Основные типы связи кремнекислородных радикалов: 1 - изолированные тетраэдры 4- с октаэдрами Mg, Fe, Ca; 2 - группы 6- из двух тетраэдов; 3 - шестерные кольца 6- ; 4 - цепочки 2- ; 5 - ленты 6- ; 6 - слои из шестерных колец 4- .

Силикаты природные (от лат. silex - кремень), - класс наиболее распространённых минералов; природные химические соединения с комплексным кремнекислородным радикалом. Силикаты слагают более 75% земной коры (а вместе с кварцем около 87%) и более 95% изверженных горных пород. С. включают более 500 минеральных видов , в том числе важнейшие породообразующие - полевые шпаты , пироксены , амфиболы , слюды и др.

Современная классификация

Структура силикатов

По характеру сочетания кремнекислородных тетраэдров выделяется 5 подклассов силикатов: островные, кольцевые, цепочечные, слоистые, каркасные.
Островные силикаты . Сюда относятся С. с изолированными тетраэдрами -4 - ортосиликаты, связанные посредством расположенных между ними октаэдрических катионов, или с изолированными парами тетраэдров 6- - диортосиликаты, которые возникли в результате соединения двух кремнекислородных тетраэдров.
К ортосиликатам относятся группы оливина (MgFe) 2 , циркона Zr , гранатов , фенакита Be 2 и др. (без воды и добавочных анионов), топаза Al 2 F 2 , андалузита Al 2 O, титанита CaTi O и др. (с добавочными анионами F - , O 2- , OH -); к диортосиликатам - группы бертрандита Be 4 O (OH) и др.; к ортодиортосиликатам относятся группы везувиана Ca 19 Mg 3 Al 10 4 × 10 O 2 (OH) 6 , эпидота Са, Ce, Fe 3+ , Fe 2+ , Al 2 × O× (OH) и др.
Кольцевые силикаты . характеризуются кольцевой структурой, в которой группы 4- не изолированы, а соединяются общими ионами кислорода в кольца. При этом различают кольца двух типов - простые и двойные («двухэтажные»). К первым относятся кольца типа 6- - группа волластонита Ca 3 , типа 8- - группа тарамеллита Ba 2 Fe 2 (OH) 2 , типа 12- - группы берилла Be 3 Al 2 , кордиерита Mg 2 Al 3 и др.; типа 12- - группа мьюкрита Ba 10 CaMnTi 2 × (Cl, OH, O) 12 × 4H 2 O. Ко вторым относятся кольца типа 12- - группа эканита Ca 2 Th , и типа 12- - группа миларита KCa 2 Be 2 AI .
Цепочечные силикаты. Простейшие и наиболее распространённые из них представлены непрерывными цепочками кремнекислородных тетраэдров, соединённых вершинами, типа 2- или сдвоенными цепочками-лентами типа 6- . К ним принадлежат группы пироксенов , амфиболов , рамзаита Na 2 O 3 и др.
Слоистые силикаты характеризуются непрерывными в двух направлениях слоями кремнекислородных тетраэдров, образующими бесконечные двухмерные радикалы, которые в зависимости от пространственного положения кремнекислородных тетраэдров в слое имеют различную формулу; для слоя, состоящего из шестерных колец, характерен радикал типа 4- ; при этом в шестерном кольце тетраэдров слоя каждый из шести атомов кремния принадлежит трём таким кольцам, т. е. по два кремния на каждое кольцо. К этому подклассу относятся слюды группы мусковита и биотита K (Mg, Fe 2- 3)× (OH, F) 2 , группы пирофиллита Al 2 (OH) 2 и талька Mg 3 × (OH) 2 , каолинита Al 4 (OH) 8 и серпентина Mg 6 (OH) 8 , галлуазита Al 4 (H 2 O) 4 (OH) 8 , хлоритов ; к слоистым относится гадолинит FeY 2 × ; к титаносиликатам - астрофиллит (К, Na) 3 (Mn, Fe) 7 2 × 3H 2 O и др.
Каркасные силикаты . характеризуются трёхмерным бесконечным каркасом кремнекислородных тетраэдров типа 4- , соединённых всеми четырьмя вершинами друг с другом так, что каждый атом кислорода одновременно принадлежит только двум таким тетраэдрам; общая формула m- . К ним относятся минералы группы полевых шпатов Na - K - Ca , нефелина KNa 3 , петалита Li , данбурита Ca 3 Cl, гельвина Mn 4 3 S (см. Содалита группа ) и др.

В структурах С. установлено значительное число различных типов цепочек, лент, сеток и каркасов из тетраэдров.

Катионы , входящие в состав С., разделяются прежде всего на 2 группы: малые катионы - Mg 2+ , Al 3+ , Fe 2+ , Mn 2+ и др., частично Ca 2+ , имеющие обычно октаэдрическую координацию (содержащие их соединения составляют первую главу кристаллохимии С., по Н. В. Белову, 1961), и крупные катионы - К + , Na + , Ca 2+ , Ba 2+ , Sr 2+ , редкоземельных элементов , образующие соответственно более крупные координационные полиэдры: 8-, 9-, 12-вершинники, ребра которых соизмеримы уже с размерами не одиночных 4- тетраэдров, а групп 6- (с этими соединениями связана вторая глава кристаллохимии С.).

Для С. характерен изоморфизм , проявляющийся особенно широко среди катионов; вследствие этого в С. распространены ряды твёрдых растворов (непрерывные или со значительными пределами замещений), а также изоморфные примеси . Поэтому даже развёрнутые формулы С., учитывающие основные изоморфные замещения, всё же являются неполными вследствие большой сложности состава реальных С. Распределение изоморфных катионов в структуре С. зависит от температуры и устанавливается рентгенографически или по мёссбауэровским и инфракрасным спектрам. Это свойство позволяет использовать С. в качестве геотермометра.

В составе С. отмечается разнообразие форм вхождения в их структуру водорода - в виде гидроксильных групп , кристаллизационной и цеолитной воды, межслоевой адсорбированной воды и др., изучаемых с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР), термического анализа, инфракрасной спектроскопии. Во всех подклассах С. выделяются группы с добавочными анионами (O 2- , F - , CI - , OH - , S 2-) и радикалами (SO 4 2- , CO 3 2- и др.).

Дальнейшие усложнения в строении С. связаны с явлениями упорядочения (особенно Al - Si в алюмосиликатах и Mg - Fe в оливинах, пироксенах, амфиболах), политипии и смешаннослойных прорастаний (в слоистых С.), полиморфных превращений (например, андалузит - дистен - силлиманит), распада твёрдых растворов, образования электронно-дырочных центров (см. Дефекты в кристаллах ).

Большинство С. в связи с их сложным строением имеет низкую симметрию : около 45% кристаллизуется в моноклинной, 20% имеют ромбическую симметрию, 9% - триклинную, 7% - тетрагональную, 10% - тригональную и гексагональную и 9% - кубическую.

Весьма характерно двойникование (двойники роста, механических и фазовых превращений).

Общие свойства

Свойства силикатов определяются прежде всего типом кремнекислородного тетраэдра: спайность (несовершенная в островных и кольцевых С., совершенная и зависящая от ориентировки кремнекислородных группировок в цепочечных, слоистых, каркасных С.); твёрдость обычно 5,5-7, кроме слоистых С., в которых она понижается до 2-1; плотность около 2500-3500 кг/м 3 . Цвет большинства С. определяется ионами железа (Fe 2+ - зелёный, Fe 3+ - бурый, красный, жёлтый, Fe 2+ и Fe 3+ - синий и др.), в отдельных группах - ионами Ti 3+ , V 4+ , Cr 3+ , Mn 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ и их сочетаниями с ионами железа и др.; в некоторых минералах - электронно-дырочными центрами. В ряде случаев окраска связана с микровключениями окрашенных минералов.

Большое значение для точной диагностики С. имеют их оптические свойства - преломление, оптическая ориентировка и др., измеряемые с помощью столика Федорова , иммерсионного метода и др.
) с учётом данных детально изученных диаграмм состояний силикатных систем. При выветривании происходит разрушение большинства С. с образованием осадочных горных пород, с выщелачиванием основных соединений, освобождением кремнезёма , возникновением за счёт алюмосиликатов водных силикатов алюминия, образованием глинистых минералов, нонтронита, гарниерита и др., а также окислов железа, карбонатов и др.
Силикаты (плагиоклазы, оливин, пироксены и др.) являются также главными минералами лунных пород, входят в состав метеоритов . Полагают, что оливин и плотная модификация шпинели составляют почти полностью мантию Земли.
Применение С. определяется тем, что многие из них являются важнейшими среди полезных ископаемых. Существенное значение имеют силикатные минералы, составляющие литиевые, бериллиевые руды, руды рассеянных элементов, силикатные никелевые руды. Месторождения нефелина поставляют комплексное сырьё для получения алюминия, поташа, соды. Большую долю составляют С. в нерудных полезных ископаемых (полевые шпаты, слюды, асбест, тальк, цеолиты, гранаты, бентонитовые и огнеупорные глины), в драгоценных и поделочных камнях (изумруд, аквамарин, топаз, хризолит, турмалин и др.).
Исследование С. как главнейших минералов Земли и Луны , содержащих многие ценные элементы в качестве основных компонентов или примесей, составляет важное направление современной минералогии, тесно связанное с геохимией, литологией, геофизикой и исследованием вещественного состава месторождений полезных ископаемых.

