Impurity Ions Mn2+ and Fe3+ as Paired Spin Labels for the Study of Structural Transformations in Phyllosilicates by the ESR Method

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Impurity paramagnetic ions Mn2+ and high spin Fe3+ (S = 5/2) are shown to be very informative “paired spin labels” to investigate structural transformations in natural aluminosilicate clay minerals by ESR spectroscopy. Second derivative ESR (SD ESR) enables to detect minor narrow lines of the ions against the background of intense broad lines of other paramagnetic impurities. Complex SD ESR spectra of the ions are explained by the Jahn-Teller effect and hyperfine interactions with OH-groups. SD ESR spectra before and after heating (620°C and 900°C) proved transformations of octahedral crystal cells accompanied by the loss of the OH-groups, displacement of the ions to equivalent positions.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. G. Chetverikova

Orenburg State University

Author for correspondence.
Email: kr-727@mail.ru
Russian Federation, Orenburg

V. L. Berdinsky

Orenburg State University

Email: kr-727@mail.ru
Russian Federation, Orenburg

O. N. Kanygina

Orenburg State University

Email: kr-727@mail.ru
Russian Federation, Orenburg

E. K. Alidzhanov

Orenburg State University

Email: kr-727@mail.ru
Russian Federation, Orenburg

A. N. Nikiyan

Orenburg State University

Email: kr-727@mail.ru
Russian Federation, Orenburg

References

  1. Bleam W.F. Soil and Environmental Chemistry. 2nd edition. Academic Press, 2016. Ch. 3. P. 87; https://doi.org/10.1016/B978-0-12-804178-9.00003-3
  2. Schoonheydt R., Johnston C.T., Bergaya F. // Dev. Clay Sci. 2018. V. 9. P. 1; https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102432-4.00001-9
  3. Bailey S.W. // Clays Clay Miner. 1972. V. 20. P. 381; https://doi.org/10.1346/CCMN.1972.0200606
  4. Yavuz F., Kumral Y.F., Karakaya M., Karakaya N.C., Yildirim M. // Comput. Geosciences. 2015. V. 81. P. 101; https://doi.org/81.10.1016/j.cageo.2015.04.011
  5. Solodovnikov S.F. // J Struct Chem, 55, 1191 (2014). https://doi.org/10.1134/S0022476614070014
  6. Osipov V.I., Sergeev E.M. // Bull. Intern. Assoc. Eng. Geol. 1972. V. 5. P. 9; https://doi.org/10.1007/BF02634646
  7. Lund A., Masaru S., Shigetaka S. Principles and Applications of ESR Spectroscopy. Dordrecht: Springer, 2011; https://doi.org/10.1007/978-1-4020-5344-3
  8. Bortnikov N.S., Mineeva R.M., Novikov V.M. et al. // Doklady Earth Sciences. 2010. V. 433(1). P. 927; https://doi.org/10.1134/S1028334X10070184
  9. Hemanthkumar G.N., Parthasarathy G., Chakradhar R.P.S. et al. // Phys Chem Minerals. 2009. V. 36. P. 447; https://doi.org/10.1007/s00269-009-0291-5
  10. McBride M.B. // Clays Clay Miner. 1976. V. 24. P. 88; https://doi.org/10.1346/CCMN.1976.0240207
  11. Berliner L.J., Reuben J. Spin Labeling: Theory and Applications. New-York, Plenum Press, 1978.
  12. Vasserman A.M., Kovarsky A.L. Spin labels and probes in the physicochemistry of polymers [Spinovyye metki i zondy v fizikokhimii polimerov in Rus], edited by A.L. Buchachenko. Moscow. Science, 1986.
  13. Parmon V.N., Kokorin A.I., Zhidomirov G.M. Stable Biradicals [Stabil’nyye biradikaly in Rus], Ed. A.L. Buchachenko. Moscow. Science, 1980.
  14. Kokorin A.I., Putnikov A.E., Gromov O.I. et al. // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2021. Vol. 15. No 2. P. 212. https://doi.org/10.1134/S1990793121020068
  15. Shuvarakova E.I., Bedilo A.F., Kenzhin R.M., Ilyina E.V., Gerus Y.Y. // Russian Journal of Physical Chemistry. B. 2022. V. 16(3). Р. 411; https://doi.org/10.1134/S199079312203023X
  16. Kytin V.G.,. Duvakina A.V,. Konstantinova E.A, Ovchenkov E.A., Korsakov I.E., Kupriianov E.E., Kulbachinskii V.A. // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2022. V. 16(3). Р. 421; https://doi.org/10.1134/S1990793122030186
  17. Simbirtseva G.V., Piven N.P.,. Babenko S.D. // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2022. V. 16(2). Р. 323; https://doi.org/10.1134/S199079312202023
  18. Hall P. // Clay Miner. 1980. V. 15. № 4. P. 321; https://doi.org/10.1180/claymin.1980.015.4.01
  19. Babińska J., Dyrek K., Wyszomirski P. // Mineralogia Polonica. 2007. V. 38. № 2. P. 125; https://doi.org/10.2478/v10002-007-0021-x
