ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 83
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Лекция 14
Слоистые силикаты и алюмосиликаты.
К подклассу слоистых (листовых) силикатов и алюмосиликатов относятся хорошо
известные всем вещества—тальк, слюды, глинистые минералы и др. Многие из них являются породообразующими минералами. Так, слюды как непременный компонент входят в граниты и их пегматиты, в некоторые сланцы и гнейсы, в грейзены. Глинистые минералы являются основной составной частью кор выветривания гранитов, габбро, эффузивов и входят в осадочные горные породы (глины, мергели и др.). Ряд минералов из класса слоистых силикатов и алюмосиликатов широко используется в промышленности: это слюды-диэлектрики — мусковит и флогопит, серпентиновый огнеупорный асбест, природный смазочный материал тальк, тальковый и пирофиллитовый сланцы как сырье для изготовления футеровки доменных печей. Издавна глины используются как строительный материал и адсорбенты (очистители в разных технических и химических производствах). Глинистые минералы никеля добываются как руда на этот металл.
Кроме того, к слоистым силикатам (алюмосиликатам) особой структуры и состава относятся палыгорскит, хризоколла, датолит, пренит и некоторые другие. Они резко отличаются по составу и свойствам от талька, слюд, глинистых минералов.
Характерной химической особенностью слюдоподобных минералов является то, что в их составе, так же как и в группе амфиболов, всегда принимает участие гидроксил ОН, нередко вместе с F. Из катионов, которые вместе с гидроксильными группами непосредственно связаны со слоями кремнекислородных тетраэдров, обычно распространены Mg2+ и Al3+, а в качестве их заместителей — Fe2+, Ni2+, (Mn2+), Li1+ и, соответственно, Fe3+, реже Cr3+, V3+. Кроме того, во многие минералы, в структуре которых тетраэдры SiO4 частично заменены AlО4, входят дополнительные крупные катионы: К1+, Na1+, Са2+, а также молекулы воды (все они, как будет показано ниже, в виде связующих элементов располагаются между слоистыми пакетами, составленными кремнекислородными слоями и ионами, непосредственно с ними связанными).
Физические свойства слюдообразных минералов, естественно, находятся в теснейшей зависимости от особенностей кристаллической структуры. Строение плоских сеток прежде всего сказывается на облике кристаллов, обладающих симметрией, очень близкой к гексагональной, на оптических свойствах, близких к одноосным, на так называемых фигурах удара и давления на спайных пластинках. Слоистое строение кристаллической структуры обусловливает замечательное свойство этих минералов расщепляться на тонкие листочки. Степень упругости этих листочков для разных групп минералов неодинакова, что связано с химическим их составом, находящим свое отражение на деталях строения кристаллических структур. На этом вопросе необходимо остановиться подробнее.
(рис.3) Основу структуры слоистых силикатов составляют слои из кремнекислородных тетраэдров. Кремний в них в той или иной степени может быть изоморфно замещён алюминием, реже — железом. Среди слоистых силикатов можно выделить минералы с простыми и сложными сетками. В минералах с простыми сетками (каолинит, тальк, слюды и т. д.) тетраэдры в каждой сетке лежат как бы в одной плоскости, обращены в одну сторону и формируют в плоскости шестичленные кольца.
Пояснения к рис 3: Слои (сетки) т е т р а э д р о в . Они тоже бывают разными. Наиболее важны каолинитовые слои (сетки), поскольку они имеются в большинстве слюд, глинистых минералов, серпентинов. В каолинитовых сетках тетраэдры лежат своими основаниями в одной плоскости, их вершины развернуты в одну сторону, а простейшим многократно повторяемым, как трафарет на обоях, узором является шестичленное кольцо.
Вычислим формулу такого кольца, подсчитав сначала состав единичного тетраэдра: в каждом тетраэдре заключен один атом кремния, к каждому тетраэдру относится один атом кислорода в его вершине, три других атома кислорода в основании принадлежат данному тетраэдру наполовину. Значит, на каждый тетраэдр приходится кремния 1 атом, кислорода 1 + 3 х 0,5 = 2,5, т.е. его состав Sii0г,5• Всего таких тетраэдров в кольце шесть, но каждый из них принадлежит трем соседним кольцам.
