Силикаты (минералы). Знаешь как

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.

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

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

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. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

На долю силикатов приходится примерно одна треть всего числа известных в природе минеральных видов. Силикаты являются породообразующими минералами всех магматических горных пород и подавляющего большинства метаморфических горных пород. Силикаты входят в состав осадочных горных пород, являясь для многих из них также породообразующими минералами, например, для различных глин.

Значительную роль силикаты играют в минеральном составе почти всех месторождений полезных ископаемых, в ряде случаев являясь носителями ценных металлов - Ni, Zn, Be, Zr, Li, Cs, Rb, U, TR и др. Силикаты широко представляют и неметаллические полезные ископаемые – асбест, каолин, отбеливающие глины, полевые шпаты (как сырье для огнеупоров), сырье для керамики, различные строительные материалы. Ряд силикатов - изумруд, аквамарин, турмалин, топаз, родонит, нефрит и др., издавна используется в качестве драгоценных и поделочных камней.

Главнейшие элементы, входящие в состав силикатов: Na, К, Li, Ca, Mg, Fe 2+ , Mn 2+ , Be, Si, Zr, Ti, Al, Fe 3+ , а также О 2 , F, H в виде H 1+ , [ОН] 1- и H 2 O.

Многие элементы, такие как Rb, Cs, Ba, Sr, Pb, Zn, Ni, Со, Cu, Bi, Sb, Cr, V, Sc, Y, TR, Th, Sn, U, Nb, S, Cl, С в виде 2- , P и др., присутствуют в силикатах в отдельных относительно редких минеральных видах.

Рентгенометрические исследования силикатов позволили установить особенности кристаллических структур этих соединений.

Рис. 1 Типы групп кремнекислородных тетраэдров (в двух изображениях): а - единичный изолированный тетраэдр 4- ; б - группа из двух связанных общей вершиной тетраэдров [ Si 2 O 7 ] 6- ; 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 12-

Во всех силикатах каждый ион Si 4+ всегда находится в окружении четырех ионов

О 2- , располагающихся в углах по тетраэдру вокруг него (рис. 1). Химическая связь ионов кислорода с кремнием гораздо сильнее, чем связь кислорода с другими катионами в кристаллических структурах силикатов. Таким образом, кремнекислородный тетраэдр, т. е. группа 4- , является основной структурной единицей всех силикатов.

Кремнекислородные тетраэдры в кристаллических решетках силикатов могут находиться либо в виде изолированных друг от друга структурных единиц 4- , либо сочленяться друг с другом разными способами, образуя сложные комплексные анионные радикалы. При этом сочленение совершается только через углы тетраэдров с образованием общих вершин, но не через ребра или грани. Наиболее полный случай такого сочленения имеет место тогда, когда все четыре вершины каждого тетраэдра одновременно являются общими и для окружающих четырех тетраэдров SiO 4 . Такой случай процессами минералообразования реализован для кристаллических структур минералов группы кварца (класс минералов – окислы и гидроокислы - кварц, халцедон и т.д.) с общей химической формулой SiO 2 .

В зависимости от того как происходит сочленение кремнекислородных тетраэдров, образуются различные формы комплексных анионных радикалов:

Комплексный анион представлен изолированными тетраэдрами 4- (рис. 1,а), удерживаемыми в решетке с помощью катионов других металлов. Общий отрицательный заряд каждой такой группы равен четырем (каждый ион кислорода отдает кремнию лишь половину своего отрицательного заряда, равного двум). Этот тип структуры широко представлен в силикатах, например, цирконе Zr, форстерите Mg 2 , гранате Ca 3 Al 2 3 и т. д. В современной классификации минералы с охарактеризованным строением кристаллической структуры относятся к островным силикатам ;

Комплексный анионный радикал представлен изолированными группами 6- (рис. 1,б), состоящими из двух связанных друг с другом кремнекислородных тетраэдров SiO 4 с одной общей вершиной. Легко подсчитать, что общий отрицательный заряд этого комплекса равен шести. Кислородный ион, располагающийся в общей вершине, нейтрален. Следовательно, активные кислородные ионы, остаточные отрицательные заряды которых в кристаллической структуре нейтрализуются катионами металлов, располагаются на двух противоположных друг другу концах анионного комплекса. Силикаты, обладающие такими комплексными анионами, не многочисленны. Например, очень редкий минерал тортвейтит - Sc 2 ;

Комплексный анион состоит из трех, четырех, шести кремнекислородных тетраэдров, связанных друг с другом уже через две общие вершины в замкнутые плоские изолированные кольца (рис. 1в, г и д). Комплексные анионы в этих случаях представлены соответственно: 6- , 8- и 12- . Общая валентность каждого такого радикала определяется числом наружных кислородных ионов, каждый из которых обладает одной некомпенсированной отрицательной валентностью. Примерами являются минералы берилл - Be 3 Al 2 и турмалин (химический состав непостоянный, варьирует в зависимости от геохимических условий образования). В современной классификации минералы с охарактеризованным строением кристаллической структуры относятся к кольцевым силикатам ;

Комплексные анионы представлены одномерными непрерывными цепочками связанных друг с другом кремнекислородных тетраэдров. В верхней части рис. 2 изображена простая одинарная цепочка. В этой цепочке каждый тетраэдр связан с соседними тетраэдрами двумя углами с инертными ионами кислорода в этих углах. Два активных кислородных иона в каждом тетраэдре расположены таким образом, что один из них находится над ионом Si (в плоскости рисунка), а другой «откинут» попеременно то в верхнюю, то в нижнюю стороны. Между такими линейно-вытянутыми радикалами располагаются катионы металлов.

