Лабораторная работа № 7 Характеристика, структуры и диагностические признаки минералов класса силикатов и алюмосиликатов. Подклассы островных и кольцевых силикатов
Задача работы. Приобретение и закрепление навыков практического определения наиболее распространенных силикатов и алюмосиликатов.
Учебный материал. Учебная коллекция минералов, шкала твердости Мооса, соляная кислота 10% в капельницах, фарфоровая пластинка, определители минералов. Плакаты (или слайды) со схематическим изображением кремнекислородного тетраэдра и главных структурных типов силикатов и алюмосиликатов.
Методические указания. Силикатыиалюмосиликатыпредставляют собой природные соли кремниевой кислоты (H4SiO4) и являются обширной группой минералов (более 800 минеральных видов). На их долю приходится более 75% всех минералов литосферы. Важность изучения силикатов определяется тем, что, во-первых, многие из них являются ценными полезными ископаемыми, а во-вторых – породообразующими (то есть главными) минералами большинства горных пород. К таким широко распространенным породообразующим минералам относятся, в первую очередь, полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды, оливин, гранаты, нефелин и глинистые минералы. Для силикатов и алюмосиликатов характерен сложный и непостоянный химический состав и изоморфные замещения одних элементов другими. Главными их катионами являются магний, кальций, железо, алюминий, марганец, калий, натрий, а иногда также бериллий, литий, цирконий, титан.
По данным рентгеноструктурного анализа основной структурной единицей силикатов (как бы элементарным кирпичиком) является кремнекислородный тетраэдр. Причем атом кремния находится в центре тетраэдра, а атомы кислорода - в его вершинах (рис. 29).
Рисунок 29. Кремне-кислородный тетраэдр
Размеры тетраэдров очень малы и измеряются ангстремами (десятимиллионными долями миллиметра). Место кремния в некоторых тетраэдрах может занимать алюминий. Такие минералы получили название алюмосиликатов.
В зависимости от пространственного расположения кремнекислородных тетраэдров, силикаты и алюмосиликаты подразделяются на следующие подклассы: островные, цепочечные, ленточные, кольцевые, листовые и каркасные (рис. 30). Подкласс островных силикатов включает два структурных подтипа – силикатов с изолированными кремнекислородными тетраэдрами SiO4-4 (между собой такие тетраэдры непосредственно не связаны, связь происходит через катионы) (рис. 30а) и с изолированными сдвоенными кремнекислородными тетраэдрами Si2O7-6 (так как один ион кислорода у двух тетраэдров общий) (рис. 30б). Сюда же относятся и силикаты со структурами смешанного типа, которых одновременно присутствуют как изолированные, так и сдвоенные кремнекислородные тетраэдры. В минералах подкласса цепочечных силикатов кремнекислородные тетраэдры связаны вершинами и образуют непрерывные обособленные бесконечные цепочки. Радикал некоторых из них (пироксеновая цепочка) будет иметь общий вид Si2O6-4 (так как общими для каждой пары кремнекислородных тетраэдров будут являться 2 иона кислорода) (рис. 30в). В ленточных силикатах кремнекислородные тетраэдры связаны друг с другом в непрерывные бесконечные ленты (имеют вид сдвоенных цепочек). Радикал Si4O11-6 (внимательно рассмотрев рис. 30г, подумайте - почему?). В листовых силикатах тесно связанные между собой кремнекислородные тетраэдры образуют непрерывные бесконечные слои (рис. 30д). Связь между слоями, осуществляемая через катионы, намного слабее, чем связь внутри каждого слоя. Радикал такой структуры Si2O5-2. Каркасные алюмосиликаты - минералы с трехмерными каркасами из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров. В этом случае все анионы кислорода являются общими (рис. 30е).
Каркас, состоящий только из кремнекислородных тетраэдров, был бы нейтральным, так как все валентности кислородов были бы использованы на связи с кремнием. Радикал такого каркаса SiO20. Узнаете? Ведь это формула кварца! (хотя кварц традиционно относится к классу оксидов).
Разнообразие алюмосиликатов каркасной структуры объясняется тем, что наряду с кремнекислородными тетраэдрами в них обязательно присутствуют алюмокислородные тетраэдры. Замена каждого иона четырехвалентного кремния на трехвалентный алюминий вызывает появление одной отрицательной свободной валентности. Обычно отношение Al:Si равно1:3 или 1:1.
Рисунок 30. Структурные типы силикатов: а – островные с изолированными тетраэдрами; б – островные со сдвоенными тетраэдрами; в - цепочечные; г – ленточные; д – листовые; е – каркасные алюмосиликаты; ж – кольцевые
В структуре кольцевых силикатов присутствуют изолированные кольца из трех, четырех или шести кремнекислородных тетраэдров (что сближает их по структуре с островными силикатами). Соответственно, радикалы кольцевых силикатов имеют вид Si3O9-6, Si4O12-8 и Si6O18-12 (рис. 30ж).
Естественно, что физические свойства силикатов и алюмосиликатов находятся в прямой зависимости от их структуры. Островные и каркасные силикаты нередко наблюдаются в виде изометричных кристаллов. Кольцевые, а особенно, цепочечные и ленточные силикаты образуют вытянутые в одном направлении кристаллы призматического и игольчатого облика. Для листовых силикатов типичны уплощенные – таблитчатые и пластинчатые кристаллы с весьма совершенной спайностью.
Наибольшей твердостью (больше 7) отличаются островные и кольцевые силикаты (оливин, гранаты, турмалин, берилл). Каркасные, ленточные и цепочечные силикаты и алюмосиликаты обладают несколько меньшей, но достаточно высокой твердостью (5,5 – 6,5). Слоистые силикаты обычно имеют низкую твердость (1-3,5). Для большинства силикатов типичен стеклянный блеск.