  20. ISO 24235:2007(en). Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Determination of particle size distribution of ceramic powders by laser diffraction method. (https://www.iso.org/obp/ui).
  21. ISO 21822:2019(en). Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Measurement of iso-electric point of ceramic powder. (https://www.iso.org/obp/ui)
  22. ISO 13099-2:2012(en). Colloidal systems — Methods for zeta-potential determination — Part 2: Optical methods (https://www.iso.org/obp/ui)
  23. Chetverikova A.G. // Meas Tech. 2022. V. 64. Р. 936; https://doi.org/10.1007/s11018-022-02024-5
  24. Determination of Total Calcium and Magnesium Ion Concentration magnesium (canterbury.ac.nz), Interstate standard “Clay raw materials. Test methods”, GOST 21216-2014 [in Russian], Izd. standartov, Moscow (2015)
  25. Grim R.E. Applied Clay Mineralogy. McGraw-Hill, New York, USA, 1962, 422 p.
  26. Kanygina O.N., Berdinskii V.L., Filyak M.M. et al. // Tech. Phys. 2020. V. 65. Р. 1261; https://doi.org/10.1134/S1063784220080095
  27. Chen J., Min F., Liu L. et al. // Physicochem. Probl. Miner. Process. 2020. V. 56. P. 338.
  28. Shata S., Hesse R. // Can. Mineral. 1998. V. 36. P. 1525.
  29. Cui J., Zhang Z., Han F. // Appl. Clay Sci. 2020. V. 190. P. 105543; https://doi.org/10.1016/j.clay.2020.105543
  30. CMS Workshop Lectures. Clay Water Interface and its Rheological Implications / Eds. Guven N., Pollastro R.M. Boulder, Colorado (USA): The Clay Minerals Society, 1992. V. 4.
  31. Khatsrinov A.I., Kornilov A.V., Lygina T.Z. et al. // Inorg Mater. 2019. V. 55. Р. 1138; https://doi.org/10.1134/S0020168519110062
  32. Slay D., Charilaou M., Cao D. et al. // J. Appl. Phys. 2021. V. 130. № 11. P. 113902; https://doi.org/10.1063/5.0060769
  33. Worasith N., Goodman В.А., Neampan J. et al. // Clay Miner. 2011. V. 46. P. 539; https://doi.org/10.1180/claymin.2011.046.4.539
  34. Chetverikova A.G., Kanygina O.N., Makarov V.N., Berdinskiy V.L., Seregin M.M. // Ceramica. 2022. V. 68. № 388. P. 441; https://doi.org/10.1590/0366-69132022683883346
  35. Balan E., Allard T., Boizot B. et al. // Clays Clay Miner. 1999. V. 47. P. 605; https://doi.org/10.1346/CCMN.1999.0470507
  36. Chetverikova A.G., Kanygina O.N., Makarov V.N., Berdinskiy V.L., Seregin M.M. // Condensed Matter and Interphases. 2023. V. 25(2). Р. 482;
  37. Bortnikov N.S., Mineeva R.M., Soboleva S.V. // Doklady Earth Sciences. 2008. V. 422(1). Р. 1081; https://doi.org/10.1134/S1028334X08070179

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Atomic three-layer (T-O-T) structure of chlorite and elementary ideal octahedral lattice. The data are taken from [8].

Download (267KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Scattering of particles and their microaggregates (optical microscopy, reflection) in polymineral clay (a), individual particle with distinguishable layers (AFM scanning) (b).

Download (187KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. X-ray fluorescence spectrum of the polymineral sample.

Download (64KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Diffractogram of polymineral clay, λCo = 0.17902 nm.

Download (75KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Overview EPR spectra of the clay sample in the initial state (a), after firing at temperatures 620 (b) and 900С (c): the g-factor values of the paramagnetic centers of iron and manganese are presented.

Download (115KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Second derivative EPR spectra of natural clay and diagrams of superfine interactions of Mn2+ ions. The values of the g-factor and the hyperfine interaction constant a are presented for three positions of ions inside the octahedral lattice of phyllosilicates.

Download (122KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Three positions of Mn2+ ions in the unit cell octahedron in the initial lattice (a); equilibrium position of Mn2+ ions in the unit cell octahedron after heating for 1 h at 900C (b).

Download (100KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. EP EPR spectrum of clay after firing for 1 h at 900C and diagram of Mn2+ ions superfine interactions. The lower part of the figure shows the values of g-factor and STV constant, a.

Download (81KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».