Силикаты

При соединении кремнекислородных тетраэдров тремя вершинами образуются плоские слои тетраэдров, у которых свободна только одна вершина. Это слоистый тип структуры. Слои могут по-разному связываться между собой. В структуре слюд два таких слоя, обращенные друг к другу свободными атомами кислорода, соединяются катионами.

В каждом плоском слое кремнекислородных тетраэдров на два атома Si приходится по три атома кислорода, общих для соседних тетраэдров, и два свободных кислорода в вершинах тетраэдров. Таким образом, состав слоя отвечает формуле Si O, а состав двух — [Si O ].

Островной тип структуры. В этом случае кремнекислордные тетраэдры не соединяются друг с другом через вершины, как в других структурах, а изолированы, разобщены и связываются в единую структуру двухвалентными катионами магния и железа, у которых близкий размер радиуса. Поэтому состав минералов с такой структурой можно выразить формулой (Mg, Fe) [SiO ]. Это формула минерала оливина.

Все структуры характеризуются общими свойствами и прежде всего объемностью, непрерывностью по всем трем измерениям пространства. Изолированные кремне- и алюмокислородные тетраэдры их кольца, цепи, ленты, листы и каркасы соединены катионами с относительно большими радиусами в бесконечно большие конструкции. Структура минералов основывается на ионной связи, молекулярные силы отсутствуют.

Изучение структур силикатов позволило совсем недавно правильно установить их химические формулы, отвечающие составу в тех случаях, когда правильная формула нарушилась колебаниями в составе вследствие изоморфных замещений. Однако оно раскрыло, прежде всего, важные связи между кристаллическими структурами и физическими химическими свойствами силикатов. Такие свойства, как твердость, плотность, расщепляемость, термическая устойчивость, незначительная растворимость, определенным образом связаны с внутренним строением силикатов.

Для силикатных минералов как природных, так и искусственных характерны изоморфные замещения (изоморфизм) — взаимное замещение ионов в кристаллической структуре без нарушения ее строения. Состав природных химических соединений меняется не случайно, а закономерно — в зависимости от величины радиусов ионов и координационного числа. Если существует определенная структура, в нее могут войти (путем замещения или внедрения) не любые химические элементы, а лишь те, размер ионов которых будет отвечать данной структуре.

Минералы группы оливина представляют собой непрерывный изоморфный ряд от железистого до магнитного представителя. Такой изоморфизм называется изовалентным. Наиболее распространен другой тип изоморфизма — гетеровалентный, при котором взаимозамещаются ионы различной валентности, но замещение происходит с компенсацией зарядов, т. е. при сохранении электростатического баланса кристаллической решетки. Вывод о том, что этот тип изоморфизма (диагональный) обусловлен близостью размеров (радиусов, объемов) у соседних атомов по диагонали в периодической системе элементов, был сделан Д.И. Менделеевым и развит А.Е. Ферсманом.

При гетеровалентном изоморфизме чаще возникает необходимость зарядовой компенсации. В структуре при этом образуются вакансии. Для компенсации заряда внедряются дополнительные атомы. Изоморфные замещения влияют на дефектность структур минералов, которая, как известно, является одним из существенных факторов, приводящих к изменению физических, химических и тех