Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2,4: Силікатні мінерали

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    36167

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Переважна більшість мінералів, що входять до складу гірських порід земної кори, є силікатними мінералами. До них відносяться такі мінерали, як кварц, польовий шпат, слюда, амфіболи, піроксен, олівін та різноманітні глинисті мінерали. Будівельним блоком всіх цих мінералів є тетраедр кремнію, комбінація чотирьох атомів кисню і одного атома кремнію. Як ми бачили, це називається тетраедр, тому що площини, проведені через атоми кисню, утворюють форму з 4 поверхнями (рис.\(\PageIndex{4}\)). Оскільки іон кремнію має заряд 4, а кожен з чотирьох іонів кисню має заряд −2, тетраедр кремнію має чистий заряд −4.

    У силікатних мінералах ці тетраедри розташовані і пов'язані між собою різними способами, від одиничних одиниць до складних каркасів (табл. 2.6). Найпростіша силікатна структура, що складається з мінерального олівіну, складається з ізольованих тетраедр, пов'язаних з іонами заліза та/або магнію. В олівіні заряд −4 кожного тетраедра кремнезему врівноважений двома двовалентними (тобто +2) катіонами заліза або магнію. Олівін може бути або Mg 2 SiO 4 або Fe 2 SiO 4, або деякою комбінацією двох (Mg, Fe) 2 SiO 4. Двовалентні катіони магнію і заліза досить близькі за радіусом (0,73 проти 0,62 ангстрем [1]). Через таку схожість розмірів, а також через те, що вони обидва двовалентні катіони (обидва можуть мати заряд +2), залізо і магній можуть легко замінювати один одного в олівіні та багатьох інших мінералах.

    Таблиця 2.6 Конфігурації силікатних мінеральних Трикутники являють собою тетраедру кремнезему.
    Зображення конфігурації тетраедра Назва конфігурації тетраедра Приклад мінералів
    Один трикутник Ізольовані (незосилікати) Олівін, гранат, циркон, кіаніт
    Два трикутника з'єдналися на кінчиках. Пари (соросилікати) Епідот, цоізит
    Шість трикутників, з'єднаних між собою в коло, утворюючи зірку Кільця (циклосилікати) Турмалін
    П'ять трикутників, з'єднаних між собою в лінію. Одинарні ланцюги (іносилікати) Піроксени, волластоніт
    Два ряди трикутників, з'єднаних між собою Подвійні ланцюги (іносилікати) Амфіболи
    Кілька рядів трикутників, з'єднаних між собою Листи (філлосилікати) Слюда, глинисті мінерали, серпантин, хлорит
    3-вимірна структура Фреймворк (тектосилікати) Польові шпати, кварц, цеоліт
    Вправа 2.3 Зробіть тетраедр

    Виріжте навколо зовнішньої частини фігури (суцільні лінії і пунктирні лінії), а потім складіть уздовж суцільних ліній, щоб утворився тетраедр. Якщо у вас є клей або скотч, закріпіть вкладки на тетраедр, щоб скріпити його разом. Якщо у вас немає клею або скотча, зробіть зріз уздовж тонкої сірої лінії і вставте загострений язичок в щілину.

    Якщо ви робите це в класі, спробуйте з'єднати свій тетраедр з іншими в пари, кільця, одинарні та подвійні ланцюги, листи і навіть тривимірні рамки.

    Див Додаток 3 для вправ 2.3 відповіді.

    В олівіні, на відміну від більшості інших силікатних мінералів, тетраедри кремнезему не пов'язані між собою. Замість цього вони пов'язані з іонами заліза та/або магнію, в конфігурації, наведеній на малюнку\(\PageIndex{1}\).

    \(\PageIndex{1}\)Малюнок. Зображення структури олівіну, як видно зверху. Формулу для цього конкретного олівіну, який має три іони Fe для кожного іона Mg, може бути записана: Mg 0.5 Fe 1.5 SiO 4.

