Реферат: Силикаты и их использование

Класс полимерных, или конденсированных, С. подразделяют на 4 подкласса. 1) Цепочечные С. с бесконечными цепочками из одиночных кремнекислородных тетраэдров, каждый из к-рых с соседними имеет по две мостиковые связи. Данный структурный тип метасиликатов охватывает большую группу породообразующих минералов и их синте-тич. аналогов, моноклинных и ромбич. пироксенов и пиро-ксеноидов широкого диапазона составов: энстатит (MgFe)₂ (Si₂ O₆ )_, диопсид CaMg(Si₂ O₆ )_, сподумен LiAl(Si₂ O₆ )_, волластонит – Са₃ (Si₃ O₉ )_, родонит CaMn₄ (Si₅ Oi5)_, и мн. др. представители пироксен-пиро-ксеноидных С. (рис. 4) с периодом повторяемости из 2, 3, 5 кремнекислородных тетраэдров и более вдоль оси цепочки.

Рис. 3. Простейшие типы островных кремнекислородных анионных группировок: а-SiO₄ , б-Si₂ O₇ , в-Si₃ O₉ , г-Si₄ О₁₂ , д-Si₆ O₁₈ .

Рис. 4. Важнейшие типы кремнекислородных цепочечных анионных группировок (по Белову): а-метагерманатная, б – пироксеновая, в-батиситовая, г-вол-ластонитовая, д-власовитовая, е-мелилитовая, ж-родонитовая, з-пирокс-мангитовая, и-метафосфатная, к-фторобериллатная, л – барилитовая.

Рис. 5. Конденсация пироксеновых кремнекислородных анионов в ленточные двухрядные амфиболовые (а), трехрядные амфиболоподобные (б), слоистые тальковые и близкие им анионы (в).

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

2) С. с ленточными кремнекислородными анионами из двух-, трех- и n‑рядных цепочек, сконденсированных между собой по боковым связям перпендикулярно цепочке (рис. 5). В природе наиб. распространены в данном подклассе в-в амфиболовые и амфиболоподобные асбесты – волокнистые С. с двухрядными ленточными анионами, важнейшие представители – минералы тремолит Ca₂ Mg₅ (Si₈ O₂₂ XOH)₂ и роговые обманки (Na, Ca)₂ (MgAl)₅ (Al, Si)₈ O₂₂ (OH)₂ . Ленточный анион цементного минерала ксонотлита Ca₆ (Si₆ O₁₇ ) (OH)₂ (рис. 6, а) – продукта конденсации волластонитовых цепочек (рис. 2, б или 4, г) – состоит из восьмичленных колец, в отличие от шестизвенных гексагон. колец амфиболовых лент (рис. 5, а, 6,7).

3) С. с двухмерными слоистыми или листовыми анионами характеризуются широким разнообразием возможных сочленений кремнекислородных тетраэдров в правильные или же в низкосимметричные шести-, четырех- и восьмичленные кольца с тетрагон. и ромбич. симметрией слоя, восьми-, шести- и четырехчленные кольца, воедино связанные в слоистом анионе, и т.д. (рис. 5, в, 6, б).

Рис. 7. Важнейшие типы ленточных кремнекислородных группировок (по Белову): а – силлиманитовая, амфиболовая-см. рис. 5, а, ксонотлитовая-см. рис. 6, а; б-эпидидимитовая; в-ортоклазовая; г-нарсарсукитовая; д-фенаки-товая призматическая; е-эвклазовая инкрустированная.

В прир. – слоистых С. группы слюд (мусковит , биотит тальк, пирофиллит и др.), глинистыхминералов [каолинита Al₄ (Si₄ O₁₀ ) (OH)₈ и др.] кремнекислородные сетчатые анионы образованы правильными шестичленными кольцами из тетраэдров SiO₄ . Эти сетки являются продуктом конденсации пироксеновых или же амфиболовых лент (рис. 5). Строение слоистых С. предопределяет их отчетливую спайность по базальной плоскости (параллельно слоям), наиб. отчетливо проявляющуюся в слюдах (рис. 8). При конденсации в плоскости волластонитовых цепочек (Si₃ О₉ )_, (рис. 2, б или 4, г) или же ксонотлитовых лент (Si₆ O₁₇ )_, (рис. 6, а) образуются тетрагон, тоберморитовые сетки Ca₅ (Si₆ O₁₆ ) (OH)₂ ·4H₂ 0 (рис. 6, б).

