К классу силикатов относится 1/3 всех известных минералов. Минералы это класса представляют собой соединения солей различных кислот кремния. Плотность их обычно невелика. Твердость в большинстве случаев высокая. Установлено, что во всех силикатах каждый ион кремния Si +4 находится в соединении с четырьмя ионами кислорода и может быть изображен формулой -4 . Основная структурная единица силикатов - кремнекислородный тетраэдр - группировка, состоящая из четырех больших ионов кислорода и одного малого иона кремния. При этом центры ионов кислорода образуют четыре вершины тетраэдра, а ион кремния занимает центр такого тетраэдра. Кремнекислородный тетраэдр обладает четырьмя свободными валентными связями, за счет которых происходит присоединение кислородных тетраэдров и ионов других химических эле-ментов.
В основу классификации силикатов положен способ соединения тетраэдров. Кремнекислородные тетраэдры могут быть обособлены один от другого или соединяться посредством общих кислородных ионов через вершины тетраэдров, создавая сложные комплексно-анионные радикалы. Все минералы силикатов разделяются в зависимости от способов сочленения кремнекислородных тетраэдров на следующие структурные группы: островные, кольцевые, цепочечные, ленточные, листовые и каркасные.
Островные силикаты
Оливин (перидот). Химический состав (Mg,Fe) 2 . Сингония ромбическая. Кристаллы редки. Встречается в виде сплошных зернистых масс, вкраплений
Цвет оливково-зеленый, буроватый до черного, иногда бесцветный. Блеск стеклянный, жирный. Черты не дает. Твердость 6,5-7. Спайность средняя. Излом раковистый. Плотность 3300-3400. Хрупкий.
Происхождение . Породообразующий минерал ультраосновных и основных изверженных пород.
Применение . Прозрачные разновидности - хризолиты - ювелирные камни. Оливиновые породы (дуниты) применяются в строительстве, огнеупорной и химической промышленности.
Гранаты . Химический состав различный. Общая формула R // 3 R /// 2 3 , где R // - Ca, Mg, Fe, Mn; R /// - Al, Fe, Cr. Сингония кубическая. Облик кристаллов - изометрические многогранники. Встречаются иногда в виде сплошных зернистых масс.
Цвет темно-красный, бурый, светло-зеленый (зависит от состава). Блеск стеклянный, на изломе жирный. Черты не дает. Твердость 6,5-7,5. Спайность несовершенная или отсутствует. Излом раковистый, неровный. Плотность от 3500 до 4300.
Происхождение . Образуется при метаморфических и реже магма-тических процессах.
Применение. Абразивный материал и как драгоценные камни.
Рис. 3. Типы группировок кремнекислородных тетраэдров: а – кремнекислородный тетраэдр; б – сдвоенный тетраэдр; в – кольцо из трех тераэдров; г – кольцо из четырех тетраэдров; д - кольцо из шести тетраэдров; е – цепочка; ж – лента; з – лист; и – каркас.
Кольцевые силикаты
Турмалин. Алюмоборосиликат (состав сложный и непостоянный). Сингония тригональная. Кристаллы турмалина легко узнаются по характерному поперечному сечению (в виде сферического треугольника). Встречаются в виде отдельных кристаллов, щеток, шестоватых, игольчатых и радиально-лучистых агрегатов (“турмалиновое солнце”), реже в сплошных зернистых массах.
Цвет розовый, зеленый, бурый, черный, полихромный (разные части кристалла различно окрашены). Светлоокрашенные разности прозрачны. Блеск стеклянный. Черты не дает. Твердость 7-7,5. Спайность отсутствует. Излом неровный. Плотность 2900-3250. Хрупкий. Электризуется при трении. Форма кристаллов столбчатая, призматическая, игольчатая. На гранях призм вертикальная штриховка.
Происхождение . Пегматитовое, метаморфическое, гидротермальное.
Применение. Розовый турмалин используется в качестве драгоцен-ного камня.
Цепочечные силикаты
Авгит . Группа пироксенов. Химический состав Ca(Mg,Fe,Al)[(Al,Si) 2 O 6 ].). Сингония моноклинная. Облик кристаллов - восьмиугольные призмы и мелкие столбики. Встречаются в виде сплошных зернистых масс и вкраплений толстостолбчатых и короткопризматических кристаллов.
Цвет серо-зеленый, бурый до черного. Блеск стеклянный. Черта слабая серая, светло-зеленая. Твердость 6,5. Спайность по призме ясная под углом, близким к прямому (отличие от роговой обманки. Плотность 3300-3600.
Происхождение
Ленточные силикаты
Роговая обманка . Группа амфиболов. Химический состав сложный. Полная формула: (Ca, Na) 2 (Mg.Fe // , Mn, Fe /// ,Al) (OH) 2 (Si, Al) 4 O 11 ] 2 . Сингония моноклинная. Кристаллы столбчатого или игольчатого облика, шестигранные в основании. Встречается в виде сплошных зернистых масс и игольчатых агрегатов, вкраплений.
Цвет темно-зеленый, темно-бурый до черного. Блеск стеклянный, на плоскостях спайности шелковистый. Черта зеленоватая, буроватая, сероватая, иногда черты не дает. Твердость 5,5-6. Спайность совершенная по призме под углом 124 0 (отличие от авгита). Излом занозистый. Плотность 3100-3500.
Происхождение . Магматическое, метаморфическое, реже пегмати-товое.
Листовые силикаты
Тальк. Химический состав Mg 3 (OH) 2 . Сингония моноклинная. Форма кристаллов листоватая, чешуйчатая. Встречается в виде сплошных, плотных, кристаллических или чешуйчато-листоватых агрегатов.
Цвет белый, светло-зеленый. Блеск жирный, на плоскостях спайности перламутровый. Черта белая. Твердость 1. Спайность весьма совершенная в одном направлении. Легко расщепляется на толстые неупругие листочки. Плотность 2700-2800.
Происхождение. Метаморфическое - продукт метаморфизма желе-зо-магнезиальных силикатов.
Применение. В резиновой, бумажной и других отраслях промыш-ленности как кислотно- и огнеупорный материал; чистые разности употребляются для смазки машин, изготовления пудры и т.д.
Мусковит (белая калиевая слюда). Химический состав KAl 2 (OH) 2 . Сингония моноклинная. Форма кристаллов таблитчатая или пластинчатая. Кристаллы достигают больших размеров. Встречаются в виде листочков, крупных кристаллов, мелких чешуек и чешуйчатых агрегатов.
Бесцветный с светло-зеленоватым, желтоватым, сероватым, розоватым и дымчатым оттенком. Прозрачный. Блеск стеклянный, перламутровый. Черта белая. Легко расщепляется на тонкие упругие листочки и чешуйки. Твердость 2-3. Спайность весьма совершенная в одном направлении. Плотность 2700-3100. Тонкочешуйчатая разновидность с шелковистым блеском называется серицитом .
Применение. Употребляется в качестве электроизоляционного и тугоплавкого материала (взамен стекла).
Биотит (черная железо-магнезиальная слюда). Химический состав K(Mg,Fe)(OH,F) 2 . Сингония моноклинная. Форма кристаллов таблитчатая (гексагональной формы) или пластинчатая. Встречается в виде листоватых и чешуйчатых агрегатов.
Цвет черный, темно-зелено-черный. В толстых пластинах непрозрачный. Блеск стеклянный, перламутровый. Черта белая или зеленоватая. Твердость 2-3. Спайность весьма совершенная в одном направлении. Легко расщепляется на тонкие упругие листочки. Плотность 3000-3100.
Происхождение . Магматическое, метаморфическое, пегматитовое.
Глауконит (из группы гидрослюд). Сингония моноклинная. Встречается в виде землистых, реже тонкочешуйчатых и зернистых агрегатов или в виде мелких почко- и шаровидных стяжений в осадочных породах (песках, глинах, опоках и др.).
