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Proprietes d’hydratation et structure des phlogopites alterees biioniques (Na, Ca) et (Na, K)
Jean Pierre Gaultier
To cite this version:
Jean Pierre Gaultier. Proprietes d’hydratation et structure des phlogopites alterees biioniques (Na,
Ca) et (Na, K). Agronomie, EDP Sciences, 1983, 3 (10), pp.1037-1043. �hal-02727680�
Propriétés d’hydratation et structure des phlogopites
altérées biioniques (Na, Ca) et (Na, K)
Jean-Pierre GAULTIER
LN.R.A., Station de Science du Sol, route de Saint-Cyr, F78000 Versailles
RÉSUMÉ L’étude simultanée des propriétés d’hydratation et des propriétés structurales des espaces interfoliaires des
phlogopites altérées biioniques - (Na, Ca) et - (Na, K) a permis de préciser la répartition de ces différents
cations dans ces espaces interfoliaires. Du point de vue de l’hydratation, lorsque ces minéraux sont maintenus
dans une humidité relative de 40 p. 100, le comportement des échantillons - (Na, Ca) est identique au comportement du minéral calcique dès que la fraction ionique équivalente de calcium dépasse 0,5 et le comportement des échantillons - (Na, K) est identique au comportement du minéral potassique dès que la fraction ionique équivalente de potassium dépasse 0,8. En conséquence, la détermination du comportement de ce type de minéraux vis-à-vis de l’hydratation à l’aide des seules techniques de diffraction des rayons X n’est pas suffisante pour déterminer la composition cationique exacte des espaces interfoliaires.
Mots clés additionnels : Démixtion, diffraction des rayons X, interstratifieation.
SUMMARY Hydration properties and structure of weathered biionic (Na, Ca) and (Na, K) phlogopites.
Simultaneous studies of hydration properties and structural properties of interlamellar spaces of (Na, Ca) -
and (Na, K) - biionic weathered phlogopites allowed us to determine the distribution of these different cations in the interlamellar spaces. From the hydration point of view, when these minerals were kept in a relative humidity of 40 °lo, the behaviour of - (Na, Ca)-samples was identical to the behaviour of Ca-phlogopite when
the equivalent ionic fraction of calcium was greater than 0.5, and the behaviour of - (Na, K) - samples was
identical to the behaviour of K-phlogopite when the equivalent ionic fraction of potassium was greater than 0.8. It should be noted that, in determining the hydration behaviour of this type of mineral, the X ray diffraction technique alone is not sufficient to give the exact composition of the interlamellar spaces.
Additional key words : Demixing, X ray diffraction, interstratification.
1. INTRODUCTION
Les propriétés d’hydratation des silicates phylliteux sont
bien connues. Un gonflement anisotrope par insertion de molécules d’eau entre les feuillets conduit à observer, à l’aide de la diffraction des rayons X, des valeurs des distances interfoliaires d ooi variant par palier d’une hauteur
voisine de 2,5 t!. Ce gonflement dans les vermiculites ou les
« micas vermiculitisés » est limité à l’insertion de 2 couches d’eau et d ooj prend successivement des valeurs voisines de
10, 12,5 et 15 À selon la valeur de l’humidité relative dans
laquelle est placé le minéral. La valeur de d wi dans une
humidité relative donnée est aussi fonction du cation qui
compense le déficit de charge du feuillet : cette valeur est une caractéristique du minéral ainsi déterminé. Cependant,
on a pu remarquer que, lorsque 2 cations compensent
simultanément le déficit de charge du feuillet (on parle alors
de minéraux biioniques), les diagrammes de diffraction ne
présentent pas de modifications qui soient directement en
rapport avec les teneurs respectives en différents cations. Ce
problème peut présenter une certaine importance car la
détermination de minéraux dans des analyses de sol se fait
souvent sur la base des résultats de la diffraction des rayons X. Une détermination précise de ces minéraux peut donc nécessiter la connaissance plus exacte du comportement de minéraux biioniques vis-à-vis de l’hydratation et du gonfle-
ment ainsi que leur influence sur les diagrammes de
diffraction des rayons X. Il est donc apparu important de
connaître plus précisément les modalités d’hydratation des
minéraux biioniques et de voir s’il est possible de corréler les propriétés de gonflement à l’eau aux teneurs respectives
en différents cations.
II. IVfATÉRIAUX ET MÉTHODES
A. Matériau utilisé
Le minéral utilisé est une ph.logopite provenant de Madagascar ; la formule chimique du matériau brut est :
(Si 2 ,
77 Al l , 18 Fe!;5) (MgZ,19 Al o ,48 Fe! Fe!,!8 Tio, 043 ° 0 , 15 )
° 1O (OH) I , 85
Fo,I!;(Ko,83 Na,, 07 ).
Le minéral est broyé jusqu’à l’obtention d’une taille de
particules comprise entre 50 et 100 gm.
