Kaolinit - Kaolinite

Kaolinit
Kaolinit z Twiggs County v Georgii v USA.jpg
Všeobecné
Kategorie Fylosilikáty
Kaolinit- serpentinová skupina
Vzorec
(opakující se jednotka)
Al
2
(ACH)
4
Si
2
Ó
5
Strunzova klasifikace 9.ED.05
Krystalový systém Triclinic
Krystalová třída Pedál (1)
(stejný symbol HM )
Vesmírná skupina P 1
Jednotková buňka a = 5,13  Á , b = 8,89 Ác
= 7,25 Á; a = 90 °
p = 104,5 °, y = 89,8 °; Z = 2
Identifikace
Barva Bílé až krémové, někdy červené, modré nebo hnědé odstíny od nečistot a světle žluté; také často obarvené různé odstíny, opálení a hnědé jsou běžné.
Krystalový zvyk Zřídka jako krystaly, tenké desky nebo skládané, častěji jako mikroskopické pseudohexagonální desky a shluky desek, agregované do kompaktních, jílovitých hmot
Výstřih Perfektní na {001}
Houževnatost Flexibilní, ale nepružný
Mohsova stupnice tvrdosti 2–2,5
Lesk Perleťově až matně zemité
Pruh Bílý
Specifická gravitace 2,16–2,68
Optické vlastnosti Dvouosý ( -)
Index lomu n α = 1,553–1,565,
n β = 1,559–1,569,
n γ = 1,569–1,570
2V úhel Měřeno: 24 ° až 50 °, Vypočítáno: 44 °
Reference
Kaolinit
Tradiční čínština 高嶺 石
Zjednodušená čínština 高岭 石
Doslovný překlad „Vězeňský kámen“

Kaolinit ( / k . Ə . L ɪ ˌ n t / Kay -ə-LIH-nyte ) je jílový minerál s chemickým složením Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 . Je to důležitý průmyslový minerál . Jedná se o vrstvený silikátový minerál s jedním tetraedrickým listem oxidu křemičitého ( SiO
4
) připojené přes atomy kyslíku k jednomu oktaedrickému listu oxidu hlinitého ( AlO
6
) octahedra. Skály, které jsou bohaté na kaolinitu jsou známé jako kaolín ( / k . Ə . L ɪ n / ), nebo porcelán jíl .

Název kaolin je odvozen od Gaoling ( Číňan :高嶺; pinyin : Gāolǐng ; rozsvícený 'High Ridge'), čínské vesnice poblíž Jingdezhen v jihovýchodní čínské provincii Jiangxi . Název vstoupil do angličtiny v roce 1727 z francouzské verze slova: kaolin , podle zpráv Françoise Xaviera d'Entrecolles o výrobě porcelánu Jingdezhen .

Kaolinit má nízkou kapacitu smršťování a bobtnání a nízkou kapacitu výměny kationtů (1–15 meq/100 g). Je to měkký, zemitý, obvykle bílý minerál (dioktahedrální fylosilikátová hlína ), vyráběný chemickým zvětráváním minerálů křemičitanu hlinitého jako živce . V mnoha částech světa je zbarvený růžovo-oranžově červeně oxidem železitým , což mu dodává výrazný rezavý odstín. Lehčí koncentrace poskytují bílé, žluté nebo světle oranžové barvy. Někdy se vyskytují střídavé vrstvy, například ve státním parku Providence Canyon v Georgii ve Spojených státech. Komerční kaolin je dodáván a přepravován ve formě suchého prášku, polosuchých nudlí nebo tekuté kaše .

Chemie

Zápis

Chemický vzorec pro kaolinitu, jak je používán v mineralogie je Al
2
Si
2
Ó
5
(ACH)
4
v keramických aplikacích je však vzorec obvykle napsán jako oxidy, takže pro kaolinit je vzorec Al
2
Ó
3
· 2SiO
2
· 2H 2 O
.