Рис. 2 Типы одномерных непрерывных цепочек кремнекислородных тетраэдров (в двух изображениях А и Б): а - одинарная цепочка; б - двойная цепочка (лента). Вершины тетраэдров, направленные к наблюдателю, утолщены

В каждом кремнекислородном тетраэдре два иона кислорода целиком принадлежат иону Si, а два остальных (инертные) как бы делятся пополам между соседними тетраэдрами. В сумме на каждый ион Si приходится три иона кислорода, из которых два имеют по одной свободной валентности. Таким образом, состав и валентность таких радикалов могут быть выражены в следующем виде: n 2- , где n = ∞, что означает полимеризацию. Такое строение кислотного радикала характерно для группы пироксенов с общей формулой R 2+ . Однако в природе кристаллических структур с изолированной группой SiO 3 не встречается. Природа реализует данную структуру в виде длины цепочки одного периода в 5,25 Å (рис. 2). Отсюда формула аниона пироксенов - . В современной классификации минералы с охарактеризованным строением кристаллической структуры относятся к цепочечным силикатам.

В нижней части (рис. 2,б) приведена лента непрерывно связанных кремнекислородных тетраэдров. Лента может быть получена из одинарной цепочки путем ее отражения в плоскости, перпендикулярной к чертежу и параллельной оси цепочки. Такие ленточные сочленения кремнекислородных тетраэдров характерны для группы амфиболов. Нетрудно подсчитать, что состав и валентность таких радикалов в пределах одного периода 5,25 Å, выражаются формулой 6- . В современной классификации минералы с охарактеризованным строением кристаллической структуры относятся к ленточным силикатам ;

Комплексные анионы представлены двумерными слоями кремнекислородных тетраэдров. Строение таких слоистых радикалов характеризуется тем, что тетраэдры соединяются друг с другом тремя общими вершинами и образуют плоский слой непрерывной протяженности в двух измерениях (рис. 3) наподобие гексагональной сетки. Активные ионы кислорода (по одному от каждого тетраэдра) направлены все в одну сторону (вверх или вниз от плоскости чертежа), образуя особый активный лист в слое тетраэдров. Химическая формула такого анионного слоя - 2- . Каждый такой слой активными ионами кислорода через катионы металлов связан с другими, совершенно аналогичными по строению слоями. Примерами кристаллических структур являются структуры пластинчатых минералов, обладающих весьма совершенной спайностью в одном направлении (слюды, тальк, хлориты и т. д.). В современной классификации минералы с охарактеризованным строением кристаллической структуры относятся к слоистым (слоевым, листовым) силикатам ;

Рис. 3 Лист кремнекислородных тетраэдров гексагонального строения (в двух изображениях А и Б)

Комплексные анионы образованы непрерывными трехмерными каркасами кремнекислородных тетраэдров, у которых каждый ион кислорода принадлежит одновременно двум тетраэдрам. Нет ни одного угла тетраэдра с активным кислородным ионом. Как уже указывалось, примером таких каркасов являются минералы группы кварца с формулой SiO 2 . Однако подобные же кристаллические решетки наблюдаются и в силикатах (рис. 4). При этом часть ионов Si 4+ всегда бывает заменена ионами Al 3+ с тем же координационным числом (роль алюминия в силикатах рассмотрим немного позднее). Химическая формула комплексных анионов каркасного строения в общем виде может быть выражена в виде радикала [(Si n-x Al x)O 2n ] x- . Вследствие того что какая-то часть ионов Si 4+ заменена ионами Al 3+ (при сохранении общего числа кислородных ионов), этот радикал обладает некоторым остаточным отрицательным зарядом. Примером могут служить полевые шпаты - Na, Ca и многие другие минералы. В современной классификации минералы с охарактеризованным строение кристаллической структуры относятся к каркасным силикатам .

Рис. 4 Алюмокремнекислородный каркас в кристаллической структуре каркасных силикатов

В кристаллической структуре силикатов часть ионов Si в кремнекислородных тетраэдрах нередко бывает заменена ионами Al с координационным числом 4.В этом случае образуются минералы, называемые алюмосиликатами . Алюмосиликаты встречаются в цепочечных, ленточных, слоистых и широко распространены в каркасных силикатах.

Al 3+ в конституции силикатов играет двоякую роль:

Как компонент комплексных анионных радикалов, находясь, так же как и Si 4+ , в четверном окружении ионов кислорода. В этом случае координационное число Al 3+ равно 4 ;

Как отдельный катион, один или вместе с катионами других металлов, нейтрализующими отрицательный заряд анионов. В этом случае координационное число Al 3+ равно 6. В терминологии следует различать образование алюмосиликатов и силикатов алюминия .

Известно немало случаев, когда в одном и том же силикате одни ионы Al входят в состав комплексного аниона, другие находятся среди катионов, занимающих промежутки между отрицательно заряженными комплексными анионными радикалами. Например, широко распространенный минерал роговая обманка (ленточные алюмосиликаты) (Ca,Na) 2-3 (Mg,Al) 5 [(Si,Al) 4 O 11 ] 2 [О,OH] 2 . В комплексном радикале этого минерала отношение Al: Si может меняться от 1: 3 до 0.