Таким образом, на все кольцо приходится только два тетраэдра. Отсюда выводим формулу кольца: (S102.5) • 2, т.е. (Si2O5)2 - . Примерами минералов с таким анионным радикалом являются каолинит Al2(Si2O5)(OH^, тальк Mg3 ( S i 2O5)2(OH)2 , илиMg3(Si4O10)(OH)2 - В химии известна двуметакремниевая кислота H2Si2O5, поэтому минералы с каолинитовыми слоями нередко называют димета- и (упрощенно) метаси ликатами.
Поэтому многие минералы такого строения имеют псевдогексагональный облик кристаллов и совершенную спайность параллельно слоям структуры. Минералы со сложными сетками (палыгорскит, хризоколла, пренит и датолит) отличаются тем, что в каждой сетке тетраэдры развёрнуты то в одну, то в другую сторону и могут формировать разные кольца. Такие слоистые силикаты отличаются иной морфологией кристаллов и менее совершенной спайностью, чем минералы с простыми сетками.
(рис.4) Простые сетки в структурах силикатов группируются вместе со слоями октаэдров в пакеты типа 1:1 и 2:1 (по соотношению числа тетра- и октаэдрических слоев). Пакет первого типа характерен для структуры каолинита
(рис. 5), второго — для пирофиллита. Видно, что пакеты находятся не точно друг под другом, а чуть смещены. Так появляется угол β (угол моноклинного сдвига), а кристаллы каолинита и пирофиллита обладают не гексагональной, а триклинной (каолинит) и моноклинной (пирофиллит) симметрией.
В кристаллической структуре мусковита между пакетами присутствует калий (рис. 6), в хлорите (клинохлор) — комплексный катион (Mg2Al(OH)6)+ (рис.7).
Сопоставим структуры каолинита, пирофиллита, мусковита и хлорита (рис.8). Все схемы имеют одинаковую кристаллографическую ориентировку: ось с вертикальна, ось b перпендикулярна чертежу, ось а образует с осью с угол моноклинного сдвига β.
Весьма условные, но информативные схемы на рис. 9 дают возможность сопоставить друг с другом дву- и триоктаэдрические минералы с пакетами 2:1 и 1:1.
(рис.10) 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 сингонии — моноклинной (чаще всего), гексагональной, ромбической, тригональной, триклинной. Такие структурные разновидности слоистых силикатов называют политипами. Некоторые из них устойчивы только при определенных давлениях и температурах и образуются только в определенной химической обстановке. Политипия, как видно, является частным случаем полиморфизма.
Кроме минералов с указанными выше типами слоистых структур имеются и более редкие представители этого класса минералов. Например, в природе встречаются минералы с волнообразно изгибающимися и завернутыми по спирали слоями (некоторые
серпентины и др.). Совершенно особыми по составу и структуре являются так называемые смешанослойные силикаты: они сложены чередующимися пакетами монтмориллонита и слюды, монтмориллонита и талька, хлорита и слюды и т. п.
Главные группы слоистых силикатов и алюмосиликатов представлены на рис.11.
В ней даны только наиболее распространенные минералы. Требует пояснения монтмориллонит: некоторые минералы группы монтмориллонита являются силикатами, другие — алюмосиликатами. Что касается литиевых слюд, то, как это обычно в слюдах, межпакетным катионом в них является калий, а литий наряду с алюминием и магнием занимает октаэдрические позиции. В табл. 39 в качестве октаэдрических катионов указаны только магний и алюминий. Однако в минералах некоторых групп широко проявлено замещение магния и алюминия железом, иногда в этих же позициях размещается никель, марганец, хром, титан или ванадий
.
(рис.12) Слоистые силикаты со сложными сетками тетраэдров . Имеется достаточно много редких и относительно редких минералов специфического состава со сложными сетками тетраэдров. Строение этих сеток разное. Наиболее просты структуры сепиолита и палыгорскита. В них в тетраэдрических сетках тетраэдры периодически развернуты вершинами то "вверх", то "вниз" (рис.9 188). Структура чароита более сложна и является промежуточной между слоистой и ленточной. В датолите половина тетраэдров занята не кремнием, а бором, они развернуты в разные стороны (рис13).
МОРФОЛОГИЯ КРИСТАЛЛОВ и
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ СИЛИКАТОВ
(АЛЮМОСИЛИКАТОВ) С ПРОСТЫМИ СЕТКАМИ ТЕТРАЭДРОВ
(рис.14) Из-за некомпактности кристаллических структур, слабых связей между пакетами лишь редкие минералы из слоистых силикатов и алюмосиликатов встречаются в крупных и хорошо ограненных кристаллах. Явно распознаваемые совершенные кристаллы отмечены лишь у флогопита, мусковита, хрупких слюд и хлоритов, из них крупные (и даже гигантские) кристаллы бывают только у мусковита и флогопита. Они имеют псевдогексагональную симметрию и пластинчатый облик. Реже встречаются бочон ковидные и столбчатые кристаллы этих минералов. Истинная сингония кристаллов в большинстве случаев моноклинная, а их реальные очертания далеки от совершенных.
