HomeАлюминий › Алюмосиликаты

Алюмосиликаты

АлюмосиликатыПочти весь мир кристалличен, — говорят физики и минералоги. Действительно, кристаллы окружают нас повсюду. Мы их обнаружим в щепотке белоснежной солии в куске черного угля, в тонком срезе металла и в обыкновенном булыжнике. Даже мягкая, пластичная глина имеет мельчайшие кристаллические чешуйки. Они невидимы ни простым глазом, ни под микроскопом, но легко обнаруживаются с помощью рентгеновских лучей.

Состоят из кристаллов и все алюмосиликаты (как и силикаты, не содержащие алюминия). По своему химическому составу они представляют самые сложные неорганические вещества на свете. В них, кроме атомов кремния и кислорода, часто присутствуют атомы других металлов: кальция, магния, титана, бериллия, натрия, калия. Найдем мы в их составе молекулы воды, а также и различные аниону: SOl\», СО|\», F\», СГ. Изучением поведения, свойств и структуры всего многообразия кристаллов занимаются кристаллографы. С самого начала возникновения этой науки в основу развиваемых ею представлений была положена идея о плотной упаковке частиц.

Как известно, атом (диаметр которого равен одной или нескольким стомиллионным долям сантиметра) имеет очень сложное строение. В его центре находится маленькое, очень плотное ядро, обладающее положительным зарядом. У ядер тяжелых элементов заряд больше, у легких — меньше. Вокруг ядра по замкнутым орбитам движутся электроны — мельчайшие материальные частицы отрицательного электричества.

 

Электроны образуют вокруг ядра несколько вложенных одна в другую оболочек. У тяжелых атомов оболочка состоит из нескольких слоев. Кристалл любого вещества состоит из огромного числа элементарных ячеек, заполненных внутри плотноупако-ванными частицами, которые можно себе представить в виде шаров. Рентгеновские снимки кристаллов показывают, что атомы — шары — укладываются в несколько слоев.

 

Поскольку форма элементарной ячейки повторяется в кристаллах через равные промежутки, независимо от того, какое бы мы ни выбрали направление, следовательно, и расположение слоев упаковки атомов строго повторяется через равное число слоев. Если плотно укладывать шары одинакового размера, то между ними остаются пустоты. Учеными подсчитано;, что в плотной упаковке кристаллов химических элементов, составленных из атомов одинакового размера, объем пустот составляет около 1/4 общего объема.

 

В кристаллах веществ, состоящих из атомов разного размера, меньшие атомы размещаются в пустотах, образовавшихся от расположения крупных атомов. В сложных веществах \»строительным\» материалом кристаллов служат главным образом заряженные атомы. Пустоты в плотной упаковке заполняются атомами и ионами по-разному. Различное число слоев, из которых построены плотные упаковки, а также разные способы заполнения пустот создают величайшее многообразие структур кристаллов. В кристалле поваренной соли крупные ионы хлора уложены в три слоя, ионы же натрия заполняют все пустоты между ними. Каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора.

 

В плотной упаковке молекул углекислоты в кристалле (такие кристаллы существуют только в \»сухом льде\», то есть при низкой температуре) атомы углерода окружены двумя атомами кислорода.

От характера плотной упаковки в кристалле зависят и его многие свойства. Они наглядно проявляются на примере обычной поваренной соли. Для того чтобы кристалл, имеющий форму куба, расколоть по диагонали, требуется усилие, в четыре раза большее, чем для того, чтобы разбить его по центральной оси. Объяснить это можно тем, что диагональ проходит через различные атомы, заряженные положительно и отрицательно.

 

А ведь, как известно, плюс притягивает минус. Центральная же ось проходит по одноименно заряженным атомам хлора, и, следовательно, прочность по этой линии будет меньше (минус отталкивает минус!), и в этом направлении кристалл легко ломается. Основу в кристаллах образуют более крупные по размеру отрицательно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы обычно заполняют не все промежутки между ними.

