Главная страница  |  Карта сайта  |  Обратная связь  |  Поиск по сайту:
Geologam.ru
Геология Геофизика Минералогия Индустрия Нефть и газ
Подразделы
Все статьи Структура минералов Химические элементы
 
Похожие статьи
Минералы из простых окислов металлов
Минералогия › Структура минералов

Минералы из окислов полуметаллов
Минералогия › Структура минералов

Минералы шпинель и хризоберилл
Минералогия › Структура минералов

Минералы из двуокиси металлов
Минералогия › Структура минералов

Минералы из силикатов алюминия
Минералогия › Структура минералов

Слоистые силикаты: серпентиновые минералы
Минералогия › Структура минералов

Главнейшие вулканические породы и минералы Карадага
Геология › Геология Крыма

Минералы вольфраматы и молибдаты
Минералогия › Структура минералов

Слоистые силикаты: глинистые минералы
Минералогия › Структура минералов

Каркасные силикаты: цеолиты и другие минералы
Минералогия › Структура минералов

 
Доставка букетов цветов в Нефтекумске.
 
 

Минералы из окислов кремния

Главная > Минералогия > Структура минералов > Минералы из окислов кремния
Статья добавлена: Декабрь 2016
            0


При низком давлении кремнезем обычно кристаллизуется в трех формах: кварца, тридимита и кристобалита. Каждый из этих минералов имеет высоко- и низкотемпературную модификацию. Низкотемпературная а-модификация кварца переходит, например, в β-модификацию при 573° С. В свою очередь α-тридимит превращается в β-тридимит между 120 и 160° C, а α-кристобалит в β-кристобалит в интервале температур от 200 до 275° С.

Все три формы кремнезема построены из тетраэдрических групп атомов кислорода в центре которых находятся атомы кремния. Каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния, т. е. тетраэдрические группы сочленяются посредством общих вершин. Поскольку на долю атома кремния приходится лишь половина каждого из окружающих его четырех атомов кислорода, отношение кремний — кислород в SiO2 сохраняется постоянным.

Различия между кварцем, тридимитом и кристобалитом имеют совершенно иной характер, чем различия между высоко- и низкотемпературными формами каждого из этих минералов. Все три минерала построены из тетраэдров, сочленяющихся друг с другом по разным схемам. При переходе высокотемпературной модификации в низкотемпературную характер сочленения тетраэдров не меняется. Симметрия структуры изменяется в результате смещения и вращения тетраэдров без разрыва каких-либо связей. Для высокотемпературных модификаций характерна более высокая симметрия и меньшая элементарная ячейка по сравнению с низкотемпературными модификациями. Так, в α-кварце главная ось — тригональная, а в β-кварце — гексагональная; α-тридимит отличается очень большой гексагональной ячейкой, в то время как β-тридимит имеет небольшую гексагональную ячейку; α-кристобалит обладает тетрагональной сингонией, а β-кристобалит — кубической.

Кварц устойчив до 870° С, тридимит — в интервале температур от 870 до 1470° С, а кристобалит от 1470° С до точки плавления. Переход одной модификации в другую совершается крайне медленно, и факт существования тридимита и кристобалита в виде природных минералов доказывает, что при обычных температурах они могут неопределенно долго оставаться в метастабильном состоянии. С другой стороны, α—β-переход каждого из этих минералов совершается быстро и является обратимым. Устойчивость характера сочленений при обычных условиях позволяет изучать α—β-инверсию тридимита и кристобалита в условиях температур, при которых эти минералы метастабильны.

Кварц, SiO2. Структура кварца исследовалась неоднократно. В ее основе лежит гексагональная решетка с параметрами а 4,90 и с 5,39 Å. На одну элементарную ячейку приходится три молекулы SiO2. Первое полное определение менее сложной структуры β-кварца выполнено Брэггом и Гиббсом в 1925 г., а затем Уайкоффом в 1926 г.



