Hostname: page-component-586b7cd67f-tf8b9 Total loading time: 0 Render date: 2024-11-27T22:50:38.945Z Has data issue: false hasContentIssue false
  • English
  • Français

Surface Conductivity and Dielectrical Properties of Montmorillonite Gels

Published online by Cambridge University Press:  01 July 2024

R. A. Weiler  and
J. Chaussidon
R. A. Weiler
Affiliation:
Center of biological and Colloidal Soil Chemistry, Catholic University of Louvain, Louvain, Belgium Centre National de la Recherche Agronomique, Versailles, France
J. Chaussidon
Affiliation:
Center of biological and Colloidal Soil Chemistry, Catholic University of Louvain, Louvain, Belgium Centre National de la Recherche Agronomique, Versailles, France
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Core share and HTML view are not available for this content. However, as you have access to this content, a full PDF is available via the ‘Save PDF’ action button.

The surface conductivity of salt free montmorillonite clay gels saturated with lithium, sodium, potassium and cesium has been studied. The theory of the behavior of heterogeneous dielectrics adapted to systems having a surface charge density has been applied to the clay gels. From numerical calculations it became evident that the value of the depolarization factor may be extrapolated to 1 in the direction of the small axis of the platelet, meaning that the field action is zero in this direction. Along the long axis, however, the action is complete and the motion of the charge carriers is essentially tangential to the platelet. The values of the surface conductance are of an order of magnitude of 10−9 Mho.

The investigation of the behavior of the water molecules has been carried out over a wide temperature range (145–320°K). At temperatures below 273°K, the conduction appears to be predominantly protonic; the counterions are considered to be disturbing elements in the water layer structures, thus creating a number of lattice defects able to transport the current. Above 273°K, the conduction is essentially due to the adsorbed cations, their contribution starts during the phase change.

Résumé

Résumé

La conductivité en surface de colloides d’argile montmorillonite sans sel, saturés au lithium, sodium, potassium et au césium a été étudiée. La théorie du comportement de diélectriques hétérogènes adaptés aux systèmes ayant une densité de charge en surface, a été appliquée aux colloides d’argile. D’après les calculs numériques, il était évident que la valeur du facteur de dé polarisation pouvait être extrapolée à une, dans le sens du petit axe de la plaquette, ce qui signifie que dans cette direction le champ d’action devient zéro. Toutefois, le long de l’axe le plus long, l’action est complète et le mouvement des porteurs de charge est surtout tangentiel à la plaquette. Les valeurs de la conductance de surface sont de l’ordre de 10−9 Mho.

La recherche du comportement des molécules d’eau a été faite pour une gamme étendue de températures (145–320°K). A des températures inférieures à 273°K, la conduction paraît être surtout protonique; les contre-ions sont considérés comme éléments perturbateurs dans les structures des couches d’eau créant ainsi un réseau de défauts capables d’entraîner le courant. Au-dessus de 273°K, la conduction est essentiellement due aux cations absorbés, leur contribution commençant au moment du changement de phase.

Kurzreferat

Kurzreferat

Die Oberflächenleitfähigkeit von salzfreien, mit Lithium, Natrium, Kalium und Cäsium gesättigten Montmorillonit-Ton-Gelen wurde untersucht. Die Theorie des Verhaltens heterogener Dielektrika, angepasst an Systeme mit Oberflächenladungsdichte, wurde auf die Ton-Gele angewendet. Aus zahlenmässigen Berechnungen ergab sich, dass der Wert des Depolarisierungsfaktors in der Richtung der kurzen Achse des Plättchens bis zum Wert eins extrapoliert werden kann, wodurch ausgesagt wird, dass die Feldwirkung in dieser Richtung null ist. Entlang der langen Achse ist die Wirkung jedoch vollständig und die Bewegung der Ladungsträger ist im wesentlichen tangentiell zum Plättchen. Die Werte der Oberflächenleitfähigkeit sind in der Grössenordnung von 10−9 Mho.

Die U ntersuchung des Verhaltens von Wassermolekülen wurde innerhalb eines weiten Temperaturbereiches von 145–320°K durchgeführt. Bei Temperaturen unterhalb 273°K scheint die Leitung vorwiegend protonisch zu sein; die Gegenionen werden als Störelemente in den Wasserschichtgefügen betrachtet, die eine Anzahl von Gitterdefekten schaffen, durch welche Leitung des Stromes ermöglicht wird. Oberhalb 273°K wird die Leitung im wesentlichen durch die adsorbierten Kationen besorgt, deren Beitrag während des Phasenwechsels beginnt.

Резюме

Резюме

Исследовалась поверхностная проводимость не содержащих соли монтмориллони- товых глинистых гелей, насыценных литием, натрием, калием и цезием. Теория поведения гетерогенных диэлектриков, приспособленная для систем, обладающих поверхностной плотностью заряда применялась в случае глинистых гелей.Числовое вычисление ясно показало, что значение коэффициента деполяризации может быть экстраполировано до единицы по направлению малой оси пластиночки, а это означает, что действие поля в этом направлении равняется нулю. Однако, вдоль длинной оси действие полное и движение носителей заряда в сущности тангенциально к этой пластинке. Значения поверхностной проводимости порядка 10−9 мксим.

