Силикатные материалы: Силикатные материалы. Видеоурок. Химия 9 Класс

Содержание

Силикатные материалы и изделия

Категория: Материалы для строительства


Силикатные материалы и изделия

Силикатные изделия представляют собой искусственный каменный материал, изготовленный из смеси извести, песка и воды, отформованный путем прессования под большим давлением и прошедший автоклавную обработку.

В строительстве широкое распространение получили силикатный кирпич; силикатный плотный бетон и изделия из него; ячеистые силикатные бетоны и изделия; силикатный бетон с пористыми заполнителями.

Силикатный кирпич прессуют из известково-песчаной смеси следующего состава (%): чистый кварцевый песок 92—94; воздушная известь 6—8 и вода 7—8. Подготовленную в смесителях известково-песчаную массу формуют на прессах под давлением 15—20 МПа и запаривают в автоклавах при давлении насыщенного пара 0,8 МПа и температуре примерно 175 °С.

При запаривании известь, песок и вода вступают в реакцию, в результате которой образуется гидросиликат кальция, цементирующий массу и придающий ей высокую прочность. Продолжительность цикла автоклавной обработки 10—14 ч, а всего процесса изготовления силикатного кирпича 16—18 ч, в то время как процесс изготовления обычного глиняного кирпича длится 5—6 сут.

Силикатный кирпич выпускается двух видов: одинарный размером 250 X 120 X 65 мм и модульный размером 250 X 120 X 88 мм. Объемная масса силикатного кирпича 1800—1900 кг/м3, морозостойкость не ниже Мрз 15, водопоглощение 8—16% по массе. По прочности при сжатии силикатный кирпич делится на пять марок : 75, 100, ’25, 150 и 200. По теплопроводности силикатный кирпич незначительно отличается от обычного- глиняного и вполне заменяет последний при кладке стен любых зданий, кроме стен, маледящнхея в условиях высокой влажности или подвергающихся воздействию высоких температур (печи, дымовые трубы). По цвету силикатный кирпич светло-серый, но может быть и цветным, окрашенным в массе введением в нее минеральных пигментов.

Изделия из плотного силикатного бетона. Мелкозернистый плотный силикатный бетон — бесцементный бетон автоклавного твердения на основе известково-кремнеземистых или известково-зольных вяжущих — получают по следующей технологической схеме: часть кварцевого песка (8—15%) смешивается с негашеной известью (6—10%) и подвергается тонкому помолу в шаровых мельницах, затем измельченное известково-песчаное вяжущее и обычный песок (75—85%) затворяют водой (7—8%), перемешивают в бетономешалках и затем смесь поступает на формовочный стенд. Отформованные изделия запаривают в автоклавах при температуре 175—190° С и давлении пара 0,8 и 1,2 МПа.

Изделия из плотного силикатного бетона имеют объемную массу 1800—2200 кг/м3, морозостойкость 25—50 циклов, прочность при сжатии 10—60 МПа.

Из плотного силикатного бетона изготовляют крупные полнотелые стеновые блоки, армированные плиты перекрытий, колонны, балки, фундаментные и цокольные блоки, конструкции лестниц и перегородок.

Силикатные блоки для наружных стен и стен во влажных помещениях должны иметь марку не ниже 250.

Изделия из ячеистого силикатного бетона. По способу образования пористой структуры ячеистые силикатные бетоны бывают пеносиликатные и газосиликатные.

Основным вяжущим для приготовления этих бетонов является молотая известь. В качестве кремнеземистых компонентов вяжущего и мелких заполнителей используют молотые пески, вулканический туф, пемзу, золу-унос, трепел, диатомит, трас, шлаки.

При изготовлении ячеистых силикатных изделий пластичную известково-песчаную массу смешивают с устойчивой пеной, прчго- товленной из препарата ГК, мыльного корня и др., или с газооб- разователями — алюминиевой пудрой, а затем смесь заливают в формы и подвергают автоклавной обработке.
Объемная масса пеносиликатных изделий и газосиликатных изделий 300—1200 кг/м3, прочность при сжатии 1—20 МПа.

По назначению ячеистые силикатные изделия делятся на теплоизоляционные объемной массой до 500 кг/м3 и конструктивно-теплоизоляционные объемной массой более 500 кг/м3.

Теплоизоляционные ячеистые силикаты находят применение в качестве утеплителей, а из конструктивно-теплоизоляционных силикатов изготовляют наружные стеновые блоки и панели, а также комплексные плиты покрытий здания.