Фиг. 61. Структура β-кварца 
Фиг. 61. Структура β-кварца
Структура, предложенная Брэггом и Гиббсом, изображена на фиг. 61 в проекции на плоскость, перпендикулярную оси с. Каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода, два из которых располагаются несколько выше, а два — ниже атома кремния. Группы тетраэдров размещены по трем слоям на различных уровнях. Связи самого верхнего слоя изображены жирными линиями, нижележащего — более тонкими, а самого нижнего — пунктиром. Затем описанная последовательность слоев повторяется. Хорошо видно, что группы образуют спирали; каждая спираль закручена в одном и том же направлении, указанном на рисунке стрелка шт. Все спирали в правом кварце закручены в направлении, противоположном направлению закручивания спиралей в левом кварце.

Структура β-кварца, изображенная на фиг. 61, содержит гексагональные оси 64, причем одна из них располагается в центре фигуры. Поворот на 60° в сочетании с трансляцией на 1/3 вдоль оси с переводит одну группу в положение следующей. Энантноморфная структура характеризуется присутствием оси 62 с вращением в обратную сторону.

Фиг. 62. Соотношения между β-кварцем и α-кварцем 
Фиг. 62. Соотношения между β-кварцем и α-кварцем
На фиг. 62 показано соотношение между α- и β-кварцем по Гиббсу (Gibbs, 1926). Здесь изображены только атомы кремния; атомы кислорода должны размещаться между каждой парой атомов кремния, как на фиг. 61. При переходе, β-кварца в α-кварц смещение атомов кремнезема нарушает симметрию таким образом, что гексагональная ось превращается в тригональную. Сочленения между тетраэдрическими группами не нарушаются, и кристалл остается правосторонним.


Двойникование кварца. Двойники кварца образуются по одному из четырех законов.


а. Два индивида повернуты один по отношению к другому на 180° вокруг оси с и образуют взаимопрорастающий двойник. Оба кристалла являются либо правыми, либо левыми. При нагревании свыше 570° С двойник α-кварца превращается в монокристалл β-кварца в силу более высокой симметрии последнего. Соответственно монокристалл β-кварца, охлажденный ниже температуры инверсии, может распасться на участки, сдвойннкованные по описанному выше закону. Сопоставление фиг. 62, а и 62, б показывает, что при переходе β-кварца в а-кварц атомы кремния могут смещаться в одном или другом из двух противоположных направлений. Двойники данного типа образуются в результате перемещения разных участков монокристалла в противоположных направлениях.

б. Два индивида сочетаются в результате поворота на 180° вокруг оси с с последующим отражением в базальной плоскости или в плоскости (1120). В таком двойнике один кристалл правый, а другой левый.

Фиг. 63. Двойникование кварца путем отражения в плоскости 
Фиг. 63. Двойникование кварца путем отражения в плоскости
в. Индивиды сочетаются путем отражения в базальной плоскости. Образуется редкий тип двойника, в котором правосторонние и левосторонние индивиды взаимопрорастают. При переходе α-кварца в β-кварц двойники типа б и г остаются двойниками, но становятся идентичными.

г. Два кристалла сочетаются путем отражения в плоскости (1122), которая на фиг. 63 обозначена символами АААА. Брэгг отметил, что при образовании данного двойника атомы кремния (A, B, C) и кислорода (D, Е), которые лежат в этой плоскости или находятся вблизи нее, оказываются общими для двух индивидов. Атомы кремния В и С принадлежат правой вертикальной призме, а атомы В1 и С1 — левой горизонтальной призме. В сдвойникованном кристалле атомы В и В1, С и С1 соприкасаются. Угол между главными осями кварцевых призм, сдвойникованных по этому закону, равен 84°33'.

Фиг. 64. Температурное расширение кварца параллельно и перпендикулярно 
Фиг. 64. Температурное расширение кварца параллельно и перпендикулярно
Температурное расширение кварца. На фиг. 64 отражены результаты интересного исследования Джея (Jay, 1933), изучавшего расширение кварца параллельно и перпендикулярно оси с. Данные получены рентгеновским порошковым методом с точностью 1/30 000. Температура образца оценивалась по расширению эталона серебра в той же камере. Удлинение каждой оси дано по отношению к их длине при 18° С. В интервале значений, которые можно проверить, данные Джея совпадают в пределах ошибок измерения с результатами оптических замеров Рендэлла (Bandall, 1905), Мюллера (Muller, 1916) и Линдмана (Lindman, 1916) для оси с и Линдмана (Lindman, 1916) для направления, перпендикулярного оси с.