 

И это также служит причиной уменьшения прочности кристалла в определенных местах. Так, например, в слюде наряду с полностью заполненными пустотами между атомами имеются слои менее \»густонаселенные\», то есть такие, в которых много пустых промежутков. Поэтому слои слюды легко рвутся. Этим минералоги объясняют способность слюды легко расщепляться на тонкие пластинки.

Алюмосиликатов, построены великим архитектором — Природой — по тому же основному принципу, что и знакомые нам довольно простые химические соединения: поваренная соль, сода, селитра и другие. Но есть в силикатных \»постройках\» и существенные отличия. В то время как, например, в поваренной соли анионы представляют собой отдельные атомы или состоят из двух (например, в серной кислоте SO4) или трех (в питьевой соде НСО3) разнородных атомов, в силикатах даже относительно менее сложного состава большая часть анионов кремнекисло-ты (Si04) не изолирована друг от друга.

 

 

\»Атом кремния всегда имеет координационное число 4, таким образом ближайшими атомами, окружающими его, являются 4 атома кислорода, образующие тетраэдр, — пишет в своем труде \»Кристаллохимия\» известный советский кристаллограф профессор Г.Б.Бокий. — Радикалы (Si04)4~ — охотно объединяются друг с другом через общие атомы кислорода, нейтрализуя валентность последних. В результате образуются более сложные радикалы поликремниевых солей. Такое объединение радикалов (Si04)4~ происходит путем обобщения только вершин тетраэдров, а не ребер или граней. Однако в каждом тетраэдре Si04 могут быть обобщены первая, вторая, третья или все четыре вершины. В результате получается большое разнообразие отношений Si : О в силикатах\»1.

Итак, обязательным условием существования силикатной \»постройки\» является расположение четырех атомов кислорода вокруг центрального атома кремния с образованием   простейшей   геометрической   фигуры — тетраэдра. Любопытно, что этот незыблемый принцип выдерживается и в том случае, если не хватает атомов кислорода, чтобы окружить атом кремния со всех четырех сторон.

 

Некоторые кислородные атомы участвуют одновременно в постройке двух силикатных тетраэдров, то есть принадлежат им обоим. В каждом из двух тетраэдров имеется по три \»собственных\» атома кислорода и один \»общий\». Соединяясь через кислород, тетраэдры образуют непрерывную цепочку. Такие цепочки создают \»костяк\» пироксенов, составляющих 17 % земной коры, диопсида, рамзаита.

 

В некоторых случаях принцип нахождения каждого атома в окружении четырех атомов кислорода может быть выдержан лишь тогда, когда цепочки из тетраэдров замыкаются 4,6,8-звенными кольцами. Такую структуру имеют соответственно: силлиманит, изумруд, ксонотлит. Если соотношение атомов кремния и кислорода в силикате 1:1, то принцип окружения атомов кремния четырьмя атомами кислорода может быть сохранен лишь в том случае, когда каждый из них будет находиться в совместном владении двух атомов кремния. Такое расположение приводит к тому, что вместо бесконечных цепочек в одном измерении, и листов, бесконечных в двух измерениях, мы имеем дело с каркасами, бесконечными во всех трех измерениях.

 

Если соотношение числа атомов кислорода к числу атомов кремния в том или ином силикате равно 3:2, то цепочки тетраэдров соединяются в бесконечные листы или \»скатерти\». Сотканные из атомов кремния и кислорода, соединенных в двух измерениях, они простираются от одной грани отдельного кристалла до противоположной. Таково строение слюды, коалинита, андалузита.

Кристалл слюды представляет собой как бы трехслойный пакет, который состоит из двух слоев, составленных тетраэдрами, и промежуточного слоя из октаэдров. В кристалле диаметром всего лишь в сантиметр между противоположными стенками располагается почти 30 миллионов атомов кремния и кислорода. Они-то и образуют единый анион. Потому силикаты в отличие от обычных солей, у которых анионы состоят из одного или нескольких атомов, не растворяются.

