Силикаты и их использование (стр. 2 из 5)

Островные С. делятся на соед. с одиночными кремнекислородными тетраэдрами – ортосиликаты (рис. 3, а) и со сдвоенными тетраэдрами – диортосиликаты (рис. 3, б). К таким С. относятся оливины (MgFe)₂SiO₄, циркон ZrSiO₄, гранаты

, где М^II = Mg, Ca, Fe(II), Mn(II), М^III = Al, Fe(III), Сr(III), V(III) и др. Соед. со сдвоенными тетраэдрами-минералы группы тортвейтита Sc₂Si₂O₇, ме-лилита и обширный класс пиросиликатов РЗЭ (рис. 3, б). По сравнению с орто- и диортосиликатами значительно менее распространены С. с открытыми линейными три- и тетраор-тогруппами, напр. киноит Cu₂Ca₂Si₃O₁₀·2H₂O.

Среди природных и искусственных С. широко распространены соед. с циклич. (замкнутыми) кремнекислородными группировками из трех-, четырех-, шестизвенных (рис. 3, в, г, д) и более сложных (восьми-, девяти-, двенадцатичленных) колец. К данной группе островных метасиликатов относится, напр., псевдоволластонит -Ca₃Si₃O₉ (рис. 3, в). В берилле Ве₃ Al₂Si₆O₁₈ реализуется шестичленный кольцевой анион (рис. 3, д) с двумя мостиковыми Si‑О–Si связями, приходящимися на каждый тетраэдр, как и в др. циклич. анионах.

Известны кристаллич. структуры островных С. со сдвоенными, конденсированными «двухэтажными» трех-, четырех-и шестизвенными кольцевыми анионами. Напр., в минерале эканите ThK (Ca, Na)₂Si₈O₂₀ реализуется сдвоенный четы-рехзвенный кольцевой анион. Аналогичный кремнекисло-родный анион обнаружен в С. с комплексными катионными группировками, напр. тетраметиламмониевыми в соед. [N(CH₃)₄]₈Si₈O₂₀. Сдвоенное «двухэтажное» шестизвенное кольцо обнаружено, в родственном бериллу С. миларите K(Be₂Al) Ca₂Si₁₂O₃₀. В «двухэтажных» циклич. кремнекислородных группировках число мостиковых связей на каждый тетраэдр повышается соотв. до трех. Для мн. сложных по составу островных С. характерно сочетание в анионном остове одновременно неск. разл. кремнекислородных группировок, чаще всего орто- и диортогрупп.

Класс полимерных, или конденсированных, С. подразделяют на 4 подкласса. 1) Цепочечные С. 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 минералов и их синте-тич. аналогов, моноклинных и ромбич. пироксенов и пиро-ксеноидов широкого диапазона составов: энстатит (MgFe)₂ (Si₂O₆)_, диопсид CaMg(Si₂O₆)_, сподумен LiAl(Si₂O₆)_, волластонит – Са₃(Si₃O₉)_, родонит CaMn₄(Si₅Oi5)_, и мн. др. представители пироксен-пиро-ксеноидных С. (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-SiO₄, б-Si₂O₇, в-Si₃O₉, г-Si₄О₁₂, д-Si₆O₁₈.

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. Конденсация пироксеновых кремнекислородных анионов в ленточные двухрядные амфиболовые (а), трехрядные амфиболоподобные (б), слоистые тальковые и близкие им анионы (в).

Рис. 6. Структурно-гомологический ряд кремнекислородных анионных группировок ксонотлита (а) и тоберморита (б); волластонит-см. рис. 4, г.

2) С. с ленточными кремнекислородными анионами 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 С. с двухрядными ленточными анионами, важнейшие представители – минералы тремолит Ca₂Mg₅(Si₈O₂₂XOH)₂ и роговые обманки (Na, Ca)₂(MgAl)₅(Al, Si)₈O₂₂(OH)₂. Ленточный анион цементного минерала ксонотлита Ca₆(Si₆O₁₇) (OH)₂ (рис. 6, а) – продукта конденсации 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) С. с двухмерными слоистыми или листовыми анионами характеризуются широким разнообразием возможных сочленений кремнекислородных тетраэдров в правильные или же в низкосимметричные шести-, четырех- и восьмичленные кольца с тетрагон. и ромбич. симметрией слоя, восьми-, шести- и четырехчленные кольца, воедино связанные в слоистом анионе, 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 С. группы слюд (мусковит