Изделия из силикатного бетона на пористых заполнителях. В качестве вяжущего силикатного бетона на пористых заполнителях используют тонкомолотые известково-кремнеземистые смеси, а крупными заполнителями служат керамзит, пемза, поризованные шлаки и другие пористые легкие природные и искусственные материалы в виде гравия и щебня. После автоклавной обработки такие бетоны приобретают прочность при сжатии от 3,5 до 20 МПа при объемной массе от 500 до 1800 кг/м3 и из них в основном изготовляют блоки и панели наружных стен жилых и общественных зданий.



Материалы для строительства — Силикатные материалы и изделия

Силикатные материалы и изделия

Силикатные, гипсовые и асбоцементные материалы относятся к безобжиговым изделиям и составляют значительную группу строительных материалов из искусственного камня.

Силикатный кирпич. Материалами для изготовления силикатного кирпича являются чистый кварцевый песок (92 — 95%), воздушная известь (5 — 8%) и вода (около 7%) . Кварцевый песок в производстве силикатного кирпича применяют немолотый или в виде сме­си немолотого и молотого. Допускаются равномерно распределённые глинистые примеси в количестве не более 10%. При таком содержании они несколько повышают удобоукладываемость смеси. Крупные включения глины в песке не допускаются.

Силикатный кирпич изготавливают путем прессования смеси под давлением 15-20МПа с последующим пропариванием в автоклаве под давлением 0,8МПа и температуре 174оС в течении 6-8 часов. Давление плавно поднимают и снижают . Длительность процесса 10-14 часов.

Этот строительный материал по своей форме, размерам и основному назначению не отличаются от глиняного кирпича. Теплоизоляционные качества стен из силикатного и керамического кирпича практически равны, водо-, морозо- и огнестойкость меньше. Морозостойкость М рз -15циклов. Его нельзя использовать для кладки фундаментов, цоколей, наружных стен, помещений с высокой влажностью воздуха, а также для кладки печей. Себестоимость силикатного кирпича на 25…35% ниже, чем керамического.

Кроме силикатного кирпича таким же способом изготовляют золосиликатный (зольный) кирпич, в нём частично или целиком песок заменён золой топлива. Этот кирпич легче силикатного и имеет более низкую теплопроводность. По прочности и стойкости зольный кирпич ус­тупает силикатному. Применяют зольный кирпич для возведения кладки стен зданий малой этажности (до трёх этажей), а также для стен верхних этажей многоэтажных зданий.

Крупноразмерные изделия из силикатного бетона. Силикатным бето­ном называют затвердевшую в автоклаве уплотнённую смесь, состоя­щую из кварцевого песка (70 — 80%), молотого песка (8-15%) и молотой негашеной извести (6 — 10%). Из силикатного бетона маркой не ниже М-150, с при­менением тепловлажностной обработки в автоклаве, изготовляют круп­ные стеновые блоки внутренних несущих стен, панели перекрытий и несу­щих перегородок, ступени, плиты, балки. Элементы, работающие на из­гиб, армируют стержнями и сетками.

Не рекомендуется применять плотные силикатобетонные изделия для фундаментов и других конструкций, работающих в условиях высокой влаж­ности.

Минеральные вяжущие вещества

Минеральные вяжущие вещества получают путем обжига в печах природных каменных материалов (известняка гипса, ангидрита, доломита, магнезита). Куски полученные после обжига , путем помола превращаются в тонкий порошок. Чем меньше размер зерен после помола, тем выше активность вяжущего. Вяжущие вещества при смешивании с водой способны переходить из жидкого (тестообразного) в камневидное состояние.

Вяжущие вещества делятся на две группы:

  1. Воздушные вяжущие вещества, способные твердеть и длительно сохранять свою проч­ность только на воздухе, во влажных условиях они снижают или теряют прочность .

  2. Гидравлические вяжущие вещества, твердеют и длительно сохраняют свою проч­ность не только на воздухе, но и в воде. В отличии от воздушных они имеют более высокую прочность , поэтому шире применяются в строительстве.

К воздушным вяжущим веществам относятся: воздушная известь, гип­совые вяжущие, магнезиальные вяжущие и жидкое (растворимое) стекло. К гидравлическим вяжущим относятся: гидравлическая известь, романцемент, портландцемент и его разновидности.

Вяжущие вещества широко применяются в строительстве для изготов­ления строительных растворов, бетонов, бетонных и железобетонных из­делий.