Цвет зависит от наличия в минерале элементов-хромофоров (железа, хрома, марганца), без хромофоров цвет белый. Таковы химически чистые каолинит, серпентин, тальк, пирофиллит, монтмориллонит, флогопит. В присутствии двухвалентного железа минералы приобретают зеленую окраску разной интенсивности (тальк, серпентин, флогопит, хлорит), небольшая примесь трехвалентного железа придает мусковиту чуть коричневатую окраску. Наличие в минералах одновременно двух- и трехвалентного железа обусловливает появление у них грязно-коричневых, черно-коричневых, зелено-черных, черных окрасок, как у железистого флогопита, биотита, лепидомелана.
Очень своеобразна роль хромофора F e 3 + , когда он занимает в флогопите позиции алюминия в слоях тетраэдров: минерал становится ярким рыже-коричневым, необычно меняются и другие его оптические свойства. Такой флогопит даже получил особое название — тетраферрифлогопит (т.е. флогопит с железом в четверной координации).
Примесь хрома изменяет цвет в зависимости от структуры минерала. В мусковите появляется яркая зеленая окраска (такая слюда называется фукситом). Хлориты приобретают' розово-фиолетовый цвет. Марганец, входя в состав литиевых слюд, вызывает их розово-лиловую окраску.
Блеск разный. На гранях кристаллов из-за их несовершенства он матовый или жирный, на плоскостях спайности — стеклянный, у слюд — с перламутровым отливом.
В агрегатах блеск жирный, матовый. У всех слоистых силикатов и алюмосиликатов есть весьма совершенная спайность по пинакоиду, так как пакеты в их структурах связаны друг с другом слабо. Спайные пластинки у слюд (мусковита, флогопита, биотита) упругие; отогнутые по спайности, они притягиваются назад из-за связей, возбуждаемых в них межпакетными катионами калия. У талька, пирофиллита, в которых межпакетных ионов нет, спайные пластинки крошатся, ломаются, но назад не пригибаются.
Твердость минералов низкая и определяется непрочностью их кристаллических структур. У силикатов (т.е. минералов без межпакетных катионов) твердость 1-2, из них наиболее мягкие магниевые силикаты, что легко находит объяснение в большем размере и меньшем заряде магния по сравнению с алюминием (так, тальк жирен на ощупь,а пирофиллит — нет). У слюд за счет межпакетного катиона K + твердость составляет 2-3, а у хрупких слюд за счет более сильного межпакетного катиона C a 2 + или M g 2 + твердость повышается до 4.
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА
И СВОЙСТВ МИНЕРАЛОВ
Дополним общую характеристику структуры, состава, свойств минералов, данную
в предыдущих разделах этой главы.
Группа с е р п е н т и н а (рис.15-17) В эту группу входят полиморфы — слоистые силикаты магния состава Mg3 (Si2Os ) ( 0 Н ) 4 . Нередко используется удвоенная химическая формула — Mg6(Si40io)(OH)8. Всегда проявлен изоморфизм M g 2 + <— F e 2 + , но умеренно.
Полиморфы имеют разные названия: лизардит, антигорит, хризотил и т.д.
ХРИЗОТИЛЫ (рис.18-19) — Mg3[Si2O5][OН]4. От греч. хризос — золото, тилос —волокно. Минерал иногда действительно имеет золотистый отлив. Обычно называют асбестом или хризотил_асбестом, в отличие от амфиболовых асбестов. Выделяются следующие минеральные виды: клинохризотил, ортохризотил и парахризотил, различающиеся лишь геометрическими особенностями структуры.
В антигорите слои построены из групп тетраэдров, развернутых то вверх, то вниз от плоскости слоя (рис.19- 190, б), в хризотиле слои свернуты в трубку (рис.19- 190, а). Эти минералы встречаются в скры-токристаллических аморфных на вид, клееподобных массах белого, желтого, зеленого цвета или пестрой окраски. В них в жилках перекристаллизации нередко образуются волокнистые, асбестовидные агрегаты хризотила. Такие волоконца состоят из свернутых в трубку однослойных пакетов серпентина (