Application de la spectroscopie infrarouge à l'étude de l'organisation de l'eau aux interfaces : le cas des phyllosilicates 2:1

• Auteur / Autrice : Manuel Pelletier
• Direction : Fabien Thomas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces gaz-solide

Smectites

Phyllosilicates

Spectroscopie des rayons X

Mots clés libres

Eau

Hydratation

Argile

Vapeur d'eau

Liaison hydrogène

Dissociation

Saponite

Résumé

La spectroscopie infrarouge a été appliquée à l'étude des premiers états d'hydratation de plusieurs phyllosilicates 2:1, afin de caractériser l'organisation des molécules d'eau aux interfaces. Un montage expérimental mis au point spécialement dans le cadre de cette étude permet de réaliser des spectres IR en transmission sur des échantillons en film mince (1,3 mg) maintenu in situ à température et pression de vapeur d'eau contrôlées. L'examen du massif des vibrations de déformations des molécules d'eau, en particulier par décomposition graphique des spectres expérimentaux, permet de distinguer jusqu'à trois populations de molécules d'eau différentes. La comparaison entre des smectites comportant des cations compensateurs de nature différente, et (ou) des localisations de déficit de charge différentes, permet de confirmer l'influence des paramètres suivants sur l'organisation des premières molécules d'eau adsorbées, par ordre d'importance : 1. Le pouvoir polarisant du cation compensateur, 2. Le caractère auto-associatif des molécules d'eau par liaison hydrogène et leur dissociation, 3. La charge de la maille cristalline et la localisation des substitutions isomorphiques. La surface du feuillet n'est jamais à l'origine de l'hydratation des smectites, et des interactions sont possibles entre les molécules d'eau et les oxygènes basaux seulement en présence de substitutions tétraédriques. Par ailleurs, la localisation du cation compensateur permet d'expliquer l'évolution des vibrations des hydroxyles de la couche octaédrique. En outre, Les résultats acquis dans cette étude mettent en évidence la nécessité de prendre en compte dans les simulations numériques, la flexibilité et la dissociation des molécules d'eau aux interfaces.

Infrared spectroscopy was applied to study the first hydration states of several layer aluminosilicates. An home-made apparatus was built for in situ collecting of transmission infrared spectra on thin film samples placed in a temperature- and water vapor pressure-controlled sample chamber. For the first time, a systematic graphic decomposition of experimental spectra was carried out, and particularly in the range of water molecules bending vibration bands. From the decompositions, up to three water molecules families could be distinguished. Comparison of several smectites presenting different interlayer cations, and/or a different charge localisation, showed that organisation of adsorbed water molecules is influenced by the following parameters, by decreasing effect: 1. Polarizing effect of interlayer cations, 2. Hydrogen bonding and dissociation of water molecules, 3. Magnitude and localisation of the charges in the silicate layers. Layer surface had no effect on smectite mineral hydration, while some interactions may occur between water molecules and basal oxygens when the charge deficit is tetrahedrally located. Otherwise, the interlayer cation localisation can explain variations in octahedral hydroxyl vibrations. Furthermore, the results showed that numeric modeling implied it's necessary to take into account dissociation and flexibility of water molecules at interfaces.