Кирпичная и каменная кладки, бетон были известны человечеству ещё в доисторические времена, до изобретения им вяжущих веществ. Взамен вяжущих применялось пластическое глиняное тесто, которое, высыхая, превращалось в камнеподобный материал. Так как между глиной и водой никаких химических реакций не протекает, то высохшая и окаменевшая глина под действием воды может снова размокнуть и потерять прочность и связанность. В сухом климате или в условиях, исключающих увлажне­ние, глиняное тесто и в настоящее время используется как заменитель вя­жущих. В наше время глиняные растворы применяются при кладке печей и возведения стен зданий в сухом климате.

Воздушная известь. Строительную воздушную известь получают путем обжига при температуре 1000-1200оС известняков или других горных пород, содержащих углекислый кальций. На строительство известь поступает в виде кусков белого или серого цвета(комовая известь или кипелка). Негашеная известь химически соединяется с водой и образует гашеную (гидратную) известь. При гашении ограниченным количеством воды известь распадается, образуя тонкий порошок, называемый пушонкой. При большом количестве воды образуется известковое тесто. Известь применяют для приготовления строительных раство­ров, в производстве известково-пуццолановых вяжущих, для изготовления силикатного кирпича, силикатных и пеносиликатных изделий, шлакобе­тонных блоков, а также в качестве покрасочных составов. Существенный недостаток воздушной извести – невысокая прочность и малая стойкость во влажных условиях.

Строительный гипс (алебастр) получают путем обжига природного гипсового камня с последующим размолом в тонкий порошок. В зависимости от тонкости помола и прочности строительный гипс делится на три сорта марок 35, 45, 55. Стро­ительный гипс применяют для изготовления стеновых панелей, плит и кам­ней для внутренних перегородок зданий, сухой штукатурки, архитектурно-отделочных деталей. Гипсовые вяжущие вещества применяются в виде гипсового теста в кладочных и штукатурных растворах, бетонах, производ­стве теплоизоляционных материалов, искусственного мрамора и других декоративных изделий. По пределу прочности на сжатие гипсовые вяжу­щие вещества делятся на четыре марки: 50,100, 150,200 . При воздействии влаги прочность затвердевшего гипса значительно снижается , поэтому его применяют в помещениях с влажностью до 60%.

Maгнезиальные вяжущие. Различают два вида магнезиальных вяжу­щих — каустический магнезит и каустический доломит. Применяют магне­зиальные вяжущие для изготовления бесшовных ксилолитовых полов, пе­регородочных плит, плит для облицовки стен, а также ступеней и теплоизо­ляционных изделий и т. п.

Растворимое (жидкое) стекло. Растворимое стекло представляет собой калиевый или натриевый силикат. Натриевое жидкое стекло используется для приготовления кислотоупорного цемента, огнезащитных красок и об­мазок, для закрепления (силикатизации) фунтов, защиты природных ка­менных материалов.

Портландцемент. Является важнейшим гидравлическим вяжущим ве­ществом. Его выпуск составляет около 80% от выпуска всех вяжущих. Высокая прочность, способность быстро твердеть на воздухе и в воде, относительно низкая стоимость сделали портландцемент самым рас­пространённым вяжущим. Его применяют для изготовления бетонных и железобетон­ных конструкций, для строительных растворов высокой прочности. Сырьем для портландцемента служат природные ископаемые – мергеля или смесь из 73% известняка, 25% глины, 2% гипса. Размолотое сырье обжигают и производят помол спекшейся смеси – клинкера в тонкий порошок. Порошок, затворенный водой, образует тесто, которое быстро твердеет в течение первых трех суток и твердение в основном заканчивается на 28 сутки, достигая марочной прочности. При благоприятных условиях прочность бетона на портландцементе продолжает возрастать и может в 2-3 раза превысить марочную (28-суточную). Нормальные условия твердения – это 15 оС и влажная атмосфера. При 0 оС и ниже тесто замерзает, и прочность не увеличивается. Прочность характеризуется маркой. Марку устанавливают по пределу прочности при изгибе и сжатии образцов в виде брусков из цементного раствора состава 1:3 с водой через 28 суток после изготовления. Выпускают портландцемент марок 300, 400, 500 и 600. Хранить цемент в сухом месте не более 6 месяцев. Портландцемент не рекомендуется применять для конструкций, которые будут подвергаться действию напора морской, минеральной или пресной воды.

