Hydroxyl Stretching Frequencies of Synthetic Ni-, Al-, and Mg-Hydroxy Interlayers in Expanding Clays

Abstract

Interlayers were produced in montmorillonite, vermiculite and hectorite in aqueous suspensions by precipitation from metal chloride salt, by hydrolysis of metal amalgams, and by slow hydrolysis of metal acetate during refluxing. In several systems an external phase of bayerite, gibbsite, or brucite was also formed. A prominent high frequency OH stretching vibration is associated with the interlayer in montmorillonites with approximate frequencies of 3660 cm⁻¹ with nickel interlayers, 3690 cm⁻¹ with aluminium interlayers and 3710 cm⁻¹ with magnesium interlayers. Pleochroism studies indicate transition moment of interlayer OH to be at a relatively high angle to the planar surface of the clay crystals. Aluminium interlayers show some evidence of an additional weak absorption in the lower frequency region of 3570–3600 cm⁻¹. In differential studies the lower frequency absorption is more evident and is shown to be unaffected by orientation. Techniques involving balancing of water deformation bands in differential spectra and D₂O exchange suggest that it is not a water band. D₂O flushing to remove water leaves the low frequency interlayer OH band more prominent in hectorite where the clay crystal OH is at 3680 cm⁻¹. Deuteration studies show that flushing with D₂O at room temperature removes water, and heating at 100°C in D₂O vapor exchanges interlayer OH but not the clay crystal OH. Study of the OD stretching of the systems with deuterated interlayers supports observations made in the OH stretching bands.

Résumé

On a produit des feuillets interstratifies dans le montmorillonite, le vermiculite et l’hectorite en suspensions acqueuses, par précipitation de sel de chlorure métallique, par hydrolyse d’amalgames de métal, et par hydrolyse lente d’acétate métallique pendant le refluage. Dans plusieurs systèmes, on a aussi remarqué une formation externe de bayerite, de gibbsite ou de brucite. Une vibration étendue à haute fréquence OH et d’importance prominente est associée à le feuillet interstratifie dans les montmorillonites avec des fréquences approximatives de 3660 cm⁻¹ pour les couches intermédiaires en nickel, de 3690 cm⁻¹ bour des feuillets interstratifies en aluminium et 3710 cm⁻¹ pour les feuillets interstratifies en magnésium. Des études de pléochroïsme indiquent un moment de transition de le feuillet interstratifie OH qui doit être à un angle relativement élevé de la surface plane des cristaux d’argile. Des couches intermédiaires d’aluminium mettent en évidence la faible absorption supplémentaire dans la zone de plus basse fréquence de 3570 à 3600 cm⁻¹. Dans des études différentielles l’absorption en basse fréquence est plus évidente et elle n’est pas affectée par l’orientation. Des techniques intéressant le mouvement oscillant des bandes de déformation de l’eau dans des spectres différentiels et dans l’échange de D₂O suggèrent que ce n’est pas une bande d’eau. L’enlèvement de l’eau par D₂O laisse la bande de le feuillet interstratifie OH de basse fréquence plus en évidence que dans l’hectorite où le cristal d’argile OH est à 3680 cm⁻¹. Des études de deutération montrent que le balaiement avec D₂O à la température ambiante enlève l’eau et le chauffage à 100°C dans la vapeur de D₂O échange le feuillet interstratifie OH mais pas le cristal argileux OH. L’étude de l’élongation OD des systèmes avec des feuillets interstratifies deutérisées soutient les observations faites dans les bandes d’élongation OH.

Kurzreferat

In Montmorillonit, Vermiculit und Hectorit wurden in wässrigen Suspensionen Zwischenschichten erzeugt und zwar durch Niederschlag aus Metallchloridsalz, durch Hydrolyse des Metallamalgams und durch langsame Hydrolyse des Metallazetates während des Rücklaufes. In verschiedenen Fällen wurde auch eine äussere Phase von Bayerit, Gibbsit oder Brucit gebildet. Eine ausgesprochene Hochfrequenz OH Streckschwingung ist in Montmorilloniten mit der Zwischenschicht verknüpft, und zwar bei ungefähren Frequenzen von 3660 cm⁻¹ mit Nickel Zwischenschichten, 3690 cm⁻¹ mit Aluminium Zwischenschichten und 3710 cm⁻¹ mit Magnesium Zwischenschichten. Pleochroismus-Studien deuten darauf hin, dass das Übergangsmoment des Zwischenschicht-OH an einem verhältnismässig hohem Winkel zu der ebenen Fläche der Tonkristalle ist. Aluminium-Zwischenschichten besitzen Anzeichen einer zusätzlichen schwachen Absorption im niedrigeren Frequenzbereich von 3570 bis 3660 cm⁻¹. In Differenzialstudien kommt die niedrigere Frequenzabsorption mehr zum Ausdruck und es zeigt sich, dass sie orientierungsunabhängig ist. Techniken, die eine Ausgleichung von Wasserdeformationsändern in Differenzialspektren und D₂O Austausch mit einschliessen, deuten darauf hin, dass es kein Wasserband ist. Spülen mit D₂O, um das Wasser zu entfernen, bringt das Niedrigfrequenzschicht OH Band mehr zur Geltung im Hektorit, wo das Tonkristall-OH bei 3680 cm⁻¹ liegt. Deuterationsstudien zeigen an, dass eine Spülung mit D₂O bei Zimmertemperatur Wasser entfernt, und dass Erwärmung auf 100° in D₂O Dampf das Zwischenschicht-OH austauscht, aber nicht das Tonkristall-OH. Eine Untersuchung der OD-Streckung der Systeme mit deuterisierten Zwischenschichten bekräftigt die in den OH-Streckbändern gemachten Beobachtungen.

Резюме

Прослойки были изготовлены из монтмориллонита, вермикулита и гекторита в водных суспензиях осаждением из хлорида металла, гидролизом амальгам металлов и медленным гидролизом металлического ацетата в ходе дефлегмации. В ряде систем образуется также внешняя (диспергирующая) фаза байерита, гибсита или брусита. Крупное высокочасто тное расширяющее колебание ОН связано с промежуточным слоем в монтмориллонитах при частотах прибл. 3660 см⁻¹ с никелевыми прослойками, 3690 см⁻¹ с алюминиевыми прослойками и 3710 см⁻¹ с магниевыми прослойками. Исследования плеохроизма указывают, что переходной момент промежуточного слоя ОН будет под относительно высоким углом к плоскостной поверхности кристаллов глины. Алюминиевые прослойки дают некоторые указания дополнительной слбой абсорбции в более низком диапазоне 3570–3600 см⁻¹. В дифференциальных изучениях низшечастотная абсорбция более очевидна и не подвергается воздействию ориентации. Методы включающие уравновешивание полос водяной деформации в дифференциальных спектрах и в обмене D₂О подсказывают, что это не водяная полоса. Промывка D₂О для удаления воды оставляет низкочастотную полосу промежуточного слоя ОН более выступающей в гекторите, где кристалл глины ОН-3680 см⁻¹. Исследования дейтерирования показывают, что промывка, пользуясь D₂О при комнатной температуре удаляет воду, а нагрев при 100°С в парах D₂О обменивает прослоек ОН, но не кристалл глины ОН. Исследование расширения ОD систем посредством дейтерированных промежуточных слоев подтверждает наблюдения, полученные в расширяющих полосах ОН.