Цвет темно-зеленый, зеленовато-черный. Блеск стеклянный, жирный, восковой. Черта зеленая. Твердость 2-3. Спайность совершенная в одном направлении, устанавливается очень редко и только в крупнокристаллических агрегатах. Плотность 2200-2800. Хрупкий. Растворяется в горячей концентрированной соляной кислоте.
Происхождение . Осадочное - образуется преимущественно в мелководных морских осадках за счет вулканического стекла, реже встречается в почвах и коре выветривания.
Применение . В качестве удобрения, дешевая зеленая краска, смяг-читель жесткости воды.
Хлорит . Химический состав (Fe,Mg) 5 Al(OH) 8 . Сингония моноклинная. Кристаллы имеют форму табличек, чешуек. Встречается в виде кристаллических листовато-чешуйчатых масс, друз.
Цвет зеленый, темно-зеленый. Блеск стеклянный до перламутрового, жирный. Черта белая, зеленоватая. Твердость 2-2,5. Спайность весьма совершенная в одном направлении. Расщепляется на гибкие неупругие листочки. Плотность 2600-2800.
Происхождение Метаморфическое - образуется в контактово-гидротермальных зонах по биотиту, авгиту, роговой обманке; изредка гидротермальное.
Применение . Хлориты с высоким содержанием железа используются как железная руда.
Серпентин . Химический состав Mg 6 (OH) 8 . . Сингония моноклинная. Встречается в виде плотных и скрытокристаллических масс, часто в виде жилок параллельно-волокнистого строения (асбест).
Цвет светло-зеленый, зеленый, буровато-зеленый, пятнистый (напоминает кожу змеи). Блеск тусклый, жирный (восковой), шелковистый. Черта белая или бледно-зеленая. Твердость 2,5-3,5. Спайность отсутствует или расщепляется на тонкие волокна. Излом неровный в сплошных массах, занозистый у волокнистых разновидностей. Плотность 2500-2700.
Происхождение . Метаморфическое - продукт гидротермального изменения ультраосновных пород; в небольшом количестве образуется в зоне контактового метаморфизма.
Каолинит . Химический состав Al 4 (OH) 8 . Сингония моноклинная. Кристаллы исключительно редки и малы по размерам. Встречается в виде плотных или рыхлых землистых масс.
Цвет белый с желтоватым или сероватым оттенком. Блеск тусклый, жирный, в чешуйках перламутровый. Черта белая. Твердость от 1 до 2,5. Излом землистый. У пластинок спайность весьма совершенная в одном направлении. Плотность 2600. Сильно гигроскопичен. Жирен на ощупь. С водой дает пластичную массу. Во влажном состоянии издает запах глины.
Происхождение . Осадочное - образуется при химическом вывет-ривании горных пород, богатых алюмосиликатами (полевыми шпатами, слюдами).
Применение . Основное сырье фарфоровой промышленности; строительный материал; в бумажной (накопитель) и нефтяной (отбеливающий материал) промышленности.
КАРКАСНЫЕ СИЛИКАТЫ
Полевые шпаты
Полевые шпаты из всех силикатов являются наиболее расп-ространенными в земной коре, составляя в ней в общем 50% по весу. По своему химическому составу полевые шпаты представляют алюмо-силикаты Na, K, Ca и подразделяются на:
1) натриево-кальциевые полевые шпаты или плагиоклазы ,
2) натриево - калиевые полевые шпаты.
Плагиоклазы . К ним относятся минералы, представляющие непрерывный изоморфный ряд смесей, крайние члены которого носят название альбит (Аb) - Na и анортит (Аn) - Ca. Классификация минеральных видов этого изоморфного ряда выглядит следующим образом:
Таблица 1.
Часто придерживаются более грубого деления плагиоклазов по их составу: кислые - альбит, олигоклаз; средние - андезин; основные - лабрадор, битовнит, анортит.
Альбит . Химический состав Na. Сингония триклинная. Форма кристаллов таблитчатая или в виде сросшихся пластинок. Встречается в виде сплошных зернистых (сахаровидных) и листоватых агрегатов, а также друз.
Цвет белый с сероватым, желтоватым оттенком. Блеск стеклянный, на плоскостях спайности перламутровый. Черты не дает. Твердость 6. Спайность совершенная в двух направлениях под косым углом (< 90 0). Иногда наблюдается тонкая штриховка на плоскостях спайности. Плотность 2600.
Происхождение . Магматическое, пегматитовое, гидротермальное, контактово-метаморфическое.
Промышленного значения не имеет.
Лабрадор. Сингония триклинная. Облик кристаллов таблитчатый (отдельные кристаллы редки). Встречается в виде сплошных крупнозернистых масс.
Цвет серый, темно-серый, зеленовато-серый, реже коричневый. Блеск стеклянный, перламутровый. Черты не дает. Твердость 6. Спайность совершенная в двух направлениях. Плотность 2700. Характерен зеленый или синий отлив (иризация) на плоскостях спайности и параллельная штриховка, а также двойниковые полосы.
Происхождение . Магматическое (характерен для основных пород).
Применение . Облицовочный материал.
Анортит . Химический состав Ca. Сингония триклинная. Кристаллы встречаются редко. Облик кристаллов таблитчатый, таблитчато-призматический. Встречается в виде мелких кристаллов в основных магматических породах или зернистых агрегатах.
Цвет серый, белый или желтоватый. Блеск стеклянный. Черты не дает. Твердость 6-6,5. Спайность совершенная в двух направлениях (под углом <90 0). Плотность 2730-2780.
Происхождение . Магматическое, контактово-метаморфическое.
Промышленного значения не имеет.
Ортоклаз . Химический состав K. Сингония моноклинная. Облик кристаллов призматический, таблитчатый. Встречается в виде сплошных крупнокристаллических агрегатов, друз.
Цвет белый, желтый, розовый, мясо-красный. Водяно-прозрачная разновидность - санидин. Блеск стеклянный, на плоскостях спайности перламутровый. Черты не дает. Твердость 6. Спайность совершенная в двух направлениях под прямым углом. Плотность 2600.
Происхождение . Магматическое, пегматитовое.
Применение . В стекольной и керамической промышленности.
Микроклин (состав ортоклаза). Сингония триклинная. Форма кристаллов призматическая, таблитчатая. Встречается в виде сплошных зернистых масс, отдельных кристаллов и друз.
Цвет кремовый, зеленовато-серый, розовый. Зеленая разновидность называется амазонитом . Черты не дает. Твердость 6. Спайность совершенная в двух направлениях почти под прямым углом (отличие от ортоклаза). Плотность 2600.
Происхождение . Магматическое и пегматитовое.
Применение . В стекольной и керамической промышленности; амазонит в качестве поделочного камня.
Фельдшпатоиды . К ним в минералогии относятся алюмосиликаты щелочей, близкие по своему значению в горных породах к полевым шпатам. От последних отличаются низким содержанием кремнезема и высоким - щелочей.
Нефелин (элеолит, масляный камень). Химический состав Na. Сингония гексагональная. Облик кристаллов мелкопризматический. Встречается в виде сплошных плотных и зернистых масс.
Цвет: кристаллы бесцветные; в сплошных массах серый, желтый, красный, зеленый, серовато-синеватый, часто неоднородный. Блеск жирный на изломе, на гранях кристаллов - стеклянный. Черты не дает. Твердость 5,5. Спайность несовершенная. Излом плоскораковистый. Плотность 2600. Легко выветривается и становится матовым.
Происхождение . Магматическое, реже пегматитовое.
Применение . В стекольной промышленности, для получения соды, глинозема и некоторых красок.
Таблица 2.
Похожая информация.