    Як уже зазначалося, 2 іона заліза і магнію схожі за розмірами (хоча і не зовсім однакові). Це дозволяє їм замінювати один одного деякими силікатними мінералами. Насправді іони, які поширені в силікатних мінералах, мають широкий діапазон розмірів, як зображено на малюнку\(\PageIndex{2}\). Всі показані іони є катіонами, крім кисню. Зверніть увагу, що залізо може існувати як іон +2 (якщо він втрачає два електрони під час іонізації), так і іон +3 (якщо він втрачає три). Fe 2+ відомий як чорне залізо. Fe 3+ відомий як залізо. Іонні радіуси мають вирішальне значення для складу силікатних мінералів, тому ми знову звернемося до цієї діаграми.

    \(\PageIndex{2}\)Рисунок Іонні радіуси (ефективні розміри) в ангстремах, деяких загальних іонів у силікатних мінералах.

    Будова одноланцюгового силікатного піроксена показано на малюнках 2.4.3 і 2.4.4. У піроксені тетраедри кремнезему пов'язані між собою в єдиний ланцюг, де один іон кисню з кожного тетраедра ділиться з сусіднім тетраедром, отже, в структурі менше кисню. Результатом є те, що співвідношення кисню до кремнію нижче, ніж у олівіну (3:1 замість 4:1), а чистий заряд на атом кремнію менше (−2 замість −4). Тому для збалансування цього заряду потрібно менше катіонів. Піроксенові композиції мають тип MgSiO 3, FeSiO 3 і CasiO 3, або деяку їх комбінацію. Піроксен також може бути записаний як (Mg, Fe, Ca) SiO 3, де елементи в дужках можуть бути присутніми в будь-якій пропорції. Іншими словами, піроксен має один катіон для кожного тетраедра кремнезему (наприклад, MgSiO 3), тоді як олівін має два (наприклад, Mg 2 SiO 4). Оскільки кожен іон кремнію дорівнює +4, а кожен іон кисню −2, три кисню (−6) та один кремній (+4) дають чистий заряд −2 для одного ланцюга тетраедри кремнезему. У піроксені один двовалентний катіон (2) на тетраедр врівноважує цей заряд −2. В олівіні потрібно два двовалентні катіони, щоб збалансувати заряд −4 ізольованого тетраедрону. Структура піроксену є більш «дозволентною», ніж олівін—це означає, що в неї можуть вписатися катіони з більш широким діапазоном іонних радіусів. Ось чому піроксени можуть мати катіони заліза (радіус 0,63 Å) або магнію (радіус 0,72 Å) або кальцію (радіус 1,00 Å) (див. Рисунок\(\PageIndex{2}\) вище).

    Малюнок\(\PageIndex{3}\) A Зображення будови піроксену. Чотиригранні ланцюги продовжують вліво і вправо, і кожна перемежовується серією двовалентних катіонів. Якщо це іони Mg, то формула MgSiO 3.
    \(\PageIndex{4}\)Малюнок Один тетраедр кремнію (зліва) з чотирма іонами кисню на іон кремнію (SiO 4). Частина єдиного ланцюга тетраедр (праворуч), де атоми кисню на прилеглих кутах поділяються між двома тетраедрами (стрілками). Для дуже довгого ланцюга отримане співвідношення кремнію до кисню становить 1 до 3 (SiO 3).
    Вправа 2.4 Киснева позбавлення

    На схемі нижче представлена єдина ланцюг в силікатному мінералі. Підрахуйте кількість тетраедр проти кількості іонів кисню (жовті сфери). Кожен тетраедр має один іон кремнію, тому це повинно дати вам співвідношення Si до O в одноланцюгових силікатах (наприклад, піроксену).

    Ланцюг з шести тетраедр і 21 іонів кисню

    На схемі нижче представлена подвійна ланцюг в силікатному мінералі. Знову порахуйте кількість тетраедр проти кількості іонів кисню. Це повинно дати вам співвідношення Si до O у дволанцюгових силікатах (наприклад, амфіболах).

