Силикат котельники школа 1: Котельниковская средняя общеобразовательная школа №1 имени Героя Советского Союза Л.Д. Чурилова

Как уже отмечалось, 2 иона железа и магния имеют одинаковый размер (хотя и не совсем одинаковые). Это позволяет им заменять друг друга в некоторых силикатных минералах. Фактически, ионы, которые обычно встречаются в силикатных минералах, имеют широкий диапазон размеров, как показано на рисунке 2.4.2. Все показанные ионы являются катионами, за исключением кислорода. Обратите внимание, что железо может существовать как ион +2 (если он теряет два электрона во время ионизации), так и ион +3 (если он теряет три). Fe ²⁺ известен как железо , двухвалентное железо . Fe ³⁺ известен как железо , трехвалентное железо . Ионные радиусы имеют решающее значение для состава силикатных минералов, поэтому мы еще раз обратимся к этой диаграмме.

Структура одноцепочечного силикатного пироксена показана на рисунках 2.4.3 и 2.4.4. В пироксене тетраэдры кремнезема соединены в единую цепочку, где один ион кислорода из каждого тетраэдра является общим с соседним тетраэдром, следовательно, в структуре меньше атомов кислорода. В результате отношение кислорода к кремнию ниже, чем в оливине (3: 1 вместо 4: 1), а чистый заряд на атом кремния меньше (-2 вместо -4).Следовательно, для балансировки этого заряда необходимо меньше катионов. Композиции пироксена относятся к типу MgSiO ₃ , FeSiO ₃ и CaSiO ₃ или их комбинации. Пироксен также можно записать как (Mg, Fe, Ca) SiO ₃ , где элементы в скобках могут присутствовать в любой пропорции. Другими словами, пироксен имеет один катион на каждый тетраэдр кремнезема (например, MgSiO ₃ ), а оливин – два (например, Mg ₂ SiO ₄ ). Поскольку каждый ион кремния равен +4, а каждый ион кислорода равен -2, три атома кислорода (-6) и один кремний (+4) дают суммарный заряд -2 для единственной цепочки тетраэдров кремнезема.В пироксене один двухвалентный катион (2) на тетраэдр уравновешивает этот заряд -2. В оливине требуется два двухвалентных катиона, чтобы сбалансировать заряд -4 изолированного тетраэдра. Структура пироксена более «разрешающая», чем структура оливина, что означает, что в нее могут поместиться катионы с более широким диапазоном ионных радиусов. Вот почему пироксены могут иметь катионы железа (радиус 0,63 Å), магния (радиус 0,72 Å) или кальция (радиус 1,00 Å) (см. Рис. 2.4.2 выше).

На диаграмме ниже представлена ​​одиночная цепь в силикатном минерале. Подсчитайте количество тетраэдров по сравнению с количеством ионов кислорода (желтые сферы). Каждый тетраэдр имеет один ион кремния, поэтому это должно дать вам отношение Si к O в одноцепочечных силикатах (например, пироксен).

На диаграмме ниже представлена ​​двойная цепь в силикатном минерале. Опять же, посчитайте количество тетраэдров по сравнению с количеством ионов кислорода. Это должно дать вам отношение Si к O в двухцепочечных силикатах (например,г., амфибол).

Ответы к упражнению 2.4 см. В Приложении 3.

В структурах амфибола тетраэдры кремнезема связаны в двойную цепочку, у которой отношение кислорода к кремнию ниже, чем у пироксена, и, следовательно, для балансировки заряда необходимо еще меньше катионов. Амфибол даже более терпим, чем пироксен, и его состав может быть очень сложным. Роговая обманка, например, может включать натрий, калий, кальций, магний, железо, алюминий, кремний, кислород, фтор и гидроксил-ион (OH ^– ).

В структурах слюды тетраэдры кремнезема расположены в виде непрерывных листов, где каждый тетраэдр имеет три общих аниона кислорода с соседними тетраэдрами. Между соседними тетраэдрами происходит еще большее распределение атомов кислорода, и, следовательно, требуется меньше катионов, чтобы сбалансировать заряд структуры кремнеземных тетраэдров в слоистых силикатных минералах. Связь между листами относительно слабая, и это объясняет хорошо развитое однонаправленное расщепление слюды (рис. 2.4.5). Биотит слюда может содержать железо и / или магний, что делает ее ферромагнезиальным силикатным минералом (например, оливином, пироксеном и амфиболом). Хлорит – еще один подобный минерал, который обычно включает магний. В слюде мусковита присутствуют только катионы алюминия и калия; следовательно, это силикатный минерал неферромагнезиального происхождения.

