18.9. Силікатні мінерали

Мінерали, що утворюють гірські породи й ґрунт, здебільшого є силікатами, які містять, крім того, алюміній. Багато з цих мінералів мають складні формули, що відповідають складним конденсованим силікатним кислотам, від яких вони походять. Ці мінерали можна поділити на три основні класи: мінерали з ґратчастою структурою — з ковалентними зв'язками в усіх трьох напрямках (тверді мінерали, за властивостями подібні до кварцу), шаруваті мінерали — зі зв'язками у двох напрямках (подібні до слюди) і волокнисті мінерали — зі зв'язками в одному напрямку (подібні до азбесту).

Багато силікатних мінералів мають тетраедричну ґратчасту структуру, в якій деякі тетраедри SiO₄ замінені тетраедрами AlO₄. Структура цих мінералів певною мірою нагадує структуру кварцу, але в ній є додаткові іони, зазвичай іони лужних або лужноземельних елементів, що проникають у великі порожнини ґратчастої структури. Звичайний польовий шпат (ортоклаз) KAlSi₃O₈ може правити за приклад алюмосилікатного мінералу тетраедричної будови. Алюмосилікатна тетраедрична ґратка (AlSi₃O₈⁻)_∞ простягається на весь кристал, надаючи йому майже такої самої високої твердості, як у кварцу.

Характерна особливість мінералів із тетраедричною ґраткою полягає в тому, що в них число атомів Оксигену точно вдвічі перевищує суму атомів Алюмінію та Силіцію. У деяких таких мінералів ґратка відкрита, і в ній є досить великі канали, що дають змогу іонам переміщуватися до центра кристала і до периферії. Таку будову мають цеолітні мінерали, які застосовують в установках для пом'якшення води. У міру того як жорстка вода, що містить іони Ca²⁺ і Fe³⁺, омиває зерна такого мінералу, іони кальцію та заліза проникають у мінерал, заміщуючи еквівалентне число іонів натрію.

Деякі важливі мінерали ґрунту є алюмосилікатами: вони мають здатність до обміну основ і завдяки цьому виконують важливу функцію в процесі живлення рослин.

У результаті процесу конденсації за участю трьох із чотирьох гідроксильних груп, що містяться в молекулі силікатної кислоти, можна одержати конденсовану силікатну кислоту складу (H₂Si₂O₅)_∞, яка утворюється у вигляді нескінченного шару, як показано на рис. 18.6. Мінерал гідраргіліт Al(OH)₃ має аналогічну шарувату структуру, до якої входять октаедри AlO₆ (рис. 18.7). В інших шаруватих мінералах, таких як тальк, каолініт (глина) і слюда, є шари складнішої будови; їхня структура містить як тетраедри, так і октаедри.

У тальку й каолініті, формули яких відповідно Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ і Al₂Si₂O₅(OH)₄, шари електрично нейтральні, і вони вільно накладаються один на один, утворюючи кристалічну речовину. Такі шари легко ковзають один відносно одного, чим і зумовлені характерні для цих мінералів властивості (м'якість, легкість розщеплювання, на дотик вони немов мильні).

Рис. 18.6. Ділянка нескінченного шару силікатних тетраедрів, що становлять структуру талька й інших мінералів із шаруватою структурою.

У слюді KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂ алюмосилікатні шари заряджені негативно, і між цими шарами, щоб надати мінералу електричної нейтральності, мають бути присутні позитивні іони — зазвичай іони калію. Електростатичні сили між цими позитивними іонами й негативно зарядженими шарами надають слюді значно більшої твердості, ніж твердість каолініту й талька, проте її шарувата структура лишається яскраво вираженою, завдяки чому слюда легко й правильно розщеплюється на дуже тонкі листки. Листки слюди вставляють у віконця сушарок і печей; їх застосовують також для виготовлення електроізоляційних прокладок у машинах та інструментах.

Інші шаруваті мінерали, такі як монтморилоніт з наближеною формулою AlSi₂O₅(OH)·xH₂O, є істотними складовими частинами ґрунтів; їх використовують у промисловості як каталізатори реакцій перетворення довгих вуглеводневих ланцюгів на розгалужені (у виробництві високооктанового бензину) та для інших спеціальних цілей.

Рис. 18.7. Кристалічна структура алюміній гідроксиду Al(OH)₃. Ця речовина кристалізується у вигляді шарів, що складаються з октаедрів, утворених атомами Оксигену (гідроксильними іонами) навколо атомів Алюмінію. Кожен атом Оксигену належить одночасно двом октаедрам Алюмінію.

У волокнистих мінералах силікатні іони, що мають форму тетраедрів, сконденсовані в дуже довгі ланцюги. Такі кристали легко можуть розщеплюватися в напрямках, паралельних силікатним ланцюгам, але не розколюються в поперечних напрямках. Саме тому кристали таких мінералів надзвичайно легко розпадаються на волокна. Найважливішими мінералами цього типу є тремоліт Ca₂Mg₅Si₈O₂₂(OH)₂ і хризотил Mg₆Si₄O₁₁(OH)₆·H₂O; їх називають азбестами. Поклади цих мінералів у пластах завтовшки до 10 см і більше відкрито, зокрема, в Південній Африці. Добутий азбест розщеплюють на волокна, з яких виробляють повсть, картон, пряжу, тканину та різноманітні вироби, що мають теплоізоляційні й вогнетривкі властивості; завдяки цим властивостям азбест знаходить застосування як конструкційний матеріал.