Литература

• Белов Н. В., Кристаллохимия силикатов с крупными катионами, М., 1961
• Дир У.А., Хауи Р.А., 3усман Дж. Породообразующие минералы (пер. с англ.), т. 1-4, М., 1965, с.66
• Минералы. Справочник, т. 3, в. 1, М., 1972
• Поваренных А. С. Кристаллохимическая классификация минеральных видов. К., 1966
• Пущаровский Д.Ю. Структурная минералогия силикатов и их синтетических аналогов. М., 1986
• Смолеговский А.М. Развитие представлений о структуре силикатов. М., 1979
• Соболев B. С. Введение в минералогию силикатов, Львов, 1949
• Коржинский Д. С. Теоретические основы анализа парагенезисов минералов. М., 1973
• Марфунин А. С. Введение в физику минералов. М., 1974
• Эйтель В. Физическая химия силикатов, (пер. с англ.), М., 1962

Класс силикатов и их аналогов является самым большим по числу минеральных видов – к нему относится 30% от их общего числа. В целом силикаты и алюмосиликаты слагают около 75 объёма (%) земной коры, при этом наиболее распространены полевые шпаты – на их долю приходится около 40-45 объёма (%) литосферы. За ними по распространенности следуют слюды, пироксены, амфибиолы и гранаты. В соответствии с распространенностью химических элементов главными катионами в силикатах и их аналогах являются K, Na, Ca, Mg, Fe. Значительна также роль алюминия, который, как показали рентгеноструктурные исследования, может выступать как в качестве катиона, так и входить в анионный радикал минералов.

Выявлены следующие черты строения силикатов и их аналогов.

1. Во всех силикатах атомы кремния имеют по отношению к кислороду четверную координацию, они образуют вместе с кислородом, как в кварце, кремнекислородные тетраэдры (SiO 4) 4- (cм. рис. 1). Связи кремния с кислородом смешанные ионно-ковалентные, с разной степенью ионности в минералах разной структуры и с разными катионами.

2. Кремнекислородные тетраэдры могут быть одиночными, и тогда они соединяются в общей структуре минерала через катионы, но могут и полимеризоваться, образуя различные анионные группировки.

3. Алюминий в силикатах может быть катионом, занимая позиции в октаэдрических пустотах между кислородом, и может входить в тетраэдры (AlO 4) 5- , занимая в структуре минералов позиции, адекватные с кремнием. Например, в каолините Al2(Si2O5)(OH)4 алюминий является катионом и имеет координационное число шесть, а в микроклине K(AlSi3O8) он входит в анионный радикал минерала. Есть минералы, в которых алюминий представлен и как катион и входит в анионный радикал, например в слюде мусковите KAl2(AlSi3O10)(OH)2.Размер тетраэдров (AlO 4) 5- и его конфигурация иные, чем у групп (SiO 4) 4- , характер химических связей также отличен. Поэтому имеется предел замещения Si 4+ Al 3+

Установлено, что в силикатах может замещаться алюминием не более половины кремния в тетраэдрах. Значит, предельны по составу алюмосиликаты типа анортита Ca(Al2Si2O8), нефелина Na(AlSiO4) и т. п.

4. Помимо кремнекислородных анионных радикалов во многих силикатах и алюмосиликатах есть дополнительные анионы - OH - , (CO 3) 2- ,(SO 4) 2- ,(S 2) 2- , (BO 3) 3- , (P 2 O 7) 4- и др.

Рис. 1. Тетраэдр (SiO 4) в двух изображениях

Классификация силикатов и их аналогов производится по их структурам. Так выделяют шесть подклассов: островные, кольцевые, цепочечные, ленточные, слоистые, каркасные.

Островные силикаты

Среди силикатов это наиболее многочисленный подкласс минералов. Его характерными представителями являются оливин (Mg, Fe)2(SiO 4), альмандин Fe 3 Al 2 (SiO 4) 3 , гроссуляр Ca 3 Al 2 (SiO 4) 3 , топаз Al 2 (SiO 4)F 2 , эпидот Ca 2 (Al,Fe)(SiO 4)(Si 2 O 7)O(OH). Силикаты это подкласса имеют разнообразный состав – это минералы магния, железа, кальция, марганца, титана, алюминия, редких земель, тория, циркония, ниобия и др., ни в одном другом подклассе нет такого разнообразия катионов. К этому подклассу относятся также совсем особые по составу и структуре минералы, очень редкие в природе – это силикофосфаты, в них имеются дополнительные радикалы (P 2 O 7) 4- и (PO 4) 3- (например, ломоносовит с приблизительной формулой Na 5 Ti 2 (Si 2 O 7)(PO 4)O 2 и силикокарбонаты (сперрит Ca 5 (SiO 4) 2 (CO 3) и др.)).

Кристаллохимическое своеобразие минералов подкласса островных силикатов определяется сочетанием двух факторов: а) присутствием в них орто- и диортогрупп - (SiO 4) 4- и (Si 2 O 7) 6- , б) большой ролью в их составе катионов октаэдрической координации с радиусом от 0,060 до 0,080 нм (Ti 4+ -0,064; Fe 3+ -0,067; Nb 5+ -0,069; Mg 2+ -0,078; Fe 2+ -0,082 нм, по В. Гольдшмидту), главными из них являются магний и железо. Благодаря такому сочетанию типичных для плотнейшей упаковки её тетраэдрических и октоэдрических полиэдров, структуры островных силикатов наиболее компактны и прочны среди силикатов других подклассов. Кроме перечисленных катионов большую роль, но не во всех, а в некоторых островных силикатах играют относительно крупные катионы восьмерной (и более) координации – Ca 2+ (0,016 нм), Na + (0,098 нм), Ce 3+ (0,018 нм). Их координационные полиэдры несоразмерны с октаэдрами и тетраэдрами. Структура таких минералов, за малым исключением (гроссуляр), менее компактна.

Характерная особенность алюминия в островных силикатах заключается в том, что он всегда занимает октаэдрические позиции и является в этих силикатах катионом. Разнообразие катионов, их разные радиусы и свойства приводят к усложнению кристаллических структур островных силикатов и часто к вхождению в них дополнительных анионов F - и (OH) - . Особенно характерны такие анионы для силикатов, содержащих одновременно группы (SiO 4) 4- и (Si 2 O 7) 6- и резко различающиеся по металлическим свойствам катионы: Ca 2+ и Ti 4+ (титанит), Ca 2+ и Al 3+ (эпидот), K + , Na + и Ti 4+ (лампрофиллит). Дополнительные анионы характерны также для силикатов, в состав которых входят только группы (SiO 4) и алюминий в качестве катиона, - топаз Al 2 (SiO 4)F 2 , кианита Al 2 (SiO 4)O и др.

Островные силикаты образуются даже в стесненных условиях роста в виде хороших кристаллов. Это объясняется их большой силой кристаллизации, что обусловлено относительной компактностью и простотой структур этих силикатов, многозарядностью анионных комплексов и значительной силой связей катионов, входящих в их состав. Островные силикаты обладают высокой степенью идиоморфизма (совершенства) кристаллов. Окраска островных силикатов обычно обусловлена присутствием в их составе в качестве главных и примесных компонентов элементов-хромофоров (Fe, Mn, Ti и Cr). Атомы двух- и трёхвалентного железа вызывают при разных своих соотношениях зелёные (гроссуляр, эпидот), коричневые (андрадит, ставролит, титанит) цвета. Лишь в редких случаях встречаются бесцветные, белые островные силикаты – это химически чистые гроссуляр, форстерит, топаз каламин. Компактность структуры и наличие в минералах небольших, но высокозарядных катионов проявляются в высокой плотности и твёрдости (от 6 до 8) этих минералов. Из-за большой твердости эти минералы черты не дают (они процарапывают бисквитную пластинку), даже у густо окрашенных минералов она чуть заметна.

Кольцевые силикаты

Подкласс островных силикатов объединяет сравнительно небольшое число редких в природе минералов. Среди них только два минерала – турмалин и берилл – играют в некоторых случаях роль второстепенных, а иногда и даже главных минералов ряда минеральных месторождений. Главными структурными элементами кольцевых силикатов являются одно- или двухъярусные тройные, четверные, шестерные, девятерные кольца тетраэдров. Турмалин и берилл характеризуются шестерными одноярусными кольцами, но разной конфигурации. В турмалине все тетраэдры в кольце лежат своими основаниями в одной плоскости, вершины обращены в одну сторону, сечение кольца не просто шестиугольное, а дитригональное. В структуре минерала кольца ориентированы одинаково – вершинами тетраэдров вверх, структура получается резко асимметричной по строению и свойствам, а кристалл турмалина имеет дитригональное сечение и не одинаковые концы. Они растут с неодинаковой скоростью, по-разному адсорбируют вещества, в том числе пигментирующие изоморфные примеси, и потому разные концы кристалла нередко различны по цвету; из-за асимметрии структуры в турмалине хорошо проявлен пироэлектрический эффект. В бериллах кольцо гексагональное с горизонтальной плоскостью симметрии, оба конца кристаллов берилла одинаковые по огранке и своим свойствам. В целом структуры кольцевых силикатов сложные и не плотные. Сингония минералов определяется геометрией их колец. Преобладают тригональные и гексагональные минералы.

