Глава 17. Силикаты

1. Основные сведения о силикатах

Силикаты – наиболее многочисленный класс минералов, их количество составляет около 800 видов, 75% массы земной коры.

Происхождение, в основном, магматическое, гидротермальное и метаморфическое. Силикаты являются важнейшими составляющими горных пород.

В природе кремний всегда находится только в соединениях с кислородом (муассонит SiC, встречающийся в метеоритах, является единственным исключением из этого правила).

Морфологические особенности и физические свойства силикатов находятся в прямой зависимости от их химического состава и структуры.

Большинство силикатов (73%) кристаллизуются в низших сингониях (главным образом, - в моноклинной), 18% - средних сингониях и 9% - кубической.

Кристаллы силикатов с изолированными тетраэдрами обычно изометричны. Силикаты с одинарными (пироксены) и сдвоенными (амфиболы) цепочками тетраэдров имеют столбчатый, шестоватый, игольчатый облик – спайность вдоль двух пересекающихся плоскостей. Силикаты с листами из тетраэдров имеют чешуйчатый, листоватый облик и характеризуются совершенной спайностью (в одном направлении параллельно слоям). Наконец, силикаты с трехмерными каркасами из тетраэдров характеризуются спайностью по нескольким направлениям.

Удельный вес минералов зависит от плотности структуры. Силикаты с каркасным строением имеют низкий удельный вес, а с конечными группами – наивысший. Силикаты с малым удельным весом обладают большой твердостью.

Силикаты могут быть окрашены в разные цвета, в зависимости от входящих в их состав хромофоров.

Аналогично оксидам, силикаты – устойчивые минералы, труднорастворимые в воде и кислотах. Однако, на земной поверхности с течением времени они обычно разрушаются, часто образуя различные слоистые, так называемые глинистые минералы.

Используются в керамическом и огнеупорном производствах, строительстве, электротехнике (слюды), ювелирном деле. Многие силикаты – ценные полезные ископаемые: руды на медь, никель, цинк, железо, литий, а также сырье для извлечения редкие и радиоактивных элементов.

17.2 Островные силикаты

Островные силикаты – соединения с изолированными группами тетраэдров [SiO₄]^4-_. Общая формула таких силикатов – R₂[SiO₄], где R=Mg, Fe²⁺, Mn, Ca.

- Оливин (Mg,Fe)₂[SiO₄] – назван по оливково-зеленому цвету. Сингония ромбическая – сочетание пинакоидов, ромбических призм и дипирамид. Изоморфная смесь форстерита Mg₂[SiO₄]и фаялита Fe₂[SiO₄]. Монтичеллит СаMg[SiO₄] не входит в перечисленный изоморфный ряд (ионный радиус Са²⁺ значительно отличается от Mg²⁺ , Fe²⁺). Плотность минерала 3,2-3,5 г/см³, твердость 6,5-7,0, блеск стеклянный.

Является породообразующим минералом основных (40-55% SiO₂) и ультраосновных (менее 40% SiO₂) пород (дунитов, габбро, базальтов и др.).

Применение: прозрачная разновидность хризолит – драгоценный камень; оливиновая мука – удобрение. Также оливины используются в качестве основного сырья для производства огнеупоров.

Широко распространены на Украине.

- Гранат – смесь двух изоморфных рядов, общая формула R²⁺₃R³⁺₂[SiO₄]₃, R²⁺ = Ca, Mg, Mn, Fe, R³⁺=Al, Fe, Gr.

Гроссуляр Ca₃Al₂[SiO₄]₃ – светло-зеленый цвет; альмандин Fe₃Al₂[SiO₄]₃ – красный, коричневый, фиолетовый; пироп Mg₃Al₂[SiO₄]₃ – темно-красный.

Образуют кубическую, ромбододекаэдрическую и др. комбинированные формы.

Имеют стеклянный или алмазный блеск, высокую твердость (7-8), плотность составляет 3,4-4,3 г/см³, спайность отсутствует.

Применяется как абразивные материалы, драгоценные камни.

Широко распространены на Украине.

- Циркон Zr[SiO₄] – с иранского «золотой цвет», содержит в качестве изоморфных примесей гафний, торий и редкоземельные металлы.

Сингония тетрагональная – призмы, дипирамиды; характерны двойники. Высокая твердость (7,5-8,0), значительная плотность (4,7 г/см³), блеск алмазный.

Применение – руда на цирконий (употребляется для производства быстрорежущихся сталей и броневых плит). Гиацинт – прозрачная разновидность – драгоценный камень. Оксид циркония – высокоогнеупорный и кислотостойкий материал. Цирконовый концентрат (порошок белого цвета, тонкоизмельченный) широко используется в эмалях, глазурях, стекле в качестве глушителя и компонента, обеспечивающего химическую стойкость, термическую и механическую прочность покрытий и изделий.

Распространенный минерал на Украине.

Силикаты с добавочными анионами.

- Силлиманит Al₂O₃·SiO₂ имеет полиморфные разновидности:

Al₂[SiO₄]O (ортосиликат Дистен (кианит)

с добавочными анионами) Андалузит Al₂O₃·SiO₂

Al[AlSiO₅] (ленточный силикат) Силлиманит

Ромбический андалузит и триклинный дистен имеют одинаковую структурную формулу Al₂[SiO₄]O и относятся к островным силикатам с добавочными анионами, а ромбический силлиманит – к ленточным силикатам.

Дистен – характеризуется голубоватым цветом, имеет сильную анизотропию по твердости (вдоль удлинения столбчатых кристаллов – 4,5, в поперечном направлении – до 7). Андалузит – удлиненные кристаллы розоватых оттенков; анизотропией твердости не обладают. Силлиманит – волокнистые игольчатые кристаллы; твердость 6,5-7,0.

Встречаются в гнейсах и слюдистых сланцах.

При нагреве до высокой температуры (более 1500^оС) все минералы группы силлиманита разлагаются, образуя муллит 3Al₂O₃·2SiO₂ и кристобалит 2SiO₂. Муллит характеризуется высокой огнеупорностью, механической прочностью и инертностью по отношению к кислотам (включая плавиковую HF) и щелочам.

Породы, богатые этими минералами используются для производства высококачественных керамических огне- и кислотоупорных изделий (алюмосиликатные, шамотные, высокоглиноземистые, муллитовые огнеупоры).

Все минералы группы силлиманита редки на Украине.

Кольцевые силикаты

- Берилл Be₃Al₂[Si₆O₁₈] – зеленоватый цвет, высокая твердость. Сингония гексагональная – призмы, дипирамиды, пинакоиды.

Используется в качестве руды на берилл; прозрачная разновидность – изумруд, аквамарин – драгоценные камни.

Редкий минерал на Украине.

- Кордиерит 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂ или Mg₂Al₃[AlSi₅O₁₈] или природный (Fe,Mg)₂ Al₃[AlSi₅O₁₈] – имеет сине-серый цвет кристаллов, твердость 7-7,5. Сингония – ромбическая, призматический и псевдогексагональный облик кристаллов. Плеохроирует от светло-синего до желтого.

Кордиерит – типичный минерал метаморфических пород (гнейсов и кристаллических сланцев).

Отличается очень малым коэффициентом термического расширения, поэтому используется при изготовлении кордиеритовой керамики, которая служит в условиях резкого перепада температур – свечи зажигания, носители катализаторов, футеровки печей скоростного обжига, дугогасительные решетки.