Исследование поведения молекул воды проводилось в широком температурном диапазоне (145–320°К). При температурах ниже 237°К, проводимость как видно преимущественно протонная; противоионы считают расстраивающими элементами в структурах водяного слоя, образуя тем самым ряд дефектов решетки, которые могут переносить ток. Свыше 273 °К, проводимость является по существу следствием адсорбированных катионов, причем содействие их начинается во время фазового превращения.

Type
Research Article
Information
Clays and Clay Minerals , Volume 16 , Issue 2 , July 1968 , pp. 147 - 155
Copyright
Copyright © Clays and Clay Minerals 1968

Footnotes

*

Based on the dissertation submitted by R. A. Weiler for the Ph.D. degree.

References

Böttcher, C. J. F. (1952) Theory of Electric Polarization: Elsevier, Amsterdam .Google Scholar
Cremers, A. (1964) Electric Conductivity of Clay Gels: Thesis: Louvain, Belgium .Google Scholar
Debye, P. (1929) Polar Molecules: Dover, New York .Google Scholar
Mme Freymann, M. and Freymann, R. (1954) Spectre hertzien et structure des solides. II. Absorption Debye de l'eau libre et de l'eau liée: J. Phys. Radium 15, 165–175.CrossRefGoogle Scholar
Freymann, R. and Soutif, M. (1960) La Spectroscopic Hertzienne apliquée à la Chimie: Dunod, Paris .Google Scholar
Fricke, H. (1924) A mathematical treatment of the electric conductivity and capacity of disperse systems: Phys. Rev. 24, 575–587.CrossRefGoogle Scholar
Fricke, H. (1953) The electric permittivity of a dilute suspension of membrane-covered ellipsoids: J. Appl. Phys. 24, 644–646.CrossRefGoogle Scholar
Fricke, H. and Curtis, H. J. (1937) The dielectric properties of water-dielectric interphases: J. Phys. Chem. 41, 729–745.CrossRefGoogle Scholar
Fripiat, J. J., Jelli, A., Poncelet, G. and André, J. (1965) Thermodynamic properties of adsorbed water molecules and electrical conduction in montmorillonite and silicas: J. Phys. Chem. 69, 2185–2197.CrossRefGoogle Scholar
Frölich, E. (1958) Theory of Dielectrics: 2nd Edn, Clarendon Press, Oxford.Google Scholar
Girifalco, L. A. (1964) Atomic Migration in Crystals: Blaisdell, New York .Google Scholar
Gränicher, H., Jaccard, S., Scherrer, P. and Steinemann, A. (1957) Dielectric relaxation and the electrical conductivity of ice crystals: Discussions Faraday Soc. 23, 50–62.CrossRefGoogle Scholar
Martin, R. T. (1962) Adsorbed water on clay: a review: Clays and Clay Minerals, 9, 28–70. [Pergamon Press, New York].CrossRefGoogle Scholar
Maxwell, J. C. (1891) A Treatise on Electricity and Magnetism: Dover, New York .Google Scholar
O'Konski, S. T. (1960) Electric properties of macro- molecules. V. Theory of ionic polarization in poly- electrolytes: J. Phys. Chem. 64, 605–619.CrossRefGoogle Scholar
Oncley, J. L. (1942) The investigation of proteins by dielectric measurements: Chem. Rev. 30, 433–450.CrossRefGoogle Scholar
Schwan, H. P., Schwarz, G., Maczuk, J. and Pauly, H. (1962) On the low frequency dielectric dispersion of colloidal particles in electrolyte solution: J. Phys. Chem. 66, 2626–2635.CrossRefGoogle Scholar
Shewmon, P. G. (1953) Diffusion in Solids: McGraw-Hill, New York.Google Scholar
Sillars, R. W. (1937) The properties of a dielectric containing semiconducting particles of various shapes: J. Inst. Elec. Eng. 80, 378–394.Google Scholar
Street, N. (1956) Effect of surface conductance on drilling- mud resistivity: Bull. Am. Assoc. Petrol. Geologists 40, 1996–2000.Google Scholar
Takashima, S. and Schwan, H. P. (1965) Dielectrical dispersion of crystalline powders of amino acids, peptides and proteins: J. Phys. Chem. 69, 4176–4182.CrossRefGoogle ScholarPubMed
van Olphen, H. (1957) Surface conductance of various ion forms of bentonite in water and the electrical double layer: J. Phys. Chem. 61, 1276–1280.CrossRefGoogle Scholar
Von Hippel, A. R. (1961) Les Diélectriques et leurs Applications: Dunod, Paris .Google Scholar
Wagner, K. W. (1913) Zur Theorie der Unvolkommenen Dielektrika: Ann. Physik Bd 40, 817–855.CrossRefGoogle Scholar
Wagner, K. W. (1914) Erklärung der dielektrischen Nachwirkungsvorgänge auf Grund Maxwellscher Vorstellungen: Arch. Elektrotech. II Bd, 9 Heft, 371–387.CrossRefGoogle Scholar
Young, D. M. and Crowell, A. D. (1962) Physical Adsorption of Gases: Butterworths, London.Google Scholar