I 2023 kom ler for alvor i medierne, da der skete et voldsomt jordskred i Ølst Bakker ved Randers. Siden 1950’erne er der i området gravet ler til Leca-kugler, som blandt andet bruges til dræn og (sammen med beton) til isolering. Faktisk bliver mange lermineraler brugt til forskellige kommercielle formål. Et af lermineralerne, vermiculit, findes i mange laboratorier – måske bruger du det allerede på flere måder?
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder
(læs originalartiklen her)
Af Charlotte Rasmussen, laboratorieleder, Institut for Geoscience, Aarhus Universitet
Lermineraler er phyllosilikater. Fælles for dem alle er, at de er pladeformede med vekslende planer bestående af aluminium- og silicium-atomer. Planerne holdes sammen ved at dele ilt-atomer imellem sig. De kemiske kræfter har derfor betydning i forhold til lerets egenskaber: Nogle lermineraler har svagere bindinger end andre, og er mere tilbøjelige til at indbygge kationer imellem planerne. Hvis ler optager makromolekyler (som for eksempel H2O), ændres lerets egenskaber.
Phyllosilikater er dannet ved kemisk forvitring af geologiske materialer. Et af de simpleste eksempler på et lermineral er kaolinit Al2(Si2O5)(OH)4, der dannes ved nedbrydning af mineralet feldspat. Feldspat findes i grundfjeld, for eksempel i bjergarten granit. I Danmark findes kaolinit på Bornholm, blandt andet i en forekomst øst for Rønne. Kaolinit er et såkaldt 2-lags mineral (figur 1), som er opbygget af et tetraederlag og et oktaederlag; det kalder man også et 1:1 lermineral.
Kaolinit kan købes under handelsnavne som Kaolin, Pibeler eller China clay. De fleste produkter indeholder en hvidlig bjergart domineret af kaolinit, som er knust til et fint pulver. Kaolinit indgår blandt andet som pigment i maling, som fyldstof i papirproduktion, som ansigtsmaske eller i en blanding af sæbespåner til hvidskuring af trægulve eller træbordplader. Formentlig er kaolinit et af de mest benyttede lermineraler i hverdagen, da det i mange kulturer har været brugt i tusindvis af år til keramik.
Trelagsmineralerne har to tetraederlag, som omgiver et oktaederlag, kaldet et 2:1 lermineral. De mest udbredte mineraler i denne gruppe er illit, vermiculit og smectit1. Illit er karakteristisk ved at have kalium-ioner mellem planerne. Vermiculit og smectit ligner hinanden en del, hvor forskellen ligger i typen af kationer: Vermiculit har flest magnesium-ioner i oktaederne, hvorimod smectit har flest aluminium-ioner.
Firelagsmineralerne har et tetraederlag, et oktaederlag, et tetraederlag og et oktaederlag i opbygningen, kaldet 2:1:1. Det typiske lermineral i denne gruppe er chlorit, som er rigt på magnesium.
De fem lermineraler, der har størst betydning i Danmark, er vist i figur 2, med deres rumlige opbygning. I naturen er lermineraler dog ikke sammensat så perfekt som beskrevet: Lermineraler har en betydelig ionbytningskapacitet, som spiller en afgørende rolle for lerets egenskaber.
Lermineralers egenskaber
De specielle egenskaber (tabel 1) ved lermineraler skyldes især deres størrelse og form. Disse to parametre har blandt andet indflydelse på arealet af partiklernes overflade: I forhold til deres størrelse har lermineraler en stor specifik overflade, hvilket er med til at gøre dem ret reaktive. Overfladen har direkte betydning for, hvordan lermineraler kan interagere, for eksempel hvor hurtigt (og hvor kraftigt) ioner eller andre molekyler fastholdes, muligheden for kompaktion og dermed den tilgængelige plads i jordbunden til andre komponenter (for eksempel luft, porevæske eller planternes rødder).
Vermiculit i laboratoriet
Vermiculit (eller Mg0.7(Mg,Fe,Al)6(Si,Al)8O20(OH)4·8H2O) er et andet eksempel på et lermineral, der kan findes i dagligdagen. Vermiculit kan ekspandere, men bliver mineralet mættet med kalium-ioner trækker det sig sammen. Når vermiculit opvarmes, vil de bundne vandmolekyler mellem tetraederlag og oktaederlag fordampe i en proces, der kaldes eksfoliering. Mineralet er i sin naturlige form ret flaget, hvor de tynde lag er pakket i en tæt struktur (figur 3). Ved opvarmning bliver planerne puffet op og ligner orme2, hvor der nu er meget luft imellem planerne (figur 4). Volumenforøgelsen (der mest af alt kan sammenlignes med majskorn, der under opvarmning bliver til popcorn) kan være op til 30 gange mineralets oprindelige størrelse.