Класс силикатов и их аналогов является самым большим по числу минеральных видов – к нему относится 30% от их общего числа. В целом силикаты и алюмосиликаты слагают около 75 объёма (%) земной коры, при этом наиболее распространены полевые шпаты – на их долю приходится около 40-45 объёма (%) литосферы. За ними по распространенности следуют слюды, пироксены, амфибиолы и гранаты. В соответствии с распространенностью химических элементов главными катионами в силикатах и их аналогах являются K, Na, Ca, Mg, Fe. Значительна также роль алюминия, который, как показали рентгеноструктурные исследования, может выступать как в качестве катиона, так и входить в анионный радикал минералов.
Выявлены следующие черты строения силикатов и их аналогов.
1. Во всех силикатах атомы кремния имеют по отношению к кислороду четверную координацию, они образуют вместе с кислородом, как в кварце, кремнекислородные тетраэдры (SiO 4) 4- (cм. рис. 1). Связи кремния с кислородом смешанные ионно-ковалентные, с разной степенью ионности в минералах разной структуры и с разными катионами.
2. Кремнекислородные тетраэдры могут быть одиночными, и тогда они соединяются в общей структуре минерала через катионы, но могут и полимеризоваться, образуя различные анионные группировки.
3. Алюминий в силикатах может быть катионом, занимая позиции в октаэдрических пустотах между кислородом, и может входить в тетраэдры (AlO 4) 5- , занимая в структуре минералов позиции, адекватные с кремнием. Например, в каолините Al2(Si2O5)(OH)4 алюминий является катионом и имеет координационное число шесть, а в микроклине K(AlSi3O8) он входит в анионный радикал минерала. Есть минералы, в которых алюминий представлен и как катион и входит в анионный радикал, например в слюде мусковите KAl2(AlSi3O10)(OH)2.Размер тетраэдров (AlO 4) 5- и его конфигурация иные, чем у групп (SiO 4) 4- , характер химических связей также отличен. Поэтому имеется предел замещения Si 4+ Al 3+
Установлено, что в силикатах может замещаться алюминием не более половины кремния в тетраэдрах. Значит, предельны по составу алюмосиликаты типа анортита Ca(Al2Si2O8), нефелина Na(AlSiO4) и т. п.
4. Помимо кремнекислородных анионных радикалов во многих силикатах и алюмосиликатах есть дополнительные анионы - OH - , (CO 3) 2- ,(SO 4) 2- ,(S 2) 2- , (BO 3) 3- , (P 2 O 7) 4- и др.
Рис. 1. Тетраэдр (SiO 4) в двух изображениях
Классификация силикатов и их аналогов производится по их структурам. Так выделяют шесть подклассов: островные, кольцевые, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные.
Островные силикаты
Среди силикатов это наиболее многочисленный подкласс минералов. Его характерными представителями являются оливин (Mg, Fe)2(SiO 4), альмандин Fe 3 Al 2 (SiO 4) 3 , гроссуляр Ca 3 Al 2 (SiO 4) 3 , топаз Al 2 (SiO 4)F 2 , эпидот Ca 2 (Al,Fe)(SiO 4)(Si 2 O 7)O(OH). Силикаты это подкласса имеют разнообразный состав – это минералы магния, железа, кальция, марганца, титана, алюминия, редких земель, тория, циркония, ниобия и др., ни в одном другом подклассе нет такого разнообразия катионов. К этому подклассу относятся также совсем особые по составу и структуре минералы, очень редкие в природе – это силикофосфаты, в них имеются дополнительные радикалы (P 2 O 7) 4- и (PO 4) 3- (например, ломоносовит с приблизительной формулой Na 5 Ti 2 (Si 2 O 7)(PO 4)O 2 и силикокарбонаты (сперрит Ca 5 (SiO 4) 2 (CO 3) и др.)).
Кристаллохимическое своеобразие минералов подкласса островных силикатов определяется сочетанием двух факторов: а) присутствием в них орто- и диортогрупп - (SiO 4) 4- и (Si 2 O 7) 6- , б) большой ролью в их составе катионов октаэдрической координации с радиусом от 0,060 до 0,080 нм (Ti 4+ -0,064; Fe 3+ -0,067; Nb 5+ -0,069; Mg 2+ -0,078; Fe 2+ -0,082 нм, по В. Гольдшмидту), главными из них являются магний и железо. Благодаря такому сочетанию типичных для плотнейшей упаковки её тетраэдрических и октоэдрических полиэдров, структуры островных силикатов наиболее компактны и прочны среди силикатов других подклассов. Кроме перечисленных катионов большую роль, но не во всех, а в некоторых островных силикатах играют относительно крупные катионы восьмерной (и более) координации – Ca 2+ (0,016 нм), Na + (0,098 нм), Ce 3+ (0,018 нм). Их координационные полиэдры несоразмерны с октаэдрами и тетраэдрами. Структура таких минералов, за малым исключением (гроссуляр), менее компактна.
Характерная
особенность алюминия в островных силикатах
заключается в том, что он всегда занимает
октаэдрические позиции и является в этих
силикатах катионом. Разнообразие катионов,
их разные радиусы и свойства приводят к
усложнению кристаллических структур
островных силикатов и часто к вхождению в
них дополнительных анионов F - и
(OH) - . Особенно
характерны такие анионы для силикатов,
содержащих одновременно группы (SiO 4) 4- и
(Si 2 O 7) 6- и
резко различающиеся по металлическим
свойствам катионы: Ca 2+ и
Ti 4+ (титанит),
Ca 2+ и
Al 3+ (эпидот),
K + , Na + и
Ti 4+ (лампрофиллит).
Дополнительные анионы характерны также для
силикатов, в состав которых входят только
группы (SiO 4) и
алюминий в качестве катиона, - топаз Al 2 (SiO 4)F 2 ,
кианита Al 2 (SiO 4)O и
др.
Островные силикаты образуются даже в стесненных условиях роста в виде хороших кристаллов. Это объясняется их большой силой кристаллизации, что обусловлено относительной компактностью и простотой структур этих силикатов, многозарядностью анионных комплексов и значительной силой связей катионов, входящих в их состав. Островные силикаты обладают высокой степенью идиоморфизма (совершенства) кристаллов. Окраска островных силикатов обычно обусловлена присутствием в их составе в качестве главных и примесных компонентов элементов-хромофоров (Fe, Mn, Ti и Cr). Атомы двух- и трёхвалентного железа вызывают при разных своих соотношениях зелёные (гроссуляр, эпидот), коричневые (андрадит, ставролит, титанит) цвета. Лишь в редких случаях встречаются бесцветные, белые островные силикаты – это химически чистые гроссуляр, форстерит, топаз каламин. Компактность структуры и наличие в минералах небольших, но высокозарядных катионов проявляются в высокой плотности и твёрдости (от 6 до 8) этих минералов. Из-за большой твердости эти минералы черты не дают (они процарапывают бисквитную пластинку), даже у густо окрашенных минералов она чуть заметна.
Кольцевые силикаты
Подкласс островных силикатов объединяет сравнительно небольшое число редких в природе минералов. Среди них только два минерала – турмалин и берилл – играют в некоторых случаях роль второстепенных, а иногда и даже главных минералов ряда минеральных месторождений. Главными структурными элементами кольцевых силикатов являются одно- или двухъярусные тройные, четверные, шестерные, девятерные кольца тетраэдров. Турмалин и берилл характеризуются шестерными одноярусными кольцами, но разной конфигурации. В турмалине все тетраэдры в кольце лежат своими основаниями в одной плоскости, вершины обращены в одну сторону, сечение кольца не просто шестиугольное, а дитригональное. В структуре минерала кольца ориентированы одинаково – вершинами тетраэдров вверх, структура получается резко асимметричной по строению и свойствам, а кристалл турмалина имеет дитригональное сечение и не одинаковые концы. Они растут с неодинаковой скоростью, по-разному адсорбируют вещества, в том числе пигментирующие изоморфные примеси, и потому разные концы кристалла нередко различны по цвету; из-за асимметрии структуры в турмалине хорошо проявлен пироэлектрический эффект. В бериллах кольцо гексагональное с горизонтальной плоскостью симметрии, оба конца кристаллов берилла одинаковые по огранке и своим свойствам. В целом структуры кольцевых силикатов сложные и не плотные. Сингония минералов определяется геометрией их колец. Преобладают тригональные и гексагональные минералы.
