Nghiên cứu điều chế một số montamorillonite hoạt hóa acid và áp dụng xúc tác tổng hợp trọn gói benzaldehid thành benzonitril

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN





PHẠM ĐỨC DŨNG





NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ MỘT SỐ
MONTMORILLONITE HOẠT HÓA ACID VÀ ÁP
DỤNG XÚC TÁC TỔNG HỢP TRỌN GÓI
BENZALDEHID THÀNH BENZONITRIL




Chuyên ngành: Hóa học Hữu Cơ
Mã số: 02 08 4427 03




LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. LÊ NGỌC THẠCH








TP HỒ CHÍ MINH-2011
Lời cảm ơn



Con xin ghi nhớ công ơn của ba mẹ đã dưỡng dục, động viên con trên con
đường học vấn để con đạt được thành quả hôm nay.
Em xin tri ân thầy Lê Ngọc Thạch đã tận tình chỉ bảo, hỗ trợ em trong suốt
quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Em xin chân thành cám ơn cô Nguyễn Thị Ngọc Lan đã đóng góp những ý
kiến quý báu cho bài viết của em.
Cám ơn bạn Vũ Thành Đạt đã phụ giúp tôi trong quá trình thực hiện đề tài.

ĐẶT VẤN ĐỀ








Trong hóa học hữu cơ, vấn đề xây dựng quy trình tổng hợp tổng quát cho
những hợp chất hữu cơ được sử dụng rộng rãi từ những tác chất sẵn có là một trong
những thách thức chủ yếu của tổng hợp hữu cơ. Các nhà khoa học luôn mong muốn
phát triển những phương pháp tổng hợp dễ dàng, nhanh chóng tránh dùng những
acid hay baz mạnh, thay thế những tác chất đắt tiền và nguy hiểm bằng những tác
chất an toàn, thân thiện hơn. Để đạt được những mục tiêu này, các nhà hóa học
không ngừng nghiên cứu, phát triển và thay đổi những xúc tác đang được sử dụng
hiện nay bằng những những xúc tác mới có hiệu quả, an toàn và thân thiện hơn.
Trong số những xúc tác hiệu quả và thân thiện hiện nay, montmorillonite chứng tỏ
là một xúc tác hữu dụng và an toàn trong việc chuyển hóa các chất hữu cơ.
Montmorillonite được dùng xúc tác thay thế cho những phản ứng cần những xúc tác
acid truyền thống do có tính acid mạnh, không có tính chất ăn mòn, rẻ tiền, điều
kiện phản ứng êm dịu, hiệu suất cao, có tính chọn lọc và dễ sử dụng.
Hai loại montmorillonite dùng trong tổng hợp hữu cơ là montmorillonite
hoạt hóa acid và montmorillonite trao đổi cation.
 Montmorillonite được dùng làm xúc tác trong một số phản ứng chính
sau:
 Phản ứng Friedel-Crafts (alkil hóa, acil hóa, hidroxialkil hóa)
 Thế thân điện tử hương phương (nitro hóa, halogen hóa…)

 Phản ứng Diels-Alder
 Phản ứng mở vòng
 Phản ứng súc hợp
 Phản ứng alkil hóa
 Phản ứng đồng phân hóa và phản ứng chuyển vị
 Phản ứng tạo vòng ciclopropan
 Phản ứng aziridin hóa.
Với mục đích nghiên cứu khả năng xúc tác của montmorillonite Việt Nam,
chúng tôi thực hiện đề tài tinh chế, hoạt hóa acid montmorillonite thu được tại một
số mỏ đất sét bentonite ở miền Nam Việt Nam. Xác định các thông số lý-hóa các
mẫu montmorillonite điều chế và áp dụng xúc tác phản ứng chuyển hóa “trọn gói”
(one pot) benzaldehid thành benzonitril dưới điều kiện chiếu xạ vi sóng không dung
môi. Hai loại xúc tác montmorillonite trên thị trường là K10 và KSF cũng được áp
dụng vào phản ứng trên để so sánh khả năng xúc tác của các mẫu montmorillonite
điều chế với các mẫu xúc tác có trên thị trường. Sau đó, so sánh các thông số lý-hóa
và hiệu suất phản ứng của các loại montmorillonite hoạt hóa acid để tìm ra mối
tương quan giữa khả năng xúc tác và các tính chất lý-hóa.

Mục Lục


Lời cảm ơn
Đặt vấn đề
Tổng quan
1 Phân biệt đất sét (clay) và khoáng sét (mineral clay) 1
2 Cơ cấu của khoáng sét 1
2.1 Sự hình thành cơ cấu tứ diện và bát diện 1
2.2 Tổng quát về cơ cấu khoáng sét 2
2.2.1 Tứ diện 3
2.2.2 Bát diện 4
2.3 Sự tạo thành các hạt và tổ hợp 8
2.4 Phân loại khoáng sét 8
2.4.1 Lớp 1:1 9
2.4.2 Lớp 2:1 10
2.5 Sơ lược về smectite 11
3 Bề mặt liên lớp của các khoáng sét 14
3.1 Các nguyên tử bề mặt 15
3.2 Cơ cấu và tính chất bề mặt 18
3.2.1 Bề mặt siloxan trung tính 18
3.2.2 Bề mặt siloxan tích điện 18
3.2.3 Đặc tính ưa nước-kỵ nước của bề mặt khoáng sét 19
4 Tương tác khoáng sét-nước 21
4.1 Cơ cấu và tính chất của nước hấp thụ trên bề mặt khoáng sét 21
4.2 Ảnh hưởng của nước đối với cơ cấu khoáng sét 22
5 Tính chất của smectite 23
5.1 Tính trương nở 23
5.2 Tính trao đổi cation 24
5.3 Tính hấp phụ 25

6 Tinh chế montmorillonite 25
6.1 Tinh chế bằng phương pháp sa lắng theo trọng lực 26
6.1.1 Sự sa lắng 26
6.1.2 Phương trình Stoke dùng cho sa lắng theo trọng lực 26
6.2 Tinh chế bằng phương pháp ly tâm 27
7 Các phương pháp nghiên cứu cơ cấu và tính chất các khoáng sét 29
7.1 Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction, XRD) 29
7.2 Phổ huỳnh quang tia X (X-Ray Flourescene, XRF) 32
7.3 Diện tích bề mặt riêng (Specific Surface Area, SSA) 33
7.4 Xác định khả năng trao đổi cation 34
7.4.1 Phương pháp dùng điện cực amonia 34
7.4.2 Phương pháp hấp phụ metilen blue 35
7.4.3 Phương pháp hấp phụ chất hoạt động bề mặt dạng cation 35
7.4.4 Phương pháp hấp phụ phức đồng eilendiamin (Cu(EDA)
2
2+
) 35
7.5 Xác định độ acid 35
7.5.1 Phương pháp chuẩn độ điện thế 35
7.5.2 Phương pháp chuẩn độ thể tích 36
7.5.3 Phương pháp đo pH 36
8 Giới thiệu phản ứng tổng hợp benzonitril từ benzaldehid 36
8.1 Vài nét về phản ứng điều chế các hợp chất nitril 36
8.2 Cơ chế phản ứng tạo thành benzonitril từ benzaldehid 37
8.2.1 Phương trình phản ứng tổng quát 37
8.2.2 Cơ chế hình thành benzonitril 37
8.2.3 Cơ chế hình thành sản phẩm phụ benzamid 37
8.3 Các phương pháp tổng hợp “trọn gói” (one pot) các nitril hương phương 38
8.3.1 Tổng hợp từ aldehid dùng hidroclorur hidroxilamin và clorur oxalil 38
8.3.2 Tổng hợp từ aldehid hương phương trên chất mang rắn melamin

formaldehid trong điều kiện chiếu xạ vi sóng không dung môi 39
8.3.3 Tổng hợp từ aldehid hương phương và hidroclorur hidroxilamin trên
xúc tác silicagel, montmorillonite K10 và KSF trong điều kiện chiếu xạ vi sóng
không dung môi 39

Nghiên cứu
9 Điều chế các montmorillonite hoạt hóa acid 42
9.1 Quy trình điều chế 42
9.1.1 Tinh chế montmorillonite từ đất sét thô 42
9.1.2 Hoạt hóa acid các mẫu montmorillonite đã tinh chế 43
9.2 Hiệu suất điều chế 44
10 Xác định các thông số lý-hóa của các mẫu 45
10.1 Các loại khoáng sét 45
10.2 Hàm lượng khoáng sét 46
10.3 Thành phần phần trăm oxid 47
10.4 Diện tích bề mặt riêng 50
10.5 Độ acid 52
10.5.1 Xác định bằng đo pH 52
10.5.2 Xác định bằng dung dịch NaOH 53
10.6 Khả năng trao đổi cation (CEC) 54
11 Kiểm tra khả năng xúc tác của các mẫu montmorillonite điều chế 56
11.1 So sánh khả năng xúc tác của các mẫu montmorillonite Củ Chi hoạt hóa
acid 56
11.2 Thực hiện phản ứng tổng hợp benzonitril 57
11.2.1 Tối ưu hóa điều kiện phản ứng 58
11.2.2 So sánh phương pháp đun nóng cổ điển và chiếu xạ vi sóng 63
11.2.3 Định danh sản phẩm 64
11.3 So sánh khả năng xúc tác của các mẫu montmorillonite Lâm Đồng hoạt hóa
acid 64
11.4 So sánh khả năng xúc tác của các mẫu montmorillonite Bình Thuận hoạt

hóa acid 65
12 Mối tương quan giữa các thông số lý-hóa và khả năng xúc tác 67
12.1 Montmorillonite Củ Chi hoạt hóa acid 67
12.2 Montmorillonite Lâm Đồng hoạt hóa acid 68
12.3 Montmorillonite Bình Thuận hoạt hóa acid 69
13 Hóa chất và thiết bị: 74
13.1 Hóa chất 74
13.2 Thiết bị 74

Thực nghiệm
14 Thực nghiệm 75
14.1 Tinh chế montmorillonite từ đất sét thô 75
14.2 Hoạt hóa acid mẫu montmorillonite tinh chế 75
14.3 Xác định các thông số hóa-lý của các mẫu montmorillonite hoạt hóa acid 76
14.3.1 Nhiễu xạ tia X 76
14.3.2 Xác định hàm lượng các khoáng sét 76
14.3.3 Xác định diện tích bề mặt riêng 77
14.3.4 Xác định độ acid 77
14.3.5 Xác định khả năng trao đổi cation (CEC) 78
14.3.6 Xác định thành phần trăm oxid 79
14.4 Tổng hợp benzonitril 80
14.4.1 Khảo sát các điều kiện tối ưu của phản ứng dưới sự chiếu xạ vi sóng 80
14.4.2 Tiến hành so sánh loại xúc tác sử dụng 81

Tài liệu tham khảo
Phụ lục

Danh sách các bảng
Bảng 1. So sánh sự khác nhau giữa đất sét và khoáng sét 1
Bảng 2. Sự hình thành các dạng hình học 2
Bảng 3. Độ âm điện của các nguyên tố 16
Bảng 4. Độ âm điện của các loại khoáng sét khác nhau 16
Bảng 5. Sự khác nhau về điện tích giữa các nguyên tử ở vị trí bề mặt và trong cơ
cấu 17
Bảng 6. Giá trị CEC của một số loại khoáng sét 24
Bảng 7. Kích thước hạt trong dung dịch sau thời gian sa lắng theo các nhiệt độ 27
Bảng 8. Kích thước hạt trong dung dịch sau thời gian ly tâm với các nhiệt độ khác
nhau 28
Bảng 9. Hiệu suất tinh chế montmorillonite 44
Bảng 10. Hiệu suất hoạt hóa acid các mẫu montmorillonite 44
Bảng 11. Vị trí các mũi khoáng sét 45
Bảng 12. Hàm lượng khoáng sét và không phải khoáng sét trong các mẫu 46
Bảng 13. Hàm lượng các loại khoáng sét khác nhau trong các mẫu 46
Bảng 14. Hàm lượng montmorillonite trong các mẫu montmorillonite tinh chế 47
Bảng 15. Thành phần hóa học của các mẫu điều chế từ đất sét Bình Thuận 48
Bảng 16. Thành phần hóa học của các mẫu điều chế từ đất sét Củ Chi 49
Bảng 17. Thành phần hóa học của các mẫu điều chế từ đất sét Lâm Đồng 49
Bảng 18. Thành phần hóa học của các mẫu K10 và KSF 50
Bảng 19. Diện tích bề mặt riêng các mẫu montmorillonite hoạt hóa acid điều chế 50
Bảng 20. Diện tích bề mặt riêng mẫu K10 và KSF 51
Bảng 21. pH các mẫu khi trộn lẫn với nước 52
Bảng 22. Độ acid các mẫu khi xác định bằng dung dịch NaOH 53
Bảng 23. Khả năng trao đổi cation của các mẫu 54
Bảng 24. Kết quả kiểm chứng khả năng xúc tác của các mẫu MontHH Củ Chi 56
Bảng 25. Kết quả tối ưu hóa nhiệt độ phản ứng 58
Bảng 26. Kết quả tối ưu hóa thời gian phản ứng 59

Bảng 27. Kết quả tối ưu hóa tỷ lệ benzaldehid:hidroclorur hidroxilamin 60
Bảng 28. Kết quả tối ưu hóa lượng xúc tác 61
Bảng 29. So sánh các loại xúc tác và không dùng xúc tác 63
Bảng 30. Kết quả so sánh đun nóng cổ điển và chiếu xạ vi sóng 63
Bảng 31. Kết quả kiểm tra khả năng xúc tác các mẫu MontHH Lâm Đồng 64
Bảng 32. Kết quả kiểm tra khả năng xúc tác của các mẫu MontHH Bình Thuận 66


Danh sách các chữ viết tắt

CEC: Khả năng trao đổi cation
Mont: Montmorillonite
MontTC: Montmorillonite tinh chế
MontHH: Montmorillonite hoạt hóa acid
MontHH10: Montmorillonite hoạt hóa với nồng độ acid 10 %
MontHH20: Montmorillonite hoạt hóa với nồng độ acid 20 %
MontHH30: Montmorillonite hoạt hóa với nồng độ acid 30 %
MontHH40: Montmorillonite hoạt hóa với nồng độ acid 40 %
MontHH50: Montmorillonite hoạt hóa với nồng độ acid 50 %
MontHH60: Montmorillonite hoạt hóa với nồng độ acid 60 %
MontHH70: Montmorillonite hoạt hóa với nồng độ acid 70 %

Danh sách các hình
Hình 1. Cơ cấu của một tứ diện 3
Hình 2. Hình dạng của tấm tứ diện 4
Hình 3. Cơ cấu của một bát diện 4
Hình 4. Hai loại bát diện cis và trans 5
Hình 5. Sự dùng chung các đỉnh và hình dạng của tấm bát diện 6
Hình 6. Hình dạng trioctahedral và dioctahedral 6
Hình 7. Lỗ trống hình thành khi tấm tứ diện ghép với tấm bát diện 7
Hình 8. Sự ghép tấm tứ diện với hai loại tấm bát diện 7
Hình 9. Sự hình thành các hạt và tổ hợp 8
Hình 10. Sơ đồ phân loại khoáng sét 9
Hình 11. Khoảng cách giữa hai lớp 1:1 và lớp 1:1 nhìn ngang 10
Hình 12. Hình dạng nhìn ngang của lớp 2:1 10
Hình 13. Khoảng cách giữa hai lớp 2:1 của talc 11
Hình 14. Khoảng cách giữa hai lớp 2:1 của mica và illite 11
Hình 15. Cơ cấu của một lớp 2:1 12
Hình 16. Nguyên tử bề mặt của lớp 1:1 và lớp 2:1 15
Hình 17. Vùng không phân cực xen lẫn vùng phân cực 20
Hình 18. Lỗ trống ditrigonal 23
Hình 19. Sự trao đổi cation giữa bề mặt liên lớp và dung dịch ngoài 25
Hình 20. Nguyên tắc sa lắng trong ly tâm 28
Hình 21. Nguyên tắc hoạt động của nhiễu xạ tia X 29
Hình 22. Phổ nhiễu xạ tia X chuẩn của một số khoáng sét 31
Hình 23. Nguyên tắc hoạt động của phổ huỳnh quang tia X 32
Hình 24. Hình dạng phổ XRF khi xác định nguyên tố 33
Hình 28. Đồ thị kết quả hiệu suất các mẫu MontHH Củ Chi 57
Hình 29. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng vào nhiệt độ phản
ứng 58
Hình 30. Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc hiệu suất phản ứng vào thời gian phản ứng
59

Hình 31. Đồ thị biểu diễn hiệu suất phản ứng theo tỷ lệ benzaldehid:hidroclorur
hidroxilamin 61
Hình 32. Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc hiệu suất phản ứng vào khối lượng xúc tác
62
Hình 33. Đồ thị kết quả hiệu suất phản ứng các mẫu MontHH Lâm Đồng 65
Hình 34. Đồ thị kết quả hiệu suất các mẫu MontHH Bình Thuận 66
Hình 35. Đồ thị mối tương quan giữa hiệu suất và các thông số lý-hóa của các mẫu
MontHH Củ Chi 67
Hình 36. Đồ thị mối tương quan giữa hiệu suất và các thông số lý-hóa của các mẫu
MontHH Lâm Đồng 68
Hình 37. Đồ thị mối tương quan giữa hiệu suất và các thông số lý-hóa của các mẫu
MontHH Bình Thuận 69

TỔNG QUAN




1

1 Phân biệt đất sét (clay) và khoáng sét (mineral clay) [1]
Georgius Agricola (1494-1555), người sáng lập ra bộ môn địa chất học là
người đầu tiên định nghĩa đất sét. Sau đó, hội đồng danh pháp (Joint Nomenclature
Committees, JNCs) của Hiệp hội quốc tế nghiên cứu về đất sét (Association
Internationale pour l’Etude des Argiles, AIPEA) và Hội khoáng sét (Clay Minerals
Society, CMS) đã bổ sung hoàn chỉnh định nghĩa trên.
JNCs định nghĩa khoáng sét là những philosilicat, có tính dẻo và trở nên

cứng khi khô hay bị nung nóng. Các khoáng sét có nguồn gốc từ tự nhiên hoặc tổng
hợp.
Đất sét là vật liệu có sẵn trong tự nhiên tạo thành từ những khoáng mịn.
Thành phần chính của đất sét là các loại khoáng sét thuộc nhóm philosilicat. Do đó
đất sét cũng có tính dẻo và trở nên cứng khi khô hay bị nung nóng.
Bảng 1. So sánh sự khác nhau giữa đất sét và khoáng sét
Đất sét Khoáng sét
Nguồn gốc tự nhiên
Philosilicat là thành phần chính
Có tính dẻo
Cứng khi khô hay bị nung nóng

Nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp

Là những philosilicat
Có tính dẻo
Cứng khi khô hay bị nung nóng
2 Cơ cấu của khoáng sét
2.1 Sự hình thành cơ cấu tứ diện và bát diện [2]
Nối ion giữa oxigen và các cation như Al
3+
, Si
4+
, Mg
2+
, K
+
, Na
+
… là những

nối quan trọng trong khoáng sét. Số nguyên tử oxigen bao quanh những cation nhỏ
hơn trong cơ cấu có thể dự đoán từ những mối quan hệ hình học. Nếu những ion
được xem như những khối cầu cứng thì tỷ lệ bán kính của cation/anion sẽ xác định
có bao nhiêu anion tiếp xúc với một cation. Nếu cation quá nhỏ thì chỉ hai oxigen
có thể tiếp xúc với cation, khi kích thước của cation tăng thì nhiều nguyên tử oxigen
2

hơn có thể tiếp xúc với cation. Giới hạn tỷ lệ bán kính, số phối trí và dạng hình học
của những ion oxigen được thể hiện trong Bảng 2.
Bảng 2. Sự hình thành các dạng hình học
Tỷ lệ bán kính cation/anion

Số phối trí

Sắp xếp của oxigen
<0,16 2 Đối đỉnh nhau
0,16-0,23 3 Đỉnh của tam giác
0,23-0,41 4 Đỉnh của tứ diện
0,41-0,73 6 Đỉnh của bát diện
0,73-1,00 8 Đỉnh của hình lập phương

>1,00 12 Gần như khối cầu

Trong khoáng sét, các ion O
2-
(1,40 Å), OH
-
(1,41 Å), Al
3+
(0,55 Å), Si

4+

(0,41 Å) là những ion quan trọng tạo thành cơ cấu. Tỷ lệ bán kính cation/anion của
Si/O và Al/O lần lượt là 0,29 và 0,39 rơi vào khoảng giới hạn 0,23-0,41 của Bảng 2.
Do đó, Si
4+
hay Al
3+
sẽ là tâm của tứ diện và mỗi oxigen tại bốn đỉnh của tứ diện.
Với cation Al
3+
, tỷ lệ bán kính gần với khoảng giới hạn của bát diện (0,41-0,73) nên
cation Al
3+
cũng thường xuyên là tâm của bát diện với mỗi oxigen tại sáu đỉnh của
bát diện.
Ngoài ra, ion magnesium và sắt là những nguyên tố có tỷ lệ bán kính phù
hợp để hình thành bát diện.
2.2 Tổng quát về cơ cấu khoáng sét [1]
Khoáng sét là philosilicat tạo thành từ sự ghép tấm tứ diện (tetrahedral, T)
với tấm bát diện (octahedral, O) theo một tỷ lệ nhất định.
Mỗi tứ diện chứa một cation trung tâm nối với bốn nguyên tử oxigen ở đỉnh
của tứ diện, các tứ diện liền kề nối với nhau bằng cách dùng chung ba đỉnh chứa
nguyên tử oxigen (O
b
) tạo thành một “hexagonal” hai chiều hay còn gọi là tấm tứ
diện.
3

Mỗi bát diện chứa một cation trung tâm nối với những nhóm hidroxil ở

đỉnh của bát diện, các bát diện liền kề nối với nhau bằng cách dùng chung những
cạnh bên tạo thành tấm bát diện.
2.2.1 Tứ diện
Tứ diện là dạng hình học tạo thành bằng cách nối bốn nguyên tử oxigen ở
đỉnh với cation trung tâm.
Trong cơ cấu tứ diện, cation trung tâm chủ yếu là Si
4+
. Một số ít tứ diện có
cation trung tâm là Al
3+
và số lượng rất nhỏ ngẫu nhiên có nguyên tử trung tâm là
sắt hay nguyên tố khác.
Ion Si
4+
hay Al
3+
bị bao quanh bởi bốn nguyên tử oxigen tạo thành tứ diện
như Hình 1.

Hình 1. Cơ cấu của một tứ diện
Mỗi tứ diện cô lập có điện tích -4 (Si có điện tích +4 và mỗi oxigen có điện
tích -2). Trong cơ cấu tứ diện, ba oxigen tại mặt đáy của tứ diện được dùng chung
với những tứ diện liền kề và chỉ một oxigen ở vị trí đỉnh có điện tích -1.
Tấm tứ diện được hình thành bằng cách dùng chung 3 nguyên tử oxigen tại
mặt đáy của tứ diện với những tứ diện liền kề như Hình 2.
4


Hình 2. Hình dạng của tấm tứ diện
O

a
, O
b
lần lượt là nguyên tử oxigen ở đỉnh và mặt đáy
2.2.2 Bát diện
Bát diện được tạo thành bằng những nhóm OH
-
tại đỉnh và cation kim loại ở
trung tâm như Hình 3. Cation kim loại thường là Al
3+
, Fe
2+
, Fe
3+
, Mg
2+
.

Hình 3. Cơ cấu của một bát diện
Bát diện có hai vị trí OH khác nhau là cis và trans (Hình 4). Sự định hướng
khác nhau của O
oct
(nhóm OH) tạo ra sự khác biệt giữa cis và trans. Hai O
oct
nằm
cùng về một bên của bát diện tạo thành dạng cis, hai O
oct
nằm hai phía của bát diện
tạo thành dạng trans.
5

Hình 4. Hai loại bát diện cis và trans
Điện tích của một bát diện cô lập là -3 (Al
3+
và sáu nhóm OH
-
). Trong tấm
bát diện thì điện tích giảm đi do dùng chung những ion OH
-
với những bát diện liền
kề như Hình 5.

6


Hình 5. Sự dùng chung các đỉnh và hình dạng của tấm bát diện
Tấm bát diện được tạo thành từ sự dùng chung các cạnh bên (edge) của các
bát diện liền kề. Trong tấm bát diện, khi một đơn vị kích thước được tạo thành bởi
sáu bát diện thì gọi là trioctahedral (bốn cis-octahedral và hai trans-octahedral), tạo
thành bởi bốn bát diện thì gọi là dioctahedral (Hình 6). Thông thường khi cation
kim loại ở vị trí trung tâm có hóa trị II như Mg
2+
thì tạo thành trioctahedral, cation
kim loại hóa trị III như Al
3+
thì tạo thành dioctahedral [1].

Hình 6. Hình dạng trioctahedral và dioctahedral
a: Trioctahedral

b: Dioctahedral
O
a
là nguyên tử oxigen ở đỉnh dung chung với lớp tứ diện
O
oct
là mặt dùng chung giữa những bát diện liền kề
a,b là giới hạn của một đơn vị kích thước
7

Những đỉnh của tứ diện nằm về một bên của tấm tứ diện nối tấm tứ diện với
tấm bát diện bằng cách dùng những nguyên tử oxigen ở đỉnh tứ diện thay thế những
nguyên tử O
a
của bát diện. Những anion O
oct
nằm gần tâm của vòng 6 tạo bởi các tứ
diện nhưng không dùng chung với tứ diện (Hình 7).

Hình 7. Lỗ trống hình thành khi tấm tứ diện ghép với tấm bát diện
Cơ cấu lớp 1:1 là sự lặp lại của một tấm tứ diện và một tấm bát diện ghép
với nhau, cơ cấu lớp 2:1 là sự lặp lại của tấm bát diện bị kẹp giữa hai tấm tứ diện.
Hình 8 mô tả sự nối với nhau giữa tấm bát diện và tấm tứ diện trong không gian qua
việc dùng chung các đỉnh.

Hình 8. Sự ghép tấm tứ diện với hai loại tấm bát diện
8

2.3 Sự tạo thành các hạt và tổ hợp [1]
Các tấm tứ diện và bát diện ghép với nhau theo tỷ lệ nhất định sẽ tạo thành

một lớp (layer).
Các lớp này ghép lại với nhau tạo thành các hạt (particle), giữa các lớp có
một khoảng trống gọi là khoảng trống liên lớp.
Các hạt tập hợp lại tạo thành tổ hợp (aggregate), giữa các hạt xuất hiện
khoảng trống và giữa các tổ hợp xuất hiện khoảng trống do sự sắp xếp mất trật tự
của các hạt.
Hình 9 mô tả sự sắp xếp các lớp để hình thành các hạt và tổ hợp.

Hình 9. Sự hình thành các hạt và tổ hợp
2.4 Phân loại khoáng sét [1]
Silicat được phân loại thành 3 nhóm chính theo sơ đồ sau (Hình 10)[2]
9

Silicat
Philosilicat
(dạng tấm)
Tectosilicat
(dạng khung)
Silicat khác
2:1 Philisilicat
1:1 Philosilicat
(Kaolinite-Serpentine)
2:1 Philosilicat
(dạng sợi-ribbon)
(Sepiolite-palygorskite)
Talc-Pyrophylite
Smectite Vermiculite
Chlorite
Mica
Nhóm Kaolinite

Kaolinite
Halloysite
Dickite
Nacrite
Nhóm Serpentine
Chysotile
Antigorite
Lizardite
Dioctahedral smectite
Montmorillonite
Beidellite
Nontronite
Trioctahedral smectite
Saponite
Hectorite
Sauconite

Hình 10. Sơ đồ phân loại khống sét
Silicat được phân thành 3 nhóm chính, philosilicat (dạng tấm) tiếp tục được
phân thành 3 nhóm nhỏ hơn theo sự sắp xếp các tấm tứ diện và bát diện. Smectite
nằm trong nhóm philosilicat 2:1 dạng tấm.
2.4.1 Lớp 1:1
Lớp 1:1 gồm một tấm tứ diện ghép với một tấm bát diện (Hình 11).
Trong cơ cấu lớp 1:1, một đơn vị gồm có sáu bát diện (ví dụ bốn bát diện
định hướng cis và hai bát diện định hướng trans) và bốn tứ diện. Nếu cả sáu bát
diện được dùng thì cơ cấu được xem như trioctahedral, nếu chỉ bốn bát diện được
dùng thì cơ cấu được xem như dicotahedral (Hình 6).
Độ dày mỗi lớp trong cơ cấu lớp 1:1 là 0,7 nm (Hình 11). Một bề mặt của
lớp chỉ có ngun tử oxigen (O
b

) của tấm tứ diện trong khi đó mặt còn lại chỉ chứa
O
oct
(hầu như là nhóm OH) của tấm bát diện.
10



Hình 11. Khoảng cách giữa hai lớp 1:1 và lớp 1:1 nhìn ngang
2.4.2 Lớp 2:1
Lớp 2:1 gồm một tấm bát diện kẹp giữa hai tấm tứ diện (Hình 12).
Trong lớp 2:1, 2/3 nhóm hidroxil của bát diện được thay thế bởi những
nguyên tử oxigen ở đỉnh của tứ diện.

Hình 12. Hình dạng nhìn ngang của lớp 2:1
Cả hai mặt của lớp 2:1 đều chứa những nguyên tử O
b
của lớp tứ diện. Độ
dày mỗi lớp thay đổi tùy theo các cation có tồn tại giữa các lớp 2:1 hay không và
tùy thuộc vào loại cation giữa các lớp 2:1.
Ví dụ: với talc thì khoảng trống giữa hai lớp 2:1 bằng 0 nên độ dày mỗi lớp
là 0,91-,95 nm (Hình 13)