В состав многих силикатов входят дополнительные анионы: О 2- , [ОН] 1- , F 1- , Cl 1- , 2- и другие, нейтрализующие избыточный положительный заряд катионов.

В состав ряда силикатов входит H 2 O в большинстве случаев цеолитного характера. Молекулы H 2 O обычно весьма слабо удерживаются кристаллическими решетками в пустых промежутках или каналах.

Цеолитная вода - вода, входящая в состав минерала (внутри молекулы), но не входящая в химический состав минерала. Цеолитная вода удаляется из минерала постепенно (не при определенной температуре). Процесс удаления цеолитной воды обратим, т.е. минералы, при соответствующих условиях, восстанавливают ранее находившуюся в них, но утраченную цеолитную воду.

Среди силикатов и алюмосиликатов очень широко распространено явление изоморфизма , т.е. способности веществ различного химического состава образовывать одинаковые кристаллические структуры. Для изоморфных минералов в геологии часто употребляется термин «минералы образуют твердый раствор». При определенных условиях твердые растворы минералов распадаются на отдельные минеральные индивиды.

Для силикатов и алюмосиликатов наряду с изовалентным изоморфизмом широко распространен гетеровалентный изоморфизм . Классическим примером гетеровалентного изоморфизма является ряд плагиоклазов альбит Na - анортит Ca (каркасные алюмосиликаты). Здесь Na 1+ заменяется Ca 2+ . Происходящее при этом увеличение положительного заряда на единицу сопровождается соответствующей заменой в комплексном анионном радикале: один ион Si 4+ заменяется ионом Al 3+ , или, что тоже самое, анион 4- - анионом 5- , т. е. происходит увеличение отрицательного заряда на единицу. Валентность образующегося при гетеровалентном изоморфизме минерала не изменяется, минерал остается электрически нейтральным.

ОСТРОВНЫЕ СИЛИКАТЫ

Островные силикаты образуют, как правило, хорошо ограненные кристаллы, т.е. обладают высокой степенью идиоморфизма. Окраска островных силикатов обычно обусловлена присутствием в их составе элементов-хромофоров - Fe, Mn, Ti и Cr. Кроме того, атомы Fe 2+ , Fe 3+ , в зависимости от соотношения, обусловливают зелёные (гроссуляр, эпидот), коричневые (андрадит, ставролит, титанит) оттенки цвета. Лишь в редких случаях встречаются бесцветные, белые островные силикаты - это химически чистые гроссуляр, форстерит, топаз и др.

Твердость островных силикатов 6 – 8. Из-за большой твердости эти минералы черты не дают (они сами процарапывают фарфор); даже у густо окрашенных минералов черта чуть заметна.

В природе наибольшее распространение имеют минералы группы оливина – породообразующие минералы ультраосновных и основных пород.

КОЛЬЦЕВЫЕ СИЛИКАТЫ

Подкласс кольцевых силикатов объединяет сравнительно небольшое число редких в природе минералов. Среди кольцевых силикатов только два минерала - берилл и турмалин - играют в некоторых случаях роль второстепенных и, иногда, главных минералов месторождений.

Как было указано в общей характеристике силикатов, тип кристаллических структур рассматриваемого подкласса отличается особыми чертами: кристаллические решетки содержат изолированные группы тетраэдров SiO 4 , связанные в кольца, т. е. подкласс характеризуется комплексными радикалами 6- , 12- и др.

ЦЕПОЧЕЧНЫЕ И ЛЕНТОЧНЫЕ СИЛИКАТЫ

Общая характеристика

Главнейшими представителями силикатов данных подклассов являются пироксены (цепочечные) и амфиболы (ленточные). Несмотря на существенное различие в количественных соотношениях составляющих компонентов, пироксены и амфиболы имеют ряд общих характерных черт: аналогичный облик кристаллов, близкие кристаллические структуры, одинаковая степень проявления спайности, много общего в оптических свойствах, близкие плотности, близкая твердость и т. д. Среди катионов в пироксенах и амфиболах представлены главным образом следующие элементы: Mg 2+ , Fe 2+ , Ca 2+ , Na 1+ , иногда Li 1+ , а также Al 3+ , Fe 3+ , а среди анионов: 4- , иногда 5- , а в амфиболах также [ОН] 1- , F -1 и Cl 1- .

Наибольшим распространением в природе пользуются железо-магнезиальные пироксены и амфиболы, являющиеся важнейшими породообразующими минералами во многих магматических горных породах. Общее их количество по весу в земной коре достигает 16%.

От железо-магнезиальных породообразующих островных силикатов (минералов группы оливина) пироксены и амфиболы отличаются следующими химическими особенностями:

Кроме Mg и Fe, в пироксенах и амфиболах существенную роль играет Ca. В минералах группы оливина роль Са незначительна. В соответствии с близостью размеров ионных радиусов Са и Мg, в пироксенах и амфиболах широко представлены двойные соединения - диопсид CaMg , тремолит Ca 2 Mg 5 2 2 и др.;

Многие пироксены и амфиболы, особенно те, что представлены двойными соединениями, часто содержат примеси Al 2 O 3 , Na 2 O, иногда Fe 2 O 3 и др. Минералы группы оливина характеризуются сравнительной чистотой состава.