Таблица 5. Главные минералы – кольцевые силикаты.
Цепочечные и ленточные силикаты
К подклассам цепочечных и ленточных силикатов относятся в первую очередь главные породообразующие минералы – пироксены (диопсид, геденбергит, эгирин и др.) и амфибиолы (актинолит, роговая обманка и др.), а также ряд менее распространенных минералов. Имеется много черт подобия пироксенов и амфибиолов по структуре и составу, по морфологии их кристаллов и физическим свойствам, но есть и существенные различия, опять же вытекающие из особенностей структуры и состава.
Пироксены и амфибиолы имеют сходный, довольно простой химический состав. Чаще всего силикаты магния либо двойные соли магния и кальция, во многих минералах кроме них обязательно присутствует натрий. Итак, в основном три элемента – магний, кальций и натрий – в разных сочетаниях. В качестве постоянной изоморфной примеси в позициях магния размещается железо, иногда полностью вытесняя магний. В некоторых случаях, обычно в ассоциации с натрием, в пироксены и амфибиолы входит алюминий, занимая или позиции магния, или внедряясь в радикал в позиции кремния. Наконец, есть редкие литиевые пироксены и амфибиолы.
Главным различием состава пироксенов и амфибиолов является обязательное вхождение в последние конституционной воды в форме дополнительных анионов (OH) - .
В структуре пироксенов имеются одинарные цепочки (Si 2 O 6) 4- ,в амфибиолах - ленты (Si 4 O 11) 6- с группами (OH) - в центре каждого кольца этой ленты.
Главнейшие пироксены и их формулы приведены в табл. 6. Однако в природе нет химически чистых пироксенов и амфибиолов, состав которых точно отвечал бы приведенным в этой таблице формулам. Он всегда более сложен за счет явлений изоморфизма.
Таблица 6. Главные пироксены и амфибиолы
| Состав | Пироксены | Амфибиолы | ||
| ромбические | моноклинные | ромбические | моноклинные | |
| Силикаты:
магниевые |
Энстатит | Клиноэнстатит | Антофиллит
Mg(Si 8 O 22)(OH) 2 |
Куммингтонит
Mg(Si 8 O 22)(OH) 2 |
| литиевые | - | Сподумен | Холмквистит | Клинохолмквистит
LiMgAL(Si 8 O 22)(OH) 2 |
| кальциевые | - | Диопсид
Геденбергит |
- | Тремолит
Ca 2 Mg 5 (Si 8 O 22)(OH) 2 Ферроактинолит Ca 2 Fe 5 (Si 8 O 22)(OH) 2 |
| натриевые | - | Жадеит | - | Глаукофан
Na 2 Mg 3 Al 3 (Si 8 O 22)(OH 2 Na 2 Fe 3 Fe 2 (Si 8 O 22)(OH) 2 |
| Алюмо-силикаты | - | - | - | Жедрит
Mg 6 (Al, Fe)(AlSi 7 O 22) (OH) 2 Обыкновенные роговые обманки |
Слоистые (листовые) силикаты. К подклассу слоистых (листовых) силикатов и алюмосиликатов относятся известные всем вещества – тальк, слюды, глинистые минералы и др. Многие из них являются породообразующими минералами или используются в промышленности.
Различают листовые силикаты (алюмосиликаты) с простыми и сложными сетками тетраэдров. Последние являются менее распространенными минералами.
Остовом структуры слоистых силикатов являются сетки кремнекислородных тетраэдров. Они располагаются параллельно друг другу и чередуются с плоскими сетками другого состава, образуя пакеты слоёв. Все слоистые силикаты и алюмосиликаты имеют свои структурные разновидности за счет разного смещения (сдвига) и разворота пакетов друг относительно друга, что легко осуществляется в природе из-за малых сил связей между пакетами. В итоге получаются минералы разных сингоний – моноклинной (чаще всего), гексагональной, ромбической, тригональной, триклинной. Такие структурные разновидности слоистых силикатов называют политипами. Некоторые из них устойчивые только при определённых давлениях и температурах и образуются только в определённой химической обстановке. Политипия, как видно, является частным случаем полиморфизма.
Главные группы слоистых силикатов и алюмосиликатов представлены в табл. 7.
Таблица 7. Главные минералы – слоистые силикаты и алюмосиликаты.
Требует пояснения монтмориллонит: некоторые минераллы группы монтмориллонита являются силикатами, другие – алюмосиликатами.
Каркасные алюмосиликаты. Многие из силикатов этого подкласса относятся к числу породообразующих и наиболее распространенных в природе минералов. В первую очередь это полевые шпаты – главные составные части гранитов, габбро, гнейсов и других горных пород. К этому же подклассу минералов относятся нефилин (основной минерал некоторых щелочных горных пород), лейцит (обычная минеральная фаза в базальтоидах). Среди них есть и ценное нерудное сырье (микроклин, цеолиты), и минералы-руды некоторых минералов – нефелин (руда на алюминий), поллуцит (руда на цезий).
В состав каркасных алюмосиликатов большей частью входят катионы калия, натрия, кальция. "Рыхлость" каркасной структуры допускает частое вхождение в них дополнительных анионов (Cl - ,CO 3 2- ,SO 4 2- и т. д.) и конституционной воды в виде молекул H 2 O.
Структуры каркасных алюмосиликатов сложные и многообразные: имеется много разных вариантов сочленения тетраэдров в трехмерном пространстве. В полевом шпате тетраэдры группируются по восемь и четыре – эти группы, соединяясь, образуют каркас с тремя типами "полостей" диаметром 0,15-0,28 нм, в некоторых из них располагаются катионы. В нефелине все полости одиноковые и совсем другой конфигурации, они тоже заняты катионами. Каркасные алюмосиликаты с большими "полостями" (цеолиты, скаполиты, канкринит и др.) нередко содержат в себе целые группы и комплексы ионов и молекул, иногда свободно обменивающихся с окружающий кристалл средой.
Состав каркаса разный, с соотношением Al: Si, равным то 1: 1(как в нефелине и др.), то 1: 3 (как в канкрините и др.). Есть минералы, например полевые шпаты ряда альбит – анортит (см. рис. 2), минералы ряда скаполита с меняющимся соотношением количеств алюминия и кремния. Главнейшие каркасные алюмосиликаты приведены в табл. 8.
Таблица 8. Главные минералы - каркасные алюмосиликаты
| Группа | Минерал | Формула минерала | Син-гония | Твер-дость |
| Полевых шпатов: | ||||
| подгруппа
калиевых |
Микроклин
Ортоклаз |
K(AlSi 3 O 8)
(K, Na)(AlSi 3 O 8) |
Трикл. | 6 |
| подгруппа
кальциево-натриевых полевых шпатов |
Альбит | Na(AlSi 3 O 8)
Ca(Al 2 Si 2 O 8) |
Трикл. | 6-6,5 |
| Данбурита | Данбурит
Поллуцит |
(CaB 2 Si 2 O 8) | Ромб. | 7-7,5 |
| Нефелина | Нефелин
Кальсилит |
Na 3 K(AlSIO 4) 4 | Гекс. | 5-6 |
| Скаполита | Мариалит | Na 4 (AlSi 3 O 8) 3 Cl
Ca 4 (Al 2 Si 2 O 8)(SO 4 , CO 3) |
Тетр. | 5-5,5 |
| Канкринита
Содалита |
Канкринит | Na 3 Ca(AlSiO 4) 3 (CO 3 ,SO 4)*1,5H 2 O
Na 4 (AlSiO 4) 3 Cl Na 3 Ca(AlSiO 4) 3 (SO 4 , S 2) |
Гекс. | 5-5,5 |
| Цеолитов | Стильбит
Гейландит Анальцим Натролит Клиноптилолит Филлипсит |
Ca 0,
5 Na(Al 2 Si 7 O 18)
* 7H 2 O
Ca(Al 2 Si 7 O 18) * 6H 2 O Na(AlSi 2 O 6) * H 2 O Ca 0, 5 (AlSi 2 O 6) * 3H 2 O Na 2 (Al 2 Si 3 O 10) * nH 2 O Na(AlSi 8 O 18) * 6H 2 O CaNa 4 (Al 6 Si 10 O 32) * 12H 2 O |
Мон. | 3,5-4 |
Клинопироксеновые базальты, в никелисто-железистых каменных
метеоритах-оливины, пироксены, плагиоклазы, и др.