    Подвійний ланцюг з 14 тетраедр і 48 іонів кисню

    Див Додаток 3 для вправ 2.4 відповіді.

    У амфіболних структурах тетраедри кремнезему пов'язані подвійним ланцюгом, який має відношення кисню до кремнію нижче, ніж у піроксену, і, отже, все ще менше катіонів необхідно для збалансування заряду. Амфібола ще більш дозвільна, ніж піроксена і його склади можуть бути дуже складними. Наприклад, рогобленда може включати натрій, калій, кальцій, магній, залізо, алюміній, кремній, кисень, фтор та іон гідроксилу (ОН −).

    У слюдяних структурах тетраедри кремнезему розташовані в суцільних аркушах, де кожен тетраедр розділяє три аніони кисню з сусідніми тетраедрами. Існує ще більше спільного використання кисню між сусідніми тетраедрами, і, отже, для збалансування заряду структури кремнія-тетраедри в листових силікатних мінералах потрібно менше катіонів. Склеювання між листами відносно слабке, і на це припадає добре розвинене однонаправлене розщеплення у слюд (рис.\(\PageIndex{5}\)). Біотитова слюда може містити залізо та/або магній, що робить її феромагнезіальним силікатним мінералом (наприклад, олівіном, піроксеном та амфіболом). Хлорит - ще один подібний мінерал, який зазвичай включає магній. У слюди мусковита єдиними катіонами є алюміній і калій; отже, це неферомагнезіальний силікатний мінерал.

    Малюнок\(\PageIndex{5}\) Біотита слюда (зліва) і слюда мусковіта (праворуч). Обидва є листовими силікатами і легко розщеплюються на тонкі шари уздовж площин, паралельних листам. Біотит темний, як і інші силікати, що містять залізо та/або магній (наприклад, олівін, піроксен та амфібол), тоді як мусковіт світлого кольору. (Кожен зразок приблизно 3 см поперек.)

    Окрім мусковіту, біотиту та хлориту, існує багато інших листових силікатів (вони ж філлосилікати), багато з яких існують у вигляді фрагментів розміром з глину (тобто менше 0,004 міліметрів). До них відносяться глинисті мінерали каолініт, іліт та смектит, і хоча вони важко вивчаються через їх дуже малі розміри, вони є надзвичайно важливими компонентами гірських порід і особливо грунтів.

    Всі листові силікатні мінерали також мають молекули води в своїй структурі.

    Кварцеві тетраедри скріплюються в тривимірних рамках як в польових шпатах, так і в кварці. Це неферомагнезіанние мінерали - вони не містять ні заліза, ні магнію. Крім тетраедри кремнезему польові шпати включають катіони алюмінію, калію, натрію та кальцію в різних комбінаціях. Кварц містить тільки тетраедра кремнезему.

    Три основні мінерали польового шпату - калієвий польовий шпат (він же K-польовий шпат або К-шпат) та два типи плагіоклазу польового шпату: альбіт (лише натрій) та анортит (лише кальцій). Як і у випадку з залізом та магнієм в олівіні, існує безперервний діапазон композицій (серія твердих розчинів) між альбітом та анортитом у плагіоклазі. Оскільки іони кальцію і натрію майже однакові за розміром (1,00 Å проти 0,99 Å) будь-які проміжні композиції між CaAl 2 Si 3 O 8 і NaAlSi 3 O 8 можуть існувати (рис.\(\PageIndex{6}\)). Це трохи дивно, оскільки, хоча вони дуже схожі за розміром, іони кальцію та натрію не мають однакового заряду (Ca 2+ проти Na +). Ця задача пояснюється відповідною заміною Al +3 на Si +4. Тому альбіт - це NaAlSi 3 O 8 (1 Al і 3 Si), тоді як анортит - CaAl 2 Si 2 O 8 (2 Al і 2 Si), а польові шпати плагіоклази проміжного складу мають проміжні пропорції Al і Si. Це називається «парна заміна».