Таблица 5. Главные минералы – кольцевые силикаты.

Цепочечные и ленточные силикаты

К подклассам цепочечных и ленточных силикатов относятся в первую очередь главные породообразующие минералы – пироксены (диопсид, геденбергит, эгирин и др.) и амфибиолы (актинолит, роговая обманка и др.), а также ряд менее распространенных минералов. Имеется много черт подобия пироксенов и амфибиолов по структуре и составу, по морфологии их кристаллов и физическим свойствам, но есть и существенные различия, опять же вытекающие из особенностей структуры и состава.

Пироксены и амфибиолы имеют сходный, довольно простой химический состав. Чаще всего силикаты магния либо двойные соли магния и кальция, во многих минералах кроме них обязательно присутствует натрий. Итак, в основном три элемента – магний, кальций и натрий – в разных сочетаниях. В качестве постоянной изоморфной примеси в позициях магния размещается железо, иногда полностью вытесняя магний. В некоторых случаях, обычно в ассоциации с натрием, в пироксены и амфибиолы входит алюминий, занимая или позиции магния, или внедряясь в радикал в позиции кремния. Наконец, есть редкие литиевые пироксены и амфибиолы.

Главным различием состава пироксенов и амфибиолов является обязательное вхождение в последние конституционной воды в форме дополнительных анионов (OH) - .

В структуре пироксенов имеются одинарные цепочки (Si 2 O 6) 4- ,в амфибиолах - ленты (Si 4 O 11) 6- с группами (OH) - в центре каждого кольца этой ленты.

Главнейшие пироксены и их формулы приведены в табл. 6. Однако в природе нет химически чистых пироксенов и амфибиолов, состав которых точно отвечал бы приведенным в этой таблице формулам. Он всегда более сложен за счет явлений изоморфизма.

Таблица 6. Главные пироксены и амфибиолы

Слоистые (листовые) силикаты. К подклассу слоистых (листовых) силикатов и алюмосиликатов относятся известные всем вещества – тальк, слюды, глинистые минералы и др. Многие из них являются породообразующими минералами или используются в промышленности.

Различают листовые силикаты (алюмосиликаты) с простыми и сложными сетками тетраэдров. Последние являются менее распространенными минералами.

Остовом структуры слоистых силикатов являются сетки кремнекислородных тетраэдров. Они располагаются параллельно друг другу и чередуются с плоскими сетками другого состава, образуя пакеты слоёв. Все слоистые силикаты и алюмосиликаты имеют свои структурные разновидности за счет разного смещения (сдвига) и разворота пакетов друг относительно друга, что легко осуществляется в природе из-за малых сил связей между пакетами. В итоге получаются минералы разных сингоний – моноклинной (чаще всего), гексагональной, ромбической, тригональной, триклинной. Такие структурные разновидности слоистых силикатов называют политипами. Некоторые из них устойчивые только при определённых давлениях и температурах и образуются только в определённой химической обстановке. Политипия, как видно, является частным случаем полиморфизма.

Главные группы слоистых силикатов и алюмосиликатов представлены в табл. 7.

Таблица 7. Главные минералы – слоистые силикаты и алюмосиликаты.

Требует пояснения монтмориллонит: некоторые минераллы группы монтмориллонита являются силикатами, другие – алюмосиликатами.

Каркасные алюмосиликаты. Многие из силикатов этого подкласса относятся к числу породообразующих и наиболее распространенных в природе минералов. В первую очередь это полевые шпаты – главные составные части гранитов, габбро, гнейсов и других горных пород. К этому же подклассу минералов относятся нефилин (основной минерал некоторых щелочных горных пород), лейцит (обычная минеральная фаза в базальтоидах). Среди них есть и ценное нерудное сырье (микроклин, цеолиты), и минералы-руды некоторых минералов – нефелин (руда на алюминий), поллуцит (руда на цезий).

В состав каркасных алюмосиликатов большей частью входят катионы калия, натрия, кальция. "Рыхлость" каркасной структуры допускает частое вхождение в них дополнительных анионов (Cl - ,CO 3 2- ,SO 4 2- и т. д.) и конституционной воды в виде молекул H 2 O.

Структуры каркасных алюмосиликатов сложные и многообразные: имеется много разных вариантов сочленения тетраэдров в трехмерном пространстве. В полевом шпате тетраэдры группируются по восемь и четыре – эти группы, соединяясь, образуют каркас с тремя типами "полостей" диаметром 0,15-0,28 нм, в некоторых из них располагаются катионы. В нефелине все полости одиноковые и совсем другой конфигурации, они тоже заняты катионами. Каркасные алюмосиликаты с большими "полостями" (цеолиты, скаполиты, канкринит и др.) нередко содержат в себе целые группы и комплексы ионов и молекул, иногда свободно обменивающихся с окружающий кристалл средой.

Состав каркаса разный, с соотношением Al: Si, равным то 1: 1(как в нефелине и др.), то 1: 3 (как в канкрините и др.). Есть минералы, например полевые шпаты ряда альбит – анортит (см. рис. 2), минералы ряда скаполита с меняющимся соотношением количеств алюминия и кремния. Главнейшие каркасные алюмосиликаты приведены в табл. 8.

Таблица 8. Главные минералы - каркасные алюмосиликаты

Минералы этого класса насчитывают около 800 минеральных видов, т. е. более 33% всех известных в природе минералов, и составляют 75% от массы земной коры. Большинство силикатов имеет эндогенное происхождение. Для силикатов характерно явление изоморфизма - замена атомов и групп атомов на другие атомы и группы атомов. Эти атомы пишутся в формулах через запятую. Многие силикаты являются важнейшими породообразующими минералами и полезными ископаемыми.

Классификация силикатов даётся по кристаллохимическим признакам, точнее по структурным мотивам пространственной решётки. Основной структурной единицей всех силикатов является кремнекислородный тетраэдр 4- . Он состоит из четырёх больших ионов кислорода (ионный радиус 1,36Å), расположенных по вершинам тетраэдра и одного иона кремния в центре. Тетраэдр имеет четыре свободных валентных связи, которые связывают его с другими элементами через вершину в кристаллическую решётку.

Кремнекислородные тетраэдры в кристаллических решётках силикатов могут находиться либо в виде изолированных друг от друга структурных единиц 4- , либо сочленяться друг с другом разными способами, образуя сложные комплексные анионные радикалы.

Сочленение происходит через вершины тетраэдров. Когда кремнекислородные тетраэдры изолированы друг от друга и удерживаются в решётке с помощью катионов других металлов, возникают островные силикаты (оливин имеет островной тип кристаллической структуры).

Дальнейшее усложнение строения силикатов получается путём сдвоения кремнекислородных тетраэдров или путём сцепления их в более сложные комплексы. Возникают кольцевые (берилл – кольцевой мотив) и цепочные (авгит – цепочный мотив) силикаты.

Последующее усложнение цепочного типа путём присоединения цепочек приводит к образованию бесконечных лент – ленточных силикатов (амфиболы). Присоединение лент в одном слое даёт слоистые силикаты (тальк, слюда - слоистый мотив). Пространственное сцепление через все четыре вершины создаёт каркас с группами 4- . Возникают каркасные силикаты (ортоклаз – каркасный мотив).

7.1 Островные силикаты (радикал 4-)

Островными эти силикаты называются потому, что ион кремния находится в центре, «на острове», окруженный четырьмя кислородами, а четыре свободных валентности замещаются различными катионами металлов Са, Mg, К, Na, А1 и другими. Однако они могут иметь и другие радикалы, когда объединяются между собой через кислород несколько тетраэдров. Островные силикаты: оливин (Mg,Fe) 2 SiO 4 , дистен Al 2 O, топаз Al 2 (OН,F) 2 , гранаты – большая группа изоморфных минералов с формулой A 3 B 2 3 , где A=Mg 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Ca 2+ ; B=Al 3+ , Fe 3+ , Cr 3+ , Mn 3+ . Наиболее распространённые разновидности: альмандрин Fe 3 Al 2 3 , пироп Mg 3 Al 2 3 , спессартин Mn 3 Al 2 3 , глоссуляр Ca 3 Al 2 3 , андрадит Ca 3 Fe 2 3 , уваровит Ca 3 Cr 2 3 , эпидот Ca 2 (Al,Fe) 3 (OH)O .

Оливин (Mg, Fe) 2 . Название происходит от оливково-зеленого цвета минерала. Синоним - перидот. Встречается в виде зернистых масс и в виде отдельных кристаллов, включенных в породу. Является самым распространенным островным силикатом. Цвет может изменяться в зависимости от состава от светло-желтого до темно-зеленого и черного; блеск стеклянный или жирный; твердость 6,5…7, хрупок; плотность 3,3…3,6. Происхождение эндогенное. В зоне окисления неустойчив и разлагается с образованием различных минералов: серпентина, асбеста, талька, окислов железа, гидрослюд, магнезита и др. Оливин является одним из главных минералов ультраосновных магматических горных пород (дуниты, перидотиты). Встречается также в основных магматических породах (габбро, диабазах и базальтах). Маложелезистые оливиновые породы используются как огнеупорное сырье.