Силикатные материалы и изделия — Справочник химика 21

    Глава 12 СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ [c.190]

    Спекание — это получение твердых пористых кусков из пылевидных или порошкообразных материалов при их нагреве до температуры ниже температуры плавления / д. Реакции между твердыми веществами без учястия жидкой или газообразной фазы идут очень медленно из-за мало развитой межфазной поверхности Р и малых скоростей диффузии. Фактически прсжышленные процессы спекания в смеси твердых веществ идут с участием газовой или жидкой фазы. Спекание применяется при агломерации руд в порошковой металлургии, в производстве глинозема (оксида алюминия) особенно широко процессы спекания используются в технологии силикатных материалов и изделий — вяжущих веществ, керамики, огнеупоров и др. [c.127]


    Силикатные материалы и изделия из них по объему производства и потребления в народном хозяйстве занимают первое место среди традиционных твердофазных материалов. В значительной степени это объясняется меньшей энергоемкостью и, следовательно, большей экономичностью их производства по сравнению с металлами и полимерными материалами и простотой и неограниченностью сырьевой базы. Так, если на производство стали затрачивается около 9 10 кДж/м , то на производство цемента всего 3 10 ° кДж/м , то есть в тридцать раз меньше. [c.325]

    Химической стойкостью силикатных материалов и изделий называют способность последних сопротивляться воздействию агрессивных сред — кислот, щелочей, воды и др. Определяют химическую стойкость тех материалов и изделий, которые в дальнейшем будут подвергаться воздействию кислот, щелочей и т.д. К таким материалам относятся глины, используемые для производства кислотоупорных изделий, канализационные трубы, стекла, глазурь. [c.104]

    Грандиозный размах строительства в нашей стране и планы ПО увеличению производства силикатных материалов и изделий делают все более актуальным детальное теоретическое изучение процессов, лежащих в основе их получения и службы. [c.3]

    Что является сырьем для производства силикатных материалов и изделий  [c.167]

    Перспективы развития производства силикатных материалов и изделий [c.151]

    Варьируя состав исходных компонентов и направляя технологический процесс в нужную сторону, можно получить тот или иной силикатный материал с желаемыми свойствами. При этом в качестве одного из компонентов шихты могут в известных случаях найти себе применение соответствующим образом подобранные кремнийорганические соединения. Добавки кремнийорганических веществ могут активно влиять на свойства получаемых силикатных материалов и изделий из них, выполняя роль минерализаторов. Они имеют также важное значение в процессе подготовки и оформления полуфабрикатов, изделий, играя роль структурных уплотнителей и пластификаторов для исходных компонентов масс. [c.253]

    Ежегодно в СССР производят несколько сот миллионов тонн других силикатных материалов и изделий из них — цемента, Kepai мики, огнеупоров, кирпича, фаянса, фарфора, асбоцементных изделий. [c.377]

    Во всех отраслях силикатных производств (стеклотехника, керамика, вяжущие вещества) процессы необратимые и сложные. Применение и развитие термодинамики необратимых процессов в силикатных системах должно послужить научной основой для создания оптимальных режимов синтеза и научного обоснования условий работы силикатных материалов и изделий. [c.148]



Тюменский индустриальный университет » Инновационные решения в производствах силикатных материалов автоклавного твердения

Инновационные решения в производствах силикатных материалов автоклавного твердения

При использовании ультрадисперсных пород кварц-полевошпатовых пород возможно получение силикатного кирпича с прочностью 2-х кратно превышающей производимый в настоящее время кирпич, марки по морозостойкости до F100. Повышение эксплуатационных характеристик обеспечивается одновременно с понижением энергоемкости производственных процессов без ухудшения экологических характеристик продукции. Модифицирующие компоненты обеспечивают существенный рост долговечности силикатных материалов.

Осуществление комплексного проекта, в том числе создание новых научных концепций и разработка конкурентоспособных ресурсосберегающих технологий.
Расширение сырьевой базы силикатной отрасли путем внедрения в производство изученных запасов, разработанных схем и технологий добычи алевропелитовых пород ишимской свиты юга Тюменской области.
Проект предназначен для последующей коммерциализации в области индустрии силикатных композитов автоклавного твердения.

В настоящее время в общем объеме стеновых материалов на долю автоклавных приходится около 70%. В Тюменской области функционирует два предприятия с общим объемом производства 300 млн.усл.шт. ячеистобетонных изделий и силикатного кирпича. Данные крупные производственные комплексы являются промышленным потенциалом Тюмени, обеспечивая материалами и изделиями строительные фирмы всей Тюменской области, а так же ряд других Российских регионов.
Современные научно-практические решения пока не позволяют обеспечить снижение плотности ячеистого бетона без утраты его конструкционных характеристик, а так же повысить трещиностойкость и решить вопрос долговечности силикатного кирпича. Подобная ситуация складывается по всем российским производствам данного сегмента. Необходимость внедрения ресурсосберегающей технологии обусловлена общегосударственной политикой по экономии материально-технических ресурсов, а так же продиктована ростом цен на энергоресурсы и транспортные расходы.