4) К С. каркасного строения относятся многочисл. группы алюмосиликатов (в меньшей степени – боросиликаты), вязаный каркас к-рых образован четырьмя мостиковыми связями и имеет общую ф-лу (Al_m Si_n __m O_2n )^m- Избыточный отрицат. заряд анионного остова из (Аl, Si) – теграэдров электростатически компенсируется щелочными и щел.-зсм. катионами, располагающимися в полостях каркасной структуры. Среди каркасных алюмосиликатов более всего в природе распространены щелочные полевошпатовые С.: твердые р-ры альбита NaAlSi₃ O₈ и ортоклаза KAlSi₃ O₈ , а также альбита и анортита CaAl₂ Si₂ O₈ , известные под назв. плагиоклазов. Каркасные С. цеолиты характеризуются большими внутр. полостями и входными окнами, в к-рых могут абсорбироваться крупные молекулы диаметром 0,3–0,5 нм и более (рис. 9).

Рис. 8. Фрагмент (элементарный пакет) слоистой кристаллич. структуры мусковита KAl₂ (AlSi₃ O₁₀ XOH)₂ , иллюстрирующий переслаивание алюмокремне-кислородных сеток с полиэдрич. слоями крупных катионов Аl и К.

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

3. Процессы образования силикатов в земной коре

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

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

Дальнейшая конденсация приводит к образованию слоистых силикатов. К их числу относятся слюды и глины, содержащие в своей структуре группировки [Z4O10], где Z=Si и Al в четверной координации относительно кислорода. В слюдах слои состоят из шестичленных колец, построенных из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров. Слоистых силикатов существует множество: слои могут быть построены из пяти- и шестичленных колец (см. рис. 1); состоять из чередующихся в определенном отношении восьми- и пятичленных колец; могут существовать слои, в которых кремнекислородный тетраэдр необязательно имеет три мостиковых атома кислорода, и др.

И наконец, последней ступенью полимеризации являются силикаты с каркасным строением, которых тоже существует великое множество. Примером каркасных силикатов могут служить кремнезем и полевые шпаты. Полевые шпаты делятся на плагиоклазы (непрерывный ряд твердых растворов в системе альбит-анортит (NaAlSi3O8‑CaAl2Si2O8)) и калиевый полевой шпат K[AlSi3O8]. Их структура представляет собой бесконечный объемно-увязанный каркас из тетраэдров SiO4 и AlO4, в пустотах которого расположены ионы Na, Ca, K (рис. 4). Сам же кремнезем – это вязь из кремнекислородных тетраэдров. К разряду каркасных силикатов, но не полевых шпатов относится и упоминаемый ранее минерал лейцит K[AlSi2O6], казалось бы, метасиликат калия и алюминия. В действительности это каркасный алюмосиликат, в котором атомы алюминия выполняют структурную функцию атомов кремния. Каркас состоит из тетраэдров AlO4 и SiO4 (все атомы кислорода мостиковые), в пустотах которого расположены ионы калия. Полевые шпаты, в свою очередь, в результате процессов выветривания превращаются в глины и различные виды кремнезема:

2K[AlSi3O6] + CO2 +2H2O =

= Al2 [Si2O5] (OH) 4 + K2CO3 + SiO2

Каолинит Кварц, опал

Каолинит – минерал со слоистой структурой. Слои состоят из шестичленных кремнекислородных колец. В конечном итоге процессы выветривания полевых шпатов, слюд, талька, нефелина приводят к образованию растворимых солей щелочных и щелочноземельных металлов, плохо растворимых гидратов оксидов железа и алюминия и гидросиликатов, которые переносятся водными растворами и дают начало образованию новых минералов, с которых как бы начинается новый виток образования силикатных минералов.

4. Яркие представители группы силикатов