Помимо мусковита, биотита и хлорита, существует множество других листовых силикатов (также известных как филлосиликаты ), многие из которых существуют в виде фрагментов размером с глину (т.е. менее 0,004 миллиметры). К ним относятся глинистые минералы , каолинит , иллит и смектит , и хотя их трудно изучать из-за их очень малого размера, они являются чрезвычайно важными компонентами горных пород и особенно почв.

В структуре всех листовых силикатных минералов также есть молекулы воды.

Тетраэдры кремнезема связаны в трехмерные структуры как в полевом шпате , так и в кварце . Это неферромагнезиальных минералов – они не содержат железа и магния. Помимо тетраэдров кремнезема, полевые шпаты включают катионы алюминия, калия, натрия и кальция в различных комбинациях. Кварц содержит только тетраэдры кремнезема.

Три основных минерала полевого шпата – это калиевый полевой шпат , (a.к.а. K-полевой шпат или K-шпат) и два типа полевого шпата плагиоклаза: альбит (только натрий) и анортит (только кальций). Как и в случае с железом и магнием в оливине, существует непрерывный диапазон составов (ряд твердых растворов) между альбитом и анортитом в плагиоклазе. Поскольку ионы кальция и натрия почти идентичны по размеру (1,00 Å против 0,99 Å), могут существовать любые промежуточные составы между CaAl ₂ Si ₃ O ₈ и NaAlSi ₃ O ₈ (Рисунок 2.4.6). Это немного удивительно, потому что, хотя они очень похожи по размеру, ионы кальция и натрия не имеют одинакового заряда (Ca ²⁺ по сравнению с Na ⁺ ). Эта проблема объясняется соответствующей заменой Al ⁺³ на Si ⁺⁴ . Следовательно, альбит – это NaAlSi ₃ O ₈ (1 Al и 3 Si), а анортит – это CaAl ₂ Si ₂ O ₈ (2 Al и 2 Si), а полевые шпаты плагиоклаза промежуточного состава имеют промежуточный состав. пропорции Al и Si.Это называется «связанной заменой».

Полевые шпаты плагиоклаза промежуточного состава включают олигоклаз (от 10% до 30% Ca), андезин (от 30% до 50% Ca), лабрадорит (от 50% до 70% Ca) и битовнит (от 70% до 90% Ca). K-полевой шпат (KAlSi ₃ O ₈ ) имеет немного другую структуру, чем у плагиоклаза, из-за большего размера иона калия (1,37 Å) и из-за этого большого размера калий и натрий не легко заменяют друг друга, за исключением высоких температур.Эти высокотемпературные полевые шпаты, вероятно, можно найти только в вулканических породах, потому что интрузивные магматические породы охлаждаются достаточно медленно до низких температур, чтобы полевые шпаты превратились в одну из низкотемпературных форм.

В кварце (SiO ₂ ) , тетраэдры кремнезема соединены в «идеальный» трехмерный каркас. Каждый тетраэдр связан с четырьмя другими тетраэдрами (с кислородом, общим для каждого угла каждого тетраэдра), и в результате отношение кремния к кислороду составляет 1: 2. Поскольку один катион кремния имеет заряд +4, а два аниона кислорода имеют заряд -2, заряд сбалансирован. Нет необходимости в алюминии или других катионах, таких как натрий или калий. Твердость и отсутствие трещин в кварце являются результатом сильных ковалентных / ионных связей, характерных для тетраэдра кремнезема.

Силикатные минералы классифицируются как ферромагнезиальные или неферромагнезиальные в зависимости от того, содержат ли они в своей формуле железо (Fe) и / или магний (Mg).Ниже перечислены некоторые минералы и их формулы. Для каждого укажите, относится ли он к ферромагнезиальному силикату или .

Минеральное	Формула	Ферромагнезиальный силикат?
оливин	(Mg, Fe) 2 SiO 4	.
пирит	FeS 2	.
плагиоклаз полевой шпат	CaAl 2 Si 2 O 8	.
пироксен	MgSiO 3	.
гематит	Fe 2 O 3	.
ортоклаз полевой шпат	КАЛСИ 3 О 8	.
кварцевый	SiO 2	.
амфибол	Fe 7 Si 8 O 22 (OH) 2	.
мусковит	K 2 Al 4 Si 6 Al 2 O 20 (OH) 4	.
магнетит	Fe 3 O 4	.
биотит	K 2 Fe 4 Al 2 Si 6 Al 4 O 20 (OH) 4	.
доломит	(Ca, Mg) CO 3	.
гранат	Fe 2 Al 2 Si 3 O 12	.
змеевик	Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4	.

