Класс силикатов

Минералы класса силикатов наиболее распространенные в земной коре. Основной элемент кристаллохимической структуры силикатов - кремнекислородный тетраэдр (ККТ) (рис. 3).

ККТ составляя основу кварца, алюмосиликатов, феррисиликатов, сочленяясь между собой, образуют островки, цепи, ленты, слои. Сочленение обусловлено тем, что ячейка ККТ имеет свободные валентности кислорода. Отрицательный заряд ККТ (SiO₄^-4) компенсируется присоединением катионов и при этом образуется ортосиликаты. Кремнекислородные тетраэдры в структуре ортосиликатов изолированы друг от друга. К ортосиликатам относятся такие распространенные минералы как форстерит (Mg₂SiO₄), фаялит (Fe₂SiO₄) и их изоморфная смесь – оливин (Мg, Fe) ₂SiO₄.

ККТ, соединяясь между собой, могут образовывать «островки» из 2, 3, 4, и 6 тетраэдров, а остаточные валентности в этих островках заполняются Мg⁺⁺, Са⁺⁺, Fe ⁺⁺, Fe ⁺⁺⁺, Мn ⁺⁺, Al ⁺⁺⁺ (минералы с такой структурой редки).

Рис. 3. Отдельный кремнекислородный тетраэдр (а) и сетка, состоящая из кремнекислородных тетраэдров (б)

Соединения ККТ через кислородные ионы могут приобретать форму цепей. Силикатные минералы с цепочечной структурой (рис. 4) (метасиликаты), имеющие радикал [Si₂O₆]^-4, образуют группу пироксенов. Представителями группы пироксенов являются: энстатит - Mg₂Si₂O₆, гиперстен – (MgFe)₂Si₂O₆ , авгит – Са(Mg, Fe, Al)[SiAl₂O₆].

Цепочные структуры ККТ, соединяясь между собой через ионы кислорода, вдоль длинной оси, образуют ленточные структуры (рис. 4).

Силикатные минералы, имеющие ленточную структуру ККТ и радикал – [Si₂O₁₁]^-6; образуют группу амфиболов. Общая схематическая формула амфиболов – R₇(ОН)₂[Si₂O₁₁], где R – катионы, компенсирующие валентности радикала – Ca++, Na, Mg⁺⁺, Fe⁺⁺, Al⁺⁺⁺, Fe⁺⁺⁺. Типичным представителем группы амфиболов является роговая обманка – Ca₂Na(MgFe⁺⁺₂)₄ (Al, Fe⁺³)[(SiAl)₄O₁₁](OH)₂.

Ленточные структуры ККТ, развиваясь по плоскости, образуют листовые структуры (рис. 4), которые имеют силикатные минералы, относящиеся к группе слюд. В минералах группы слюд два слоя кремнекислородных тетраэдров соединяются октаэдрическим слоем гидроокиси Al, где последний находится в 6-ой координации (рис. 5). Алюминий октаэдрического слоя связывает два слоя ККТ через кислородные ионы их вершин (рис 6).

Рис. 4. Кремнекислородные структуры: а - цепочка типа пироксена, б - цепочка типа амфибола, в - лист типа слюды

В минералах группы слюд четверть позиций кремния (25%) в ККТ изоморфна и замещена Al, в результате чего эти слои приобретают отрицательный заряд, который компенсируется катионами, которые в свою очередь соединяют между собой трехслойные пакеты. Представителями группы слюд являются: мусковит (калиевая слюда) и биотит (магнезиально - железистая слюда).

ККТ могут соединяться между собой всеми вершинами, образуя структуры непрерывного типа в трех измерениях и не имеющих активных ионов кислорода. Это так называемая каркасная структура, которую имеют кварц и полевые шпаты.

Рис. 5. Глиноземно-кислородный октаэдр (а), цепочка, состоящая из глиноземно-кислородных октаэдров (б)

В полевых шпатах часть кремния в ККТ замещена алюминием и образовавшийся при этом дополнительный отрицательный заряд в алюмокислородном комплексе [AlO₄]^-5 компенсируется катионами металлов, что в конечном итоге обуславливает химический состав алюмосиликатов.