Физические свойства цепочечных и ленточных силикатов обусловлены особенностями их кристаллического строения. Кристаллическая структура представляет собой вытянутые в одном направлении (вдоль оси с) анионные комплексы непрерывно связанных друг с другом кремнекислородных тетраэдров (более подробно по данному вопросу – лекция «Силикаты. Общая характеристика»). Главнейшие физические особенности минералов рассматриваемых подклассов сводятся к следующим:

Кристаллические индивиды обычно вытянуты в одном направлении. В отличие от цепочечных и ленточных силикатов минералы группы оливина обладают изометрическим обликом;

По сравнению с минералами группы оливина в цепочечных и ленточных силикатах гораздо четче проявлена спайность. Характерно, что спайность устанавливается по призме согласно вытянутости индивидов;

Показатели преломления и двупреломление по сравнению с минералами группы оливина, как правило, ниже;

Плотность цепочечных и ленточных силикатов, благодаря относительно менее плотной упаковке ионов, несколько меньше, чем у минералов группы оливина.

Между цепочечными и ленточными силикатами, несмотря на многие общие свойства, имеются и существенные отличия. Эти отличия обусловлены различным кристаллическим строением рассматриваемых минералов:

Пироксены характеризуются спайностью по призме под углом 87 0 ;

Амфиболы – спайность по призме под углом 124 0 ;

Кристаллы пироксенов имеют в поперечном сечении псевдотетрагональный облик (рис. 1, а);

Кристаллы амфиболов имеют в поперечном сечении псевдогексагональный облик (рис. 1, б).

Рис. 1 Поперечные сечения кристаллов пироксенов (а) и амфиболов (б)

ЦЕПОЧЕЧНЫЕ СИЛИКАТЫ

Группа пироксенов

Минералы этой группы наиболее широко распространены в природе и подразделяются на моноклинные и ромбические пироксены.

Моноклинные пироксены: диопсид - CaMg ; геденбергит - CaFe ; сподумен - LiAl ; авгит - Ca (Mg, Fe, Al)[(Si, Al) 2 O 6 ]; жадеит - NaAl ; эгирин - NaFe.

Ромбические пироксены: энстатит - Mg 2 ; гиперстен - (Mg, Fe) 2 .

Моноклинные пироксены в природе широко распространены. Среди моноклинных пироксенов программой курса предусмотрено рассмотрение диопсида, геденбергита, сподумена.

Ромбические пироксены также довольно широко распространены в природе. Однако программой рассмотрение ромбических пироксенов в настоящем курсе не предусмотрено.

ЛЕНТОЧНЫЕ СИЛИКАТЫ

Для ленточных силикатов характерно вхождение Al в комплексный анионный радикал. Поэтому среди минералов данного подкласса распространены алюмосиликаты. Кроме того характерны дополнительные анионы , F, CL.

Наиболее распространены в природе минералы данного подкласса – группа амфиболов. Амфиболы подразделяются на моноклинные и ромбические.

Моноклинные амфиболы: - тремолит - Ca 2 Mg 5 2 2 ; - актинолит - Са 2 (Mg,Fe) 5 2 [ОН] 2 ; - роговая обманка - Сa 2 Na(MgFe) 4 (Al,Fe)[(Si,Аl) 4 О 11 ] 2 [ОН] 3 ; - глаукофан - Na 2 (Mg,Fe) 3 Al 2 2 [ОН,F] 2 ; - арфведсонит - Na 3 (Fe,Mg) 4 (Fe,Al) 2 2 .

Ромбические амфиболы - антофиллит -(Mg,Fe) 7 2 2 .

Моноклинные амфиболы в природе распространены шире, чем ромбические. Из моноклинных амфиболов наиболее распространены актинолит и роговая обманка. Другие встречаются реже.

Ромбические амфиболы в настоящем курсе не рассматриваются. Кроме того, не рассматриваются относительно редкие в природе, но входящие в подкласс «ленточные силикаты» довольно многочисленные по номенклатуре минералы.

Основные типы связи кремнекислородных радикалов: 1 - изолированные тетраэдры 4- с октаэдрами Mg, Fe, Ca; 2 - группы 6- из двух тетраэдов; 3 - шестерные кольца 6- ; 4 - цепочки 2- ; 5 - ленты 6- ; 6 - слои из шестерных колец 4- .

Силикаты природные (от лат. silex - кремень), - класс наиболее распространённых минералов; природные химические соединения с комплексным кремнекислородным радикалом. Силикаты слагают более 75% земной коры (а вместе с кварцем около 87%) и более 95% изверженных горных пород. С. включают более 500 минеральных видов , в том числе важнейшие породообразующие - полевые шпаты , пироксены , амфиболы , слюды и др.

