HomeАлюминий › Строение кристаллов

Строение кристаллов

Строение кристалловКристаллы   слюды,  как и всех  других  силикатов и 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 S04) или трех (в питьевой соде НСОз) разнородных атомов, в силикатах даже относительно менее сложного состава большая часть анионов кремнекисло-ты (SiCj) 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 (SiO)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\».

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 ксантофиллите 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. Алюмосили-катные 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. В некоторых силикатах, например в мусковите, атом алюминия \»един в двух лицах\», то есть играет одновременно обе роли. Поэтому такие породы называют алюмосиликатами алюминия (и других металлов, если они в них присутствуют). —  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.