiva. Pulvret blandas sedan med några droppar av en dispergeringsmedelslösning, vanligtvis etanol men andra finns tillgängliga, och fördelas jämnt över objektglaset. Både stora och små kornstorleksfraktioner kan använda denna metod.
Filter membran peeling teknik
Denna teknik förhindrar storlekssegregering genom att använda antingen snabb filtrering eller snabb omrörning för att övervinna sedimenteringshastigheter . Provet hälls i en vakuumfilterapparat och filtreras snabbt men en del vätska lämnas kvar så att luft inte dras genom provet, den återstående vätskan dekanteras sedan. Det fuktiga provet vänds sedan upp och ner på en glasskiva och filterpapperet avlägsnas. Snabb filtrering gör att en representativ partikelstorlek samlas på filterpapperet som sedan vänds upp och ner och exponeras när det är monterat på ett objektglas.
Centrifugerad porös platta
Ger de bästa diffraktionsmönstren av de fyra vanligaste metoderna men kräver mest skicklighet och är mest tidskrävande. Efter färdigställandet har proverna tjocka aggregat och föredragen orientering. En speciell apparat utformad för att hålla en porös keramisk platta placeras i en centrifugbehållare och fylls med suspenderat prov. Centrifugering tvingar vätskan genom den porösa plattan och lämnar provet kvar för att torkas under 100 °C. En fördel med denna metod är att utbytbara katjoner kan avlägsnas genom att passera en kloridlösning genom plattan när provet har torkats. Utbyte av katjoner kan vara användbart när man etablerar toppar för standarder med variabla mellanskiktskatjoner. Till exempel har nontronit ett mellanskikt som kan innehålla både kalcium och natrium. Om ett okänt prov misstänktes endast innehålla en av dessa katjoner, kunde en mer exakt standard framställas genom att byta ut den oönskade katjonen.