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. Силикаты и алюмосиликаты представляют 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 íSiO₄ý^-4 (между собой такие тетраэдры непосредственно не связаны, связь происходит через катионы) (рис. 30а) и с изолированными сдвоенными кремнекислородными тетраэдрами íSi₂O₇ý^-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 íSi₂O₆ý^-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 íSi₄O₁₁ý^-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 íSi₂O₅ý^-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 íSiO₂ý⁰. 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 íSi₃O₉ý^-6, íSi₄O₁₂ý^-8 и íSi₆O₁₈ý^-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.

Островные силикаты

Среди островных силикатов с изолированными кремнекислородными тетраэдрами íSiO₄ý^-4 наиболее широко распространенными являются оливин (важный породообразующий минерал в магматических горных породах), гранаты (нередко являются породообразующими минералами метаморфических горных пород, встречаются в магматических и осадочных породах), циркон, топаз, кианит (дистен), андалузит, силлиманит.

Оливин (Mg,Fe)₂íSiO₄ý представляет собой изоморфную смесь форстерита Mg₂íSiO₄ý и фаялита Fe₂íSiO₄ý, назван по оливково-зеленому цвету. Синонимы: хризолит, перидот. «Хризос» по-гречески «золото». Сингония ромбическая. Хорошо образованные кристаллы встречаются редко. Обычно встречается в виде кристаллов, включенных в породу, и зернистых агрегатах. Цвет желтовато-зеленый, но в зависимости от состава может изменяться от светло-желтого до темно-зеленого. Блеск стеклянный. Твердость 6,5-7. Хрупок. Спайность несовершенная. Уд. вес 3,2-3,5 (в зависимости от состава). Излом неровный до раковистого. Ювелирная разновидность прозрачного желтовато-зеленого оливина называется хризолитом. Породообразующий минерал ультраосновных и основных магматических горных пород. Диагностические признаки: цвет, высокая твердость, минеральная ассоциация.Оливин легко разлагается кислотами (даже уксусной) с выделением студневидного кремнезема. Применение. Чисто оливиновые породы представляют собой высококачественное сырье для изготовления огнеупорных кирпичей. Хризолит – полудрагоценный камень.

Гранаты. Группа гранатов объединяет значительное количество минералов – островных силикатов кальция, алюминия, железа, магния, марганца и хрома. Название группы происходит от латинского слова «гранум» - «зерно», а также по сходству с зернышками плода граната. Сингония кубическая. Обычно встречается в хорошо ограненных кристаллах – ромбододекаэдрах. Иногда образует и сплошные зернистые массы. Цвет различный. Главными минеральными видами и разновидностями, которые можно различать по цвету, являются:

· Гроссуляр Ca₃Al₂íSiO₄ý₃, светло-зеленый или зеленовато-бурый. Характерен для скарнов.

· Андрадит Ca₃Fe₂³⁺íSiO₄ý₃, бурый, красный, зеленовато-бурый. Демантоид – прозрачная разновидность андрадита яблочно-зеленого цвета (является драгоценным камнем). Меланит– разновидность андрадита черного цвета,

· Уваровит Ca₃Cr₂íSiO₄ý₃, изумрудно-зеленый. Образует мелкокристаллические корочки. Редок.

· Альмандин Fe₃²⁺Al₂íSiO₄ý₃, красный, розовый, красно-коричневый, фиолетовый. Самый распространенный из гранатов.

· Спессартин Mn₃Al₂íSiO₄ý₃ розовый, красный, желтовато-бурый.

· Пироп Mg₃Al₂íSiO₄ý₃, темно-красный. Характерен для алмазоносных пород (кимберлитов).

Для всех гранатов характерны: Блеск стеклянный. Твердость 7-8. Спайность отсутствует. Уд. вес меняется от 3,4 до 4,3 в зависимости от состава. Диагностические признаки и отличия от сходных минералов: характерная форма кристаллов, высокая твердость, окраска, отсутствие спайности. Применение. Применяются как абразивный материал. Прозрачные гранаты красивой окраски (альмандин, пироп, демантоид, спессартин) используются как полудрагоценные камни в ювелирных украшениях.