Полевые шпаты (алюмосиликаты), в зависимости от химического состава делятся на две группы: плагиоклазы и ортоклазы.

Плагиоклазы (натриево-известковые полевые шпаты) представляют собой непрерывный изоморфный ряд, крайними членами которого являются:

Ca

а льбит (Na₂Al₂Si₆O₁₆) Na анортит (CaAl₂Si₂O₈)

Ортоклазы (калинатриевые полевые шпаты) – это изоморфная форма ортоклаза, где калий замещается натрием.

Na

О ртоклаз (K₂Al₂Si₆O₁₆) K натроноклаз (K, Na)₂ Al₂Si₆O₁₆).

Минералы в которых в ККТ кремний замещается на железо называются феррисиликатами.

Первичные минералы, оказавшиеся в зоне гипергенеза трансформируются и по форме и по содержанию; происходят реакции: гидратации, гидролиза, растворения, окисления - восстановления, разрушение первичных минералов сопровождается синтезом вторичных. Рассмотрим наиболее важные с точки зрения почвоведа вторичные алюмо - и феррисиликаты, так называемые глинистые минералы.

- кислород,  - гидроксил,  - алюминий,  - калий,   - кремний (на ¼ замещен алюминием)

Рис. 6. Кристаллическая решетка слюды (схема)

Их общее свойство – высокая степень дисперсности, пластинчатое строение и наличие в составе химически связанной воды.

Эти минералы принято разделять на группы:

а) каолинита;

б) монтмориллонита;

в) гидрослюд.

Минералы группы каолинита имеют двухслойное строение (октаэдрический слой и тетраэдрический слой) (рис. 7).

Рис. 7. Кристаллическая решетка каолинита (схема)

В тетраэдрическом слое все вершины кремнекислородных структур повернуты к октаэдрическому слою и ионы кислорода связывают между собой Si и Al.

Теоретически электронейтральная кристаллохимическая структура каолинита соответствует формуле: Al₄Si₄O₁₀(OH)₈

Однако в местах нарушения строения пакетов на местах изломов ненасыщенные валентности компенсируются ионами из окружающего раствора. Каолинит не набухающий минерал, т.е. не впитывает воду в межпакетное пространство и расстояние между пакетами является постоянным.

К этой же группе относятся: галлуазит, который в отличие от каолинита имеет в кристаллической решетке молекулы H₂O (Al₂Si₂O₅(OH)₄ ∙2Н₂О). Соотношение Si : Al в минералах группы каолинита - 11.

Монтмориллонит относится к группе трехслойных силикатов, в котором октаэдрический слой (диактаэдрический) заключается между тетраэдрическими слоями (рис. 8). Расстояние между пакетами изменяется в зависимости от содержания воды между пакетами. Структура монтмориллонита отвечает формуле Al₂Si₄O₁₀(OH)₂ ∙ nН₂О и отношение Si : Al = 2  1.

- кислород,  - гидроксил,  - алюминий, железо, магний,   - кремний, иногда алюминий

Рис. 8. Кристаллическая решетка монтмориллонита (схема)

В монтмориллоните возможны к изоморфные замещения. Кремний в тетраэдрах может замещаться на Al, а Al в октаэдрах на Fe⁺⁺, Fe⁺⁺⁺ и Мg⁺², что обуславливает генезис минералов группы монтмориллонита.

Бейделит отличается от монтмориллонита тем, что 25 % Si из тетраэдрического слоя замещено Al, а избыточный отрицательный заряд компенсируется заменой одного кислородного иона на ОН^-, его формула Al₃Si₃O₉(OH)₃ ∙ nН₂О.

В нонтроните Al из октаэдрического слоя полностью замещен на Fe⁺³ - Fe ₂Si₄O₁₀(OH)₃ ∙ nН₂О.