Effects of Oxidation State of Octahedral Iron on Clay Swelling

Abstract

Three montmorillonites and a nontronite were reduced by sodium dithionite to obtain different amounts of Fe²⁺ in their octahedral sites. The mass ratio of water to clay, m_w/m_c was determined as a function of Fe²⁺ at several values of the swelling pressure, π. The value m_wm_c decreased markedly with increasing Fe²⁺ at each value of π for each clay. Moreover, curves of π vs. m_wm_c for the different clays were displaced downwards as Fe²⁺ increased. A straight line was obtained when In(π + 1) was plotted against 1/(m_w/m_c) however, at some oxidation states of three of the samples this line exhibited a sharp break at a specific value of 1/(_w/m_c. The slope of the line decreased for each clay as Fe²⁺ increased, and an increase in Fe²⁺ was accompanied by an increase in the cation exchange capacity. These observations are thought to be due to a collapse or partial collapse of the superimposed clay layers resulting from the increase in cation-exchange capacity.

Резюме

Три монтмориллониты и нонтронит восстанавливались при помощи дитионита натрия, чтобы получить различные количества Fe²⁺ в их октаэдрических местах. Отношение массы воды до массы глины, м,/м_г, определялось как функция Fe²⁺ при нескольких величинах давления набухания, П. Значение м_в/м_г уменьшалось значительно с увеличением Fe²⁺ при всех величинах П для каждой глины. Кроме того, кривые П как функции м,/м_г для различных глин перемещались вниз, когда Fe²⁺ увеличивалось. Прямая линия получалась для функции 1п(П + 1) в зависимости от 1/(м_в/м_г); однако, при некоторых состояниях окисления трех образцов эта линия имела острый перелом при опреде¬ленном значении 1/(м_в/м_г). Наклон линии уменьшался для каждой глины, тогда как Fe²⁺ увеличи¬валось, и увеличению Fe²⁺ сопутствовало увеличение катионообменной способности. Предполагается, что эти наблюдения были в результате полного или частичного разрушения наложенных глинистых слоев, получающихся в следствие увеличения катионообменной способности. [Е.G.]

Resümee

Drei Montmorillonite und ein Nontronit wurden mittels Na-Dithionit reduziert, um verschiedene Fe²⁺-Gehalte auf den Oktaederplätzen zu erhalten. Das Mengenverhältnis von Wasser zu Ton, m_w/m_c wurde als eine Funktion von Fe²⁺ bei verschiedenen Werten des Quelldruckes, II, bestimmt. Der m_w/m_c-Wert nahm mit zunehmendem Fe²⁺ bei jedem n-Wert für jeden Ton beachtlich ab. Darüberhinaus verlagerten sich die Kurven, bei denen II gegen m_w/m_c für die verschiedenen Tone aufgetragen sind, mit zunehmendem Fe²⁺ nach unten. Eine gerade Linie wurde erhalten, wenn ln(II + 1) gegen l/(m_w/m_c) aufgetragen wurde; jedoch zeigte diese Linie bei einigen Oxidationszuständen bei 3 der Proben einen scharfen Knick bei einem spezifischen Wert von l/(m_w/m_c). Die Neigung der Linie nahm für jeden Ton ab, wenn Fe²⁺ zunahm, und eine Zunahme des Fe²⁺ wurde von einer Zunahme der Kationenaustausch-kapazität begleitet. Man nimmt an, daß diese Beobachtungen mit einem Zusammenbruch oder einem teilweisen Zusammenbruch der überlagerten Tonlagen zusammenhängen, der von der Zunahme der Kationenaustauschkapazität herrührt. [U.W.]

Résumé

Trois montmorillonites et une nontroni te ont été réduites par une dithionite de sodium pour obtenir différentes quantités de Fe²⁺ dans leurs sites octaèdraux. La proportion de masse d'eau à argile m_w/m_c a été déterminée en fonction de Fe²⁺ à plusieurs valeurs de la pression de gonflement H. La valeur m_w/m_c a diminué de manière marquée au fur et à mesure de l'augmentation de Fe²⁺ à chaque valeur de n pour chaque argile. De plus, les courbes de II vs. m_w/m_c, pour différentes argiles ont été déplacées vers le bas au fur et à mesure de l'augmentation de Fe²⁺. On a obtenu une ligne droite lorsqu'on a relevé ln(n + 1) vs. 1/(m_w/m_c); cette droite a cependant exhibé une cassure nette à une valeur spécifique de l/(m_w/m_c) à certains états d'oxidàtion des trois échantillons. L'inclinaison de la droite a diminué pour chaque argile au fur et à mesure de l'augmentation de Fe²⁺, et une augmentation de Fe²⁺ a été accompagnée d'une augmentation de la capacité d’échange de cations. On croit que ces observations sont dues à l'affaissement ou l'affaissement partiel des couches d'argile superimposées résultant de l'augmentation de la capacité d’échange de cations. [D.J.]