Гранаты. Название происходит от латинского слова «гранум» - зерно, а также по сходству с зернышками плода граната. Под этим названием объединено значительное количество минералов, представляющих собой изоморфные смеси. Происхождение гранатов в основном метаморфическое, а также эндогенное. При выветривании гранаты, как химически стойкие минералы, переходят в россыпи. Особенно характерны гранаты для метаморфических пород - кристаллических сланцев и гнейсов. Встречаются в гранитах и в пегматитовых жилах. Применяется как абразивный (истирающий) материал. Прозрачные кристаллы используются в ювелирном деле как полудрагоценные камни. Наиболее распространенными гранатами являются альмандин и гроссуляр. Блеск гранатов на изломе жирный, на гранях кристаллов стеклянный; спайность отсутствует; излом неровный, раковистый; твёрдость 6,5…7,5; плотность 3,5…4,2. Химически устойчивы.

Альмандин Fе 3 А1 2 3 . Название произошло от искаженного названия места его гранения - Алабанда. Обычно встречается в хорошо выраженных кристаллах, образует также оплошные зернистые массы. Цвет красный, коричневый, фиолетовый, чёрный;

Гроссуляр Са 3 А1 2 3 . Гроссуляр - ботаническое название крыжовника, так как кристаллы формой и цветом (медово-жёлтый, светло-зеленый и зеленовато-бурый) напоминают ягоду крыжовника.

Топаз Al 2 (OH,F) 2 . Название минерала происходит от названия острова Топазос в Красном море. Кристаллы призматические, различной величины, встречаются микрозернистые массы. Цвет желтый, дымчатый, голубой, розовый, часто бесцветен; блеск стеклянный; прозрачный; твердость 8; спайность совершенная (в отличие от кварца, не имеющего спайности). Происхождение эндогенное. Породообразующего значения не имеет. Используется как полудрагоценный камень.

Сфен (титанит) CaTi О. По-гречески «сфен» - клин, так как кристаллы имеют клинообразную форму. Цвет коричневый, бурый, золотистый; блеск алмазный; твердость 5,5. Происхождение эндогенное и метаморфическое. Породообразующего значения не имеет. Используется как руда на титан.

7.2 Цепочечные силикаты (радикал 4-)

Эти минералы называются пироксенами и составляют важную группу породообразующих минералов. Цепочечные силикаты – авгит Ca(Mg,Fe,Al)[(Si,Al) 2 O 6 ], родонит (орлец) (Mn,Ca) - широко распространённая группа минералов моноклинной и ромбической сингонии, среди которых очень развит изоморфизм.

Авгит Ca (Mg, Fe, А1) [(Si, Al) 2 O 6 ]. Название происходит от греческого слова «авге» - блеск. Образует бочкообразные призматические кристаллы, вросшие в породу, таблитчатые агрегаты, сплошные зернистые массы. Цвет черный, зеленовато и буровато-черный; черта серая или серовато-зеленая; блеск стеклянный; твердость 5…6,5; плотность 3,1…3,6; спайность средняя по двум направления, пересекающимся под углом 88 о. Происхождение эндогенное. Является важным породообразующим минералом для основных и ультраосновных магматических горных пород. В зоне выветривания неустойчив. Продуктами разложения являются тальк, каолин, лимонит.

7.3 Ленточные силикаты (радикал 6-)

Ленточные силикаты называются амфиболами. К ним относится большая группа породообразующих минералов. Состав и строение их еще более сложное, чем у пироксенов. Важнейшими из них являются роговая обманка, тремолит, актинолит. Вместе с цепочечными силикатами (пироксенами) они составляют 15% от массы земной коры.

Роговая обманка Са 2 Na(Mg, Fe 2+) 4 ,(Al, Fe 3+) [(Si, А1) 4 O 11 ] 2 [ОН] 2 . Кристаллы призматические, удлиненные; иногда агрегаты волокнистого или игольчатого строения. Цвет зеленый разных оттенков, от буро-зеленого до черного; черта белая с зеленоватым оттенком; блеск стеклянный; твердость 5,5…6; плотность 3,1…3,3; спайность наблюдается по двум направлениям под углом 124 о. Происхождение эндогенное и метаморфическое. Входит в большинство магматических горных пород и во многие метаморфические (сланцы, гнейсы, амфиболиты). В зоне выветривания неустойчива. Разлагается, превращаясь в карбонаты, лимонит, опал.

7.4 Листовые (слоевые) силикаты (радикал 4-)

Минералы этой группы широко распространены и имеют большое значение в почвообразовании. Их кристаллическое строение обуславливает и их основные физические свойства: низкую твердость (от 1 до 3), способность легко расщепляться на тончайшие листочки, чешуйки, рыхлость, землистость строения. В состав листовых силикатов входят Si, O, Mg, Al, K, Na, а также вода в виде группы (ОН). В зависимости от химического состава, происхождения и строения они делятся на группы: тальк-серпентин, слюды, гидрослюды и глинные минералы.

Тальк-серпентин, тальк (жировик) Mg 3 (ОН) 2 . Название происходит от арабского слова «тальг» - жировик. Чаще всего образует сплошные плотные массы. Цвет зеленый, белый, желтоватый, голубоватый; твердость 1; плотность 2,6; блеск жирный, на плоскостях спайности перламутровый; цвет черты – белый; жирный на ощупь; спайность весьма совершенная в одном направлении. Происхождение метаморфическое. Применяется в куске как огнеупорный материал, а в молотом виде используется в бумажной, текстильной, резиновой, кожевенной и других отраслях промышленности.

Серпентин (змеевик) Mg 6 (ОН) 8 . Часть магния может быть замещена железом. Серпенс» в переводе с латинского – змея. Название «змеевик» дано по цвету, «Встречается в плотных скрытокристаллических агрегатах. Цвет желто-зеленый, темно-зеленый до буро-черного с желтыми пятнами, напоминающий цвет змеиной кожи. Блеск жирный, шелковистый, восковой; твердость 3…4; плотность 2,5…2,7; излом раковистый в сплошных массах и занозистый в волокнистых разновидностях. Очень вязкий, огнестоек. Горная порода, состоящая из серпентина, называется серпентинит. Происхождение метаморфическое. Образуется из оливина в результате воздействия гидротермальных растворов на ультраосновные и карбонатные горные породы (процесс серпентинизации). В зоне выветривания серпентин неустойчив, разлагается с образованием карбонатов и опала. Серпентизированные дуниты (оливиновые породы) используются для изготовления огнеупорного кирпича. Массивные серпентины употребляются как поделочный и облицовочный камень. Выветрелые рыхлые серпентины используются как агрономическая руда (магнезиальное удобрение).

Асбесты. Тонковолокнистый серпентин с шелковистым блеском называется асбестом (горный лен). «Асбест» по-гречески - негорючий. Встречается в виде прожилков, в которых волокна асбеста ориентированы строго перпендикулярно стенкам. Цвет желтовато-зелёный; блеск шелковистый; твёрдость 2…3. Огнестойкий, плохо проводит тепло, звук, электричество. Происхождение гидротермально-метаморфическое. Используется для изготовления теплоизоляционных материалов, тканей, шифера, фильтров.

7.5 Каркасные силикаты (радикал m -)

Каркасные силикаты являются алюмосиликатами, так как алюминий входит в радикал. Исключение составляет кварц, который по химическому составу относится к окислам, а по кристаллическому строению - к каркасным силикатам. Каркасные силикаты являются самыми распространенными минералами в земной коре, составляя 50% от ее массы. Отличительной особенностью этих минералов является высокая твердость (6…6,5), спайность в двух направлениях под прямым углом и близким к нему и стеклянный блеск. Среди каркасных силикатов выделяют две группы: 1)полевые шпаты; 2) фельдшпатиды, которые по химическому составу представляют собой калиево-натриевые полевые шпаты, обедненные кремнекислотой.

Полевые шпаты - самая распространённая группа минералов в земной коре, составляет около 55% от её массы (по А.Г. Бетехтину). В магматических горных породах их содержится около 60%, в метаморфических - 30%, остальные в осадочных. По химическому составу их разделяют на калиевые полевые шпаты (ортоклаз K и микроклин К) и натриево-кальциевые – плагиоклазы. Выделяют подкласс минералов, которые называют заместителями полевых шпатов, так как они сходны с ними по химическому составу, но обеднены кремнекислотой (фельдшпатиды – нефелин Na и лейцит K), а также подкласс цеолитов – алюмосиликаты кальция и натрия, реже калия и бария. Они содержат цеолитную воду, выделяемую без разрушения кристаллической решётки.

Плотная упаковка ионов в кристаллической решётке каркасового типа препятствует механическому раздроблению минералов, вследствие чего благодаря устойчивости кристаллов полевые шпаты в виде зёрен часто встречаются в россыпях и почвах.

Ортоклаз К. «Ортоклаз» по-гречески - прямоколющийся, так как имеет две плоскости спайности под прямым углом. Форма кристаллов призматическая, таблитчатая. Цвет розовый, красный, кремовый, голубовато-серый, белый; черта белая; блеск стеклянный, полупрозрачный; твердость 6…6,5; плотность 2,6; спайность совершенная по двум направлениям под углом 90 о. Происхождение эндогенное. При выветривании подвергается процессу каолинизации. Важный породообразующий минерал гранитов, сиенитов и других магматических пород. Входит в состав метаморфических пород – гнейсов и осадочных пород (аркозовые пески и песчаники).