Кривые показывают, что коэффициент расширения низкотемпературной модификации все быстрее возрастает с повышением температуры и вблизи точки инверсии линия графика становится почти вертикальной. Температура инверсии, измеренная Джеем (579° С), хорошо совпадает с общепринятым значением (575° С). После точки инверсии кривая переходит в почти горизонтальную прямую. Более того, в действительности с повышением температуры происходит небольшое сжатие кристалла вдоль оси с.


Вопрос о физической природе почти неограниченного расширения, начинающегося непосредственно перед точкой инверсии, представляется весьма интересным.

Тридимит, SiO2. Структура тридимита, впервые исследованная Гиббсом (Gibbs, 1927), недавно была изучена Флемингом и Линтоном (Fleming. Lynton, 1960).

Фиг. 65. Структура β-тридимита 
Фиг. 65. Структура β-тридимита
В основе крупной гексагональной ячейки а-тридимита, содержащей 864 молекулярные единицы SiO2, лежит гексагональная субъячейка с параметрами а 5,01, с 8,18 Å, очень близкими к параметрам истинной элементарной ячейки β-тридимита. Структура, предложенная Гиббсом для β-тридимита, изображена на фиг. 65. Точные положения атомов не определены, но общая схема структуры дана безусловно правильно. Тетраэдрические группировки в гексагональной структуре, как и в других модификациях кремнезема, сочленяются своими вершинами.

Флеминг и Линтон исследовали структуру лишь псевдоячейки α-тридимита и на основе полученных предварительных данных пришли к выводу что все связи Si — О — Si образуют углы 120—140°. Наличие очень крупной элементарной ячейки, очевидно, можно объяснить тесным многократным двойникованием структур с меньшей элементарной ячейкой и более низкой симметрией, как в случае некоторых сульфидов, например дигенита и халькозина, описанных выше.

Кристобалит, SiO2. Уайкофф (YVyckoff, 1925) исследовал структуру β-кристобалита порошковым методом при температуре 290° С.


Фиг. 66. Структура β-кристобалита 
Фиг. 66. Структура β-кристобалита
Структура, предложенная Уайкоффом, изображена на фиг. 66. Атомы кремния размещены так же, как атомы углерода в алмазе, т. е. каждый атом находится в центре группы из четырех соседних атомов. Атом кислорода располагается посредине между атомами кремния. Расстояние Si — O = 1,54 Å. Данные исследования монокристаллов позволили Ньювенкампу (Nieuwehkamp, 1935) прийти к выводу, что атомы кислорода могут либо вращаться вокруг осей Si — Si по круговой орбите с радиусом 0,4 Å, либо распределяться статистически но точкам этих орбит. При таком распределении связи Si — О — Si станут нелинейными, а расстояние Si — О составит 1,59 Å. Эта величина лучше согласуется с данными для других структур кремнезема, чем значение 1,54 Å, полученное Уайкоффом.

Ньювенкамп показал, что а-кристобалит является тетрагональным; среднее расстояние кремний — кислород равно 1,59 Å, а связь Si — О — Si образует угол 150°. Центрированная по грани с элементарная тетрагональная ячейка (а 7,02, с 6,92 Å) ориентирована параллельно кубической ячейке β-кристобалита; параметр а примитивной элементарной ячейки равен 4,97 Å.



Структуры тридимита и кристобалита характеризуются такими же соотношениями, как и структуры с плотнейшей кубической и гексагональной упаковкой или структуры сфалерита и вюртцита. Следовательно, и плотности этих минералов близки. В то же время характер связей в кварце обусловливает значительно более плотную упаковку, о чем говорят значения плотности и показателей преломления.


Коусит, SiO2. Это высокотемпературная форма кремнезема, образующаяся в условиях высоких давлений. Впервые коусит как самостоятельный минерал был описан Л. Коусом в 1953 г. В структуре коусита, определенной Золтаи и Бюргером (Zoltai, Buerger, 1959), кремнекислородные тетраэдры образуют каркас нового типа, несколько напоминающий алюмокремнекислородный каркас полевых шпатов.