Известны кристаллич. структуры
островных силикатов со сдвоенными, конденсированными "двухэтажными" трех-,
четырех-и шестизвенными кольцевыми . Напр., в эканите ThK(Ca,
Na) 2 Si 8 O 20 реализуется сдвоенный четы-рехзвенный
кольцевой . Аналогичный кремнекислородный обнаружен в силикатах с комплексными
катионными группировками, напр. тетраметиламмониевыми в соед. 8 Si 8 O 20 .
Сдвоенное "двухэтажное" шестизвенное кольцо обнаружено, в родственном
бериллу силикате миларите K(Be 2 Al)Ca 2 Si 12 O 30 .
В "двухэтажных" циклич. кремнекислородных группировках число мостиковых
связей на каждый тетраэдр повышается соотв. до трех. Для мн. сложных по составу
островных силикатов характерно сочетание в анионном остове одновременно неск. разл.
кремнекислородных группировок, чаще всего орто- и диортогрупп.
Класс полимерных, или конденсированных,
силикатов подразделяют на 4 подкласса. 1) Цепочечные силикаты с бесконечными цепочками из
одиночных кремнекислородных тетраэдров,
каждый
из к-рых с соседними имеет по две мостиковые связи. Данный структурный тип метасиликатов
охватывает большую группу породообразующих и их синте-тич. аналогов,
моноклинных и ромбич. пироксенов и пиро-ксеноидов широкого диапазона составов:
энстатит (MgFe) 2 (Si 2 O 6) ,
,
диопсид CaMg(Si 2 O 6) ,
, сподумен LiAl(Si 2 O 6) ,
,
волластонит b
-Са 3 (Si 3 O 9) ,
,
родонит CaMn 4 (Si 5 Oi5) ,
и мн. др. представители
пироксен-пироксеноидных силикатов (рис. 4) с периодом повторяемости из 2, 3, 5 кремнекислородных
тетраэдров и более вдоль оси цепочки.
Рис. 3. Простейшие типы
островных кремнекислородных анионных группировок: а-SiO 4 ,
б-Si 2 O 7 , в-Si 3 O 9 ,
г-Si 4 О 12 , д-Si 6 O 18 .
Рис. 4. Важнейшие типы
кремнекислородных цепочечных анионных группировок (по Белову): а-метагерманатная,
б - пироксеновая, в - батиситовая, г-вол-ластонитовая,
д-власовитовая, е-мелилитовая, ж-родонитовая, з-пирокс-мангитовая,
и-метафосфатная, к-фторобериллатная, л - барилитовая.
Рис. 5. пироксеновых
кремнекислородных в ленточные двухрядные амфиболовые (а), трехрядные
амфиболоподобные (б), слоистые тальковые и близкие им (в).
Рис. 6. Структурно-гомологический
ряд кремнекислородных анионных группировок ксонотлита (а) и тоберморита
(б); волластонит-см. рис. 4, г.
2) Силикаты с ленточными кремнекислородными
из двух-, трех- и n-рядных цепочек, сконденсированных между
собой по боковым связям перпендикулярно цепочке (рис. 5). В природе наиб. распространены
в данном подклассе в-в амфиболовые и амфиболоподобные асбесты - волокнистые
силикаты с двухрядными ленточными , важнейшие представители - тремолит
Ca 2 Mg 5 (Si 8 O 22 XOH) 2 и
роговые обманки
(Na,Ca) 2 (MgAl) 5 (Al,Si) 8 O 22 (OH) 2 .
Ленточный
ного
ксонотлита Ca 6 (Si 6 O 17)(OH) 2
(рис. 6, а)-продукта волластонитовых цепочек (рис. 2,б
или 4, г)-состоит из восьмичленных колец, в отличие от шестизвенных
гексагон. колец амфиболовых лент (рис. 5, а, 6,7).
3) силикаты с двухмерными слоистыми
или листовыми характеризуются широким разнообразием возможных сочленений
кремнекислородных тетраэдров в правильные или же в низкосимметричные шести-,
четырех- и восьмичленные кольца с тетрагон. и ромбич. слоя, восьми-,
шести- и четырехчленные кольца, воедино связанные в слоистом , и т. д.
(рис. 5, в, 6, б).
Рис. 7. Важнейшие типы
ленточных кремнекислородных группировок (по Белову): а - силлиманитовая,
амфиболовая-см. рис. 5, а, ксонотлитовая-см. рис. 6,а; б-эпидидимитовая;
в-ортоклазовая; г-нарсарсукитовая; д-фенаки-товая призматическая;
е-эвклазовая инкрустированная.
В прир. слоистых силикатах группы
(мусковит
, биотит
,
пирофиллит и др.), гли
нистых
[каолинита Al 4 (Si 4 O 10)(OH) 8 и др.]
кремнекислородные сетчатые образованы правильными шестичленными кольцами
из тетраэдров SiO 4 . Эти сетки являются продуктом пироксеновых
или же амфиболовых лент (рис. 5). Строение слоистых силикатов предопределяет их отчетливую
спайность по базальной плоскости (параллельно слоям), наиб. отчетливо проявляющуюся
в (рис. 8). При в плоскости волластонитовых цепочек (Si 3 О 9) ,
(рис. 2,б или 4, г) или же ксонотлитовых лент (Si 6 O 17) ,
(рис. 6, а) образуются тетрагон, тоберморитовые сетки Ca 5 (Si 6 O 16)(OH) 2 ·4H 2 0
(рис. 6, б).
4) К силикатам каркасного строения
относятся многочисл. группы (в меньшей степени - боросиликаты),
вязаный каркас к-рых образован четырьмя мостиковыми связями и имеет общую ф-лу
(Al m Si n _ m O 2n) m- .
Избыточный отрицат. заряд анионного остова из (Аl,Si)-теграэдров электростатически
компенсируется щелочными и щел.-зсм. , располагающимися в полостях
каркасной структуры. Среди каркасных более всего в природе распространены
щелочные полевошпатовые силикаты: твердые р-ры альбита NaAlSi 3 O 8
и ортоклаза KAlSi 3 O 8 , а также альбита и анортита CaAl 2 Si 2 O 8 ,
известные под назв. плагиоклазов. Каркасные силикаты характеризуются большими
внутр. полостями и входными окнами, в к-рых могут абсорбироваться крупные
диаметром 0,3-0,5 нм и более (рис. 9).
Рис. 8. Фрагмент (элементарный
пакет) слоистой кристаллич. структуры мусковита KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2 ,
иллюстрирующий переслаивание алюмокремне-кислородных сеток с полиэдрич. слоями
крупных Аl и К.
Рис. 9. Проекция фрагмента
пористой кристаллич. структуры фошазита (фожазита) с широкими входными
каналами эллиптич. сечения.
Силикаты-драгоценные и поделочные камни. Природные силикаты и многие их искусств. аналоги применяют в ювелирном деле. Наиб. дорогими ювелирными камнями являются сложные по составу и строению силикаты и среди них
К силикатам относятся соли различных кислот кремния. Это наиболее многочисленный класс минералов. На долю силикатов приходится 1/3 всех известных минералов. По подсчетам В. И. Вернадского, земная кора до глубины приблизительно 16 км от земной поверхности на 85% состоит из силикатов, являясь по сути кремнекислородной оболочкой. Этот факт в значительной степени объясняется тем, что содержат , на долю которого приходится 27,59% всей массы земной коры. В природных условиях образует три устойчивых изотопа Si 28 , Si 29 и Si 30 с таким соотношением: Si 28 -92,27%, Si 29 -4,68%, Si 30 -3,05%. Для познания процессов минералообразования важным является соотношение Si 28: Si 30 , изучение которого показывает, что Si 80 концентрируется в образованиях, возникающих при пониженных температурах.