Микроклин K. «Микроклин» в переводе с греческого - незначительно отклоненный, так как угол между плоскостями спайности отличается от прямого на 20 о. Твердость 6…6,5; плотность 2,5…2,6. Окраска как у ортоклаза, но иногда появляется зелёная (амазонский камень). По физическим свойствам неотличим от ортоклаза. Ортоклаз и микроклин, главным образом из пегматитовых жил, служат сырьем для керамической и стекольной промышленности.

Плагиоклазы составляют до 50% от массы всей земной коры. Их кристаллохимическая структура представляют собой изоморфные смеси натриевой – альбит Na и кальциевой – анортит Ca молекул, образующие соединения в любой пропорции этих компонентов, и обозначаются символами Ab, An. Например, олигоклаз имеет символ Ab 80 An 20 , что указывает на содержание в этом минерале 80 % альбита и 20 % анортита.

Плагиоклазы обозначаются номерами (по Е.С. Фёдорову), характеризующими весовое содержание в

них кальциевого компонента – анортита (Ан). Чистый анортит по этой номенклатуре называют плагиоклазом №100, чистый альбит (Аб) – плагиоклазом №0. По относительному содержанию альбита и анортита условно выделяют следующие разновидности плагиоклазов (табл. 6).

Плагиоклазы, богатые кремнезёмом (SiO 2 – 68%), имеют номера 0…30 (альбит, олигоклаз) и называются кислыми; под номерами 30…60 – средними (SiO 2 – 53…43%), 60…100 – основными (SiO 2 – 43%).

Таблица 6 - Разновидности плагиоклазов

Плагиоклазы наиболее распространены в кислых магматических породах и широко встречаются в почвах. В общем составе земной коры их около 40%. Кислые плагиоклазы являются основой гранитного слоя континентальной коры, а основные входят в состав пород базальтово-габброидного слоя астеносферы.

Самыми распространенными являются кислые плагиоклазы. Цвет плагиоклазов белый, зеленоватый, серый до чёрного, иногда с различными оттенками; блеск стеклянный; спайность совершенная; твердость 6…6,5. По внешним признакам удается распознать альбит, лабрадор и олигоклаз, а остальные - с помощью химического анализа и микроскопически. Плагиоклазы являются наиболее распространенными минералами магматических горных пород (от кислых до основных) и широко встречаются в почвах. Происхождение эндогенное и метаморфическое.

Альбит Nа[А1Si 3 O 8 ] (натриевый плагиоклаз). Название происходит от латинского слова «альбус», что означает белый. Образует пластинчатые, листоватые агрегаты и сахаровидные зернистые массы. Цвет белый, буровато-жёлтый; твёрдость 6; плотность 2,6; блеск стеклянный; излом неровный; спайность совершенная по двум направлениям под косым углом. Разновидности альбита – лунный камень (кислый плагиоклаз с нежно-синеватым отливом), авантюрин, или солнечный камень (кристалл с искристо-золотистым отливом). Происхождение магматическое, метаморфическое. Встречается в гранитах, кварцевых порфирах, пегматитах. Используется как облицовочный и поделочный камень.

Анортит Са[Аl 2 Si 2 O 8 ] (кациевый плагиоклаз). «Анортос» - по-гречески - косой, т.е. кристаллизация в триклинной сингонии. Цвет белый, сероватый, красноватый; твёрдость 6…6,5; плотность 2,7…2,76; блеск стеклянный; спайность совершенная в двух направлениях; черта бесцветная. Микроскопически анортит сходен с альбитом и отличается в шлифах под микроскопом. Породообразующий минерал основных пород (габбро).

Лабрадор (кальциево-натриевый плпгиоклаз). Назван по полуострову Лабрадор в Северной Америке, где встречаются породы, почти целиком состоящие из лабрадора - лабрадориты. В породах образует мелкие и крупные таблитчатые кристаллы. Цвет серый различных оттенков до зеленовато-чёрного, с характерной иризацией (характерны синие отливы на плоскостях спайности); твёрдость 6; плотность 2,7; блеск стеклянный, перламутровый; спайность совершенная в двух направлениях. Является породообразующим минералом основных магматических горных пород. Применяется как облицовочный материал.

Фельдшпатиды. Фельдшпатиды являются заменителями полевых шпатов в бедных кремнеземом щелочных магматических горных породах. К ним относятся нефелин и лейцит.

Нефелин Na. Название происходит от греческого слова «нефели» - облако, так как при разложении в крепких кислотах образует рыхлую массу аморфного кремнезема. Встречается в виде вкрапленников, а также сплошных масс с жирным блеском - элеолит, или масляный камень. Цвет серовато-белый, серый, красноватый, зеленоватый; блеск жирный на изломе, на гранях стеклянный; твердость 5,5…6, хрупок; плотность 2,6; спайность несовершенная; излом неровный. Происхождение эндогенное. Встречается в породах, бедных кремнекислотой и богатых натрием (в нефелиновых сиенитах и щелочных пегматитах). Не встречается в парагенезисе с кварцем. В зоне выветривания неустойчив. Применяется как агрономическая руда - калийное удобрение, так как нефелин содержит обычно в виде примесей до 20% К 2 О. Является сырьем для керамической и стекольной промышленности. Важная руда на алюминий.

Лейцит K. «Лейкос» по-гречески - светлый. Цвет белый с сероватым и желтоватым оттенком, пепельно-серый или бесцветный; блеск стеклянный, иногда жирный на изломе; твердость 5,5…6; плотность 2,5; спайность отсутствует; излом раковистый. Характерны белые, округлой формы кристаллы на темном фоне основной магматической горной породы. Происхождение эндогенное. Образуется в эффузивных породах, богатых калием и бедных кремнекислотой, поэтому вместе с кварцем не встречается. При значительном содержании лейцита в породе последняя может служить сырьем для получения алюминия и калийных удобрений.

И др.).

Химический состав и структура. В основе кристаллической структуры силикатов природных — солей кремниевой кислоты — лежат одиночные изолированные тетраэдрические радикалы SiО 4 4- ; солей изо- и гетерополикремниевых кислот — полимерные радикалы, в которых мостиковые атомы О связывают 2 атома Si смежных SiО 4 -тетраэдров (в изополикремниевых радикалах) или атомы Т (Т — Si, Al, В, Be, Fe 3+ и др.) в TО 4 -тетраэдрах (в гетерополикремниевых радикалах). В зависимости от атома Т последние получили название алюмо-, боро-, берилло-, ферри- и т.д. силикатов.

Роль катионов в силикатов природных играют преимущественно элементы 2-го, 3-го и 4-го периодов периодической системы Менделеева , среди которых Na, Mg, Al, Fe, К, Ca, Mn наиболее распространены в земной коре и составляют вместе с О и Si до 99% её объёма. Достаточно обычны также силикаты природные Ti, Zn, TR. Менее распространены силикаты V, Ni, Nb, Th, U, Sr, Cs, Ba. Особое место занимают немногочисленные силикаты природные, в которых катионами выступают халькофильные элементы: Cu, Zn, Sn, Pb, As, Sb и Bi.

Большая часть силикатов природных — основные, значительно меньшее их число — кислые и кисло-основные соли; среди силикатов много кристаллогидратов; некоторые силикаты природные (например, слюды) содержат ионы Н3О + . Известны также смешанные соли, содержащие наряду с силикатными радикалами анионы более сильных кислот (СО 3 2- , PО 4 3 SО 4 2- , Cl - , F- и др.).

Важнейшая кристаллоструктурная характеристика силикатов природных — строение их анионов, исходя из которого различаются силикаты с островными, цепочечными, ленточными, сеточными и каркасными радикалами. Главнейшие островные кремнекислородные радикалы имеют следующее строение; единичный SiО 4 -тетраэдр — ортогруппа (например, форстерит); группа из 2 связанных общей вершиной тетраэдров Si 2 О 7 6- — диортогруппа (гемиморфит); триортогруппа Si 3 О 10 8- (розенханит); тройное кольцо Si 3 О 9 6- (рис. 1, а; бенитоит); четверное кольцо Si 4 О 12 8- (рис. 1, б; баотит); шестерное кольцо Si 6 О 18 12- (рис. 1, в; диоптаз); сдвоенное четверное кольцо Si 8 О 20 8- (эканит); сдвоенное шестерное кольцо Si 12 О 3 0 12- (рис. 1, г; согдианит).

Важнейшие типы цепочечных радикалов в силикатах природных сводятся к следующим: пироксеновая цепочка из параллельно ориентированных диортогрупп с периодом повторяемости в 2 SiО 4 4- -тетраэдра (рис. 2, а); волластонитовая цепочка из чередующихся диортогрупп и одиночных SiО 4 4- -тетраэдров, повёрнутых в другую сторону, с периодом повторяемости в 3 SiО 4 4- -тетраэдра (рис. 2, б); родонитовая цепочка, в которой через 5 SiО 4 4- -тетраэдров происходит сдвиг в сторону (рис. 2, в); стокезитовая цепочка из разноориентированных диортогрупп, связанных SiО 4 4- -тетраэдрами иной ориентации (рис. 2, г); батиситовая зигзагообразная цепочка из вертикальных диортогрупп, поочерёдно смещённых относительно друг друга, с периодом повторяемости в 4 SiО 4 4- -тетраэдра (рис. 2, д); астрофиллитовая зигзагообразная цепочка из горизонтальных диортогрупп (рис. 2, е).