Par contacts répétés à 80 °C avec du chlorure de sodium,
on peut extraire le potassium interfoliaire et le remplacer
par du sodium. Ceci s’accompagne d’une hydratation du minéral, c’est-à-dire de l’insertion dans l’espace interfoliaire de 1 ou 2 couches de molécules d’eau selon l’humidité relative dans laquelle est situé le minéral après l’échange.
La fabrication de minéraux biioniques - (Na, Ca) ou - (Na, K) se fait a.lors à partir de ce minéral mis sous forme
sodique. Un contact unique de 24 h à la température ambiante avec des solutions de sel CaC’ 2 ou KCI de
concentrations connues permet la réalisation de phlogopites biioniques avec des teneurs en ions Na + et Ca 2+ (ou K + )
connues précisément. Ces valeurs sont déterminées par
dosage des ions Ca 2+ ou K + restant en solution après l’échange et confirmées par le dosage des ions Na + passant
en solution. Après lavage et élimination des ions en excès, le minéral est mis dans un porte échantillon sur le diffracto- mètre et enfermé dans une cellule spéciale dans laquelle
sont maintenues une humidité relative de 40 p. 100 et une
température de 20 °c.
La forme en plaquettes des cristallites fait que la poudre
de mica présente des propriétés particulières : il y a en effet
un phénomène d’orientation préférentielle qui se manifeste
sur les diagrammes de diffraction des rayons X par l’amplifi-
cation des raies 001, dont le paramètre correspondant d.,,
est un excellent indicateur de l’état d’hydratation du miné- ral, et par la disparition des autres raies d’indice hkl
quelconque. Dans ces conditions expérimentales, des phlo- gopites de même provenance dont les espaces interfoliaires sont entièrement occupés par des ions Ca z+ , Na + ou K + ont
des propriétés d’hydratation très différentes. La phlogopite
-
Ca présente une hydratation dite à « 2 couches d’eau
interfoliaire » et d wi vaut 14,76 ! ; la phlogopite - Na possède « 1 couche d’eau interfoliaire » et d wi vaut
12,15 À ; la phlogopite-K est déshydratée et d ooi vaut 10,09 Â.
Les proportions des différents cations dans les échantil- lons sont définies comme les fractions ioniques équiva-
lentes :
L’indice p se rapporte à la phlogopite et les valeurs entre crochets sont exprimées en meq pour 100 g de minéral séché à 1100 O C.
B. Méthode de travail
La méthode utilisée est la comparaison du diagramme expérimental avec un diagramme théorique calculé à partir
d’un modèle mathématique. Plusieurs développements mathématiques à partir de la théorie générale de la diffrac- tion des rayons X ont été effectués pour faire ce genre de démarche avec ces minéraux (MERING, 1949 ; K.axiNOxl &
KOMURA, 1965 ; REYNOLDS, 1967 ; REYNOLDS & HOWER,
1970 ; T E TT ENHORS & G RIM , 1975 ; W RIGHT , 1975). Le
modèle proposé par W RIGHT semble le mieux répondre à
notre problème car il tient compte de façon simple des
différences qui peuvent être introduites quand le contenu de l’espace interfoliaire varie d’un feuillet à un autre. Dans ce
modèle, W RIGHT fait l’hypothèse qu’il y a interstratification
au hasard de différents types d’espaces interfoliaires.
La formule permettant de calculer l’intensité à l’angle 2 0
est :
F
f (2 0) et F j (2 0) sont les valeurs des facteurs de structure du feuillet et des espaces interfoliaires de type j (j = 0,1 ou
2 correspondant à 0,1 ou 2 couches de molécules d’eau
interfoliaire) à l’angle 2 0,
P
j est la proportion d’espaces de type j,
-B!a! est une fonction de P j et du nombre moyen N de feuillets par cristallite,
L’application du formalisme de WRIGHT au problème posé ainsi que toutes les contraintes théoriques qu’il impose
ont été développées dans un autre article (G AULTI ER, 1983). Il faut simplement rappeler que l’application stricte
du formalisme ne permet pas de mettre en évidence un
dédoublement de la raie 001 qui se produit dans certains
cas. Ce dédoublement est caractéristique d’un phénomène
de ségrégation entre 2 phases du minéral et le formalisme de WRIGHT est basé sur l’interstratification au hasard. Dans
une l!e approche, il a été appliqué le formalisme de W RIGHT à chacune des phases et le diagramme total calculé est alors formé par la somme pondérée des diagrammes des différen-
tes phases. Les proportions d’espacement interfoliaires
hydratés à 2 couches de molécules d’eau, à 1 couche ou
déshydratés ont pu alors être déterminées dans chacune des
phases, puis dans la totalité de l’échantillon, en tenant compte des proportions respectives de ces différentes pha-
ses. La comparaison de ces proportions totales d’espaces
interfoliaires avec, d’une part, les proportions des différents cations et, d’autre part, les teneurs en eau du minéral doit permettre de tirer des conclusions quant à la répartition des
différents cations dans ces espaces interfoliaires et aux
propriétés d’hydratation de ce type de minéraux. La démar- che utilisée pour la reconstitution du diagramme suppose implicitement que les 2 phases ont été considérées comme
indépendantes du point de vue de la diffraction des rayons X et qu’il n’a pas été tenu compte des éventuelles interfé-
rences entre elles. Des travaux ultérieurs doivent permettre de préciser si ces 2 phases sont réellement indépendantes ou bien, dans le cas contraire, quel est leur degré d’interaction.
III. RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
Les diagrammes de diffraction obtenus sont reportés sur
les figures 1 et 2 ; sont représentés également les diagram-
mes calculés d’après le formalisme de W RIGHT qui donnent
la meilleure coïncidence sur l’ensemble du diagramme.
Tous ces diagrammes ont été normalisés à une valeur
100 arbitrairement choisie. L’accord entre les diagrammes
expérimentaux et les diagrammes calculés est meilleur dans
le cas des échantillons - (Na, Ca) que dans le cas des
échantillons - (Na, K). Ceci semble indiquer que, dans ces derniers, les 2 phases cristallines ne seraient pas totalement
indépendantes. L’application du formalisme de W RIGHT à chacune de ces phases ne prenant pas en compte les éventuelles interactions entre elles, l’écart pourrait alors
être en partie dû aux insuffisances du modèle. Ceci ne se
produisant pas de manière aussi marquée avec le couple (Na, Ca), il semblerait donc que les cations jouent un rôle et
que l’insuffisance du modèle ne puisse pas expliquer toutes
les différences.
Lorsque Cap est inférieur à 0,5 (ou Kp inférieur à 0,6), il
est nécessaire d’appliquer le formalisme à chacune des
2 phases (présentes dans des proportions variables) pour obtenir le meilleur ajustement possible. Lorsque Cap est
supérieur à 0,5 (ou Kp supérieur à 0,6), l’application du
formalisme à l’unique phase restante conduit au meilleur ajustement possible. Le diagramme de diffraction des échantillons - (Na, Ca) a, dans ce dernier cas, exactement
le même profil que dans le cas des échantillons purement
calciques. Pour les échantillons - (Na, K), l’identité entre les
diagrammes des échantillons avec Kp supérieur à 0,6 et ceux
de la phlogopite naturelle totalement potassique n’est pas
parfaite. Ceci peut-être expliqué par le fait que 2 échanges
successifs K+ ! Na + puis Na+ ! K + provoquent une modification partielle de la morphologie et de la cristallinité du minéral ; ceci se traduit sur les diagrammes par un élargissement et un léger déplacement des raies 001
(R
AMAN & J ACKSON , 1965 ; B ROWN & N EWMAN , 1970) par rapport à la phlogopite naturelle initiale.
On a reporté sur la figure 3 la proportion totale d’espaces
interfoliaires hydratés à 2 couches de molécules d’eau en
fonction de Cap dans les échantillons - (Na, Ca) et sur la figure 4, la proportion totale d’espaces interfoliaires déshy-
dratés en fonction de Kp dans les échantillons - (Na, K). Ces figures font apparaître 2 droites qui se prolongent par un
palier plus important dans le cas des échantillons - (Na, Ca)
que dans le cas des échantillons - (Na, K). Ce palier
correspond à l’existence d’une seule phase cristalline
composée exclusivement d’espaces interfoliaires hydratés à
2 couches de molécules d’eau, d’une; part, ou déshydratés,
d’autre part. Ce palier commence à se manifester dès que
Cap est supérieur à 0,5 et Kp à 0,8 ; une hydratation à
2 couches de molécules d’eau interfoliaire peut donc être provoquée également par un mélange d’ions Na + et Ca 2+
présents dans un même espace interfoliaire. De même une
déshydratation peut-être totale alors qu’il reste des ions
Na
+ dans des espaces interfoliaires.
On a mesuré, sur ces mêmes échantillons - (Na, Ca) et - (Na, K), les teneurs en eau par pesée avant et après un
passage au four à 400 °C. Cette teneur en eau peut être considérée comme étant peu différente de la teneur en eau
interfoliaire ; en effet, compte tenu de la morphologie du
minéral et de la taille des particules, l’eau contenue dans la porosité présente un pourcentage très faible qui est de
l’ordre de 2 p. 100 du poids sec. Cette teneur a été
déterminée par pesée d’un échantillon purement potassique (voir fig. 6). Les résultats ont été confirmés par une analyse
thermopondérale sur un échantillon - (Na, K) avec Kp = 0,85. Il a été trouvé une perte d’eau égale à 2 p. 100 du poids sec entre 25 et 110 °C (cette eau correspondrait à
l’eau dans la porosité) et 0,3 p. 100 entre 110 et 300 °C
(cette eau correspondrait à de l’eau piégée entre des feuillets).
Les teneurs en eau totales des échantillons - (Na, Ca) et
-