Struktura

Kaolinitová struktura ukazující mezivrstevné vodíkové vazby

Ve srovnání s jinými jílovými minerály je kaolinit chemicky a strukturně jednoduchý. Je popsán jako jílovitý minerál 1: 1 nebo TO, protože jeho krystaly sestávají ze skládaných vrstev TO . Každá vrstva TO se skládá z tetraedrického ( T ) listu složeného z křemíkových a kyslíkových iontů spojených s oktaedrickým ( O ) listem složeným z iontů kyslíku, hliníku a hydroxylu. T plech je tzv protože každý křemíku iont je obklopen čtyřmi ionty kyslíku, které tvoří čtyřstěn. O plech je tzv protože každý iont hliníku je obklopen šesti kyslíku nebo hydroxylové ionty, uspořádaných v rozích osmistěn. Dva listy v každé vrstvě jsou navzájem silně spojeny sdílenými kyslíkovými ionty, zatímco vrstvy jsou spojeny vodíkovou vazbou mezi kyslíkem na vnější straně T -listu jedné vrstvy a hydroxylem na vnějším povrchu O -plechu další vrstvy.

Kaolinitová vrstva nemá čistý elektrický náboj, a proto mezi vrstvami nejsou žádné velké kationty (jako je vápník, sodík nebo draslík) jako u většiny ostatních jílových minerálů. To odpovídá relativně nízké kapacitě iontové výměny kaolinitu. Úzká vodíková vazba mezi vrstvami také brání molekulám vody v infiltraci mezi vrstvami, což odpovídá nepolapitelnému charakteru kaolinitu.

Když jsou navlhčeny, malé destičkové krystaly kaolinitu získají vrstvu molekul vody, která způsobí, že se krystaly navzájem přilnou a dodají kaolinové hlíně soudržnost. Spoje jsou dostatečně slabé, aby umožnily deskám proklouznout kolem sebe, když se tvaruje hlína, ale dostatečně silné, aby udržely desky na místě a umožnily tvarované hlíně zachovat si tvar. Když je hlína vysušena, většina molekul vody se odstraní a vodíkové destičky se navzájem spojí, takže sušená hlína je tuhá, ale stále křehká. Pokud se hlína znovu navlhčí, stane se znovu plastickou.

Strukturální transformace

Kaolinitové skupinové jíly procházejí řadou fázových transformací po tepelném zpracování ve vzduchu za atmosférického tlaku.

Frézování

Vysokoenergetické mletí kaolinitu vede k vytvoření mechanochemicky amorfní fáze podobné metakaolinu , i když vlastnosti této pevné látky jsou zcela odlišné. Vysoce energetický proces frézování je vysoce neefektivní a spotřebovává velké množství energie.

Sušení

Při teplotě nižší než 100 ° C (212 ° F) expozice suchému vzduchu pomalu odstraní kapalnou vodu z kaolinu. Koncový stav této transformace se označuje jako „uschlý kůží“. Mezi 100 ° C a přibližně 550 ° C (1 022 ° F) je veškerá zbývající kapalná voda vytlačována z kaolinitu. Koncový stav pro tuto transformaci se označuje jako „kostní suchost“. V celém tomto teplotním rozmezí je vytlačování vody reverzibilní: pokud je kaolin vystaven kapalné vodě, bude reabsorbován a rozpadne se do své jemné částicové formy. Následné transformace nejsou reverzibilní a představují trvalé chemické změny.

Metakaolin

Endotermická dehydratace kaolinitu začíná při 550–600 ° C za vzniku neuspořádaného metakaolinu , ale kontinuální ztráta hydroxylu je pozorována až do 900 ° C (1650 ° F). Ačkoli historicky existovalo mnoho neshod ohledně povahy metakaolinové fáze, rozsáhlý výzkum vedl k obecné shodě, že metakaolin není jednoduchá směs amorfního oxidu křemičitého ( SiO
2
) a oxidu hlinitého ( Al
2
Ó
3
), ale spíše složitá amorfní struktura, která si zachovává určitý řád delšího dosahu (ale ne striktně krystalický ) díky stohování svých hexagonálních vrstev.

