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火山灰土壌中の活性粘土成分であるアロフェンに対するオキソ酸(硫酸、リン酸、ホウ酸、オルトケイ酸、モリブデン酸、低分子有機酸など)の吸着挙動は、環境保全的および農業的観点から重要であるため、その詳細な吸着機構を実験とともに、理論的手法である量子化学的計算を用いて検討した。
吸着実験結果から、いずれのオキソ酸もアロフェン表面のヒドロキシル基との配位子交換反応によって吸着することが明らかとなった。この配位子交換反応についてはこれまでにも報告はあるが、今回、量子化学的理論計算を取り入れた本研究によって、さらに、以下の新しい事実が確認された。
1.リン酸、モリブデン酸およびホウ酸は、一部、アロフェン中のケイ素を置き換えながら吸着する。
2.吸着したホウ酸分子はアロフェンとの間で、Al-OH-Bという特異な結合様式をとる。
3.オキソ酸吸着によって、吸着母体であるアロフェンの陽イオン交換容量および表面酸性が増大した。この原因は、オキソ酸吸着部位近傍のシラノール基の解離性(ブレンステッド酸的性質)が増大したためである。
4.シラノール基解離性の増大は、近傍の吸着質(オキソ酸)の誘起的効果によることが明らかとなった。この誘起的効果は、リン酸の場合で最も大きかった。
5.オキソ酸吸着に伴い、さらに、アロフェン構造中の近傍のAl-0およびSi-0結合の強度が減少し、アロフェンが酸(塩酸、硝酸、硫酸などの無機酸)に溶解しやすくなった。これは酸性雨との関連で興味深い。
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