Surface Conductivity and Dielectrical Properties of Montmorillonite Gels

Abstract

The surface conductivity of salt free montmorillonite clay gels saturated with lithium, sodium, potassium and cesium has been studied. The theory of the behavior of heterogeneous dielectrics adapted to systems having a surface charge density has been applied to the clay gels. From numerical calculations it became evident that the value of the depolarization factor may be extrapolated to 1 in the direction of the small axis of the platelet, meaning that the field action is zero in this direction. Along the long axis, however, the action is complete and the motion of the charge carriers is essentially tangential to the platelet. The values of the surface conductance are of an order of magnitude of 10⁻⁹ Mho.

The investigation of the behavior of the water molecules has been carried out over a wide temperature range (145–320°K). At temperatures below 273°K, the conduction appears to be predominantly protonic; the counterions are considered to be disturbing elements in the water layer structures, thus creating a number of lattice defects able to transport the current. Above 273°K, the conduction is essentially due to the adsorbed cations, their contribution starts during the phase change.

Résumé

La conductivité en surface de colloides d’argile montmorillonite sans sel, saturés au lithium, sodium, potassium et au césium a été étudiée. La théorie du comportement de diélectriques hétérogènes adaptés aux systèmes ayant une densité de charge en surface, a été appliquée aux colloides d’argile. D’après les calculs numériques, il était évident que la valeur du facteur de dé polarisation pouvait être extrapolée à une, dans le sens du petit axe de la plaquette, ce qui signifie que dans cette direction le champ d’action devient zéro. Toutefois, le long de l’axe le plus long, l’action est complète et le mouvement des porteurs de charge est surtout tangentiel à la plaquette. Les valeurs de la conductance de surface sont de l’ordre de 10⁻⁹ Mho.

La recherche du comportement des molécules d’eau a été faite pour une gamme étendue de températures (145–320°K). A des températures inférieures à 273°K, la conduction paraît être surtout protonique; les contre-ions sont considérés comme éléments perturbateurs dans les structures des couches d’eau créant ainsi un réseau de défauts capables d’entraîner le courant. Au-dessus de 273°K, la conduction est essentiellement due aux cations absorbés, leur contribution commençant au moment du changement de phase.

Kurzreferat

Die Oberflächenleitfähigkeit von salzfreien, mit Lithium, Natrium, Kalium und Cäsium gesättigten Montmorillonit-Ton-Gelen wurde untersucht. Die Theorie des Verhaltens heterogener Dielektrika, angepasst an Systeme mit Oberflächenladungsdichte, wurde auf die Ton-Gele angewendet. Aus zahlenmässigen Berechnungen ergab sich, dass der Wert des Depolarisierungsfaktors in der Richtung der kurzen Achse des Plättchens bis zum Wert eins extrapoliert werden kann, wodurch ausgesagt wird, dass die Feldwirkung in dieser Richtung null ist. Entlang der langen Achse ist die Wirkung jedoch vollständig und die Bewegung der Ladungsträger ist im wesentlichen tangentiell zum Plättchen. Die Werte der Oberflächenleitfähigkeit sind in der Grössenordnung von 10⁻⁹ Mho.

Die U ntersuchung des Verhaltens von Wassermolekülen wurde innerhalb eines weiten Temperaturbereiches von 145–320°K durchgeführt. Bei Temperaturen unterhalb 273°K scheint die Leitung vorwiegend protonisch zu sein; die Gegenionen werden als Störelemente in den Wasserschichtgefügen betrachtet, die eine Anzahl von Gitterdefekten schaffen, durch welche Leitung des Stromes ermöglicht wird. Oberhalb 273°K wird die Leitung im wesentlichen durch die adsorbierten Kationen besorgt, deren Beitrag während des Phasenwechsels beginnt.

Резюме

Исследовалась поверхностная проводимость не содержащих соли монтмориллони- товых глинистых гелей, насыценных литием, натрием, калием и цезием. Теория поведения гетерогенных диэлектриков, приспособленная для систем, обладающих поверхностной плотностью заряда применялась в случае глинистых гелей.Числовое вычисление ясно показало, что значение коэффициента деполяризации может быть экстраполировано до единицы по направлению малой оси пластиночки, а это означает, что действие поля в этом направлении равняется нулю. Однако, вдоль длинной оси действие полное и движение носителей заряда в сущности тангенциально к этой пластинке. Значения поверхностной проводимости порядка 10⁻⁹ мксим.

Исследование поведения молекул воды проводилось в широком температурном диапазоне (145–320°К). При температурах ниже 237°К, проводимость как видно преимущественно протонная; противоионы считают расстраивающими элементами в структурах водяного слоя, образуя тем самым ряд дефектов решетки, которые могут переносить ток. Свыше 273 °К, проводимость является по существу следствием адсорбированных катионов, причем содействие их начинается во время фазового превращения.