Топаз Al₂íSiO₄ý(F,OH)₂ Сингония ромбическая. Кристаллы призматические, хорошо образованные, богатые гранями. На призматических гранях часто обнаруживается грубая вертикальная штриховка. Встречается в виде красивых друз и мелкозернистых агрегатов. Цвет. Бесцветный, водяно-прозрачный, бывает окрашен в светлые оттенки желтого, винно-желтого, голубого, дымчатого, розового цвета. Блеск стеклянный. Твердость 8. Спайность совершенная. Уд. вес. 3,5. Диагностические признаки и отличия от сходных минералов: высокая твердость, совершенная спайность, форма кристаллов и грубая вертикальная штриховка на гранях призмы. От кварца отличается большей твердостью и наличием спайности. Легко электризуется от трения, сжатия, нагревания. Применение. Драгоценный камень. Входит в шкалу Мооса под №8.

Циркон ZríSiO₄ý. Разновидность: малакон - метамиктный, полуразложившийся радиоактивный темноокрашенный циркон. Сингония тетрагональная. Обычно встречается в виде хорошо образованных кристаллов короткостолбчатого, изометрического, реже дипирамидального облика. Цвет. Бывает бесцветным, но чаще окрашен в бурый, желтый, золотистый, буровато-оранжевый цвет. Блеск алмазный. Твердость 7-8. Излом неровный или раковистый. Уд. вес 4,7. Диагностические признаки: От похожего рутила отличается твердостью. От других минералов формой кристаллов, алмазным блеском, высокой твердостью и удельным весом. Применение. Прозрачные, красиво окрашенные кристаллы используются в ювелирном деле. Применяется в приборостроении, является рудой на цирконий.

Кианит (дистен) Al₂íSiO₄ýO. Название от греческого «кианес» - «темно-синий» или «ди» - два, «стен» - сила. Сингония триклинная. Кристаллы удлиненные, пластинчатые, иногда изогнутые. Цвет синий, голубой, иногда белый. Блеск стеклянный. Спайность совершенная. Твердость резко различная в разных направлениях: 4,5 вдоль удлинения кристалла и 6 – в поперечном направлении (важный диагностический признак). Уд. вес 3,6. Применение. Содержащие кианит породы могут быть использованы как высокоглиноземистое сырье при производстве огнеупорных изделий.

Среди островных силикатов с изолированными сдвоенными кремнекислородными тетраэдрамиíSi₂O₇ý^-6 и со структурами смешанного типа наиболее распространенным является эпидот.

Эпидот Ca₂(Al, Fe)₃íSiO₄ýíSi₂O₇ý(OH)O. Сингония моноклинная. Кристаллы удлиненно-призматические, шестоватые. Характерна грубая штриховка вдоль удлинения кристаллов. Часто образует сплошные, зернистые и шестоватые агрегаты. Цвет желто-зеленый, фисташковый. Блеск стеклянный. Твердость 6,5. Уд. вес. 3,5. Диагностические признаки: характерный фисташковый цвет, форма кристаллов и характер минеральных агрегатов.

Кольцевые силикаты

Характеризуются обособлением трех, четырех или шести групп кремнекислородных тетраэдров, образующих, кроме простых колец, также и двухэтажные. Для примера рассмотрим кольцевой силикат с шестерными кольцами – берилл и кольцевой бороалюмосиликат сложного состава – турмалин, в котором наряду с кремнекислородными и алюмокислородными тетраэдрами присутствуют борокислородные тетраэдры.