Spinel

Další ohřev na 925–950 ° C převádí metakaolin na spinel hliník-křemík, který je někdy také nazýván strukturou typu gama-oxidu hlinitého:

Krevní destičky mullite

Při kalcinaci nad 1050 ° C se fáze spinelu vytvoří nukleace a transformuje se na destičkový mullit a vysoce krystalický cristobalit :

Mullit jehly

Konečně se při 1400 ° C objevuje „jehla“ forma mullitu , která nabízí podstatné zvýšení strukturální pevnosti a tepelné odolnosti. Toto je strukturální, ale ne chemická transformace. Viz kamenina Více informací o tomto formuláři.

Výskyt

Kaolinit je jedním z nejběžnějších minerálů; těží se jako kaolin v Malajsii , Pákistánu , Vietnamu , Brazílii , Bulharsku , Bangladéši , Francii , Velké Británii , Íránu , Německu , Indii , Austrálii , Jižní Koreji , Čínské lidové republice , České republice , Španělsku , jihu Afrika , Tanzanie a Spojené státy .

Pláště kaolinitického saprolitu jsou běžné v západní a severní Evropě. Stáří těchto plášťů je mezozoikum až raný kenozoik.

Kaolinitový jíl se vyskytuje v hojnosti v půdách , které vznikly chemickým zvětráváním hornin v horkém a vlhkém podnebí - například v oblastech tropických deštných pralesů . Při srovnání půd podél gradientu směrem k postupně chladnějšímu nebo suššímu podnebí se podíl kaolinitu snižuje, zatímco podíl dalších jílových minerálů, jako je illit (v chladnějších klimatech) nebo smektit (v sušším podnebí), se zvyšuje. Tyto klimaticky související rozdíly v obsahu jílových minerálů se často používají k odvození změn podnebí v geologické minulosti, kde byly pohřbeny a konzervovány starodávné půdy.

V klasifikačním systému Institut National pour l'Etude Agronomique au Congo Belge (INEAC) se zeminy, ve kterých je jílovou frakcí převážně kaolinit, nazývají kaolisol (z kaolinu a půdy).

V USA se hlavní ložiska kaolinu nacházejí ve střední Gruzii , na úseku pádové čáry Atlantického pobřeží mezi Augustou a Maconem . Tato oblast třinácti krajů se nazývá pás „bílého zlata“; Díky velkému množství kaolinu je Sandersville známé jako „hlavní město kaolinu světa“. Na konci 19. století existoval aktivní povrchový těžební průmysl kaolinu v extrémním jihovýchodním rohu Pensylvánie, poblíž měst Landenberg a Kaolin a v dnešní háji White Clay Creek. Výrobek byl dovezen vlakem do Newarku, Delaware , na lince Newark-Pomeroy , podél které je stále vidět mnoho jílovitých dolů. Ložiska byla vytvořena mezi pozdní křídou a raným paleogenem , asi před 100 až 45 miliony let, v sedimentech odvozených ze zvětralých vyvřelých a metakaolinových hornin. Produkce kaolinu v USA v roce 2011 činila 5,5 milionu tun.

Během termálního období Paleocene – Eocene byly sedimenty uložené v oblasti Španělska Esplugafreda obohaceny o kaolinit z detritálního zdroje v důsledku denudace .

Syntéza a geneze

Obtíže se vyskytují při pokusu vysvětlit tvorbu kaolinitu za atmosférických podmínek extrapolací termodynamických dat z úspěšnějších vysokoteplotních syntéz. La Iglesia a Van Oosterwijk-Gastuche (1978) si mysleli, že podmínky, za kterých bude kaolinit nukleakovat, lze odvodit ze diagramů stability na základě údajů o rozpouštění. Kvůli nedostatku přesvědčivých výsledků ve svých vlastních experimentech však La Iglesia a Van Oosterwijk-Gastuche (1978) museli dojít k závěru, že na nukleaci kaolinitu při nízkých teplotách se podílejí další, dosud neznámé faktory. Kvůli pozorovaným velmi pomalým rychlostem krystalizace kaolinitu z roztoku při pokojové teplotě Fripiat a Herbillon (1971) postulovali existenci vysokých aktivačních energií při nukleaci kaolinitu při nízké teplotě.