Имеют большое значение не только благодаря широкому распространению, но и потому, что многие из них являются полезными ископаемыми. входят как преобладающая составная часть почти во все магматические и метаморфические породы. Они играют значительную роль также в осадочных породах. Если состав большинства рассмотренных выше минералов изображается довольно простыми стехиометрическими формулами, состав силикатов, как правило, трудно укладывается в обычные формулы. Объясняется это тем, что силикаты, несмотря на разнообразие и отличие их свойств, состоят из немногих элементов.Кроме того, анализ и синтез силикатов достаточно затруднен, поскольку состав этих минералов претерпевает изменения.
Поэтому для силикатов многие теоретические построения являются в значительной мере гипотетическими. Экспериментальными исследованиями силикатов особенно много занимались С. Тугутт,С. Вейберг, И. Морозевич и др. Раньше формулы силикатов писались в виде окислов. По отношению количества атомов кислорода, связанных с кремнием, к количеству атомов кислорода в основаниях в соответствующих солях выделялись такие группы силикатов:
1. Моносиликаты, например SiО 2 2MgO - (указанное отношение равно 1).
2. Дисиликаты, например SiО 2 MgO- энстатит (отношение равно 2).
3. Трисиликаты, в частности 6SiО 2 NaO Al 2 О 3 - альбит (отношение равно 3).
4. Субсиликаты (отношение меньше 1).
Многие силикаты имеют в своем составе и его аналоги (Fe, Сr и др.). В связи с ролью, отводящейся разными исследователями алюминию и его аналогам в минералогии силикатов определились два направления: алюмоосновное и алюмокислотное. Согласно алюмоосновному направлению, главным представителем которого был П. Грот, и его аналоги считаются элементами оснований, способных замещать разных кремниевых кислот.
Химическая структура комплексного ангидрида, лежащего в основе многих алюмосиликатов и названного В.И. Вернадским каолинитовым ядром.
Кольцевое строение каолинитового ядра свидетельствует о его устойчивости в природных и лабораторных условиях. Из структуры ядра видно, что связь между атомами Si и Аl осуществляется не непосредственно, а через атомы кислорода. Тетраэдрическое строение комплексного ангидрида, установленное рентгенометрически, натолкнуло В. И. Вернадского придать Аl четвертую , что соответствует современной четверной координации Аl. Два атома кислорода в формуле каолинита присоединены к кремнию двойной связью. Из органической химии известно, что соединения с такими двойными связями способны сравнительно легко давать продукты присоединения. Например, для каолинита:
Поскольку и в полученной алюмокремниевой кислоте существуют такие же двойные связи, как и у каолинита, процесс присоединения может повторяться. Теоретически можно допустить существование ряда алюмокремниевых кислот, причем некоторые из них существуют в природе или в свободном состоянии, или в виде солей.
Кислоты
H2Al 2 Si20 8 H 8 0 -
Н 2 Аl 2 Si 4 O l2 -
H 2 Al 2 Si 6 0 16 х6H 2 0 -термьерит
Соли
(Н, K)2Al 2 Si 2 0 8 -
K 2 Al 2 Si 4 0 12 -лейцит
K2Al2Si 6 0 I6 - ортоклаз
Присоединение в местах двойных связей вызывает возникновение так называемых боковых цепочек каолинитового ядра. При этом могут присоединяться не только новые количества SiO 2 , но и другие компоненты (СаО, CaSiO 3 , Na 2 SO 4). Примером может быть - CaAl 2 Si 2 O 8 CaSiO 3 H 2 O.
Большой заслугой В. И. Вернадского является утверждение за алюминием в природных условиях такой же роли, как и за кремнием. На близость свойств этих элементов обращал внимание еще Д. И. Менделеев. Алюмокис-лотная теория в современном трактовании позволяет объяснить таких минералов, как альбит и анортит. Известно еще со времен Г. Чермака, что известково-натриевые , или плагиоклазы, представляют собой изоморфный ряд с крайними членами альбитом - Na и анортитом - Ca, которые могут смешиваться друг с другом во всех пропорциях. Из приведенных формул видно, что пятивалентная группа NaSi в первой формуле замещена пятивалентной группой СаАl в другой. Таким образом, Са анортита играет ту же роль, что и альбита, а Аl анортита - роль Si альбита.
Рис. Кремнекислородный тетраэдр
С точки зрения алюмоосновной теории эти два минерала входят в разные группы. Альбит является солью первой трикремниевой кислоты - H 4 Si 3 O 8 , а анортит - диортокремниевой кислоты - H 6 Si 2 O 7 .
Несмотря на целый ряд положительных сторон алюмокислотной теории, она, как и алюмоосновная, оказывается в затруднении при решении вопроса о химическом характере силикатов, содержащих в своем составе воду. Это наглядно видно из примера с серпентином. Химические анализы этого минерала обнаруживают такой его состав: 3MgOx 2SiO 2 x2H 2 O. Не зная, какой характер имеет в минерале , формулу серпентина можно писать: H 4 Mg 3 Si 2 O 9 (кислая соль ортокремниевой кислоты) H 2 Mg 3 Si 2 O 8 Н 2 O (кислый ортосиликат Mg, содержащий кристаллогидрат-ную воду), Mg 3 Si 2 0 7 -2Н 2 О (соль диортокремниевой кислоты) или, как принято теперь, Mg 6 (OH) 8 (основная соль диметакремниевой кислоты). В результате для многих минералов было предложено более десяти конституционных формул, построенных на основании второстепенных фактов.
Появление в 1912 г. рентгеноструктурного метода позволило разрешить основной вопрос химической конституции силикатов. Рентгеноструктурный анализ показал, что в кристаллической решетке минералов нет молекул, а имеются связанные между собой атомы или ионы. В. Л. Брэггом и Е. Шибольдом (1937) было доказано, что основой структуры силикатов является кремнекислородный тетраэдр. В центре его находится атом Si, а в вершинах - атомы кислорода (рис. 188). Расстояние Si - О равно в среднем 1,62-1,66 А, расстояние О - О - 2,65 А. У разных минералов эти расстояния несколько варьируют. Исследования В. Л. Брэгга и Е. Ши-больда заложили основы кристаллохимии силикатов и подтвердили основную идею учения о силикатах В. И. Вернадского об одинаковой роли в них алюминия и кремния. По выражению Е. Шибольда, эта одинаковая роль Si и Аl, «предугаданная с гениальной интуицией» В. И. Вернадским, не только подтвердилась, но лежит в основе современной кристаллохимии силикатов.
Исследования В. Л. Брэгга и Е. Шибольда относятся к силикатам с малыми катионами: Mg, Al(Fe, Ti), которые находятся в октаэдрическом окружении ионами кислорода и связывают тетраэдры в общую структуру минералов. Эти исследования Н. В. Белов выделяет как первую главу кристаллохимии силикатов. В первой главе за основную кремнекислородную единицу принимается радикал , соотношение которого с малыми катионами определяется «соизмеримостью» ребра Si-тетраэдра (2,55-2,75 А) с ребром Mg, Al октаэдра (2,7-2,9 А). Указанная соизмеримость показала, что силикаты представляют собой плотнейшую (главным образом кубическую) упаковку из атомов O(OН, F), в которой октаэдрические пустоты заселены катионами Mg, Al(Fe, Ti), а тетраэдры - атомами Si(Al).
