Листовые силикаты

ЛИСТОВЫЕ  СИЛИКАТЫ

 

 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

К подклассу  слоистых (листовых) силикатов и  алюмосиликатов относятся хорошо известные всем вещества—тальк, слюды, глинистые минералы и др. Многие из них являются породообразующими минералами. Так, слюды как непременный компонент входят в граниты и их пегматиты, в некоторые сланцы и гнейсы, в грейзены. Глинистые минералы являются основной составной частью кор выветривания гранитов, габбро, эффузивов и входят в осадочные горные породы (глины, мергели и др.). Ряд минералов из класса слоистых силикатов и алюмосиликатов широко используется в промышленности: это слюды-диэлектрики — мусковит и флогопит, серпентиновый огнеупорный асбест, природный смазочный материал тальк, тальковый и пирофиллито-вый сланцы как сырье для изготовления футеровки доменных печей. Издавна глины используются как строительный материал и адсорбенты (очистители в разных технических и химических производствах). Глинистые минералы никеля добываются как руда на этот металл.

Кроме того, к  слоистым силикатам (алюмосиликатам) особой структуры и состава относятся  палыгорскит, хризоколла, датолит, пренит и некоторые другие. Они резко отличаются по составу и свойствам от талька, слюд, глинистых минералов.

КРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ 

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

Слоистые силикаты с простыми сетками тетраэдров. Остовом  их структуры являются сетки кремнекислородных  тетраэдров (см. рис. 167). Они располагаются  параллельно друг другу и чередуются с плоскими сетками другого состава, образуя пакеты слоев. Установлено два главных типа пакетов: а) двухслойный 1:1 несимметричный; б) трехслойный 2:1 симметричный (рис. 184).

Несимметричный  пакет типа 1:1 состоит из одной  сетки (слоя, листа) тетраэдров с общей  формулой сетки (81205)2-(ОН)~ и одной  сетки октаэдров, заполненных атомами  

Рис. 184- Два типа пакетов в слоистых силикатах

а—несимметричный  двухслойный 1 : 1; б— симметричный трехслойный 2:1.

магния или алюминия (см. рис. 184, а). Если расчет состава такого пакета вести только на одно исходное кольцо тетраэдров (Si20s)2- (см. с. 204), получим для серпентина формулу Mg3(Si2C>5)(OH)4 (рис. 185). Каждый пакет имеет нулевой суммарный заряд, он скреплен с соседними (верхним и нижним) пакетами слабо, лишь остаточными (вандерваальсовыми) связями. Пакеты несколько смещены (сдвинуты) относительно друг друга. В каждом пакете Mg и А1 занимают октаэдрические позиции, располагаясь между атомами О2- и (ОН)~. В серпентине три таких октаэдра, заполненных катионами (магнием) (см. рис. 185), в каолините их два, заполненных алюминием. Очень часто отмечают, что серпентин — триоктаэдрический слоистый силикат, а каолинит—двуоктаэдрический. Эти термины широко используются.

Рис. 185. Схемы  главных типов структур слоистых силикатов и алюмосиликатов.

В симметричном трехслойном пакете типа 2:1 (см. рис. 184, б) имеется два слоя тетраэдров, обращенных друг к другу вершинами, между ними в октаэдрических пустотах располагается магний или алюминий. Так трактуются структуры талька и пирофиллита (см. рис.185, 186). Суммарный заряд пакетов равен нулю. Соседние пакеты скреплены остаточными связями. Тальк — триоктаэдрический силикат, пирофиллит — двуоктаэдрический.  
 

Рис. 186. Сопоставление  структур алюминиевых слоистых силикатов (Zoltai, Stout, 1989).

В слоистых алюмосиликатах с простыми сетками установлен один тип пакетов — симметричный трехслойный (2:1). В нем чередуются (подобно  тальку и серпентину) слой тетраэдров (Si205)2-(0Н)~, слой октаэдров с магнием  или алюминием, слой тетраэдров (Si20s)2~ (ОН)-. Но в каждом таком пакете часть тетраэдров (однако не более половины) занята алюминием. За счет замены Si4+ на А13+ пакет приобретает заряд. В результате получаем следующие формулы пакетов и их заряды:

из талькового пакета —  

из пирофиллитового  пакета —  

 

Рис. 187. Сопоставление  структур триок-таэдрических и двуоктаэдрических, магниевых и алюминиевых слоистых силикатов и алюмосиликатов.