Важнейшие ленточные радикалы: лента силлиманитового типа (рис. 3, а); амфиболовая лента из сдвоенных пироксеновых цепочек (рис. 3, б); джимтомпсонитовая лента из 3 пироксеновых цепочек (рис. 3, в); власовитовая ступенчатая лента из четверных "налезающих" колец SiО 4 4- -тетраэдров (рис. 3, г); ксонотлитовая лента из сдвоенных волластонитоподобных цепочек (рис. 3, д); нарсарсукитовая трубчатая лента из вертикальных диортогрупп с квадратным поперечным сечением (рис. 3, е).

Цепочки и ленты SiО 4 4- -тетраэдров поликонденсируются в сетки (слои), которые могут быть полярными (рис. 4, а), или двусторонними (рис. 4, б-д).

Предельной степенью поликонденсации является соединение TО 4 4- -тетраэдров всеми своими вершинами друг с другом, при котором возникает каркасная структура.

Координационные числа (КЧ) катионов в силикатов природных с ионной связью меняются от 4 (Be, Al, Li, Fe 3+ , Cr 3+ , Mg) до 9-12 (К, Rb, Sr, Ca, Ba). Ковалентной связью характеризуется меньшее число катионов (Cu, Zn, Pb, As, Sb, Bi и др.), для них КЧ определяется типом гибридизации. В структурах силикатов, содержащих катионы с КЧ-6, выделяются различные мотивы катионных полиэдров от островных октаэдрических групп через цепочки, ленты до стенок (рис. 5, а-г).

Соответствие силы определённой кремниевой кислоты силе катиона заключается в соразмерности величины катиона расстояниям между концевыми атомами О 2 - в Тт,On-радикале. Поэтому небольшие катионные тетраэдры, образуемые ионами Be, Al, соединяясь с SiО 4 4- -тетраэдрами, образуют с последними единый структурный мотив берилло- и алюмосиликатов . Небольшие октаэдрического полиэдры (типичные для Mg, Fe 2+ и т.п. катионов) сопрягаются с концевыми атомами О 2 - одиночных SiО 4 4- -тетраэдров (рис. 6, а), полимерных кремнекислородных (рис. 6, б), алюмо-кремнекислородных и т.п. радикалов.

Увеличение размера катионных октаэдров вызывает необходимость поликонденсации SiО 4 4- -тетраэдров в цепочки (рис. 6, в, г) и более сложные кремнекислородные радикалы — ленты, сетки (слои), каркасы. Полимерные кольцевые, цепочечные, ленточные и сеточные радикалы имеют дополнительные возможности приспособления к различным катионным полиэдрам за счёт изменения угла сопряжения SiО 4 4- тетраэдров между собой.

Систематика. В зависимости от силовых характеристик (CX) катионов (In/ropбn+ или In/ri, где In — n-й потенциал ионизации; ropбn+ — орбитальный радиус иона с валентностью n; ri — эффективный ионный радиус катиона в ионном кристалле) класс силикатов природных в химико-структурной систематике делится на 3 подкласса: I — силикаты, содержащие катионы с низкими CX (К, Na, Li, Mg, Fe 2+ , Fe 3+ и др.); II — со средними CX (Ti, Zn и др.) — титано- и цирконосиликаты; III — силикаты халькофильных элементов .

По типу гетерополианионного радикала в каждом из подклассов выделяют сектора (бериллосиликаты, алюмосиликаты, боросиликаты, собственно силикаты).

В зависимости от степени поликонденсации TО 4 -тетраэдров в анионных радикалах различают 9 надотделов: тетрасиликаты (ортосиликаты) с радикалом SiО 4 4- (например, оливины); тетратрисиликаты (ортодиортосиликаты), содержащие одновременно, например, SiО 4 4- - и Si 2 О 7 6- -радикалы (); трисиликаты (диортосиликаты) с радикалом Si 2 О 7 6- (тортвейтит); тридисиликаты (например, розенханит); дисиликаты (метасиликаты) с радикалами SiО 3 N 2 n- (); димоносиликаты с радикалами типа Si 4 О 11 6- , AlSi 3 О 11 7- и др. (например, ); моносиликаты с радикалами Si 2 О 5 N 2 n- (каолинит); мононульсиликаты (родезит); нульалюмосиликаты с радикалами типа Tn 3+ Si 1-n О 2 n- (альбит). Принадлежность силикатов к средним, основным, кислым солям или кристаллогидратам позволяет выделять отделы. Более дробная систематика основывается на структурных признаках с учётом геометрии анионного мотива (отряды островных, цепочечных, сеточных или слоистых, каркасных силикатов природных) анионного и катионного субмотива (подотряды субкаркасных, субцепочечных и т.д. силикатов).

Свойства. Большинство силикатов природных из-за сложности состава имеют низкую симметрию. Около 45% из них относится к моноклинной, 20% — к ромбической, 9% — к триклинной (к низшим сингониям относятся прежде всего многие цепочечные, слоистые силикаты и каркасные алюмосиликаты), 7% — к тетрагональной, 10% — к тригональной и гексагональной (силикаты с кольцевыми треугольными и гексагональными радикалами) и 9% — к кубической (тетрасиликаты с изолированными SiО 4 4- -тетраэдрами; ряд каркасных нульалюмосиликатов) сингонии.

Большая часть силикатов бесцветные или белые; силикаты Fe, Mn, Ni, UО 2 2+ , Ti, Zr, V, Cu, TR и некоторых других элементов (а также содержащие их в виде изоморфных примесей) часто окрашены в различные цвета. Блеск стеклянный до алмазного. В тонких шлифах прозрачны. Многие силикатов природные обладают совершенной спайностью в трёх направлениях, для цепочечных и ленточных силикатов характерна спайность в двух направлениях, для слоистых — весьма совершенная спайность в одном направлении. Большинство силикатов (минералы с лёгкими катионами De, Mg, Al, каркасной и слоистой структурой) имеют низкую плотность (2000-3000 кг/м 3), которая возрастает до 3500 и даже 4000 кг/м 3 у тетрасиликатов с островными SiО 4 -тетраэдрами и до 6500 кг/м 3 у силикатов тяжёлых элементов (например, свинца). Твердость максимальная (до 6-8) у некоторых каркасных алюмосиликатов и силикатов с островной и цепочечной структурой снижается до 4-5 у большинства силикатов халькофильных элементов и до 1-2 у слоистых минералов. Показатели преломления силикатов в целом пропорциональны их плотности и колеблются в широких пределах.

Образование. Силикаты природные — полигенные минералы. В магматических породах нормального ряда от ультраосновных до кислых подавляющая роль принадлежит силикатам и алюмосиликатам катионов с низкими CX, тогда как силикаты с катионами, имеющими средние CX, известны в них в виде акцессорных минералов (циркон, титанит). В агпаитовых щелочных породах содержится большое число каркасных алюмосиликатов (полевые шпаты, фельдшпатиды), находящихся в тесной ассоциации с натриевыми пироксенами (эгирин, эгирин-авгит) и различными сложными силикатами Ti и Zr. Для пегматитов характерны силикаты катионов Na, К, Li, Cs, Be. Гидротермальным путём, а также при повышенном содержании в магме H 2 О образуются фельдшпатиды и цеолиты . Силикаты халькофильных элементов (хризоколла, виллемит, гемиморфит , и др.) типичны для зон окисления

СИЛИКАТЫ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

На долю силикатов приходится примерно одна треть всего числа известных в природе минеральных видов. Силикаты являются породообразующими минералами всех магматических горных пород и подавляющего большинства метаморфических горных пород. Силикаты входят в состав осадочных горных пород, являясь для многих из них также породообразующими минералами, например, для различных глин.

Значительную роль силикаты играют в минеральном составе почти всех месторождений полезных ископаемых, в ряде случаев являясь носителями ценных металлов - Ni, Zn, Be, Zr, Li, Cs, Rb, U, TR и др. Силикаты широко представляют и неметаллические полезные ископаемые – асбест, каолин, отбеливающие глины, полевые шпаты (как сырье для огнеупоров), сырье для керамики, различные строительные материалы. Ряд силикатов - изумруд, аквамарин, турмалин, топаз, родонит, нефрит и др., издавна используется в качестве драгоценных и поделочных камней.

Главнейшие элементы, входящие в состав силикатов: Na, К, Li, Ca, Mg, Fe 2+ , Mn 2+ , Be, Si, Zr, Ti, Al, Fe 3+ , а также О 2 , F, H в виде H 1+ , [ОН] 1- и H 2 O.

Многие элементы, такие как Rb, Cs, Ba, Sr, Pb, Zn, Ni, Со, Cu, Bi, Sb, Cr, V, Sc, Y, TR, Th, Sn, U, Nb, S, Cl, С в виде 2- , P и др., присутствуют в силикатах в отдельных относительно редких минеральных видах.