Фиг. 67. Часть структуры коусита 
Фиг. 67. Часть структуры коусита
Тетраэдры по четыре сочленяются в кольца двух типов: двойная ось симметрии, параллельная [с], обусловливает возникновение кольца параллельно (001) (фиг. 67), в котором тетраэдры соединены своими вершинами, в то время как за счет центра симметрии при 1/4, 0, 1/4 образуется кольцо параллельно (010) (фиг. 68). Двумя из восьми вершин кольцо каждого типа сочленяется с соседними кольцами; образуются цепи, параллельные соответственно [010] или [101]. Следовательно, можно считать, что структура построена из слоев, состоящих из цепочек и параллельных либо (001), либо (010). В первом случае (фиг. 67) цепи, параллельные [010], не связаны между собой в пределах слоя и сочленяются вершинами колец с цепочками выше- и нижележащих слоев связанных с ними операциями скользящего отражения. Во втором случае (фиг. 68) слой также состоит из изолированных цепочек, направления которых в смежных слоях перекрещиваются, располагаясь вначале параллельно [101], а затем [101]; слои взаимосвязаны. Чтобы наглядней показать слоистость, тетраэдры на фигуре затушеваны. Цифрами 1, 2, 3, 4 отмечено кольцо тетраэдров, общее для двух фигур1

Фиг. 68. Структура коусита 
Фиг. 68. Структура коусита
Опал, SiO2·nH2O, обычно рассматривается как аморфная форма кремнезема. Ранние рентгеновские исследования как будто показали, что в нем отсутствуют какие-либо признаки кристаллической структуры. Дифракционная картина опала характеризуется серией широких интерференционных полос и напоминает рентгенограмму жидкости. Левин и Отт (Levin, Ott, 1933) отмечали, однако, что рентгенограммы многих опалов содержат несколько довольно четких линий. Эти авторы, так же как и последующие исследователи (Florke, 1955; Jones, Segnit, Nickson, 1963), показали, что среди опалов встречаются все переходные формы от действительно аморфных через разупорядоченный тридимит — кристобалит до хорошо раскристаллизованного α-кристобалита. Большая часть драгоценных опалов и гиалитов почти полностью аморфна.

Примечания


1. 1 Недавно была установлена (Chao Е. С. Т., Fahey J. J., Citter J., Milton I. J., Joum. Geophys. Res., 62, 419,1962) новая модификация SiO2, стабильная при высоких давлениях и температурах (Т ~ 1200—1400° С; P > 160 000 атм). Она имеет рутиловый тип структуры с октаэдрическим размещением Si и названа стишовитом.

Приводим характеристику этого минерала.


Источник: «Кристаллическая структура минералов», У. Л. Брэгг, 1967


ОЦЕНИТЕ ПОЖАЛУЙСТА ЗА ЭТУ СТАТЬЮ
+1
ПРЕДЫДУЩИЕ СТАТЬИ
Соединения серы с мышьяком, сурьмой и висмутом
Минералогия > Структура минералов

Скуттерудит и родственные ему структуры
Минералогия > Структура минералов

Пирит, марказит и родственные им структуры
Минералогия > Структура минералов

Моносульфиды, арсениды и антимониды
Минералогия > Структура минералов

Структуры типа акантита
Минералогия > Структура минералов

Сульфиды, арсениды и родственные им соединения
Минералогия > Структура минералов

Соединения класса галоиды
Минералогия > Структура минералов

Элементы класса неметаллы
Минералогия > Химические элементы

СЛЕДУЮЩИЕ СТАТЬИ
Минералы из простых окислов металлов
Минералогия > Структура минералов

Корунд, гематит и ильменит
Минералогия > Структура минералов

Структура минерала перовскит
Минералогия > Структура минералов

Минералы шпинель и хризоберилл
Минералогия > Структура минералов

Минералы из двуокиси металлов
Минералогия > Структура минералов

Минералы из окислов полуметаллов
Минералогия > Структура минералов

Структуры минералов из гидроокислов
Минералогия > Структура минералов

Структура минералов карбонатов
Минералогия > Структура минералов




ССЫЛКА НА СТАТЬЮ В РАЗЛИЧНЫХ ФОРМАТАХ
ТекстHTMLBB Code


Комментарии к статье


Еще нет комментариев


Сколько будет 36 + 39 =

       



 
 
Geologam.ru © 2016 | Обратная связь | Карта сайта | Поиск по сайту
Геология • Геофизика • Минералогия • Индустрия • Нефть и газ