Ответы к упражнению 2.5 см. В Приложении 3. * Некоторые формулы, особенно более сложные, были упрощены.

Описание изображений

Рисунок 2.4.2 Описание изображения: Ионные радиусы элементов в ангстремах и их заряды.

Элемент	Ионные радиусы (в ангстремах)	Заряд
Кислород	1,4	-2 (Анион)
Калий	1,37	1 (катион)
Кальций	1,00	2 (катион)
Натрий	0,99	1 (катион)
Магний	0,72	2 (катион)
Утюг	0. 63	2 (катион)
	0,49	3 (катион)
Алюминий	0,39	3 (катион)
Кремний	0,26	4 (катион)
Углерод	0,15	4 (катион)

[Вернуться к рисунку 2.4.2]

Минеральные понедельники: силикаты | Калифорнийская академия наук

От песка под ногами до часов на запястьях мы не можем избежать неоспоримого влияния силикатов.Проще говоря – они везде.

Примерно 90 процентов земной коры состоит из силикатных минералов. (Остальное в основном состоит из оксидных минералов – на следующей неделе их будет больше!) Эти силикаты, все из которых содержат атомы кремния и кислорода, являются основой породообразующих минералов, таких как кварц, полевые шпаты, слюды, оливины, пироксены и т. Д. и амфиболы.

Силикаты имеют отчетливую кристаллическую форму: четыре атома кислорода, связанные с атомом кремния, образуют пирамидальную структуру, называемую тетраэдром. Другие элементы, такие как магний, кальций и алюминий, могут присоединяться к этому тетраэдру. Эти тетраэдры могут образовывать свои собственные сложные структуры, некоторые в виде цепочек, некоторые в виде листов, а некоторые в том, что ученые называют «каркасом».

Некоторые силикаты образуются глубоко под поверхностью Земли. Когда расплавленная магма начинает затвердевать, медленно образуются кристаллы. Другие силикаты могут образовываться в промежутках между камнями. Когда перегретые жидкости протекают через трещины, они захватывают частицы из горных пород вокруг них, которые затем осаждаются в минеральные жилы.Если в полостях, где образуются эти минералы, достаточно места, могут вырасти крупные кристаллы.

В одной конкретной группе силикатов – полевых шпатах – некоторые атомы кремния заменены атомами алюминия. Это привлекает другие элементы, такие как кальций, калий и натрий, которые проникают в кристаллическую структуру. Полевые шпаты особенно распространены в земной коре и являются важной частью круговорота горных пород.

Полевые шпаты примечательны не только их изобилием; они тоже довольно полезны.Полевой шпат – второй по важности ингредиент в производстве керамики (на первом месте глина). Они также используются в производстве промышленных материалов из-за их способности снижать температуру плавления минералов, таких как кварц, что упрощает и удешевляет производство таких вещей, как стекло.

Лабрадорит, разновидность полевого шпата плагиоклаза, который чаще всего встречается в магниево-железных магматических породах, таких как базальт и габбро, издавна восхищался своей красотой. Хотя он получил свое название от региона Лабрадор в Канаде, где он был впервые обнаружен, есть несколько других мест по всему миру, где его можно найти.

Самая яркая особенность лабрадорита – его лабрадоресценция. В то время как обычно серый, полированный лабрадорит может иметь множество различных оттенков: насыщенный синий, яркий желтый и сияющий зеленый цвет. В отличие от радужной оболочки, которая возникает на поверхности объекта, например, крыла бабочки или мыльного пузыря, лабрадоресценция возникает глубоко внутри минерала. Когда световые волны входят в минерал, они преломляются от микроскопических двойниковых плоскостей внутри его структуры; это заставляет свет рассеиваться в разных направлениях, что приводит к появлению радуги, которой известен лабрадорит.

Практически все, что мы делаем, зависит от материалов, из которых изготовлены наши ноги. Посмотрите вокруг, и вы увидите, что мир вокруг нас питается силикатами.

Хотите узнать о кварце? Одержимы оливином? Исследуйте силикатные минералы на предстоящей 30 сентября выставке Академии « драгоценных камней и полезных ископаемых» .

Изображение: Прокофьев / Википедия