18.9. Силикатные минералы

Минералы, образующие горные породы и почву, в большинстве своем силикаты, содержащие, кроме того, алюминий. Многие из этих минералов имеют сложные формулы, соответствующие сложным конденсированным кремневым кислотам, от которых они произошли. Эти минералы можно разделить на три основных класса: минералы с решетчатой структурой — с ковалентными связями во всех трех направлениях (твердые минералы, по свойствам подобные кварцу), слоистые минералы — со связями в двух направлениях (подобные слюде) и волокнистые минералы — со связями в одном направлении (подобные асбесту).

Многие силикатные минералы имеют тетраэдрическую решетчатую структуру, в которой некоторые тетраэдры SiO₄ заменены тетраэдрами AlO₄. Структура этих минералов в известной мере напоминает структуру кварца, но в ней имеются дополнительные ионы, обычно ионы щелочных или щелочноземельных элементов, проникающие в крупные пустоты решетчатой структуры. Обычный полевой шпат (ортоклаз) KAlSi₃O₈ может служить примером алюмосиликатного минерала тетраэдрического строения. Алюмосиликатная тетраэдрическая решетка (AlSi₃O₈⁻)_∞ простирается на весь кристалл, придавая ему почти такую же высокую твердость, как у кварца.

Характерная особенность минералов с тетраэдрической решеткой заключается в том, что у них число атомов кислорода точно вдвое превышает сумму атомов алюминия и кремния. У некоторых таких минералов решетка открытая, и в ней имеются достаточно большие каналы, позволяющие ионам перемещаться к центру кристалла и к периферии. Такое строение имеют цеолитные минералы, применяемые в установках для умягчения воды. По мере того как жесткая вода, содержащая ионы Ca²⁺ и Fe³⁺, омывает зерна такого минерала, ионы кальция и железа проникают в минерал, замещая эквивалентное число ионов натрия.

Некоторые важные минералы почвы являются алюмосиликатами: они обладают способностью к основному обмену и благодаря этому осуществляют важную функцию в процессе питания растений.

В результате процесса конденсации с участием трех из четырех гидроксильных групп, содержащихся в молекуле кремневой кислоты, можно получить конденсированную кремневую кислоту состава (H₂Si₂O₅)_∞, которая образуется в виде бесконечного слоя, как показано на рис. 18.6. Минерал гидраргиллит Al(OH)₃ имеет аналогичную слоистую структуру, в которую входят октаэдры AlO₆ (рис. 18.7). В других слоистых минералах, таких, как тальк, каолинит (глина) и слюда, имеются слои более сложного строения; их структура включает как тетраэдры, так и октаэдры.

В тальке и каолините, формулы которых соответственно Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ и Al₂Si₂O₅(OH)₄, слои электрически нейтральны, и они свободно налагаются один на другой, образуя кристаллическое вещество. Такие слои легко скользят один относительно другого, чем и обусловливаются характерные для этих минералов свойства (мягкость, легкость расщепления, на ощупь они как бы мыльные).

Рис. 18.6. Участок бесконечного слоя силикатных тетраэдров, составляющих структуру талька и других минералов со слоистой структурой.

В слюде KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂ алюмосиликатные слои заряжены отрицательно, и между этими слоями, чтобы придать минералу электрическую нейтральность, должны присутствовать положительные ионы — обычно ионы калия. Электростатические силы между этими положительными ионами и отрицательно заряженными слоями придают слюде значительно бóльшую твердость, чем твердость каолинита и талька, однако ее слоистая структура остается ярко выраженной, благодаря чему слюда легко и правильно расщепляется на очень тонкие листки. Листки слюды вставляют в окна сушилок и печей; их применяют также при изготовлении электроизоляционных прокладок в машинах и инструментах.

Другие слоистые минералы, такие, как монтмориллонит с приблизительной формулой AlSi₂O₅(OH)·xH₂O, являются существенными составными частями почв; их используют в промышленности в качестве катализаторов реакций превращения длинных углеводородных цепей в разветвленные цепи (при производстве высокооктанового бензина) и для других специальных целей.

Рис. 18.7. Кристаллическая структура гидроокиси алюминия Al(OH)₃. Это вещество кристаллизуется в виде слоев, состоящих из октаэдров, образуемых атомами кислорода (ионами гидроксила) вокруг атомов алюминия. Каждый атом кислорода принадлежит одновременно двум октаэдрам алюминия.

В волокнистых минералах силикатные ионы, имеющие форму тетраэдров, сконденсированы в очень длинные цепи. Такие кристаллы легко могут расщепляться в направлениях, параллельных силикатным цепям, но не раскалываются в поперечных направлениях. Именно поэтому кристаллы таких минералов исключительно легко распадаются на волокна. Наиболее важными минералами этого типа являются тремолит Ca₂Mg₅Si₈O₂₂(OH)₂ и хризотил Mg₆Si₄O₁₁(OH)₆·H₂O; их называют асбестами. Залежи этих минералов в пластах, достигающих толщины 10 см и более, открыты, в частности, в Южной Африке. Добытый асбест расщепляют на волокна, из которых вырабатывают войлок, картон, пряжу, ткань и различные изделия, обладающие теплоизоляционными и огнеупорными свойствами; благодаря этим свойствам асбест находит применение как конструкционный материал.