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Montmorillonite Complexes With Dioxane, Morpholine, And Piperidine: Mechanisms of Formation

Published online by Cambridge University Press:  01 July 2024

G. W. Brindley
Affiliation:
Materials Research Laboratory, and Department of Geosciences, The Pennsylvania State University, University Park, Penna. U.S.A.
Atsumu Tsunashima
Affiliation:
Materials Research Laboratory, and Department of Geosciences, The Pennsylvania State University, University Park, Penna. U.S.A.

Abstract

The absorption of dioxane, morpholine and piperidine from dilute aqueous solutions by Li-, Ca-, and Cu-montmorillonite is measured by means of a differential refractometer. This instrument measures small differences in the refractive indices of two liquids and provides a useful method for determining the amount of organic material removed from solution by the clay. Corrections are required for the effect of desorbed cations on the differential refraction measurements. Neutral molecules are absorbed in amounts related to the exchange capacity of the clay probably by cation-dipole interactions. The results are consistent with the formation of complexes Li+-fi and R-Ca2+-R for the three organic materials used; Cu2+ ions behave like Ca2+ ions for dioxane, but form $\mathop >\limits_R^R C{u^{2 + }} - R$ complexes with morpholine and piperidine. Under acid conditions, morpholine and piperidine form organic cations RH+ which take part in cation exchange reactions and which are dominant at pH below about 5. Neutral molecule absorption also occurs by virtue of the presence of RH+ ions on the clay which form RH+-R complexes (hemisalt formation). When this last mechanism of absorption occurs, the total absorption is approximately twice that when a cation-dipole reaction or cation exchange alone operates. One-dimensional Fourier 00l syntheses of complexes in equilibrium with aqueous organic solutions indicate that water molecules are associated with the clay-organic complexes to the extent of about 5H2O/unit cell.

Résumé

Résumé

L’absorption, par la montmorillonite Li, Ca et Cu, du dioxane, de la morpholine et de la pipéridine en solutions aqueuses diluées, est mesurée au moyen d’un réfractomètre différentiel. Cet instrument détermine de petites différences dans les indices de réfraction de deux liquides et fournit ainsi une méthode utile, our déterminer la quantité de substance organique prélevée par l’argile dans la solution. Des corrections doivent être faites pour tenir compte de l’effet des cations désorbés sur les mesures de réfraction différentielle. Les molécules neutres sont absorbées selon des quantités reliées à la capacité d’échange de l’argile, probablement par des interactions cation-dipole. Les résultats sont en accord avec la formation de complexes Li+-R et R-Ca2+-R pour les trois substances organiques utilisées; les ions Cu2+ se comportent comme les ions Ca2+ pour le dioxane, mais forment des complexes $\mathop >\limits_R^R C{u^{2 + }} - R$ avec la morpholine et la pipéridine. En conditions acides, la morpholine et la pipéridine forment des cations organiques RH+ qui prennent part à des réactions d’échange de cations et qui sont dominants à un pH inférieur à 5 environ. L’absorption d’une molécule neutre existe également par suite de la présence sur l’argile d’ions RH+ qui forment des complexes RH+-R (formation d’hémisels). Quand ce dernier mécanisme d’absorption s’établit, l’absorption totale est approximativement deux fois plus forte que lorsqu’une réaction cation-dipole ou échange de cation intervient seule. Les synthèses de Fourier unidimensionnelles 00l des complexes en équilibre avec les solutions organiques aqueuses indiquent que les molécules d’eau sont associées avec les complexes organo-argileux dans la proportion d’environ 5H2O par maille.

Kurzreferat

Kurzreferat

Die Absorption von Dioxan, Morpholin und Piperidin aus verdünnten wässrigen Lösungen durch Li-, Ca-, und Cu-Montmorillonit wurde mittels eines Differentialrefraktometers gemessen. Dieses Gerät kleine Unterschiede in den Brechzahlen zweier Flüssigkeiten und liefert eine brauchbare Methode für die Bestimmung der durch den Ton aus der Lösung entfernten Menge von organischem Material. Korrektionen sind erforderlich für die Wirkung desorbierter Kationen auf die Differentialbrechungsmessungen. Neutrale Moleküle werden vermutlich infolge von Kation-Dipolwechselwirkungen in Mengen absorbiert, die zum Austauschvermögen des Tons in Beziehung stehen. Die Ergebnisse sind vereinbar mit der Bildung von Li+-R und R-Ca2+-R Komplexen für die drei zur Verwendung gelangenden organischen Stoffe; Cu2+ Ionen verhalten sich wie Ca2+ Ionen für Dioxan, formen jedoch $\mathop >\limits_R^R C{u^{2 + }} - R$ Komplexe mit Morpholin und Piperidin. Unter sauren Bedingungen bilden Morpholin und Piperidin organische Kationen RH+, die in Kationenaustausch-reaktionen teilnehmen und die bei pH unterhalb etwa 5 vorherrschen. Neutrale Molekülabsorption findet ebenfalls statt infolge der Gegenwart von RH+ Ionen auf dem Tone, die RH+-R Komplexe bilden (Hemi-salz Bildung). Wenn der letztgenannte Mechanismus der Absorption eintritt, so ist die Gesamtabsorption ungefähr zweimal so gross als wenn eine Kation-Dipol Reaktion oder ein Kationenaustausch allein stattfindet. Eindimensionale Fourier 00l Synthese von Komplexen im Gleichgewicht mit wässrigen organischen Lösungen deuten darauf hin, dass Wassermoleküle mit den ton-organischen Komplexen zu einem Ausmass von etwa 5H2O/Einheitszelle assoziiert sind.

Резюме

Резюме

Поглощение диоксана, морфолина и пиперидина из разбавленных водных растворов монтмориллонитами Li, Ca и Сu измеряется посредством дифференциального рефрактометра. Этот прибор измеряет небольшие разницы показателей преломления двух жидкостей, и является удобным методом определения количества органического вещества удаленного глиной из раствора. В измерения дифференциальной рефракции требуется ввести поправки на эффект десорбции катионов. Нейтральные молекулы поглащаются в количествах связанных с обменной способностью глины, вероятно, взаимодействием катиона с диполем. Результаты соответствуют образованию комплексов Li+-R и R-Ca2+-R для трех применявшихся органических материалов; поведение ионов Сu2+ с диоксаном такое же как ионов Са2+, однако, с морфолином и пиперидином они образуют комплексы $\mathop >\limits_R^R C{u^{2 + }} - R$. При кислотных условиях, морфолин и пиперидин образуют органические катионы RH+, принимающих участие в реакции обмена катионов и преобладающих при рН ниже 5 приблизительно. Абсорбция нейтральных молекул также происходит вследствие присутствия в глине ионов RH+ образующих комплексы RH+-R. При последнем механизме абсорбции, общая абсорбция приблизительно вдвое больше той, которая происходит при реакции катиона с диполем или только при обмене катионов. Одномерный гармонический синтез 00l комплексов в равновесии с водными растворами органических веществ указывает, что молекулы воды находятся во взаимно однозначном соответствии с органическими комплексами глины приблизительно в порядке 5Н2O на элементарную ячейку.

Type
Research Article
Copyright
Copyright © Clay Minerals Society 1972

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Footnotes

*

Clay-Organic Studies, XX.

References

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