Рентгенометрические исследования силикатов позволили установить особенности кристаллических структур этих соединений.

Рис. 1 Типы групп кремнекислородных тетраэдров (в двух изображениях): а - единичный изолированный тетраэдр 4- ; б - группа из двух связанных общей вершиной тетраэдров [ Si 2 O 7 ] 6- ; в - группа из трех тетраэдров, связанных в кольцо 6- ; г - группа из четырех тетраэдров, связанных в кольцо 8- ; д - группа из шести тетраэдров, связанных в кольцо 12-

Во всех силикатах каждый ион Si 4+ всегда находится в окружении четырех ионов

О 2- , располагающихся в углах по тетраэдру вокруг него (рис. 1). Химическая связь ионов кислорода с кремнием гораздо сильнее, чем связь кислорода с другими катионами в кристаллических структурах силикатов. Таким образом, кремнекислородный тетраэдр, т. е. группа 4- , является основной структурной единицей всех силикатов.

Кремнекислородные тетраэдры в кристаллических решетках силикатов могут находиться либо в виде изолированных друг от друга структурных единиц 4- , либо сочленяться друг с другом разными способами, образуя сложные комплексные анионные радикалы. При этом сочленение совершается только через углы тетраэдров с образованием общих вершин, но не через ребра или грани. Наиболее полный случай такого сочленения имеет место тогда, когда все четыре вершины каждого тетраэдра одновременно являются общими и для окружающих четырех тетраэдров SiO 4 . Такой случай процессами минералообразования реализован для кристаллических структур минералов группы кварца (класс минералов – окислы и гидроокислы - кварц, халцедон и т.д.) с общей химической формулой SiO 2 .

В зависимости от того как происходит сочленение кремнекислородных тетраэдров, образуются различные формы комплексных анионных радикалов:

Комплексный анион представлен изолированными тетраэдрами 4- (рис. 1,а), удерживаемыми в решетке с помощью катионов других металлов. Общий отрицательный заряд каждой такой группы равен четырем (каждый ион кислорода отдает кремнию лишь половину своего отрицательного заряда, равного двум). Этот тип структуры широко представлен в силикатах, например, цирконе Zr, форстерите Mg 2 , гранате Ca 3 Al 2 3 и т. д. В современной классификации минералы с охарактеризованным строением кристаллической структуры относятся к островным силикатам ;

Комплексный анионный радикал представлен изолированными группами 6- (рис. 1,б), состоящими из двух связанных друг с другом кремнекислородных тетраэдров SiO 4 с одной общей вершиной. Легко подсчитать, что общий отрицательный заряд этого комплекса равен шести. Кислородный ион, располагающийся в общей вершине, нейтрален. Следовательно, активные кислородные ионы, остаточные отрицательные заряды которых в кристаллической структуре нейтрализуются катионами металлов, располагаются на двух противоположных друг другу концах анионного комплекса. Силикаты, обладающие такими комплексными анионами, не многочисленны. Например, очень редкий минерал тортвейтит - Sc 2 ;

Комплексный анион состоит из трех, четырех, шести кремнекислородных тетраэдров, связанных друг с другом уже через две общие вершины в замкнутые плоские изолированные кольца (рис. 1в, г и д). Комплексные анионы в этих случаях представлены соответственно: 6- , 8- и 12- . Общая валентность каждого такого радикала определяется числом наружных кислородных ионов, каждый из которых обладает одной некомпенсированной отрицательной валентностью. Примерами являются минералы берилл - Be 3 Al 2 и турмалин (химический состав непостоянный, варьирует в зависимости от геохимических условий образования). В современной классификации минералы с охарактеризованным строением кристаллической структуры относятся к кольцевым силикатам ;

Комплексные анионы представлены одномерными непрерывными цепочками связанных друг с другом кремнекислородных тетраэдров. В верхней части рис. 2 изображена простая одинарная цепочка. В этой цепочке каждый тетраэдр связан с соседними тетраэдрами двумя углами с инертными ионами кислорода в этих углах. Два активных кислородных иона в каждом тетраэдре расположены таким образом, что один из них находится над ионом Si (в плоскости рисунка), а другой «откинут» попеременно то в верхнюю, то в нижнюю стороны. Между такими линейно-вытянутыми радикалами располагаются катионы металлов.

Рис. 2 Типы одномерных непрерывных цепочек кремнекислородных тетраэдров (в двух изображениях А и Б): а - одинарная цепочка; б - двойная цепочка (лента). Вершины тетраэдров, направленные к наблюдателю, утолщены

В каждом кремнекислородном тетраэдре два иона кислорода целиком принадлежат иону Si, а два остальных (инертные) как бы делятся пополам между соседними тетраэдрами. В сумме на каждый ион Si приходится три иона кислорода, из которых два имеют по одной свободной валентности. Таким образом, состав и валентность таких радикалов могут быть выражены в следующем виде: n 2- , где n = ∞, что означает полимеризацию. Такое строение кислотного радикала характерно для группы пироксенов с общей формулой R 2+ . Однако в природе кристаллических структур с изолированной группой SiO 3 не встречается. Природа реализует данную структуру в виде длины цепочки одного периода в 5,25 Å (рис. 2). Отсюда формула аниона пироксенов - . В современной классификации минералы с охарактеризованным строением кристаллической структуры относятся к цепочечным силикатам.

В нижней части (рис. 2,б) приведена лента непрерывно связанных кремнекислородных тетраэдров. Лента может быть получена из одинарной цепочки путем ее отражения в плоскости, перпендикулярной к чертежу и параллельной оси цепочки. Такие ленточные сочленения кремнекислородных тетраэдров характерны для группы амфиболов. Нетрудно подсчитать, что состав и валентность таких радикалов в пределах одного периода 5,25 Å, выражаются формулой 6- . В современной классификации минералы с охарактеризованным строением кристаллической структуры относятся к ленточным силикатам ;

Комплексные анионы представлены двумерными слоями кремнекислородных тетраэдров. Строение таких слоистых радикалов характеризуется тем, что тетраэдры соединяются друг с другом тремя общими вершинами и образуют плоский слой непрерывной протяженности в двух измерениях (рис. 3) наподобие гексагональной сетки. Активные ионы кислорода (по одному от каждого тетраэдра) направлены все в одну сторону (вверх или вниз от плоскости чертежа), образуя особый активный лист в слое тетраэдров. Химическая формула такого анионного слоя - 2- . Каждый такой слой активными ионами кислорода через катионы металлов связан с другими, совершенно аналогичными по строению слоями. Примерами кристаллических структур являются структуры пластинчатых минералов, обладающих весьма совершенной спайностью в одном направлении (слюды, тальк, хлориты и т. д.). В современной классификации минералы с охарактеризованным строением кристаллической структуры относятся к слоистым (слоевым, листовым) силикатам ;

Рис. 3 Лист кремнекислородных тетраэдров гексагонального строения (в двух изображениях А и Б)

Комплексные анионы образованы непрерывными трехмерными каркасами кремнекислородных тетраэдров, у которых каждый ион кислорода принадлежит одновременно двум тетраэдрам. Нет ни одного угла тетраэдра с активным кислородным ионом. Как уже указывалось, примером таких каркасов являются минералы группы кварца с формулой SiO 2 . Однако подобные же кристаллические решетки наблюдаются и в силикатах (рис. 4). При этом часть ионов Si 4+ всегда бывает заменена ионами Al 3+ с тем же координационным числом (роль алюминия в силикатах рассмотрим немного позднее). Химическая формула комплексных анионов каркасного строения в общем виде может быть выражена в виде радикала [(Si n-x Al x)O 2n ] x- . Вследствие того что какая-то часть ионов Si 4+ заменена ионами Al 3+ (при сохранении общего числа кислородных ионов), этот радикал обладает некоторым остаточным отрицательным зарядом. Примером могут служить полевые шпаты - Na, Ca и многие другие минералы. В современной классификации минералы с охарактеризованным строение кристаллической структуры относятся к каркасным силикатам .

Рис. 4 Алюмокремнекислородный каркас в кристаллической структуре каркасных силикатов

В кристаллической структуре силикатов часть ионов Si в кремнекислородных тетраэдрах нередко бывает заменена ионами Al с координационным числом 4.В этом случае образуются минералы, называемые алюмосиликатами . Алюмосиликаты встречаются в цепочечных, ленточных, слоистых и широко распространены в каркасных силикатах.

Al 3+ в конституции силикатов играет двоякую роль:

Как компонент комплексных анионных радикалов, находясь, так же как и Si 4+ , в четверном окружении ионов кислорода. В этом случае координационное число Al 3+ равно 4 ;

Как отдельный катион, один или вместе с катионами других металлов, нейтрализующими отрицательный заряд анионов. В этом случае координационное число Al 3+ равно 6. В терминологии следует различать образование алюмосиликатов и силикатов алюминия .

Известно немало случаев, когда в одном и том же силикате одни ионы Al входят в состав комплексного аниона, другие находятся среди катионов, занимающих промежутки между отрицательно заряженными комплексными анионными радикалами. Например, широко распространенный минерал роговая обманка (ленточные алюмосиликаты) (Ca,Na) 2-3 (Mg,Al) 5 [(Si,Al) 4 O 11 ] 2 [О,OH] 2 . В комплексном радикале этого минерала отношение Al: Si может меняться от 1: 3 до 0.

