Hostname: page-component-cd9895bd7-p9bg8 Total loading time: 0 Render date: 2024-12-26T07:15:43.441Z Has data issue: false hasContentIssue false
  • English
  • Français

Hydroxyl Orientations in 2:1 Phyllosilicates

Published online by Cambridge University Press:  01 July 2024

R. F. Giese Jr.
R. F. Giese Jr.*
Affiliation:
Department of Geological Sciences, State University of New York at Buffalo, 4240 Ridge Lea Road, Amherst, New York 14226
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 hydroxyl orientations in 31 dioctahedral and trioctahedral 2:1 phyllosilicate structures have been determined by electrostatic energy calculations. These structures included micas, brittle micas, and other related minerals exhibiting ordered as well as disordered cation distributions. The dioctahedral micas and brittle micas were examined with and without the interlayer cation. A range of orientations from 1.3° to 183.3° (the angle ρ between the O-H and (001) measured with respect to the M1 site) were found. The orientations for the dioctahedral structures represent a continuum of values whereas the trioctahedral species exhibit two possible orientations separated by an energy barrier. One orientation is near 90° the other is near 180°. The latter orientation results from a concentration of charge on the interlayer (IC) and tetrahedral (T) sites at the expense of the octahedral (M) sites. A multiple regression analysis of all 31 structures, using as predictors the a and b cell parameters, d001, and the charges for T, IC, M1, and M2 sites, was performed. This analysis indicated that the important factors are the charges for IC, T, and M2 sites. When treated as a separate group, one finds the same factors for the dioctahedral structures. The trioctahedral orientations are determined by the charge on the M2 site and the amount of tetrahedral rotation. Using these two predictor equations, the value of ρ can be estimated with a standard deviation of 4.7° and 2.9° for the dioctahedral and trioctahedral cases, respectively.

Резюме

Резюме

Ориентации гидроксила в 31 диоктаэдрической и триоктаэдрической структуре 2:1 листового силиката определялись путем вычислений электростатической энергии. Эти структуры включали слюды, Маргарит и другие родственные им минералы, характеризующиеся упорядоченным и не упорядоченным распределением катионов. Диоктаэдрические слюды и Маргарит исследовались при наличии и отсутствии межслойного катиона. Был обнаружен диапазон ориентаций от 1,3° до 183,3° (угол между О-Н и (001), измеренный по отношению к положению M1). Ориентации для диоктаэдрических структур неопределенны, в то время как триоктаэдрич еские образцы характеризуются двумя возможными ориентациями, разделенными энергетическим барьером. Одна ориентация близка к 90°; другая около 180°. Последняя ориентация является результатом концентрации зарядов в межслоях (ІС) и тетраэдрах (СТ) за счет октаэдров (М). Был выполнен многократный регрессионный анализ 31 структуры с использованием параметров а и b ячейки, d001, и зарядов для Т,ІС,М1, и М2. Этот анализ показал, что важными факторами являются заряды для ІС, Т, и М2. Если диокта- эдрические структуры рассматривать как отдельную группу, они также обнаруживают те же факторы. Триоктаэдрические ориен тации определяются зарядом на М2 и величиной вращения тетраэдров. С использованием этих двух предварительно полученных уравнений может быть определено значение ρ со стандартным отклонением 4,7° и 2,9° для случаев диоктаэдрических и триоктаэдрических структур соответственно.

Resümee

Resümee

Die Hydroxylorientierungen in 31 dioktahedrischen 2/1 Phyllosilikatstrukturen sind durch elektrostatische Energiekalkulationen bestimmt worden. Diese Strukturen umfassen Glimmer, spröde Glimmer, und andere verwandte Mineralien, die sowohl geordnete wie nicht geordnete Kationenverteilungen aufweisen. Die dioktahedrischen Glimmer und brüchige Glimmer wurden mit und ohne Zwischenschichtkationen untersucht. Orientierungen von 1,3 bis 183,3° (der Winkel zwischen den OH und (001), gemessen mit Hinsicht auf den M1 Platz) wurden gefunden. Die Orientierungen für die dioktahedrischen Strukturen repräsentieren ein Kontinuum von Werten, wohingegen die trioktahedrischen Sorten zwei mögliche Orientierungen zeigen, die durch eine Energieschranke getrennt sind. Eine Orientierung ist fast bei 90°, die andere bei 180°. Die letztere Orientierung ist das Resultat einer Konzentration von Ladungen in den Zwischenschichtplätzen (IC) und den tetrahedrischen Plätzen (CT) auf Kosten der oktahedrischen Plätze. Eine multiple Regressionsanalyse aller 31 Strukturen wurde unternommen, indem die a und b Zellparameter, d001, und die Ladungen für die T, IC, M1, und M2 Plätze für Vorraussagungen benutzt wurden. Diese Analyse weist darauf hin, daß die wichtigen Faktoren die Ladungen für die IC, T, und die M2 Plätze sind. Wenn die oktahedrischen Strukturen als seperate Gruppen behandelt werden, findet man dort dieselben Faktoren. Die trioktahedrischen Orientierungen werden durch die Ladungen der M2 Plätze und die Höhe der tetrahedrischen Rotation bestimmt. Wenn diese zwei Vorraussagungsgleichungen benutzt werden, kann der Wert von ρ mit mittlerer Abweichung von 4,7 und 2,9° für die dioktahedrischen beziehungsweise trioktahedrischen Fälle bestimmt werden.

