Силикаты. общая характеристика. Силикаты и их виды

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.

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.

В природе не существует более распространенных химических соединений. На силикаты приходится больше 3/4 массы всей земной коры. К ним относится около 500 минералов, в том числе важнейшие, породообразующие: полевые шпаты, слюды, пироксены и др. Силикаты - это и песок, и глина, и кирпич, и стекло, и цемент, и эмаль, и тальк, и асбест, и изумруд, и топаз.

Силикаты - солеобразные вещества, содержащие соединения кремния с кислородом общего состава Si x O y . Их название происходит от латинского слова «силекс» - «кремень». Основу молекул силикатов составляют кремнекислородные атомные радикалы типа 4 - , имеющие форму тетраэдров. Число атомов Si и О в радикале, а следовательно, и его валентность могут изменяться, кроме того, в состав радикала могут входить и другие элементы: Аl, В, Be, Ti, Zr, V. Силикаты, в состав анионного комплекса которых входит алюминий, называются алюмосиликатами. Тетраэдры способны соединяться друг с другом - полимеризоваться (см. Полимеризация) через общий атом кислорода, образуя непрерывные цепочки и сетки. Способ соединения тетраэдров, а значит, и химическое строение силиката зависят от их состава. По типу сочетаний кремнекислородных тетраэдров строится классификация силикатов. Они могут быть островными, кольцевыми, цепочечными, слоистыми и каркасными. В структурах силикатов установлено значительное число различных типов цепочек, лент, сеток и каркасов из тетраэдров.

Человек в своей созидательной деятельности очень часто применяет силикаты. Трудно найти отрасль хозяйства, где бы они широко не использовались. Многие силикаты входят в состав металлических руд: никелевых, литиевых, бериллиевых, алюминиевых и др. А среди нерудных полезных ископаемых силикаты преобладают. Это уже упоминавшиеся полевые шпаты, слюды, граниты, гнейсы, асбест, тальк, цеолиты, бентонитовые и огнеупорные глины. Здесь и важнейшие строительные материалы, и составляющие литейных формовочных смесей, и огнеупоры, и теплоизоляторы, и сырье для производства керамики. К силикатам относятся и некоторые драгоценные и поделочные камни: изумруд, аквамарин, топаз, гранат, хризолит, турмалин и др.

В последние десятилетия большое значение приобрели искусственные, или синтетические, силикаты. В отличие от природных они могут быть однородны по составу и строению, свободны от посторонних примесей, поэтому их практическая значимость для техники и науки часто намного выше. Почти все природные силикаты можно синтезировать и, кроме того, при помощи химического синтеза получить многие новые силикаты. Сфера применения синтетических силикатов почти так же широка, как и природных. Вот некоторые из наиболее употребительных синтетических силикатов:

силикаты кальция: ЗСаО SiO2, 2CaO SiO2 - основные компоненты портландцемента;

силикаты натрия и калия в виде так называемого жидкого стекла используются для получения клея, красок, замазок и мыла;

силикаты лития и магния - основа для производства термостойких керамических материалов.

Силикаты

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

Современная классификация С. основана на кристаллохимических данных, обобщающих результаты химических и рентгенографических исследований структур силикатных минералов (см. Кристаллохимия).

В основе структур всех С. лежит кремнекислородный радикал 4- в форме тетраэдра. Важной особенностью С. является способность к взаимному сочетанию (полимеризации) двух или нескольких кремнекислородных тетраэдров через общий атом кислорода. Характер этого сочетания учитывается при классификации С. Кроме того, в классификации С. учитываются состав радикалов (Si, Al, В, Be, Ti, Zr, U) и состав катионов (К, Na, Ca, Mg, Fe, Mn, Al), наличие и характер в составе С. воды или гидроксильных групп, наличие дополнительных анионных групп.

В случаях, когда в структуре С. другие тетраэдрические радикалы играют одинаковую роль с тетраэдрами 4- , выделяют алюмосиликаты, боросиликаты и бериллосиликаты, а также гетерогенные каркасные и слоистые титано- и цирконосиликаты. В номенклатуре С. наряду со структурными обозначениями, связанными с типом сочетаний кремнекислородных тетраэдров, иногда используются названия, сохранившиеся от представлений о них как о солях кремниевых кислот: ортосиликаты - соли ортокремниевой кислоты, метасиликаты - соли метакремниевой кислоты и др.

Структура С. По характеру сочетания кремнекислородных тетраэдров выделяется 5 подклассов С.: островные, кольцевые, цепочечные, слоистые, каркасные.

Островные С. Сюда относятся С. с изолированными тетраэдрами ^» - ортосиликаты, связанные посредством расположенных между ними октаэдрических катионов (рис. , 1), или с изолированными парами тетраэдров 6- - диортосиликаты, которые возникли в результате соединения двух кремнекислородных тетраэдров (рис. , 2).

К ортосиликатам относятся группы Оливин а (MgFe) 2 , Циркон а Zr , Гранат ов, Фенакит а Be 2 и др. (без воды и добавочных анионов), Топаз а Al 2 F 2 , Андалузит а Al 2 O, Титанит а CaTi O и др. (с добавочными анионами F - , O 2- , OH -); к диортосиликатам - группы Бертрандит а Be 4 O (OH) и др.; к ортодиортосиликатам относятся группы Везувиан а 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 С. характеризуются кольцевой структурой, в которой группы 4- не изолированы, а соединяются общими ионами кислорода в кольца (рис. , 3). 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 Берилл а Be 3 Al 2 , Кордиерит а 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 С. Простейшие и наиболее распространённые из них представлены непрерывными цепочками кремнекислородных тетраэдров, соединённых вершинами, типа 2- или сдвоенными цепочками-лентами типа 6- (рис. , 4 и 5). К ним принадлежат группы пироксенов (См. Пироксены), амфиболов (См. Амфиболы), рамзаита Na 2 O 3 и др.

