Etude des propriétés physico-chimiques de silices lamellaires synthétiques : le rôle de l'eau
Institution:
Vandoeuvre-les-Nancy, INPLDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
This study is devoted to the hydration and swelling behavior of a synthetic layered silica : magadiite, whichl formula can be written as Na2SiI4029. 9H20. This mineral of unknown crystallographic structure was obtained by hydrothermal synthesis and subsequently exchanged with H+, K+, Mg2+ and Ca2+. All the samples were characterized by chemical, thermal and textural analyses, XRD, 29Si NMR and IR. Magadiite is formed by platelets about 2 μm in length, which thickness inversely depends on cation polarisability. The layer formed by six-membered rings of silica that do not contain the interlayer cation, is not significantly affected by the nature of the exchangeable species. Except for H-magadiite, the water, BET specific surface area is much higher than the nitrogen one. Hydration was followed by water adsorption gravimetry, XRD and IR (including deuteration experiments) under controlled water pressures, and 29Si NMR and Raman under adjustable vacuum. The hydration of monovalent magadiites occurs in! two steps. At low relative pressure, water molecules are in a CI symmetry. For higher relative pressure, the second step of hydration leads to water molecules with a C2v symmetry. This scheme remains valid for magnesium but all the phenomena occur at much higher relative pressure. On the contrary, calcium is located between two Si-O- bonds of the silica framework. Even high water contents do not induce calcium displacement from its initial position
Abstract FR:
Cette étude contribue à la compréhension des mécanismes d'hydratation et de gonflement de silices lamellaires synthétiques. Le solide utilisé, dont la structure cristallographique est inconnue, est une magadiite, Na2Si 14O29- 9H20, obtenue par synthèse hydrothermale et dont les ions sodium ont ensuite été échangés par H+, K+, Mg2+ et Ca2+. Ces échantillons ont été caracterisés par analyses chimiques, thermiques, texturales, DRX, RMN du 29Si et IR. La magadiite se présente sous forme de plaquettes d'environ 2 μm de largeur, dont I'épaisseur varie à I'inverse de la polarisabilité du cation compensateur. Ses feuillets silicatés, peu affectés par Ie changement de cation compensateur, sont constitués de cycles à six tétraèdres qui, à l'inverse d'autres minéraux Iamellaires, ne contiennent pas Ie cation interfoliaire. A I'exception de la forme protonée, elle developpe, comme les matériaux gonflants, une surface spécifique à I'eau beaucoup plus importante que la surface spécifique à l'azote. L'hydratation a été suivie par gravimétrie d'adsorption d'eau, DRX et IR à différentes pressions relatives en eau et deutération, RMN du 29Si et Raman sous différentes conditions de mise sous vide. L'hydratation des magadiites monovalentes a lieu en deux étapes. A faible pression relative, les molécules d'eau se trouvent en symétrie C I. A plus forte pression relative, la seconde étape du gonflement génère des molécules d'eau en symetrie C2v. Ce schéma d'hydratation reste valable lorsque Ie magnésium est Ie cation interfoliaire, avec toutefois des étapes de gonflement retardées par rapport à celIes des cations monovalents. En revanche, Ie calcium, bien que divalent et de taille équivalente au sodium, se place entre deux liaisons Si-O- du feuillet et les molécules d'eau ne parviennent pas à Ie perturber