Современная классификация

Структура силикатов

По характеру сочетания кремнекислородных тетраэдров выделяется 5 подклассов силикатов: островные, кольцевые, цепочечные, слоистые, каркасные.
Островные силикаты . Сюда относятся С. с изолированными тетраэдрами -4 - ортосиликаты, связанные посредством расположенных между ними октаэдрических катионов, или с изолированными парами тетраэдров 6- - диортосиликаты, которые возникли в результате соединения двух кремнекислородных тетраэдров.
К ортосиликатам относятся группы оливина (MgFe) 2 , циркона Zr , гранатов , фенакита Be 2 и др. (без воды и добавочных анионов), топаза Al 2 F 2 , андалузита Al 2 O, титанита CaTi O и др. (с добавочными анионами F - , O 2- , OH -); к диортосиликатам - группы бертрандита Be 4 O (OH) и др.; к ортодиортосиликатам относятся группы везувиана Ca 19 Mg 3 Al 10 4 × 10 O 2 (OH) 6 , эпидота Са, Ce, Fe 3+ , Fe 2+ , Al 2 × O× (OH) и др.
Кольцевые силикаты . характеризуются кольцевой структурой, в которой группы 4- не изолированы, а соединяются общими ионами кислорода в кольца. При этом различают кольца двух типов - простые и двойные («двухэтажные»). К первым относятся кольца типа 6- - группа волластонита Ca 3 , типа 8- - группа тарамеллита Ba 2 Fe 2 (OH) 2 , типа 12- - группы берилла Be 3 Al 2 , кордиерита Mg 2 Al 3 и др.; типа 12- - группа мьюкрита Ba 10 CaMnTi 2 × (Cl, OH, O) 12 × 4H 2 O. Ко вторым относятся кольца типа 12- - группа эканита Ca 2 Th , и типа 12- - группа миларита KCa 2 Be 2 AI .
Цепочечные силикаты. Простейшие и наиболее распространённые из них представлены непрерывными цепочками кремнекислородных тетраэдров, соединённых вершинами, типа 2- или сдвоенными цепочками-лентами типа 6- . К ним принадлежат группы пироксенов , амфиболов , рамзаита Na 2 O 3 и др.
Слоистые силикаты характеризуются непрерывными в двух направлениях слоями кремнекислородных тетраэдров, образующими бесконечные двухмерные радикалы, которые в зависимости от пространственного положения кремнекислородных тетраэдров в слое имеют различную формулу; для слоя, состоящего из шестерных колец, характерен радикал типа 4- ; при этом в шестерном кольце тетраэдров слоя каждый из шести атомов кремния принадлежит трём таким кольцам, т. е. по два кремния на каждое кольцо. К этому подклассу относятся слюды группы мусковита и биотита K (Mg, Fe 2- 3)× (OH, F) 2 , группы пирофиллита Al 2 (OH) 2 и талька Mg 3 × (OH) 2 , каолинита Al 4 (OH) 8 и серпентина Mg 6 (OH) 8 , галлуазита Al 4 (H 2 O) 4 (OH) 8 , хлоритов ; к слоистым относится гадолинит FeY 2 × ; к титаносиликатам - астрофиллит (К, Na) 3 (Mn, Fe) 7 2 × 3H 2 O и др.
Каркасные силикаты . характеризуются трёхмерным бесконечным каркасом кремнекислородных тетраэдров типа 4- , соединённых всеми четырьмя вершинами друг с другом так, что каждый атом кислорода одновременно принадлежит только двум таким тетраэдрам; общая формула m- . К ним относятся минералы группы полевых шпатов Na - K - Ca , нефелина KNa 3 , петалита Li , данбурита Ca 3 Cl, гельвина Mn 4 3 S (см. Содалита группа ) и др.

В структурах С. установлено значительное число различных типов цепочек, лент, сеток и каркасов из тетраэдров.

Катионы , входящие в состав С., разделяются прежде всего на 2 группы: малые катионы - Mg 2+ , Al 3+ , Fe 2+ , Mn 2+ и др., частично Ca 2+ , имеющие обычно октаэдрическую координацию (содержащие их соединения составляют первую главу кристаллохимии С., по Н. В. Белову, 1961), и крупные катионы - К + , Na + , Ca 2+ , Ba 2+ , Sr 2+ , редкоземельных элементов , образующие соответственно более крупные координационные полиэдры: 8-, 9-, 12-вершинники, ребра которых соизмеримы уже с размерами не одиночных 4- тетраэдров, а групп 6- (с этими соединениями связана вторая глава кристаллохимии С.).

Для С. характерен изоморфизм , проявляющийся особенно широко среди катионов; вследствие этого в С. распространены ряды твёрдых растворов (непрерывные или со значительными пределами замещений), а также изоморфные примеси . Поэтому даже развёрнутые формулы С., учитывающие основные изоморфные замещения, всё же являются неполными вследствие большой сложности состава реальных С. Распределение изоморфных катионов в структуре С. зависит от температуры и устанавливается рентгенографически или по мёссбауэровским и инфракрасным спектрам. Это свойство позволяет использовать С. в качестве геотермометра.

В составе С. отмечается разнообразие форм вхождения в их структуру водорода - в виде гидроксильных групп , кристаллизационной и цеолитной воды, межслоевой адсорбированной воды и др., изучаемых с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР), термического анализа, инфракрасной спектроскопии. Во всех подклассах С. выделяются группы с добавочными анионами (O 2- , F - , CI - , OH - , S 2-) и радикалами (SO 4 2- , CO 3 2- и др.).

Дальнейшие усложнения в строении С. связаны с явлениями упорядочения (особенно Al - Si в алюмосиликатах и Mg - Fe в оливинах, пироксенах, амфиболах), политипии и смешаннослойных прорастаний (в слоистых С.), полиморфных превращений (например, андалузит - дистен - силлиманит), распада твёрдых растворов, образования электронно-дырочных центров (см. Дефекты в кристаллах ).