Résumé

Résumé

Les orientations hydroxyles dans 31 structures dioctaèdres et trioctaèdres phyllosilicates 2:1 ont été déterminées par calcul de l’énergie électrostatique. Parmi ces structures il y avaient des micas, des micas cassants, et d'autres minéraux apparentés exhibant des distributions de cations ordonnées et désordonnées. Les micas dioctaèdres et les micas cassants ont été examinés avec et sans le cation interfeuillet. Un étagement d'orientations de 1,3° à 183° (l'angle entre l'OH et (001) mesuré par rapport au site M1) a été trouvé. Les orientations pour les structures dioctaèdres représentent une série continue de valeurs, tandis que les espèces trioctaèdres exhibent 2 orientations possibles séparées par une barrière d’énergie. Une orientation est près de 90°, et l'autre est près de 180°. Cette dernière orientation résulte d'une concentration de charge sur l'interfeuillet (IC) et sur les sites tétraèdres (T) aux dépens des sites octaèdres (M). Une analyse de régression multiple a été faite, utilisant comme pronostiquants les mailles paramètres a et b, d001 et les charges pour les sites T, IC, M1, M2, pour les 31 structures. Cette analyse a indiqué que les facteurs importants étaient les charges pour les sites T, IC, et M2. On trouve les mêmes facteurs pour les structures dioctaèdres si on les traite comme un groupe séparé. Les orientations trioctaèdres sont déterminées par la charge sur le site M2 et par la quantité de rotation tétraèdre. Une valeur pour ρ peut être estimée avec une déviation standard de 4,7° et 2,9° dans les cas dioctaèdres et trioctaèdres, respectivement, utilisant les équations pronostiquantes.

Keywords

Brittle MicaEnergy CalculationsHydroxyl OrientationMicaPhyllosilicate
Type
Research Article
Information
Clays and Clay Minerals , Volume 27 , Issue 3 , June 1979 , pp. 213 - 223
Copyright
Copyright © 1979, The Clay Minerals Society

References

Bailey, S. W. (1975) Cation ordering and pseudosymmetry in layer silicates: Am. Mineral. 60, 175–187.Google Scholar
Bassett, W. A. (1960) Role of hydroxyl orientation in mica alteration: Geol. Soc. Am. Bull. 71, 449–456.CrossRefGoogle Scholar
Baur, W. H. (1972) Prediction of hydrogen bonds and hydrogen atom positions in crystalline solids: Acta Crystallogr. B28, 1456–1465.CrossRefGoogle Scholar
Burnham, C. W. and Radoslovich, E. W. (1963) Crystal structures of coexisting muscovite and paragonite: Carnegie Inst. of Wash. Yearbook, 232–236.Google Scholar
Donnay, G. and Allmann, R. (1970) How to recognize O2–, OH– and H2O in crystal structures determined by X-rays: Am. Mineral. 55, 1003–1015.Google Scholar
Donnay, G., Morimoto, N., Takeda, H., and Donnay, J. D. H. (1964) Trioctahedral one-layer micas. I. Crystal structure of a synthetic iron mica: Acta Crystallogr. 17, 1369–1373.CrossRefGoogle Scholar
Giese, R. F. (1971) Hydroxyl orientation in muscovite as indicated by electrostatic energy calculations: Science 172, 263–264.CrossRefGoogle ScholarPubMed
Giese, R. F. (1973) Hydroxyl orientations—dioctahedral micas: 10th Clay Minerals Society Meeting, Banff, Abstracts, 36.Google Scholar
Giese, R. F. (1975a) The effect of F/OH substitution on some layer-silicate minerals: Z. Kristallogr. 141, 138–144.CrossRefGoogle Scholar
Giese, R. F. (1975b) Crystal structures of ideal, ordered one-layer micas: AFCRL-TR-75-0438, Environmental Research Papers, No. 526, 135 pp.Google Scholar
Giese, R. F. (1976) Hydroxyl orientations in gibbsite and bayerite: Acta Crystallogr. B32, 1719–1723.CrossRefGoogle Scholar
Giese, R. F. (1977) The influence of hydroxyl orientation, stacking sequence, and ionic substitution on the interlayer bonding of micas: Clays & Clay Minerals 25, 102–104.CrossRefGoogle Scholar
Giese, R. F. and Datta, P. (1973) Hydroxyl orientations in the muscovite polymorphs 2M1, 3T and 1M: Z. Kristallogr. 137, 436–438.Google Scholar
Gilkes, R. J., Young, R. C., and Quirk, J. P. (1972) The oxidation of octahedral iron in biotite: Clays & Clay Minerals 20, 303–315.CrossRefGoogle Scholar
Guggenheim, S. and Bailey, S. W. (1977) The refinement of zinnwaldite-1M in subgroup symmetry: Am. Mineral. 62, 1158–1167.Google Scholar
Güven, N. (1971) The crystal structures of 2M1 phengite and 2M1 muscovite: Z. Kristallogr. 134, 196–212.Google Scholar
Güven, N. and Burnham, C. W. (1967) The crystal structure of 3T muscovite: Z. Kristallogr. 125, 163–183.CrossRefGoogle Scholar
Hamilton, W. C. and Ibers, J. A. (1968) Hydrogen bonding in solids, W. A. Benjamin, Inc. New York, 284 pp.Google Scholar
Hazen, R. M. and Burnham, C. W. (1973) The crystal structure of one-layer phlogopite and annite: Am. Mineral. 58, 889–900.Google Scholar
Joswig, W. (1972) Neutronenbeugungsmessungen an einem 1M-Phlogopit: Neues Jahrb. Mineral. Monatsch. H1, 1–11.Google Scholar
McCauley, J. W. and Newnham, R. E. (1971) Origin and prediction of ditrigonal distortions in micas: Am. Mineral. 56, 1626–1638.Google Scholar
McCauley, J. W. and Newnham, R. E. (1973) Structure refinement of a barium mica: Z. Kristallogr. 137, 360–367.CrossRefGoogle Scholar
McCauley, J. W., Newnham, R. E., and Gibbs, G. V. (1973) Crystal structure of synthetic fluorophlogopite: Am. Mineral. 58, 249–254.Google Scholar
Meier, W. M. and Villiger, H. (1969) Die Methode der Abstandsverfeinerung zur Bestimmung der Atomkoordinaten idealisierter Gerüststrukturen: Z. Kristallogr. 129, 411–423.CrossRefGoogle Scholar
Prost, R. (1975) Interactions between adsorbed water molecules and the structure of clay minerals: Hydration mechanism of smectites: Proc. Int. Clay Conf., Mexico City, 351–359.Google Scholar
Raynor, J. and Brown, G. (1973) The crystal structure of talc: Clays & Clay Minerals 21, 103–114.CrossRefGoogle Scholar
Rothbauer, R. (1971) Untersuchung eines 2M1-Muskovits mit Neutronenstrahlen: Neues Jahrb. Mineral. Monatsch. H4, 143–154.Google Scholar
Sartori, F., Franzini, M., and Merlino, S. (1973) Crystal structure of a 2M2 lepidolite: Acta Crystallogr. B29, 573–578.CrossRefGoogle Scholar
Serratosa, J. M. and Bradley, W. F. (1958) Determination of the orientation of OH bond axes in layer silicates by infrared absorption: J. Phys. Chem. 62, 1164–1167.CrossRefGoogle Scholar
Soboleva, S. V. and Zvyagin, B. B. (1969) Crystal structure of dioctahedral Al-mica 1M: Sov. Phys. Crystallogr. 13, 516–519.Google Scholar
Steinfink, H. (1962) Crystal structure of a trioctahedral mica; phlogopite: Am. Mineral. 47, 886–896.Google Scholar
Takeda, H. and Burnham, C. W. (1969) Fluor-polylithionite; a lithium mica with nearly hexagonal (Si2O5)2– ring: Mineral. J. Jpn. 6, 102–109.CrossRefGoogle Scholar
Takeda, H. and Donnay, J. D. H. (1966) Trioctahedral onelayer micas. III Crystal structure of a synthetic lithium fluormica: Acta Crystallogr. 20, 638–646.CrossRefGoogle Scholar
Takeda, H., Haga, N., and Sadanaga, R. (1971) Structural investigation of polymorphic transition between 2M2-, 1M-lepidolite and 2M1 muscovite: Mineral. J. Jpn. 6, 203–215.CrossRefGoogle Scholar
Takeda, H. and Ross, M. (1975) Mica polytypism: dissimilarities in the crystal structures of coexisting 1M and 2M1 biotite: Am. Mineral. 60, 1030–1040.Google Scholar
Takeuchi, Y. (1965) Structure of brittle micas: Clays & Clay Minerals 13, 1–25.Google Scholar
Tateyama, H., Shimoda, S., and Sudo, T. (1974) The crystal structure of synthetic MgIV mica: Z. Kristallogr. 139, 196–206.CrossRefGoogle Scholar
Tsuboi, M. (1950) On the positions of the hydrogen atoms in the crystal structure of muscovite, as revealed by the infrared absorption study: Bull. Chem. Soc. Jpn. 23, 83–88.CrossRefGoogle Scholar
Vedder, W. and McDonald, R. S. (1963) Vibrations of the OH ions in muscovite: J. Chem. Phys. 38, 1583–1590.CrossRefGoogle Scholar
Wardle, R. and Brindley, G. W. (1972) The crystal structures of pyrophyllite, 1Tc, and of its dehydroxylate: Am. Mineral. 57, 732–750.Google Scholar
Zhoukhlistov, A., Zvyagin, B. B., Soboleva, A. V., and Fedotov, A. F. (1973) The crystal structure of the dioctahedral mica 2M2 determined by high voltage electron diffraction: Clays & Clay Minerals 21, 465–470.CrossRefGoogle Scholar