В состав многих силикатов входят дополнительные анионы: О 2- , [ОН] 1- , F 1- , Cl 1- , 2- и другие, нейтрализующие избыточный положительный заряд катионов.

В состав ряда силикатов входит H 2 O в большинстве случаев цеолитного характера. Молекулы H 2 O обычно весьма слабо удерживаются кристаллическими решетками в пустых промежутках или каналах.

Цеолитная вода - вода, входящая в состав минерала (внутри молекулы), но не входящая в химический состав минерала. Цеолитная вода удаляется из минерала постепенно (не при определенной температуре). Процесс удаления цеолитной воды обратим, т.е. минералы, при соответствующих условиях, восстанавливают ранее находившуюся в них, но утраченную цеолитную воду.

Среди силикатов и алюмосиликатов очень широко распространено явление изоморфизма , т.е. способности веществ различного химического состава образовывать одинаковые кристаллические структуры. Для изоморфных минералов в геологии часто употребляется термин «минералы образуют твердый раствор». При определенных условиях твердые растворы минералов распадаются на отдельные минеральные индивиды.

Для силикатов и алюмосиликатов наряду с изовалентным изоморфизмом широко распространен гетеровалентный изоморфизм . Классическим примером гетеровалентного изоморфизма является ряд плагиоклазов альбит Na - анортит Ca (каркасные алюмосиликаты). Здесь Na 1+ заменяется Ca 2+ . Происходящее при этом увеличение положительного заряда на единицу сопровождается соответствующей заменой в комплексном анионном радикале: один ион Si 4+ заменяется ионом Al 3+ , или, что тоже самое, анион 4- - анионом 5- , т. е. происходит увеличение отрицательного заряда на единицу. Валентность образующегося при гетеровалентном изоморфизме минерала не изменяется, минерал остается электрически нейтральным.

ОСТРОВНЫЕ СИЛИКАТЫ

Островные силикаты образуют, как правило, хорошо ограненные кристаллы, т.е. обладают высокой степенью идиоморфизма. Окраска островных силикатов обычно обусловлена присутствием в их составе элементов-хромофоров - Fe, Mn, Ti и Cr. Кроме того, атомы Fe 2+ , Fe 3+ , в зависимости от соотношения, обусловливают зелёные (гроссуляр, эпидот), коричневые (андрадит, ставролит, титанит) оттенки цвета. Лишь в редких случаях встречаются бесцветные, белые островные силикаты - это химически чистые гроссуляр, форстерит, топаз и др.

Твердость островных силикатов 6 – 8. Из-за большой твердости эти минералы черты не дают (они сами процарапывают фарфор); даже у густо окрашенных минералов черта чуть заметна.

В природе наибольшее распространение имеют минералы группы оливина – породообразующие минералы ультраосновных и основных пород.

КОЛЬЦЕВЫЕ СИЛИКАТЫ

Подкласс кольцевых силикатов объединяет сравнительно небольшое число редких в природе минералов. Среди кольцевых силикатов только два минерала - берилл и турмалин - играют в некоторых случаях роль второстепенных и, иногда, главных минералов месторождений.

Как было указано в общей характеристике силикатов, тип кристаллических структур рассматриваемого подкласса отличается особыми чертами: кристаллические решетки содержат изолированные группы тетраэдров SiO 4 , связанные в кольца, т. е. подкласс характеризуется комплексными радикалами 6- , 12- и др.

ЦЕПОЧЕЧНЫЕ И ЛЕНТОЧНЫЕ СИЛИКАТЫ

Общая характеристика

Главнейшими представителями силикатов данных подклассов являются пироксены (цепочечные) и амфиболы (ленточные). Несмотря на существенное различие в количественных соотношениях составляющих компонентов, пироксены и амфиболы имеют ряд общих характерных черт: аналогичный облик кристаллов, близкие кристаллические структуры, одинаковая степень проявления спайности, много общего в оптических свойствах, близкие плотности, близкая твердость и т. д. Среди катионов в пироксенах и амфиболах представлены главным образом следующие элементы: Mg 2+ , Fe 2+ , Ca 2+ , Na 1+ , иногда Li 1+ , а также Al 3+ , Fe 3+ , а среди анионов: 4- , иногда 5- , а в амфиболах также [ОН] 1- , F -1 и Cl 1- .

Наибольшим распространением в природе пользуются железо-магнезиальные пироксены и амфиболы, являющиеся важнейшими породообразующими минералами во многих магматических горных породах. Общее их количество по весу в земной коре достигает 16%.

От железо-магнезиальных породообразующих островных силикатов (минералов группы оливина) пироксены и амфиболы отличаются следующими химическими особенностями:

Кроме Mg и Fe, в пироксенах и амфиболах существенную роль играет Ca. В минералах группы оливина роль Са незначительна. В соответствии с близостью размеров ионных радиусов Са и Мg, в пироксенах и амфиболах широко представлены двойные соединения - диопсид CaMg , тремолит Ca 2 Mg 5 2 2 и др.;

Многие пироксены и амфиболы, особенно те, что представлены двойными соединениями, часто содержат примеси Al 2 O 3 , Na 2 O, иногда Fe 2 O 3 и др. Минералы группы оливина характеризуются сравнительной чистотой состава.

Физические свойства цепочечных и ленточных силикатов обусловлены особенностями их кристаллического строения. Кристаллическая структура представляет собой вытянутые в одном направлении (вдоль оси с) анионные комплексы непрерывно связанных друг с другом кремнекислородных тетраэдров (более подробно по данному вопросу – лекция «Силикаты. Общая характеристика»). Главнейшие физические особенности минералов рассматриваемых подклассов сводятся к следующим:

Кристаллические индивиды обычно вытянуты в одном направлении. В отличие от цепочечных и ленточных силикатов минералы группы оливина обладают изометрическим обликом;

По сравнению с минералами группы оливина в цепочечных и ленточных силикатах гораздо четче проявлена спайность. Характерно, что спайность устанавливается по призме согласно вытянутости индивидов;

Показатели преломления и двупреломление по сравнению с минералами группы оливина, как правило, ниже;

Плотность цепочечных и ленточных силикатов, благодаря относительно менее плотной упаковке ионов, несколько меньше, чем у минералов группы оливина.

Между цепочечными и ленточными силикатами, несмотря на многие общие свойства, имеются и существенные отличия. Эти отличия обусловлены различным кристаллическим строением рассматриваемых минералов:

Пироксены характеризуются спайностью по призме под углом 87 0 ;

Амфиболы – спайность по призме под углом 124 0 ;

Кристаллы пироксенов имеют в поперечном сечении псевдотетрагональный облик (рис. 1, а);

Кристаллы амфиболов имеют в поперечном сечении псевдогексагональный облик (рис. 1, б).

Рис. 1 Поперечные сечения кристаллов пироксенов (а) и амфиболов (б)

ЦЕПОЧЕЧНЫЕ СИЛИКАТЫ

Группа пироксенов

Минералы этой группы наиболее широко распространены в природе и подразделяются на моноклинные и ромбические пироксены.

Моноклинные пироксены: диопсид - CaMg ; геденбергит - CaFe ; сподумен - LiAl ; авгит - Ca (Mg, Fe, Al)[(Si, Al) 2 O 6 ]; жадеит - NaAl ; эгирин - NaFe.

Ромбические пироксены: энстатит - Mg 2 ; гиперстен - (Mg, Fe) 2 .

Моноклинные пироксены в природе широко распространены. Среди моноклинных пироксенов программой курса предусмотрено рассмотрение диопсида, геденбергита, сподумена.

Ромбические пироксены также довольно широко распространены в природе. Однако программой рассмотрение ромбических пироксенов в настоящем курсе не предусмотрено.

ЛЕНТОЧНЫЕ СИЛИКАТЫ

Для ленточных силикатов характерно вхождение Al в комплексный анионный радикал. Поэтому среди минералов данного подкласса распространены алюмосиликаты. Кроме того характерны дополнительные анионы , F, CL.

Наиболее распространены в природе минералы данного подкласса – группа амфиболов. Амфиболы подразделяются на моноклинные и ромбические.

Моноклинные амфиболы: - тремолит - Ca 2 Mg 5 2 2 ; - актинолит - Са 2 (Mg,Fe) 5 2 [ОН] 2 ; - роговая обманка - Сa 2 Na(MgFe) 4 (Al,Fe)[(Si,Аl) 4 О 11 ] 2 [ОН] 3 ; - глаукофан - Na 2 (Mg,Fe) 3 Al 2 2 [ОН,F] 2 ; - арфведсонит - Na 3 (Fe,Mg) 4 (Fe,Al) 2 2 .

Ромбические амфиболы - антофиллит -(Mg,Fe) 7 2 2 .

Моноклинные амфиболы в природе распространены шире, чем ромбические. Из моноклинных амфиболов наиболее распространены актинолит и роговая обманка. Другие встречаются реже.

Ромбические амфиболы в настоящем курсе не рассматриваются. Кроме того, не рассматриваются относительно редкие в природе, но входящие в подкласс «ленточные силикаты» довольно многочисленные по номенклатуре минералы.