Большинство С. в связи с их сложным строением имеет низкую симметрию : около 45% кристаллизуется в моноклинной, 20% имеют ромбическую симметрию, 9% - триклинную, 7% - тетрагональную, 10% - тригональную и гексагональную и 9% - кубическую.

Весьма характерно двойникование (двойники роста, механических и фазовых превращений).

Общие свойства

Свойства силикатов определяются прежде всего типом кремнекислородного тетраэдра: спайность (несовершенная в островных и кольцевых С., совершенная и зависящая от ориентировки кремнекислородных группировок в цепочечных, слоистых, каркасных С.); твёрдость обычно 5,5-7, кроме слоистых С., в которых она понижается до 2-1; плотность около 2500-3500 кг/м 3 . Цвет большинства С. определяется ионами железа (Fe 2+ - зелёный, Fe 3+ - бурый, красный, жёлтый, Fe 2+ и Fe 3+ - синий и др.), в отдельных группах - ионами Ti 3+ , V 4+ , Cr 3+ , Mn 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ и их сочетаниями с ионами железа и др.; в некоторых минералах - электронно-дырочными центрами. В ряде случаев окраска связана с микровключениями окрашенных минералов.

Большое значение для точной диагностики С. имеют их оптические свойства - преломление, оптическая ориентировка и др., измеряемые с помощью столика Федорова , иммерсионного метода и др.
) с учётом данных детально изученных диаграмм состояний силикатных систем. При выветривании происходит разрушение большинства С. с образованием осадочных горных пород, с выщелачиванием основных соединений, освобождением кремнезёма , возникновением за счёт алюмосиликатов водных силикатов алюминия, образованием глинистых минералов, нонтронита, гарниерита и др., а также окислов железа, карбонатов и др.
Силикаты (плагиоклазы, оливин, пироксены и др.) являются также главными минералами лунных пород, входят в состав метеоритов . Полагают, что оливин и плотная модификация шпинели составляют почти полностью мантию Земли.
Применение С. определяется тем, что многие из них являются важнейшими среди полезных ископаемых. Существенное значение имеют силикатные минералы, составляющие литиевые, бериллиевые руды, руды рассеянных элементов, силикатные никелевые руды. Месторождения нефелина поставляют комплексное сырьё для получения алюминия, поташа, соды. Большую долю составляют С. в нерудных полезных ископаемых (полевые шпаты, слюды, асбест, тальк, цеолиты, гранаты, бентонитовые и огнеупорные глины), в драгоценных и поделочных камнях (изумруд, аквамарин, топаз, хризолит, турмалин и др.).
Исследование С. как главнейших минералов Земли и Луны , содержащих многие ценные элементы в качестве основных компонентов или примесей, составляет важное направление современной минералогии, тесно связанное с геохимией, литологией, геофизикой и исследованием вещественного состава месторождений полезных ископаемых.

Литература

• Белов Н. В., Кристаллохимия силикатов с крупными катионами, М., 1961
• Дир У.А., Хауи Р.А., 3усман Дж. Породообразующие минералы (пер. с англ.), т. 1-4, М., 1965, с.66
• Минералы. Справочник, т. 3, в. 1, М., 1972
• Поваренных А. С. Кристаллохимическая классификация минеральных видов. К., 1966
• Пущаровский Д.Ю. Структурная минералогия силикатов и их синтетических аналогов. М., 1986
• Смолеговский А.М. Развитие представлений о структуре силикатов. М., 1979
• Соболев B. С. Введение в минералогию силикатов, Львов, 1949
• Коржинский Д. С. Теоретические основы анализа парагенезисов минералов. М., 1973
• Марфунин А. С. Введение в физику минералов. М., 1974
• Эйтель В. Физическая химия силикатов, (пер. с англ.), М., 1962

Силикаты и алюмосиликаты – наиболее распространенный и разнообразный класс минералов. Для них характерен сложный химический состав и изоморфные замещения одних элементов и комплексов элементов другими. Главными химическими элементами, входящими в состав силикатов, являются Si, O, Al, Fe 2+ , Fe 3+ , Mg, Mn, Ca, Na, K, а также Li, B, Be, Zr, Ti, F, H, в виде (OH)− или H 2 O и др.

Общее количество минеральных видов силикатов около 800. По распространённости на их долю приходится более 90 % минералов литосферы. Силикаты и алюмосиликаты являются породообразующими минералами. Из них сложена основная масса горных пород: полевые шпаты, кварц, слюды, роговые обманки, пироксены, оливин и др. Самыми распространёнными являются минералы группы полевых шпатов и затем кварц, на долю которого приходится около 12 % от всех минералов.

В основе структурного строения всех силикатов лежит тесная связь кремния и кислорода; эта связь исходит из кристаллохимического принципа, а именно из отношения радиусов ионов Si (0.39Å) и O (1.32Å). Каждый атом кремния окружён тетраэдрически расположенными вокруг него атомами кислорода. Таким образом, в основе всех силикатов находятся кислородные тетраэдры или группы 3 , которые различно сочетаются друг с другом.

Поэтому в основе систематики силикатов – кремнекислородный тетраэдр -4 . В зависимости от того, как сочетаются между собой кремнекислородные тетраэдры, различают следующие структурные типы силикатов.

В зависимости от структуры, которую они образуют, соединяясь друг с другом, все силикаты делятся на островные, слоевые, ленточные, цепочечные и каркасные.