Слоистые С. 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- (рис. , 6); 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 Мусковит а и Биотит а K (Mg, Fe 2- 3)․(OH, F) 2 , группы Пирофиллит а Al 2 (OH) 2 и Талька Mg 3 ․(OH) 2 , Каолинит а Al 4 (OH) 8 и Серпентин а Mg 6 (OH) 8 , Галлуазит а Al 4 (H 2 O) 4 (OH) 8 , хлоритов (См. Хлориты); к слоистым относится гадолинит FeY 2 ․; к титаносиликатам - астрофиллит (К, Na) 3 (Mn, Fe) 7 2 ․3H 2 O и др.

Каркасные С. 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 (См. Полевые шпаты) Na - K - Ca , Нефелин а 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.

По составу тетраэдрических радикалов различаются простые С. с кремнекислородным радикалом 4- и сложные С., в которых вместе с 4- присутствуют тетраэдрические группы алюминия (Алюмосиликаты), бериллия (бериллосиликаты), бора (боросиликаты), титана (титаносиликаты), циркония (цирконосиликаты), урана (ураносиликаты). Наряду с этим выделяются силикаты Al, Be, Ti, Zr, в которых эти элементы играют роль таких же катионов, как Mg, Fe и др., соединяясь с кремнекислородными тетраэдрами не вершинами, а ребрами или через вершины, поделенные между двумя тетраэдрами.

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.).

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.

Свойства С. 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 Федорова столика (См. Фёдорова столик), иммерсионного метода и др.

Происхождение С. весьма разнообразно: они возникают при кристаллизации магмы, метаморфических и метасоматических процессах; реже С. образуются в гидротермальных жилах. Крупные кристаллы С. возникают в пегматитах.

Физико-химические особенности образования С. в природных условиях определяются с помощью парагенетического анализа минеральных ассоциаций (см. Парагенезис минералов) с учётом данных детально изученных диаграмм состоянии (См. Диаграмма состояния) 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.

С. (плагиоклазы, оливин, пироксены и др.) являются также главными минералами лунных пород, входят в состав метеоритов (См. Метеориты). Полагают, что оливин и плотная модификация со 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 (См. Нерудные полезные ископаемые) (полевые шпаты, слюды, асбест, тальк, цеолиты, гранаты, бентонитовые и огнеупорные глины), в драгоценных и поделочных камнях (См. Драгоценные и поделочные камни) (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.

Лит.: Соболев B. С., Введение в минералогию силикатов, Львов, 1949; Белов Н. В., Кристаллохимия силикатов с крупными катионами, М., 1961; Эйтель В., Физическая химия силикатов, пер. с англ., М., 1962; Дир У.-А., Хауи Р.-А., 3усман Дж., Породообразующие минералы, пер. с англ., т. 1-4, М., 1965 - 66; Поваренных А. С., Кристаллохимическая классификация минеральных видов, К., 1966; Минералы. Справочник, т. 3, в. 1, М., 1972; Коржинский Д. С., Теоретические основы анализа парагенезисов минералов, М., 1973; Марфунин А. С., Введение в физику минералов, М., 1974.

А. С. Марфунин.

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- .

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

В виде (OH) − или H 2 O и другие.

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 другие. Самыми распространёнными являются минералы группы полевых шпатов и затем кварц , на долю которого приходится около 12 % от всех минералов.

Структурные типы силикатов

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. В зависимости от того, как сочетаются между собой кремнекислородные тетраэдры, различают следующие структурные типы силикатов.

1. 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 другие.
   • 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− , 24 − . Представители : оливины , гранаты , циркон , титанит , топаз , дистен , андалузит , ставролит , везувиан , каламин , эпидот , цоизит , ортит , родонит , берилл , кордиерит , турмалин и другие.
2. Цепочечные (Цепочные) 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 , салит , 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.
3. 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. Радикал структуры 6− . Представители : тремолит , актинолит , жадеит , роговая обманка .
4. 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 .
5. 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.

Зависимость облика и свойств от структуры

Силикаты, структура которых представлена обособленными кремнекислородными тетраэдрами, имеют изометрический облик (гранаты), гексагональный берилл имеет обособленные шестерные кольца кремнекислородных тетраэдров, силикаты цепочечной и поясной структур обычно вытянуты (амфиболы, пироксены). Особенно наглядны в этом отношении листовые силикаты (слюды, тальк, хлориты). Слои кремнекислородных тетраэдров являются очень прочными, а их связи друг с другом через катионы менее прочная. Расщепить их легко вдоль слоёв. Этим вызывается их спайность и листоватый облик.

Полезные ископаемые

Происхождение (генезис)

Эндогенное, главным образом магматическое (пироксены, полевые шпаты), они также характерны для пегматитов (слюды, турмалин, берилл и др.) и скарнов (гранаты, волластонит). Широко распространены в метаморфических породах - сланцах и гнейсах (гранаты, дистен, хлорит). Силикаты экзогенного происхождения представляют собой продукты выветривания или изменения первичных (эндогенных) минералов (каолинит, глауконит, хризоколла)

Напишите отзыв о статье "Силикаты (минералы)"

Литература

• Миловский А.В. Минералогия и петрография. - М .: Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр, 1958. - С. 83-88.
• Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. - М .: Советская энциклопедия, 1995. - Т. 4 (Пол-Три). - 639 с. - ISBN 5-82270-092-4.

Отрывок, характеризующий Силикаты (минералы)