    Польові шпати з проміжним складом плагіоклази - олігоклаза (від 10% до 30% Са), андезин (від 30% до 50% Са), лабрадорит (від 50% до 70% Са) та бітуніт (від 70% до 90% Са). K-польовий шпат (KalSi 3 O 8) має дещо іншу структуру, ніж у плагіоклази, через більший розмір іона калію (1,37 Å) і через цей великий розмір калій і натрій не легко замінюють один одного, за винятком високих температур. Ці високотемпературні польові шпати, ймовірно, можна знайти лише у вулканічних породах, оскільки нав'язливі магматичні породи досить повільно охолоджуються до низьких температур, щоб польові шпати перетворилися на одну з форм нижчої температури.

    Малюнок\(\PageIndex{6}\) Склади мінералів польового шпату.

    У кварці (SiO 2) тетраедри кремнезему пов'язані в «ідеальному» тривимірному каркасі. Кожен тетраедр пов'язаний з чотирма іншими тетраедрами (з киснем, розділеним на кожному куті кожного тетраедра), і в результаті співвідношення кремнію до кисню становить 1:2. Оскільки один катіон кремнію має заряд +4, а два аніони кисню мають заряд −2, заряд збалансований. Немає необхідності в алюмінії або будь-яких інших катіонів, таких як натрій або калій. Твердість і відсутність розщеплення в кварці виникають внаслідок сильних ковалентних/іонних зв'язків, характерних для тетраедра кремнезему.

    Вправа 2.5 Феромагнезіанние силікати?

    Силікатні мінерали класифікуються як феромагнезіанние або неферомагнезіанние залежно від того, чи є вони залізо (Fe) та/або магній (Mg) у своїй формулі. Ряд мінералів і їх формули наведені нижче. Для кожного вкажіть, чи це феромагнезіальний силікат.

    Мінеральні Формула Феромагнезіальний силікат?
    олівін (Мг, Фе) 2 SiO 4 .
    пірит ФеС 2 .
    плагіоклаз польовий шпат Акаль 2 Сі 2 О 8 .
    піроксену MgSiO 3 .
    гематит Фр 2 З 3 .
    ортоклаз польовий шпат КАЛСі 3 О 8 .
    кварц ІСО 2 .
    амфібола Фе 7 Сі 8 О 22 (ОН) 2 .
    москвич К 2 Ал 4 Сі 6 Ал 2 Про 20 (ОН) 4 .
    магнетит Фр 3 З 4 .
    біотит К 2 фр 4 Ал 2 Сі 6 Ал 4 О 20 (ОН) 4 .
    доломіту (Са, Мг) СО 3 .
    гранат Лт 2 Ал 2 Сі 3 О 12 .
    серпантин Мг 3 Сі 2 О 5 (ОН) 4 .

    Див Додаток 3 для вправ 2.5 відповіді. *Деякі формули, особливо більш складні, були спрощені.

    Описи зображень

    Опис\(\PageIndex{2}\) зображення на малюнку: Іонні радіуси елементів у ангстремах та їх заряди.
    Елемент Іонні радіуси (в ангстремах) Заряджати
    Кисень 1.4 −2 (Аніон)
    Калій 1.37 1 (Катіон)
    Кальцій 1.00 2 (Катіон)
    Натрій 0,99 1 (Катіон)
    Магній 0,72 2 (Катіон)
    Залізо 0,63 2 (Катіон)
    0,49 3 (Катіон)
    Алюміній 0,39 3 (Катіон)
    Кремній 0,26 4 (Катіон)
    Вуглець 0,15 4 (Катіон)

    [Повернутися до малюнка\(\PageIndex{2}\)]

    1. Ангстрем - це одиниця, яка зазвичай використовується для вираження розмірів атомної шкали. Один ангстрем становить 10 −10 метрів або 0.0000000001 метрів. Символ ангстрема - Å. م