Při vysokých teplotách se rovnovážné termodynamické modely jeví jako uspokojivé pro popis rozpouštění a nukleace kaolinitu , protože tepelná energie stačí k překonání energetických bariér zapojených do procesu nukleace . Význam syntéz při teplotě okolí a atmosférickém tlaku pro pochopení mechanismu podílejícího se na nukleaci jílových minerálů spočívá v překonání těchto energetických bariér. Jak naznačují Caillère a Hénin (1960), příslušné procesy budou muset být studovány v přesně definovaných experimentech, protože je prakticky nemožné izolovat příslušné faktory pouhou dedukcí ze složitých přírodních fyzikálně-chemických systémů, jako je půdní prostředí. Fripiat a Herbillon (1971) v přehledu o tvorbě kaolinitu nastolili zásadní otázku, jak lze neuspořádaný materiál (tj. Amorfní frakce tropických půd) vůbec transformovat do odpovídající uspořádané struktury. Zdá se, že tato transformace probíhá v půdách bez větších změn prostředí, v relativně krátkém časovém období a při teplotě okolí (a tlaku ).

Nízkoteplotní syntéza jílových minerálů (například kaolinit) má několik aspektů. V první řadě musí být kyselina křemičitá dodávaná do rostoucího krystalu v monomerní formě, tj. Oxid křemičitý by měl být přítomen ve velmi zředěném roztoku (Caillère et al., 1957; Caillère a Hénin, 1960; Wey a Siffert, 1962 ; Millot, 1970). Aby se zabránilo tvorbě amorfních křemičitých gelů srážecích z přesycených roztoků bez reagovat s hliníku nebo hořčíku, kationty za vzniku krystalické silikáty je kyselina křemičitá , musí být přítomny v koncentraci nižší, než je maximální rozpustnosti amorfního oxidu křemičitého. Princip tohoto předpokladu lze nalézt ve strukturní chemii: „Protože polysilikátové ionty nemají jednotnou velikost, nemohou se uspořádat spolu s ionty kovů do pravidelné krystalové mřížky.“ (Iler, 1955, s. 182)

Druhým aspektem nízkoteplotní syntézy kaolinitu je, že kationty hliníku musí být hexacoordinovány s ohledem na kyslík (Caillère a Hénin, 1947; Caillère et al., 1953; Hénin a Robichet, 1955). Gastuche a kol. (1962), stejně jako Caillère a Hénin (1962), došli k závěru, že pouze v těch případech, kdy je hydroxid hlinitý ve formě gibbsitu , může vůbec vzniknout kaolinit. Pokud ne, bude vytvořená sraženina „smíšený alumino-křemičitý gel“ (jak řekl Millot, 1970, s. 343). Pokud by to byl jediný požadavek, velké množství kaolinitu by se dalo sklidit jednoduše přidáním prášku gibbsitu do roztoku oxidu křemičitého. Nepochybně dojde k výraznému stupni adsorpce oxidu křemičitého v roztoku na povrchy gibbsitu, ale jak již bylo uvedeno, pouhá adsorpce nevytváří vrstevnatou mřížku typickou pro krystaly kaolinitu.

Třetím aspektem je, že tyto dvě počáteční složky musí být začleněny do jednoho a téhož smíšeného krystalu se strukturou vrstvy. Z následující rovnice (jak uvádí Gastuche a DeKimpe, 1962) pro tvorbu kaolinitu

je vidět, že z každé vytvořené molekuly kaolinitu musí být z reakce odstraněno pět molekul vody . Terénní důkazy ilustrující důležitost odstranění vody z kaolinitové reakce poskytli Gastuche a DeKimpe (1962). Při studiu tvorby půdy na čedičové hornině v Kivu ( Zaïre ) si všimli, jak výskyt kaolinitu závisí na „degrée de odvodnění“ příslušné oblasti. Bylo zjištěno jasné rozlišení mezi oblastmi s dobrou drenáží (tj. Oblastmi s výrazným rozdílem mezi vlhkým a suchým obdobím) a oblastmi se špatnou drenáží (tj. Trvale bažinaté oblasti). Kaolinit byl nalezen pouze v oblastech s výraznými sezónními střídáními mokra a sucha. Možný význam střídání vlhkých a suchých podmínek při přechodu allofanu na kaolinit zdůraznili Tamura a Jackson (1953). Roli střídání smáčení a sušení při tvorbě kaolinitu zaznamenal také Moore (1964).