Берилл Be₃Al₂íSi₆O₁₈ý. Сингония гексагональная. Кристаллы удлиненно-призматические, обычно представляют комбинацию гексагональной призмы и пинакоида. Иногда вес кристаллов достигает нескольких десятков (и даже сотен) килограммов, а длина - более 0,5 м. Цвет зеленый, желто-зеленый, голубой, белый, розовый. Может быть прозрачным, полупрозрачным и непрозрачным. Прозрачные бериллы изумрудно-зеленого цвета называются изумрудами (зеленый цвет обусловлен примесью хрома). Прозрачные, голубые или зеленовато-голубые бериллы (цвета морской воды) - аквамарины. Блеск стеклянный. Спайность несовершенная, излом неровный. Твердость 7,5-8. Уд. вес 2,7. Диагностические признаки: от кварца отличается большей твердостью (оставляет заметную царапину на кварце, являющемся одним из минералов-эталонов твердости шкалы Мооса), от бесцветного и бледно-зеленого флюорита – значительно большей твердостью, отсутствием спайности и формой кристаллов. Применение. Используется как руда на бериллий. Изумруд, аквамарин и другие прозрачные красиво окрашенные разновидности берилла – драгоценные камни.

Турмалин Na(Mg,Fe)₃(Fe, Al)₆[BO₃]₃íSi₆O₁₈ý(OH,F)₄. Сингония тригональная. Кристаллы удлиненные, столбчатые. Характерна штриховка кристаллов вдоль удлинения и поперечное сечение в форме сферического треугольника. Размер отдельных кристаллов может достигать 30-40 см, но обычно кристаллы более мелкие. Радиально-лучистые агрегаты носят название «турмалинового солнца», но гораздо чаще встречаются игольчатые и зернистые агрегаты. Цвет различный: черный, бурый, розовый, зеленый, бесцветный. Разновидности: Шерл – черный (железистый и железо-магнезиальный); дравит – бурый (магнезиальный); рубеллит(«сибирский рубин») – розовый (литиевый, марганцевый); ахроит – бесцветный (щелочной). Кроме того, встречаются полихромные (многоцветные) турмалины – один конец их кристаллов обычно зеленого или зеленовато-бурого цвета, а противоположный конец розовый (см. рис.18). Блеск стеклянный. Твердость 7,5-8. Уд. вес 3,1. Спайность отсутствует. Хрупкий. Обладает пироэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами. Диагностические признаки: характерная форма кристаллов (особенно поперечного сечения) и минеральных агрегатов, высокая твердость, полихромность окраски, отсутствие спайности, минеральная ассоциация. Применение. Рубеллиты – драгоценные камни; прозрачные турмалины используются как пьезокристаллы; при значительных скоплениях турмалин может служить сырьем для получения бора.

Задания.Ознакомившись с минералами эталонной коллекции и методикой работы, студенты выполняют задания по самостоятельному определению (индивидуально, либо коллективно, разбившись на группы по 2-3 человека) к какому структурному подклассу принадлежит каждый из предложенных преподавателем 3-5 образцов силикатов (островные, ленточные и цепочечные, листовые), ориентируясь на их физические свойства и форму кристаллов, а затем самостоятельному определению минералов из учебной коллекции по выбору преподавателя (подклассы островных и кольцевых силикатов)

Оформление работы. Работа выполняется в учебной тетради, где приводятся результаты определения физических свойств каждого образца минерала с указанием его принадлежности к определенному структурному подклассу силикатов и названия.

Контрольные вопросы

1. Какие признаки положены в основу классификации силикатов?

2. Что такое кремне-кислородный тетраэдр?

3. Перечислите главные типы структур силикатов.

4. Приведите примеры островных, цепочечных и ленточных силикатов.

5. Какую форму имеют кристаллы граната.

6. Какого цвета бывает гранат? Перечислите основные разновидности гранатов.

7. Какие физические свойства характерны для большинства островных силикатов?

8. Как отличить бесцветный топаз от кварца?

9. Как отличить эпидот от оливина?

10. Перечислите ювелирные разновидности берилла.

11. Что такое полихромная окраска?

12. Какой островной силикат входит в шкалу Мооса? Назовите его твердость.

Поиск по сайту: