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Evaluation of Crystallinity in Hydrated Ferric Oxides

Published online by Cambridge University Press:  01 July 2024

Edward R. Landa
Affiliation:
University of Minnesota, St. Paul, Minnesota 55101, U.S.A.
Robert G. Gast*
Affiliation:
University of Minnesota, St. Paul, Minnesota 55101, U.S.A.
*
Research Assistant and Professor of Soil Science, respectively, University of Minnesota, St. Paul, Minnesota 55101, U.S.A.

Abstract

The nature of freshly-precipitated and aged hydrated ferric oxides prepared by the addition of ferric chloride to KOH was investigated by the use of scanning and transmission electron microscopy, X-ray diffraction, i.r. absorption, and pH 3·0 ammonium oxalate extraction. The results show the fresh material to be essentially non-crystalline hydrated ferric oxide, which when aged at 60°C C and high pH rapidly crystallizes as goethite, without any indication of coexisting hematite. The various methods were evaluated as indices of crystallinity for aging materials. The acid ammonium oxalate method was shown to extract selectively only the non-crystalline portion of such mixtures. The use of X-ray diffraction analysis for estimating aging stage requires elimination of the preferred orientation of the goethite crystals. While both the oxalate and X-ray methods can detect as little as 2 per cent crystallinity, the oxalate method is probably superior for quantitative determinations as it depends directly on an inherent difference in the solubility of the crystalline and non-crystalline materials, rather than on a technique dependent intensity measurement. The use of the intensity of the O-H bending vibrations of the infrared absorption spectra can also potentially detect as little as 2 per cent crystallinity, but the procedure is probably less useful for quantitative determinations than the oxalate or X-ray methods because of the problem of evaluating the area under the peaks.

Résumé

Résumé

La nature d’oxydes ferriques hydratés fraichement précipités et vieillis, préparés par addition de chlorure ferrique à KOH, a été étudiée au moyen des microscopies électroniques à balayage et par transmission, de la diffraction des rayons X, de l’absorption infrarouge et de l’extraction par l’oxalate d’ammonium à pH 3, 0. Les résultats montrent que le matériel frais est essentiellement un oxyde ferrique hydraté non cristallisé, qui, lorsqu’il vieillit à 60°C et à pH élevé cristallise rapidement en goethite, sans aucune indication d’une coexistence d’hématite. Les différentes méthodes ont été testées en vue de fournir des indices de cristallisation pour les matériaux en cours de vieillissement. La méthode à l’oxalate d’ammonium acide s’est révélée capable d’extraire sélectivement la seule fraction non cristalline de tels mélanges.

L’utilisation de l’analyse aux rayons X pour estimer le degré de vieillissement requiert l’élimination de l’orientation préférentielle des cristaux de goethite. Alors que les méthodes à l’oxalate et aux rayons X peuvent chacune détecter un degré de cristallinité aussi petit que 2%, la méthode á l’oxalate est probablement supérieure pour des déterminatious quantitatives car elle dépend directement d’une diffrrence inhérente à la solubilité des matériaux cristallins et amorphes, plutôt que d’une mesure d’intensité dépendant d’une technique. L’utilisation de l’intensité des vibrations de déformation O-H du spectre d’absorption infrarouge permet aussi potentiellement de détecter un degré de cristallinité aussi petit que 2%, mais le procédé est probablement moins utile pour des déterminations quantitatives que les méthodes à l’oxalate ou aux rayons X à cause du probléme posé par l’évaluation de la surface des pics.

Kurzreferat

Kurzreferat

Die Beschaffenheit von frisch gefällten und gealterten hydratisierten Ferrioxiden, die durch Zugabe von Ferrichlorid zu KOH hergestellt worden waren, warden unter Einsatz der Raster-und der Durchlichtelektronenmikroskopie, der Röntgenbeugung, der IR-Absorption und einer Extraktion mit Ammoniumoxalat bei pH 3 untersucht. Die Ergebnisse zeigen, daß das frische Material im wesentlichen aus nichtkristallinem, hydratisiertem Ferrioxid besteht, das bei Alterung (60°C) und hohem pH schnell zu Goethit kristallisiert ohne daß Anzeichen für die Koexistenz yon Hämatit auftreten. Die verschiedenen Methoden warden ausgewertet, um ein Maß für die Kristallinität des alternden Materials zu erhalten. Es zeigte sich, daß die Extraktion mit saurem Ammoniumoxalat selektiv nur den nichtkristallinen Anteil solcher Gemische erfaßt. Die Anwendung der Röntgenbeugungs-analyse zur Abschätzung des Alterungszustandes erfordert die Beseitigung einer bevorzugten Orientierung der Goethitkristalle. Wäihrend sowohl die Oxalat- als auch die Röntgenbeugungsmethode eine Kristallinität yon nur 2% nachzuweisen vermag, ist die Oxalatmethode wahrscheinlich bei quantitativen Bestimmungen überlegen, da sie sich direkt auf die spezifischen Löslichkeitsunterschiede zwischen kristallinem und nichtkristallinem Material und nicht auf eine Intensitätsmessung gründet, die von der jeweiligen Technik abhängt. Bei Verwendung der Intensität der O-H-Deformationsschwingung des IR-Spektrums kann ebenfalls eine Kristallinität von nur 2% nachgewiesen werden. Jedoch ist dieses Verfahren vermutlich deswegen weniger für quantitative Bestimmungen brauchbar als die Oxalatoder Röntgenbeugungsmethode, weil sich das Problem der Auswertung von Peak-Flächen ergibt.

Type
Research Article
Copyright
Copyright © 1973 The Clay Minerals Society

Access options

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Footnotes

*

Paper N. 8140 Scientific Journal Series, Minnesota Agricultural Experiment Station, University of Minnesota, St. Paul, Minnesota 55101. This work was supported by the Graduate School, University of Minnesota and by a National Science Foundation Traineeship to the senior author.

References

Bentley, F. F., Smïthson, L. D. and Rozek, A. L., (1968) Infrared Spectr. and Characteristic Frequencies 700-300 cm−1 New York Interscience.Google Scholar
Blume, H. P. and Schwertmann, U., (1969) Genetic evaluation of profile distribution of aluminum, iro. and manganese oxides Soil Sci. Soc. Am. Proc. 33 438444.CrossRefGoogle Scholar
Blyholder, G. and Richardson, E. A., (1962) Infrare. and volumetric data on the adsorption of ammonia, wate. and other gases on activated iron (III) oxide J. Phys. Chem. 66 25972602.CrossRefGoogle Scholar
Brindley, G. W. and Brown, G., (1961) Quantitative analysis of clay minerals X-ray Identificatio. and Crystal Structures of Clay Minerals London Mineral Soc. 489516.Google Scholar
Deer, W. A., Howie, R. A. and Zussman, J., (1962) Rock Forming Minerals, Non-silicates London Longmans.Google Scholar
Ewing, F. J., (1935) The crystal structure of diaspore J. Chem. Phys. 3 203207.CrossRefGoogle Scholar
Garrels, R. M. and Abelson, P. H., (1959) Rates of geochemical reactions at low temperature. and pressures Researches in Geochemistry New York Wiley.Google Scholar
Gastuche, M. C., Bruggenwert, T. and Mortland, M. M., (1964) Crystallization of mixed iro. and aluminum gels Soil Sci. 98 281289.CrossRefGoogle Scholar
Glemser, O. and Hartert, E., (1953) Knickschwingungen der OH-gruppe im gitter von hydroxyden Naturwissenschaften 40 552553.CrossRefGoogle Scholar
Jackson, M. L., (1956) Soil Chemical Analysis-Advanced Course. Wisconsin Publ, by author, Dept. of Soils, Univ. of Wisconsin, Madison 6.Google Scholar
Klug, H. P. and Alexander, L. E., (1954) X-ray Diffraction Procedures. New York Wiley.Google Scholar
Kumada, K. and Aizawa, K., (1959) The infrared absorption spectra of soil components Soil Plant Food (Tokoyo) 4 181188.CrossRefGoogle Scholar
Langmuir, D., Wittemore, D. O. and Gould, R. F., (1971) Variations in the stability of precipitated ferric oxyhdroxides Non-equilibrium Systems in Natural Water Chemistry 209234.CrossRefGoogle Scholar
Mackenzie, R. C. and Meldau, R., (1959) The aging of sesquioxide gels. (I) Iron oxide gels Mineral Mag. 32 153165.Google Scholar
Marshall, P. R. and Rutherford, D., (1971) Physical investigations on colloidal iron-dextran complexes J. Colloid Interface Sci. 37 390402.CrossRefGoogle Scholar
Pawluk, S., (1972) Measurement of crystallin. and amorphous iron removal in soils Can. J. Soil Sci. 52 119123.CrossRefGoogle Scholar
Rooksby, H. P. and Brown, G., (1961) Oxide. and hydroxides of iron and aluminum X-ray Identification and Crystal Structures of Clay Minerals London Mineral Soc. 354392.Google Scholar
Roy, D. M. and Roy, R., (1957) Hydrogen-deuterium exchange in clay. and problems in the assignment of infra-red frequencies in the hydroxyl region Geochim. Cosmochim. Acta 11 7285.CrossRefGoogle Scholar
Sandell, E. B., (1944) Colorimetrie Determination of Traces of Metals. New York Interscience.Google Scholar
Schwertmann, U., Fischer, W. R. and Papendorf, H., (1968) The influence or organic compounds on the formation of iron oxides Trans. 9th Intern. Congr. Soil Sci. 1 645655.Google Scholar
Sims, J. R. and Bingham, F. T., (1968) Retention of boron by layer silicates, sesquioxides. and soil materials (II). Sesquioxides Soil Sci. Soc. Am. Proc. 32 364373.CrossRefGoogle Scholar
Smith, F. G. and Kidd, D. J., (1949) Hematite-goethite relations in neutra. and alkaline solutions under pressure Am. Mineralogist 34 403412.Google Scholar
Stoops, G., (1970) Scanning electron microscopy applied to the micromorphological study of a laterite Pedologie (Ghent) 20 268280.Google Scholar
Taylor, R. M. and Graley, A. M., (1967) The influence of ionic environment on the nature of iron oxides in soils J. Soil Sci. 18 341348.CrossRefGoogle Scholar
Whittig, L. D. and Black, C. A., (1965) X-ray diffraction techniques for mineral identificatio. and mineralogical composition Methods of Soil Analysis 671698.Google Scholar