Vermiculits popcornstruktur har flere fordele:
• Ikke-brandbar.
• Meget absorberende.
• Ikke-reaktiv med de fleste kemikalier.
• Porøst: En lav densitet gør materialet meget let.
• Udøves et pres på materialet, vil det komprimeres, men når presset fjernes, vil materialet springe tilbage til sin oprindelige form (”sponginess”).
Disse karakteristiske egenskaber er ønskelige til mange industrielle formål. Vermiculit er derfor blevet udnyttet kommercielt i mere end et århundrede, udvundet fra åbne miner rundt om i verden. Først renses3 materialet for uønskede stoffer på en fabrik, derefter sorteres partiklerne efter størrelse og til sidst bliver mineralet eksfolieret. I princippet er vermiculit nu klart til at bruges som brandhæmmende isolering, absorberingsmiddel, som fyldmateriale i beton, pakkemateriale, til jordforbedring og meget mere.
I laboratoriet indgår vermiculit ofte i “spill kits” til situationer, hvor der på en nem og hurtig måde skal opsamles væske. Vermiculit bruges også som pakkemateriale, for eksempel ved forsendelser af kemikalier og kemikalieaffald (figur 5). Vermiculit medvirker til, at dunkene står stabilt under transporten, og opstår der lækage, vil vermiculit opsuge væsken.
Laboratorieanalyser af ler
Som antydet kan sammensætningen af lermineralerne variere meget. Til at identificere typerne af lermineraler bruges forskellige analytiske teknikker: Ofte er det XRD (røntgendiffraktion), evt. i kombination med SEM (scanningselektronmikroskopi) og DTA (Differentiel Termisk Analyse).
Røntgendiffraktion på lermineraler laves på et knust pulver eller som et særligt smear slide bestående af lerpartikler <2 µm, som er opkoncentreret ved sedimentation efter Stokes lov. En opløsning af leret smøres herefter over en glasplade, der ligger i en fast skabelon, således at højden af præparatet kontrolleres. Når leret tørrer, får lerlaget derfor en kendt tykkelse. Herefter skyder man røntgenstråler ved forskellige vinkler mod præparatet (figur 6). Typisk bruges et Cu-rør, hvor man kender bølgelængden på strålen meget præcist. Afhængigt af de krystalgitre som den primære røntgenstråle rammer (se igen figur 2), reflekteres en sekundær røntgenstråle, der måles af detektoren og danner spektrallinjer, udtrykt ved et antal tællinger eller counts ved en given vinkel – et røntgendiffraktogram:
• Kvalitativ identificering: Spektrallinjernes position i diagrammet er et direkte udtryk for Ångstrøm-afstanden imellem lagplanerne i lermineralet (distancen kaldes også d-spacing) og dermed kan typen af lermineral identificeres ved at sammenligne med kendte data for spektrallinjernes placering.
• Kvantificering: Samtidig er den målte intensitet (i counts eller counts per second) af reflektionen et udtryk for, hvor meget af mineralet der er til stede i præparatet.
Tak til Pia Bomholt Jensen, Interdisciplinary Nanoscience Center – iNANO, Aarhus Universitet, for hjælp med SEM billedmateriale.
E-mail:
Charlotte Rasmussen: charlotte.rasmussen@geo.au.dk
Referencer
Thomas Rye Simonsen (2017): Danmarks lumske ler https://aktuelnaturvidenskab.dk/fileadmin/Aktuel_Naturvidenskab/nr-6/AN6-2017plastler.pdf.
Charlotte Rasmussen (2020): Particle sizing in Geosciences: Explanation of various techniques and pre-treatments https://ebooks.au.dk/aul/catalog/book/374.
https://www.mindat.org/.
1 I ældre litteratur kaldes smectit for montmorillonit
2 Vermiculit kommer af det latinske vermicluare, der betyder “at avle orme”
3 For eksempel fjernes andre komponenter såsom asbestfibre og fine kvartspartikler, der begge udgør en sundhedsrisiko ved indånding
BOKS:
Hvad er ler?
Ordet ler dækker over en række begreber:
• En gruppe af bestemte mineraler med samme egenskaber.
• I Danmark beskriver geologer ler som partikler <2 µm.
• Forskellige jordbundstyper, der har et højt indhold af lermineraler.