, биотит тальк, пирофиллит и др.), глинистых минералов [каолинита Al₄(Si₄O₁₀) (OH)₈ и др.] кремнекислородные сетчатые анионы образованы правильными шестичленными кольцами из тетраэдров SiO₄. Эти сетки являются продуктом конденсации пироксеновых или же амфиболовых лент (рис. 5). Строение слоистых С. предопределяет их отчетливую спайность по базальной плоскости (параллельно слоям), наиб. отчетливо проявляющуюся в слюдах (рис. 8). При конденсации в плоскости волластонитовых цепочек (Si₃О₉)_, (рис. 2, б или 4, г) или же ксонотлитовых лент (Si₆O₁₇)_, (рис. 6, а) образуются тетрагон, тоберморитовые сетки Ca₅(Si₆O₁₆) (OH)₂·4H₂0 (рис. 6, б).

4) К С. каркасного строения относятся многочисл. группы алюмосиликатов (в меньшей степени – боросиликаты), вязаный каркас к-рых образован четырьмя мостиковыми связями и имеет общую ф-лу (Al_mSi_n__mO_2n)^m- Избыточный отрицат. заряд анионного остова из (Аl, Si) – теграэдров электростатически компенсируется щелочными и щел.-зсм. катионами, располагающимися в полостях каркасной структуры. Среди каркасных алюмосиликатов более всего в природе распространены щелочные полевошпатовые С.: твердые р-ры альбита NaAlSi₃O₈ и ортоклаза KAlSi₃O₈, а также альбита и анортита CaAl₂Si₂O₈, известные под назв. плагиоклазов. Каркасные С. цеолиты характеризуются большими внутр. полостями и входными окнами, в к-рых могут абсорбироваться крупные молекулы диаметром 0,3–0,5 нм и более (рис. 9).

Рис. 8. Фрагмент (элементарный пакет) слоистой кристаллич. структуры мусковита KAl₂(AlSi₃O₁₀XOH)₂, иллюстрирующий переслаивание алюмокремне-кислородных сеток с полиэдрич. слоями крупных катионов Аl и К.

Рис. 9. Проекция фрагмента пористой кристаллич. структуры цеолита фошазита (фожазита) с широкими входными каналами эллиптич. сечения.

3. Процессы образования силикатов в земной коре

Теперь рассмотрим минеральный состав земной коры с позиций строения кремнекислородных радикалов. За счет внутренней энергии Земли магма – расплав, состоящий из основных пород (ортосиликаты магния и железа и их твердые растворы), поднимаясь по трещинам на поверхность, обогащается кремнеземом, глиноземом, водой. При этом с понижением температуры из него кристаллизуются сначала тугоплавкие минералы, а оставшийся расплав снова взаимодействует с встречающимися на его пути породами, образующиеся кристаллы взаимодействуют с гидротермальными водами. Из образовавшихся растворов выкристаллизовываются минералы, содержащие воду. Безусловно, это очень упрощенная картина сложных геохимических процессов, происходящих в действительности. К основным минералам относятся оливины – ортосиликат магния Mg2SiO4, в котором часть катионов магния может быть замещена на Fe2 +. Поэтому для оливинов принимается общая формула [Mg, Fe] 2 [SiO4], а их структура образована изолированными тетраэдрами [SiO4] 4 -, соединенными между собой катионами. При увеличении содержания SiO2 образуются пироксены – метасиликаты натрия, магния, кальция, железа, содержащие бесконечные метасиликатные цепочки (SiO3)?. В зависимости от природы катиона найдены различные виды изолированных и более сложных цепочек. Минерал жадеит NaAl[Si2O6], о котором шла речь, также относится к группе пироксенов, то есть к минералам с цепочечной структурой. Ионы натрия и алюминия образуют катионную составляющую структуры.

Следующей ступенью полимеризации являются соединения, содержащие ленточные кремнекислородные радикалы. Некоторые виды этих радикалов, зависящие от природы катионов, представлены на рис. 3. Во времена У.Л. Брэгга такие соединения еще не были известны. К ленточным силикатам относятся амфиболы – гидросиликаты Ca, Mg, Fe, содержащие группы [Si4O11] 6 – К амфиболам относится и один из древнейших минералов, используемых человеком, – нефрит – Ca2 (Mg, Fe) [Si4O11] (OH) 2, и асбесты.