 

Если же расплавить силикат, то при застывании расплава он застынет в виде аморфной стеклоподобной массы. У многих листовых силикатов атомы кремния замещаются атомами алюминия. В слюде (мусковите) такое замещение достигает 25 %, в Маргарите 50 %, а в ксан-тофиллите оно еще больше. Если процент замещения атомов кремния атомами алюминия в тетраэдрах столь велик, то это отражается на стойкости цепочки.

 

Она теряет свою прочность как в твердом, так и жидком виде. Потому анортит в первую очередь выветривается в полевых шпатах, которые при этом обогащаются альбитом. Характерно, что и жидкая масса состава анортита также легко выкристаллизовывается. Такова роль алюминия в метаморфозах, претерпеваемых силикатами. Изучение поведения атомов алюминия в природных силикатах имеет большое практическое значение.

 

Например, если на стекольном заводе вводят в шихту нефелин с высоким содержанием этого элемента, то малейшее нарушение режима технологического процесса может привести к браку. Алюмосиликаты ые цепочки могут разорваться, и поэтому произойдет преждевременное выделение закристаллизовавшейся массы, иными словами, как говорят производственники, — образование \»козла\».

В каркасных силикатах тетраэдры в цепочках могут соединяться не только друг с другом, но и с атомами различных металлов, чаще всего с магнием, кальцием, железом, а также с титаном, марганцем, цирконием и другими. В них обязательно есть атомы алюминия. Важнейшие представители этой группы силикатов: нефелин, содалит и ультрамарин.
Некоторые из металлов, входящих в состав силикатов, обладают способностью имитировать кремний, то есть изоморфно замещать его.

 

\»Это прежде всего AI, В и Be, которые так же, как и кремний, имеют координационное число по отношению к атомам кислорода 4 и координационный многогранник — тетраэдр. Размеры таких тетраэдров тоже близки к размерам кремнекислородных тетраэдров. Из этих трех элементов — имитаторов кремния наиболее близки по размерам В и Be, поэтому аналогия между ними и Si более полная.

 

Атом (ион) алюминия крупнее атома кремния, поэтому алюминий в силикатах встречается как в тетраэдрах, так и в октаэдрах. В первом случае вещества называются алюмосиликатами, во втором силикатами алюминия\», — пишет Г.Б.Бо-кий. В этих сходных названиях, однако, наглядно отражено расположение атомов в алюмосиликатах. В алюмосиликатах атом алюминия замещает часть атомов кремния и совместно с ними образует единую цепочку.

 

 

Однако во второй группе минералов он уже не союзник кремния при постройке тетраэдров и октаэдров, а скорее, такой же \»квартирант\», как и другие металлы, и прежде всего кальций и магний. Иными словами, он представляет собой самостоятельный катион. Разделение силикатов на алюмосиликаты и силикаты глинозема по геометрическому принципу, несмотря на всю его важность, нельзя признать абсолютно строгим.

 

В природе не существует столь уж резкой разницы между двумя состояниями алюминия в них. Принадлежность к той или иной группе нередко устанавливают определяя, в каком количестве, атомы кремния замещают атомы алюминия. Если замещение не превышает 25 %, то соответствующий каркас (в трех измерениях) будет менее устойчив, чем однородный, построенный из атомов кремния.

 

Это свойство алюмосиликата широко используется в стекольной промышленности. Особенно его учитывают в производстве стекол, которые формируют механическим способом, когда желательно получить более пластичную стекольную массу. В этом случае алюминий оказывает положительное влияние на ее свойства. И еще пример из стеклоделия. Альбитовое стекло так же вязко и столь же плохо кристаллизуется, как и обычное. Введение же алюминиевых тетраэдров, несколько снижает жесткость каркаса из тетраэдров кремния.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.