Surface hydration of crystalline and amorphous silicas

The surface properties of three SiO₂ samples, one crystalline (quartz) and two amorphous, with a large difference in particle size, have been investigated by thermal analysis, adsorption calorimetry and infrared spectroscopy. The variation in the silanol group population upon thermal treatment has been followed via the evolution of the i.r. bands at 3745–3750 cm^–1 (free hydroxyl groups) and 3650-3550 cm^–1 (adjacent pairs of SiOH) and the evolution of the heat of adsorption of water with coverage on the outgassed samples.The adsorption capacities increase in the sequence high surface area amorphous sample T=673 K) brings about dehydroxylation leaving only isolated silanols on the high surface area amorphous silica, and partial dehydroxylation of the low surface area material. Quartz is totally hydrophilic, as its regular structure probably stabilizes the hydroxyl layers at the surface.

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Zusammenfassung Die Oberflächeneigenschaften von einer kristallinen (Quarz) und zwei amorphen SiO₂-Proben mit großen Unterschieden in der Partikelgröße wurden durch thermische Analyse, Adsorptionskalorimetrie und Infrarotspektroskopie untersucht. Bei thermischer Behandlung eintretende Veränderungen in der Silanolgruppenpopulation wurden durch Messung der IR-Banden bei 3745–3750 cm^–1 (freie Hydroxylgruppen) und 3650–3550 cm^–1 (benachbarte SiOH-Paare) und der Adsorptionswärme von Wasser an ausgeheitzten Proben untersucht. Die Adsorptionskapazitäten nehmen in folgender Reihenfolge ab: amorphe Probe mit großer Oberfläche > amorphe Probe mit geringer Oberfläche > Quarz. Dehydroxylierung der Oberfläche hat zunehmenden hydrophoben Charakter (Gestalt der Isothermen, Adsorptionswärme kleiner als Kondensationswärme von Wasser) zur Folge. Bei der gleichen thermischen Behandlung (673 K) werden bei amorphen Siliciumdioxid mit großer Oberfläche eine nur isolierte Hydroxylgruppen zurücklassende Dehydroxylierung und bei Material mit kleiner Oberfläche eine teilweise Dehydroxylierung beobachtet. Quarz ist vollkommen hydrophyl, da die reguläre Struktur wahrscheinlich die Hydroxylschichten an der Oberfläche stabilisiert.

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, , (), — . 3745–3750 ^–1 ( ) 3650–3550 ^–1 ( SiOH), . < < . ( , ). (T=673 K) . , , , .

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This research was supported by the Ministry of Public Education within a national programme relating to the structure and reactivity of surfaces.