Схемы расположения кремния и кислорода в силикатах

А-з — островные силикаты: а — силикаты с изолированными кремнекислородными тетраэдрами; б — силикаты со сдвоенными кремнекислородными тетраэдрами; в, г — силикаты кольцевой структуры; д, е — силикаты с непрерывными цепочками из кремнекислородных тетраэдров (цепочечные силикаты); ж — силикаты с непрерывными поясами на кремнекислородных тетраэдрах (поясные силикаты); а — каркас из кремнекислородных тетраэдров (каркасные силикаты). Черный кружок — кремний, светлый кружок — кислород

оливин	топаз		гранаты
берилл		турмалин

Островные силикаты , то есть силикаты с изолированными тетраэдрами 4− и изолированными группами тетраэдров:

а) силикаты с изолированными кремнекислородными тетраэдрами (См. схему, а ). Их радикал 4− , так как каждый их четырёх кислородов имеет одну валентность. Между собой эти тетраэдры непосредственно не связаны, связь происходит через катионы;

б) островные силикаты с добавочными анионами О 2− , ОН − , F − и др. в) Силикаты со сдвоенными тетраэдрами. Отличаются обособленными парами кремнекислородных тетраэдров 6− . Один из атомов кислорода у них общий (см. Схему, б ), остальные связаны с катионами.

г) Кольцевые силикаты . Характеризуются обособлением трёх, четырёх или шести групп кремнекислородных тетраэдров, образующих кроме простых колец (см. Схему в, г ), также и «двухэтажные». Радикалы их 6− , 8− , 2− , 18− . Представители: оливины, гранаты, циркон, титанит, топаз, дистен, андалузит, ставролит, везувиан, каламин, эпидот, цоизит, ортит, родонит, берилл, кордиерит, турмалин и др.

Цепочечные силикаты , силикаты с непрерывными цепочками из кремнекислородных тетраэдров (см. Схему, д, е ). Тетраэдры сочленяются в виде непрерывных обособленных цепочек. Их радикалы 4− и 6− . Представители: пироксены ромбические (энстатит, гиперстен) и моноклинные (диопсид, содалит, геденбергит, авгит, эгирин, сподумен, волластонит, силлиманит). Цепочечные силикаты характеризуются средними плотностью и твердостью и совершенной спайностью по граням призмы. Встречаются в магматических и метаморфических горных породах.

энстатит	гиперстен	диопсид	содалит
геденбергит	авгит	эгирин	сподумен

Поясные (Ленточные) силикаты , это силикаты с непрерывными обособленными лентами или поясами из кремнекислородных тетраэдров (см. Схему, ж ). Они имеют вид сдвоенных, не связанных друг с другом цепочек, лент или поясов.

Цепочечные и ленточные – тетраэдры образуют цепочки одинарные или сдвоенные (ленты).

Цепочечные – имеют общий радикал 4- и включают группу пироксенов .

Пироксены являются исключительно распространенными минералами. Они слагают примерно 4 % массы континентальной земной коры. В океанической коре и мантии их роль значительно больше.

В поверхностных условиях пироксены неустойчивы. При метаморфизме пироксены появляются в эпидот-амфиболитовой фракции. С увеличением температуры они устойчивы вплоть до полного плавления пород. С увеличением давления меняется состав пироксенов, но не убывает их роль в горных породах. Они исчезают лишь на глубинах больше 200 км.

Пироксены встречаются почти во всех типах земных пород. Одно из объяснений этого факта заключается в том, что средний состав земной коры близок к составу авгитового пироксена.

Подавляющее большинство пироксенов не представляет никакого практического интереса. Только сподумен является главным рудным минералом лития, а некоторые редкие разновидности пироксенов применяются в ювелирно-поделочном деле. Наиболее часто для изготовления ювелирных украшений применяется жадеит , и жадеитовые породы. Он был священным камнем у некоторых народов Южной Америки - майя и ольмеков.

Также применяется хромдиопсид - ярко-зеленый диопсид с небольшой примесью хрома. Хромдиопсид типичен для мантийных лерцолитов и кимберлитовые трубки являются важным источником этого минерала. Другой тип месторождений хромдиопсида связан с пегматоидными обособлениями в дунитах.

Серьёзным недостатком хромдиопсида является его относительно низкая твердость. Это значительно ограничивает применение в ювелирном деле этого редкого камня.

Иногда гранятся диопсиды слюдянки, которые имеют большую коллекционную ценность. Кроме того, высоко ценятся редкие звездчатые диопсиды из южной Индии.

Ленточные силикаты с радикалом 6 – объединяют минералы группы амфиболов . Представители: тремолит, актинолит, жадеит, роговая обманка.

Амфиболы (от др.-греч. ἀμφίβολος - двусмысленный, неясный - из-за сложного переменного состава) - группа породообразующих минералов подкласса ленточных силикатов. Общая формула: R 7 2 (OH) 2 , где R = Ca, Mg, Fe.

Амфиболы имеют вытянутый, вплоть до игольчатого, реже короткостолбчатый облик кристаллов, совершенную призматическую спайность, псевдогексагональную форму поперечного сечения кристаллов. Для многих амфиболов характерны асбестовидные агрегаты. Могут образовывать также плотные массы (например, нефрит).