Вторая глава кристаллохимии силикатов, созданная Н. В. Беловым, связана с крупными катионами, главным образом Са, Na и TR. В октаэдрах они имеют ребра 3,7-3,8 А, т. е. несоизмеримые с ребром одиночного
Si-тетраэдра (2,55-2,75 А) и основной единицей во второй главе крисф. химии силикатов, соответствующей крупным катионам, оказывается [ S 12 O 7 ] здесь сумма продолжающих друг друга высот двух Si-тетраэдров соста вляет ~4,0 А, т.е. является соизмеримой с ребром Са, Na, TR-октаэдра
В процессе конденсации (обобществления некоторых ионов О) возникают двухэтажные кольца, пироксеноидные цепочки, ксонотлитовые ленты и восьмимерные кольца в листоватых силикатах.
Важнейшей особенностью силикатов является тенденция кремнекислородных тетраэдров к ассоциации в группы (рис. 5) и, что особенно важно;
Рис.5 Типы отдельных групп кремнекислородных тетраэдров (в двух изображениях):
а - одиночный изолированный тетраэдр 4 -, б - группа из двух тетраэдров 6 -, свя занных общей вершиной, в - группа из трех тетраэдров, связанных в кольцо 6- , г - группа из четырех тетраэдров, связанных в кольцо 8 -, д - группа из шести тетраэдров, связанных в кольцо в бесконечные кремнекислородные построения (цепочки, ленты, слои, каркасы), стехиометрические формулы которых и отвечают разным кремне-кислородным радикалам. На основании изложенных исследований среди силикатов можно выделить такие структурные типы.
1. Отдельные группы SiO 4 . Каждый атом кремния в этой структуре окружен четырьмя атомами кислорода, размещенными в вершинах правильного тетраэдра. Атомы кислорода здесь не связаны с каким-либо другим атомом кремния и по своему значению одинаковы. Каждый из них имеет свободную отрицательную , равную единице, которая должна быть уравновешена металлическими катионами. Такие структуры характерны для так называемых ортосиликатов (группы оливина, хондродита, фенакита).
4. Кремнекислородные листы. Кремнекислородные листы образуются при соединении трех вершин каждого тетраэдра с окружающими тетраэдрами. Ионами кислорода, находящимися в вершинах шестиугольников и имеющих свободную , отдельные листы через ионы металлов соединяются один с другим в кристаллические решетки (рис.). Формула кремнекислородного листа - 2- . Такие кремнекислородные листы являются основой структуры разнообразных пластинчатых минералов, в частности талька и . В слюде часть кремния замещена алюминием соответственно формуле .
5. Кремнекислородные каркасы. Эти структуры представляют собой непрерывный каркас (имеющий три измерения в пространстве) связанных между собой тетраэдров. Такой каркас известен для кварца, тридимита,
Рис. Кремнекислородный лист: а- разреженная модель, б - в тетраэдрах
кристобалита. Некоторая часть ионов кремния может быть замещена здесь ионами алюминия, и тогда равновесие в структуре должно достигаться связью с металлическими катионами (рис.2). Формула кремнекислородного каркаса - [(Si, Аl) n O 2n ]. В качестве примера можно назвать альбит - Na. В некоторых случаях в промежутках структуры силикатов размещаются такие группы, как NaCl, СаСO 3 , и т. д. (например, в содалите, канкрините). Эти группы, очевидно, образуют твердый раствор в структуре . Таким образом, все разнообразие структур, встречающихся в силикатах, может быть сведено к типам, указанным в табл. .
Типы структур силикатов
| Тип структуры | Формула | Si: 0 | Заряд комплекса | Заряд на один ион Si |
| Тетраэдр | 1:4 | -4 | -4 | |
| Сдвоенный тетраэдр …….. | 2: 7 | -6 | -3 | |
| Кольцо тройное | 1: 3 | -6 | -2 | |
| Кольцо шестерное | 1: 3 | - 12 | -2 | |
| Цепочка | 1:3 | -2 | -2 | |
| Лента …………… | 4: 11 | -6 | -1,5 | |
| Лист. ……….. | 2: 5 | -2 | - 1 | |
| Каркас | |Al m Si n _ m 0 2n l | - | m |
В силикатах очень развито явление изоморфизма, причем имеет как изовалентный, так и гетеровалентный характер. Наиболее распространенные случаи изовалентного изоморфизма в силикатах приведены в табл. 2.
Ряды изовалентного изоморфизма в силикатах
| Ряды | Элементы и размеры ионных радиусов, А | ||||
| Двухвалентные | Mg 0,74 | Ni0,74 | Fe 0,80 | Mn 0,91 | Ca 1,04 |
| Трёхвалентные | Al 0,57 | Fe 0,67 | |||
| Четырёхвалентные | Ti 0,64 | Zr 0,82 | Hf 0,80 | (Si) 0,39 | |
| Одновалентные | К 1,33 | Na 0,98 | Rb 1,49 | Cs 1,65 | |
Гетеровалентный происходит с соответствующей компенсацией валентности. Например.
1) 3 Mg 2 + ⇄2Al 3+ , 2) Si 4+ ⇄ Al 3+ Na 1+ и т. д.
Силикаты, в которых часть Si 4+ в тетраэдрах замещена А1 3+ , называются алюмосиликатами, В 3+ - боросиликатами, Ве 2+ - бериллосиликатами, Zr 4+ - цирконосиликатами и 2+ - ураносиликатами.
В составе силикатов значительную роль играют так называемые дополнительные ионы, которые могут быть простыми или комплексными. К первым относятся О 2- , F 1- , С1 1- и S 2 , а ко вторым - (ОН) — , 3- , 2- , [СO 3 ] 2- , а также , которая может быть кристаллизационной, цеолитной и гигроскопической. Как и , силикаты - устойчивые , труднорастворимые в кислотах. Морфологические особенности силикатов определяются в первую очередь тем, что они кристаллизуются в большин-стве случаев в низших сингониях (73%), среди которых явно преобладает моноклинная (43%). На долю средних сингоний приходится 18%, а на долю кубической - только 9% минералов этого класса.
Рис. Алюмокремнекислородный каркас в структуре нозеана
Для силикатов характерны закономерные срастания (параллельные и эпитаксические) и двойники, а для некоторых - миметичность (например, для цеолитов). Часто встречаются двойники срастания и особенно полисинтетические двойники. Тип агрегатов силикатов обусловлен их внутренним строением. Островные, каркасные и кольцевые силикаты образуют зернистые агрегаты, цепочечные - волокнистые, ленточные - игольчатые, лучистые и сноповидные агрегаты, а для слоистых силикатов характерны пластинчатые и чешуйчатые агрегаты.
В полной зависимости от структуры находятся также и физические свойства силикатов. Силикаты слоистого строения имеют совершенную спайность, проходящую в одном направлении, цепочечные и ленточные - по призме. В силикатах кольцевого строения спайность обычно проявляется плохо: в большинстве случаев она параллельна плоскости колец, реже перпендикулярна к ней. В островных силикатах спайность несовершенная.
Твердость только в незначительной мере снижается при переходе от островных силикатов к цепочечным и ленточным, для которых равна в среднем 5,5-7. Однако твердость резко снижается в силикатах слоистого типа, доходя даже до 1. Среди силикатов преобладают с низкой
(до 2,6) и особенно средней плотностью (до 3,5). Силикаты с высокой плотностью (выше 3,5) встречаются реже и представлены ортосиликатами с наиболее плотной упаковкой и содержанием тяжелых катионов Fe, Pb и Bi.
Цвет силикатов разнообразный и полностью определяется хромофорами, входящими в их состав. В шлифах и в порошке все силикаты прозрачны.