За счет избыточного  заряда пакетов между ними в структуру входит слой катионов-компенсаторов.

Это могут быть К+, Са2+, комплексный катион. В первом случае получается структура слюд (флогопита и мусковита), во втором — структура хрупких слюд, в третьем — хлоритов. Рассмотрим структуры слюд (обычных) и хлоритов. Хрупкие слюды очень редки, поэтому их структуры описывать не будем.

В слюдах роль катиона-компенсатора играет К+ (натриевые слюды редки). Из структуры талька выводится структура  флогопита, из пирофиллита — структура  мусковита (см. рис. 187). Флогопит — это триоктаэдрическая слюда, мусковит — двуоктаэдрическая. Калий всюду имеет координационное число 12. Он плотно упакован между ионами кислорода, так как имеет равный с ним радиус (по В. М. Гольд-шмидту): 0,133 нм у К+, 0,132 нм у О2-; соотношение RK/Ra равно 1, что идеально отвечает координационному числу 12.

Структуры и  формулы хлоритов выводятся из талькового пакета, роль компенсатора играет слой комплексных катионов. Если взять однозарядный пакет (7) и катион [Mg2Al(OH)6] + , то получается кли-нохлор Mg5Al(AlSi3Oio)(OH)8.

Таковы основные структурные типы слоистых силикатов  и алюмосиликатов с простыми сетками  тетраэдров. Легко сопоставить структуры следующего ряда минералов : каолинит —- пирофиллит — мусковит— хлорит (рис. 186), в них в октаэдри-ческих позициях размещается алюминий. Сравнение структур двуоктаэдрических и триоктаэдрических слоистых силикатов дают пары минералов (рис187): серпентин — каолинит, тальк — пирофиллит, флогопит — мусковит, первые являются триок-таэдрическими, вторые — двуоктаэдричес-кими.

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 устойчивы только при определенных давлениях и температурах и образуются только в определенной химической обстановке. Политипия, как видно, является частным случаем полиморфизма.

Кроме минералов  с указанными выше типами слоистых структур имеются и более редкие представители этого класса минералов. Например, в природе встречаются минералы с волнообразно изгибающимися и завернутыми по спирали слоями (некоторые серпентины и др.). Совершенно особыми по составу и структуре являются так называемые смешанослойные силикаты: они сложены чередующимися пакетами монтмориллонита и слюды, монтмориллонита и талька, хлорита и слюды и т. п.

Главные группы слоистых силикатов и алюмосиликатов представлены в табл 1. В ней даны только наиболее распространенные минералы. Требует пояснения монтмориллонит: некоторые минералы группы монтмориллонита являются силикатами, другие — алюмосиликатами. Что касается литиевых слюд, то, как это обычно в слюдах, межпакетным катионом в них является калий, а литий наряду с алюминием и магнием занимает октаэдрические позиции. В табл. 39 в качестве октаэдрических катионов указаны только магний и алюминий. Однако в минералах некоторых групп широко проявлено замещение магния и алюминия железом, иногда в этих же позициях размещается никель, марганец, хром, титан или ванадий.

Таблица 1. Главные минералы — слоистые силикаты и алюмосиликаты с простыми сетками тетраэдров

Слоистые силикаты со сложными сетками тетраэдров. Имеется  достаточно много редких и относительно редких минералов специфического состава со сложными сетками тетраэдров. Строение этих сеток разное. Наиболее просты структуры сепио-лита и палыгорскита. В них в тетраэдрических сетках тетраэдры периодически развернуты вершинами то "вверх", то "вниз" (рис. 188). Структура чароита более сложна и является промежуточной между слоистой и ленточной. В датолите половина тетраэдров занята не кремнием, а бором, они развернуты в разные стороны (рис. 189).  

Pue. 188. Сопоставление  главных особенностей структур  талька, сепиолита и палыгорскита.  

Рис. 189. Структура  датолита.