Laboratorní syntézy

Syntézy kaolinitu za vysokých teplot (více než 100 ° C [212 ° F]) jsou poměrně dobře známy. Existují například syntézy Van Nieuwenberga a Pieterse (1929); Noll (1934); Noll (1936); Norton (1939); Roy a Osborn (1954); Roy (1961); Hawkins a Roy (1962); Tomura a kol. (1985); Satokawa a kol. (1994) a Huertas et al. (1999). Známých je relativně málo nízkoteplotních syntéz (srov. Brindley a DeKimpe (1961); DeKimpe (1969); Bogatyrev et al. (1997)).

Laboratorní syntézy kaolinitu při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku popsal DeKimpe et al. (1961). Z těchto testů je role periodicity přesvědčivě jasná. DeKimpe a kol. (1961) používali denní přídavky oxidu hlinitého (jako AlCl
3
· 6 H
2
O
) a oxid křemičitý (ve formě ethylsilikátu ) po dobu nejméně dvou měsíců. Kromě toho se úpravy pH prováděly každý den přidáním kyseliny chlorovodíkové nebo hydroxidu sodného . Taková denní přidávání Si a Al do roztoku v kombinaci s denními titracemi kyselinou chlorovodíkovou nebo hydroxidem sodným po dobu alespoň 60 dnů zavedou nezbytný prvek periodicity. Teprve nyní lze plně porozumět skutečné roli toho, co bylo popsáno jako „stárnutí“ ( Alterung ) amorfních alumino-silikátů (jak například poznamenal Harder, 1978). Čas jako takový nepřináší v uzavřeném systému v rovnováze žádnou změnu; ale řada střídání, periodicky se měnících podmínek (podle definice, probíhajících v otevřeném systému), způsobí nízkoteplotní tvorbu více a více stabilního fázového kaolinitu místo (špatně definovaných) amorfních alumino-silikátů .

Využití

Hlavní využití minerálu kaolinitu (asi 50% času) je výroba papíru ; jeho použití zajišťuje lesk na některých třídách křídového papíru .

Kaolin je také známý pro své schopnosti indukovat a urychlovat srážení krve. V dubnu 2008 US Naval Medical Research Institute oznámila úspěšné použití kaolinitu odvozený hlinito infuze v tradičním gázou , známou komerčně jako QuikClot Combat gáza, který je ještě hemostat volby pro všechna odvětví americké armády.

Kaolin se používá (nebo byl používán v minulosti):

Geofágie

Lidé někdy jedí kaolin pro potěšení nebo k potlačení hladu, což je praxe známá jako geofagie . V Africe je kaolin používaný pro takové účely známý jako kalaba (v Gabonu a Kamerunu ), calaba a calabachop (v Rovníkové Guineji ). Konzumace je větší u žen, zejména během těhotenství, a někdy ji ženy v tomto regionu uvádějí jako zvyk analogický s kouřením cigaret u mužů.

Tato praxe byla také pozorována u malé populace afroamerických žen v jižních Spojených státech , zejména v Gruzii . Tam se kaolinu říká bílá špína , křída nebo bílá hlína .

Bezpečnost

Lidé mohou být vystaveni kaolinu na pracovišti dýcháním prášku nebo při kontaktu s kůží nebo očima.

Spojené státy

Úřad pro bezpečnost a ochranu zdraví při práci (OSHA) stanovil zákonný limit ( přípustný expoziční limit ) pro expozici kaolinu na pracovišti jako celkovou expozici 15 mg/m 3 a respirační expozici 5 mg/m 3 během 8hodinového pracovního dne. Národní institut pro bezpečnost a ochranu zdraví (NIOSH) stanovila omezení doporučená expozice (REL), 10 mg / m 3 celkové expozice TWA 5 mg / m 3 expozice respirační přes 8 hodin pracovního dne.

Geotechnické inženýrství

Výsledky výzkumu ukazují, že využití kaolinitu v geotechnickém inženýrství lze alternativně nahradit bezpečnějším illitem, zvláště pokud je jeho přítomnost menší než 10,8% z celkového horninového masivu.

Viz také

Reference

Citace

Obecné reference

externí odkazy