Амфиболы являются более поздними, чем пироксены, продуктами магматической кристаллизации и более ранними минералами метаморфизма. Роговая обманка, тремолит, актинолит - типичные минералы скарнов. Поздними гидротермальными процессами амфиболы изменяются в биотит, хлорит и серпентин. В поверхностных условиях переходят в монтмориллонит, нонтронит, галлуазит, карбонаты, лимонит, опал.

Листовые силикаты , это силикаты с непрерывными слоями кремнекислородных тетраэдров. (см. Схему, з ). Радикал структуры 2− . Слои кремнекислородных тетраэдров обособлены друг от друга и связаны катионами. Представители: тальк, серпентин, хризотил-асбест, ревдинскит, палыгорскит, слюды (мусковит, флогопит, биотит), гидрослюды (вермикулит, глауконит), хлориты (пеннит, клинохлор и др), минералы глин (каолинит, хризоколла, гарниерит и др.), мурманит.

img class=»alignleft wp-image-17146″ alt=»hromdiopsid» src=»http://сайт/wp-content/uploads/2014/07/hromdiopsid-300×225.jpg» width=»240″ height=»180″ //sub

Силикаты с непрерывными трёхмерными каркасами, или каркасные силикаты (см. Схему, и ). В этом случае все атомы кислорода общие. Такой каркас нейтрален. Радикал 0 . Именно такой каркас отвечает структуре кварца. На этом основании его относят не к окислам, а к силикатам. Разнообразие каркасных силикатов объясняется тем, что в них присутствуют алюмокислородные тетраэдры. Замена четырёхвалентного кремния на трехвалентный алюминий вызывает появление одной свободной валентности, что в свою очередь влечет за собой вхождение других катионов (например калия и натрия). Обычно отношение Al к Si равно 1:3 или 1:1.

В каркасных силикатах тетраэдры соединяются между собой всеми атомами кислорода, образуя каркас с радикалом . В эту группу входят – полевые шпаты и плагиоклазы .

Полевые шпаты объединяют минералы с катионами Na и K. Это минералы микроклин и ортоклаз.

Полевые шпаты объединяют минералы с катионами Na и K. Это минералы микроклин и ортоклаз. В плагиоклазах в качестве катионов выступают Са и Na, при этом соотношение между этими элементами не постоянно. Поэтому плагиоклазы представляют собой изоморфный ряд минералов: альбит – олигоклаз – андезин – лабрадор – битовнит – анортит. От альбита к анортиту увеличивается содержание Са.

Большинство полевых шпатов - представители твёрдых растворов тройной системы изоморфного ряда К - Na - Са, конечные члены которой соответственно - ортоклаз (Or), альбит (Ab), анортит (An). Выделяют два изоморфных ряда: альбит (Ab) - ортоклаз (Or) и альбит (Ab) - анортит (An). Минералы первого из них могут содержать не более 10 % An, а второго - не более 10 % Or. Лишь в натриевых полевых шпатах, близких к Ab, растворимость Or и An возрастает. Члены первого ряда называются щелочными (К-Na полевые шпаты), второго - плагиоклазами (Са-Na полевые шпаты). Непрерывность ряда Ab-Or проявляется лишь при высоких температурах, при низких - происходит разрыв смесимости с образованием пертитов.

Наряду с санидином, являющимся высокотемпературным, выделяются низкотемпературные калиевые полевые шпаты - микроклин и ортоклаз.

Полевые шпаты - наиболее распространенные породообразующие минералы, они составляют около 50 % от массы земной коры.

Слоевые силикаты – представляют непрерывные слои, где тетраэдры связаны ионами кислорода, а между слоями связь осуществляется через катионы. Общий радикал в формуле 4– Эта группа объединяет минералы-слюды: биотит, тальк, мусковит, серпентин.

В составе катионов в силикатах наиболее часто присутствуют: Mg, Fe, Mn, Al, Ti, Ca, K, Na, Be, реже Zr, Cr, B, Zn редкие и радиоактивные элементы. Необходимо отметить, что часть кремния в тетраэдрах может замещаться Al и тогда мы относим минералы к алюмосиликатам.

Сложный химический состав и разнообразие кристаллической структуры в сочетании дают большой разброс показателей физических свойств. Даже на примере шкалы Мооса видно, что твердость у силикатов от 1 до 9.

Спайность от весьма совершенной до несовершенной. Об окраске и говорить нечего – широчайший спектр цветов и оттенков.

В тоже время, внутри каждой структурной группы свойства близки и всегда есть какой-то один или два признака, по которым можно определить минерал. Например, слюды определяют по спайности и низкой твердости.

Часто силикаты группируются по окраске – темноокрашенные, светлоокрашенные. Особенно широко это применяется к силикатам – породообразующим минералам.

Силикаты образуются в основном при формировании магматических и метаморфических пород в эндогенных процессах. Большая группа глинистых минералов (каолин и др.) образуется в экзогенных условиях при выветривании силикатных горных пород.

Многие силикаты являются полезными ископаемыми. Это строительные материалы, облицовочные, поделочные и драгоценные камни (топаз, гранаты, изумруд, турмалин и др.), руды металлов (Ве, Zr, Al) и не, это силикаты с непрерывными обособленными лентами или поясами из кремнекислородных тетраэдров (см. Схему, металлов (В), редкоземельных элементов. Они находят применение в резиновой, бумажной промышленности, как огнеупоры и керамическое сырье.