МОРФОЛОГИЯ  КРИСТАЛЛОВ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ СИЛИКАТОВ (АЛЮМОСИЛИКАТОВ) С ПРОСТЫМИ СЕТКАМИ ТЕТРАЭДРОВ

Из-за некомпактности кристаллических структур, слабых связей между пакетами лишь редкие минералы из слоистых силикатов и алюмосиликатов встречаются в крупных и хорошо ограненных кристаллах. Явно распознаваемые совершенные кристаллы отмечены лишь у флогопита, мусковита, хрупких слюд и хлоритов, из них крупные (и даже гигантские) кристаллы бывают только у мусковита и флогопита. Они имеют псевдогексагональную симметрию и пластинчатый облик. Реже встречаются бочон-ковидные и столбчатые кристаллы этих минералов. Истинная сингония кристаллов в большинстве случаев моноклинная, а их реальные очертания далеки от совершенных.

Цвет зависит  от наличия в минерале элементов-хромофоров (железа, хрома, марганца), без хромофоров цвет белый. Таковы химически чистые каолинит, серпентин, тальк, пирофиллит, монтмориллонит, флогопит. В присутствии двухвалентного железа минералы приобретают зеленую окраску разной интенсивности (тальк, серпентин, флогопит, хлорит), небольшая примесь трехвалентного железа придает мусковиту чуть коричневатую окраску. Наличие в минералах одновременно двух- и трехвалентного железа обусловливает появление у них грязно-коричневых, черно-коричневых, зелено-черных, черных окрасок, как у железистого флогопита, биотита, лепидомелана.

Очень своеобразна  роль хромофора Ре34", когда он занимает в флогопите позиции  алюминия в слоях тетраэдров: минерал становится ярким рыже-коричневым, необычно меняются и другие его оптические свойства. Такой флогопит даже получил особое название — тетраферрифлогопит (т.е. флогопит с железом в четверной координации).

Примесь хрома  изменяет цвет в зависимости от структуры  минерала. В мусковите появляется яркая зеленая окраска (такая  слюда называется фукситом). Хлориты приобретают' розово-фиолетовый цвет. Марганец, входя в состав литиевых слюд, вызывает их розово-лиловую окраску.

Блеск разный. На гранях кристаллов из-за их несовершенства он матовый или жирный, на плоскостях спайности — стеклянный, у слюд — с перламутровым отливом. В агрегатах блеск жирный, матовый.

У всех слоистых силикатов и алюмосиликатов есть весьма совершенная спайность по пинакоиду, так как пакеты в их структурах связаны друг с другом слабо. Спайные пластинки у слюд (мусковита, флогопита, биотита) упругие; отогнутые по спайности, они притягиваются назад из-за связей, возбуждаемых в них межпакетными катионами калия. У талька, пирофиллита, в которых межпакетных ионов нет, спайные пластинки крошатся, ломаются, но назад не пригибаются.

Твердость минералов  низкая и определяется непрочностью их кристаллических структур. У силикатов (т.е. минералов без межпакетных  катионов) твердость 1-2, из них наиболее мягкие магниевые силикаты, что легко  находит объяснение в большем размере и меньшем заряде магния по сравнению с алюминием (так, тальк жирен на ощупь,а пирофиллит — нет). У слюд за счет межпакетного катиона К+ твердость составляет 2-3, а у хрупких слюд за счет более сильного межпакетного катиона Са2+ или Mg2+ твердость повышается до 4.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ  ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА  И СВОЙСТВ МИНЕРАЛОВ

Дополним общую  характеристику структуры, состава, свойств  минералов, данную в предыдущих разделах этой главы.

Группа серпентина. В эту группу входят полиморфы  — слоистые силикаты магния состава Mgз(Si205)(OH)4. Нередко используется удвоенная химическая фор-  

мула — Mg6(Si40io)(OH)8. Всегда проявлен изоморфизм Mg2+ <— Fe2+, но умеренно. Полиморфы имеют разные названия: лизардит, антигорит, хризотил и т.д. Лизардит имеет идеальную слоистую структуру (см. рис. 185). В антигорите слои построены из групп тетраэдров, развернутых то вверх, то вниз от плоскости слоя (рис. 190, б), в хризотиле слои свернуты в трубку (рис. 190, а). Эти минералы встречаются в скры-токристаллических аморфных на вид, клееподобных массах белого, желтого, зеленого цвета или пестрой окраски. В них в жилках перекристаллизации нередко образуются волокнистые, асбестовидные агрегаты хризотила. Такие волоконца состоят из свернутых в трубку однослойных пакетов серпентина (рис. 191).