Показатель преломления силикатов находится в тесной связи с их плотностью и химическим составом. Самый низкий показатель преломления имеют (от 1,48 до 1,6), самый высокий - островные и цепочечные, средний показатель преломления характерен для кольцевых, ленточных и слоистых силикатов. Двупреломление, как правило, невысокое. Самое низкое - у каркасных алюмосиликатов (почти всегда ниже 0,10 и лишь иногда повышается до 0,015), а также у кольцевых (до 0,010, иногда до 0,020) и слоистых силикатов. Сравнительно высокое двупреломление наблюдается у островных силикатов (до 0,035). Присутствие различных катионов, например Са и Mg вместо Na и Аl, повышает двупреломление. Такую же роль играют Fe 2+ , Fe 3+ , Ti 4+ .
Исследованию связи между химическим составом и физическими свойствами минералов посвящены работы А. Винчелла, П. Н. Чирвинского и др. По своему происхождению силикаты главным образом связаны с эндогенными процессами, среди которых исключительное значение имеют собственно магматические и пегматитовые, и значительно реже - с метаморфическими и экзогенными процессами. Несмотря на , что силикаты относятся к менее растворимым в воде веществам, на земной поверхности они со временем разрушаются и переходят в разнообразные вторичные продукты, среди которых особенно распространены различные слоистые глинистые образования.
За основу классификации силикатов мы приняли характер кремне-кислородных радикалов, соответственно которым можно выделить такие подклассы: 1) силикаты с трехмерными каркасами (силикаты каркасного строения), 2) силикаты с изолированными тетраэдрами и группами тетраэдров (так называемые островные орто- и диортосиликаты); 3) силикаты с кольцевыми анионными радикалами (кольцевые мета- и диметасиликаты), 4) силикаты с непрерывными цепочками тетраэдров (цепочечные метасиликаты), 5) силикаты с непрерывными слоями тетраэдров (слоистые диметасиликаты).
Силикаты - это сложные вещества, которые широко распространены в пределах нашей планеты. Больше всего они представлены в земной коре, в которой по разным подсчетам составляют от 75 до 90% объема. В природе они существуют в виде минералов, но человек нашел способ получать их искусственным путем. Что такое силикаты? Где они применяются и чем отличаются от других веществ? Обо всем этом вы узнаете из нашей статьи.
Суть и значение слова «силикат»
Силикаты представляют собой разнообразные по внешнему виду и свойствам минералы, которые образованы соединениями кремнезема. На нашей планете они присутствуют преимущественно в земной коре, а также в верхней и нижней частях мантии. Термин silikat, значение которого с латинского языка переводится как «кремень», возник по аналогии с названием химического элемента Silicium (кремний), который обязательно присутствует в каждом силикате.
В мире существует больше 800 видов этих веществ. Они образуются под действием сложных магматических процессов, метаморфизма или же в результате выветривания и первичных изменений пород.
Силикаты - это самая обширная группа минералов. Многие из них формируют горные породы и являются важными полезными ископаемыми. Ряд силикатов присутствует в составе никелевых, бериллиевых, литиевых, циркониевых, цинковых и других металлических руд. Там они часто образуют пустую породу, которая обычно не находит практического применения. Большинство силикатов, наоборот, являются довольно полезными и используются в промышленности, строительстве, дизайне и ювелирном деле.
Структура и разновидности
Силикаты - это, как правило, твердые и тугоплавкие вещества. Чтобы расплавить, их нужно нагреть до температур от 1000 до 2000 градусов Цельсия. Они не разлагаются под действием кислот и обычно не растворяются в воде. Многие из них склонны к полиморфизму и образуют две или больше аллотропные модификации.
Природные силикаты - минералы, такие как глина, асбест, слюда, роговая обманка, титанит, турмалин, гранат. Наиболее распространенными являются кварц и группа полевых шпатов. Стекло, цемент, керамика, плавленые флюсы, кирпичи тоже являются силикатами, но характеризуются искусственным происхождением. Их изготавливают на основе глины, кварцевого песка, известняка, соды и других веществ, подвергая их различным способам обработки.
Природные силикаты обладают сложным строением, в основе которого лежат разнообразные вариации связей кремния и кислорода, к которым присоединяются и другие элементы, например, Mg, Ca, Al, Fe 2+, Mn, K, Na, Li, B, Zr, F, H. Их кристаллические решетки состоят из тетраэдров, где на один атом Si приходится четыре атома O, в зависимости от того, как они комбинируются между собой, выделяют такие виды силикатов:
- островные;
- поясные;
- цепочные;
- каркасные;
- листовые.
Островные
Островные силикаты - это наиболее многочисленные представители класса. Их решетки представляют собой изолированные тетраэдры или группы тетраэдров, в которых атомы кислорода не пересекаются или практически не пересекаются. Связь между двумя разными тетраэдрами (или двумя группами) происходит через катионы, а атомы кислорода у них не могут быть общими.
Как правило, это светлые или бесцветные минералы, с плотной структурой, благодаря чему они обладают большим удельным весом. Их состав нередко включает катионы железа, магния, тория, алюминия, ниобия, марганца и других металлов.
Минералы гранат, аквамарин, турмалин, топаз, изумруд, везувиан, хризолит - полудрагоценные и драгоценные камни. Их собирают в музейные и выставочное коллекции, используют в украшениях и декоративных поделках. Из распространенного недрагоценного минерала форстерита делают огнеупорные кирпичи. Циркон применяется как в ювелирном деле, так и для производства огнеупоров. Он также является источником циркония, гафния и урана.
Поясные
Атомы поясных силикатов выстроены в длинные двойные ленты из обособленных тетраэдров. Благодаря такой структуре их также называют «ленточными». Они обладают меньшей плотностью, чем островные, но характеризуются более четкой спайностью.
Одним из распространенных представителей группы является роговая обманка, состоящая из магния, железа и алюмосиликата кальция. Сюда относятся различные амфиболовые минералы, например, антофиллит, куммингтонит, грюнерит, тремолит.
Цепочечные
К этому виду относятся представители большой группы пироксенов, такие как жадеит, энстатит, авгит, эгрин. Цепочечные имеют много общего с группой ленточных силикатов. Они тоже обладают средней плотностью и хорошо заметной спайностью. Их кристаллическая структура имеет вид тетраэдров, соединенных друг с другом в длинные непрерывные цепочки. Однако, в отличие от поясных силикатов, их цепочки не двойные.
Листовые
Структура листовых силикатов представляет собой сетки тетраэдров из кремния и кислорода, которые чередуются с плоскими сетками катионов, образуя слои. Их цвет определяется наличием окрашивающих элементов, без которых они являются белыми или бесцветными. С двухвалентным железом в составе они приобретают различные зеленые оттенки, с одновалентным - становятся коричневыми, бурыми, зеленовато-черными. Марганец делает их розовыми или сиреневыми, алюминий - оранжевыми или рыжеватыми.
Слоистая структура характерна для талька, асбеста, каолинита, мурманита, серпентина, для различных слюд, таких как мусковит, биотит, лепидолит, флогопит. Они входят в состав глин, гнейсов, мергелей, пегматитов, сланцев, гранитов. Многие из них находятся в составе осадочных пород и магматических пород коры выветривания. Слоистые силикаты используются как диэлектрики в промышленности, а также в строительстве в виде смазочных, отделочных и огнеупорных строительных материалов.
Каркасные
Атомы каркасных силикатов выстраиваются в непрерывные трехмерные группы, в которых каждый атом кислорода принадлежит одновременно к двум тетраэдрам. В их структуре атомы кремния нередко заменяют алюминием, что привлекает в состав катионы других веществ. Этим обеспечивается их разнообразие.
К каркасным силикатам относят две большие группы минералов: кварцы и полевые шпаты. К первым причисляют агат, кошачий глаз, соколиный глаз, авантюрин, розовый кварц, халцедон, горный хрусталь, аметист, оникс. К полевым шпатам относятся лунный камень, ортоклаз, альбит, лабрадор, битовнит, анортит.
Многие из них являются полудрагоценными камнями, из которых делают украшения и сувениры. В промышленности их используют для изготовления оптически приборов, различных стекол и керамики. Шпаты применяют при сварке, а также добавляют в зубные пасты в качестве абразивов.