В связи с необходимостью избежать краха силикатных заводов, что предсказывают аналитики, существует острая необходимость в разработке и внедрении на производстве инновационных решений, обеспечивающих повышение эксплуатационных характеристик выпускаемой продукции и снижение расхода топлива энергетических ресурсов.
Согласно стратегии развития Тюмени и Тюменской области актуальным вопросом является разработка технологий с вовлечением в производственный процесс не традиционных местных сырьевых ресурсов.

Цель НИОКР: Разработка комплексного инновационного проекта по производству силикатных материалов автоклавного твердения

Задачи НИОКР:

  1. Анализ современных российских и международных научно-практических решений по повышению эффективности производства и получение силикатных материалов с высокими эксплуатационно-техническими характеристиками.
  2. Провести широкомасштабные исследования и выявить основные факторы управления процессами структурообразования и управление свойств силикатных композитов.
  3. Произвести выбор и обоснование, разработать технологии подготовки кремнеземистых и алюмо-кремнеземистых компонентов, модифицирующих добавок в сырьевые смеси.
  4. Обосновать роль алевропелитовых пород в формировании структуры и свойств силикатных композитов.
  5. Произвести геологоразведочные работы и обеспечить изучение месторождений по категории А.
  6. Расширить объем геолого-разведочных работ по поиску маршалитовых и алевропелитовой пород Уральского региона.
  7. Теоретически обосновать и изучить на малых опытных партиях влияние ультрадисперсных материалов на процессы транспортабельности, уплотняемости смеси и создания цветовой палитры готового изделия.
  8. Разработать технологические параметры производства, включая все процессы: гомогенизации смеси, формования изделий, поризации ячеистобетонной массы, резки массива и гидротермального твердения.
  9. Произвести опытно-промышленные испытания и подтвердить технико-экономическую эффективность разработанных научных решений.
  10. Подтвердить по результатам испытаний опытной партии , что созданный по инновационному проекту силикатный кирпич характеризуется высокой долговечностью и другими эксплуатационно-техническими характеристиками.

Методологическая основа и методы исследования:

В процессе исследований предусмотрено применение комплекса взаимодополняющих физико-химических методов исследования состава, структуры и свойств силикатных материалов: растровой сканирующей микроскопии, рентгенофазового анализа, локального спектрального анализа, лазерной дифракции размера частиц и ряд других стандартных анализов и методик.
В целях направленного регулирования прочности, водостойкости, водопоглощения, морозостойкости силикатного камня большое внимание уделено исследованиям, связанным с выявлением особенностей синтеза гидратных фаз.

Сущность и степень новизны НИОКР:

Анализ научно-практических и патентных данных показывает, что подобные технологии не реализуются в международной и российской практике. Применяемый продукт не требует энергоемкого процесса помола. Существующее оборудование не позволяет получить материалы подобной дисперсности.
Предыдущие этапы исследований позволяют сделать выводы о высокой реакционной способности к процессам синтеза и структурообразованию, оптимальной поровой структуры с устойчивыми новообразованиями.

Ожидаемый научный и научно-технический результат НИОКР:

1.Новое положение о синтезе и процессах структурообразования силикатных композитов.
2. Концепция по долговечности силикатных композитов.

Предполагаемый научный и научно-технический продукт, предназначенный для реализации:  2 патента на изобретение, комплексный проект ресурсосберегающей технологии.
Потенциал коммерциализации научного проекта, в рамках которого выполняется НИОКР: 
Предприятия по выпуску силикатных материалов Тюменской области и в целом по России.

Практическая значимость НИОКР и проекта в целом:

В настоящее время наблюдается неуклонный спад производства силикатного кирпича, альтернативной продукции в регионе нет. Если допустить уменьшение объемов на наших действующих предприятиях, то это приведет к росту поставок стеновых материалов из других регионов России, объем поставок может превысить 100 млн. усл. шт. кирпича.
Массовое использование ячеистобетонных изделий сдерживается ограниченными конструкционными характеристиками продукции. Внедрение разработанных технологий обеспечит эффективность производства и сохранит темпы строительства, существенно повысив долговечность и надежность строительных объектов при одновременном решении вопросов по стабильности ценовой политики, т.е. данные силикатные материалы имеют высокую конкурентную способность по цене позволит обеспечить эффективное применение местных природных сырьевых ресурсов. Предварительные технико-экономические расчеты позволяют заявить о высокой эффективности разрабатываемых проектных решениях.
Для ТИУ внедрение инновационных технологий будет способствовать повышению авторитета и формированию как центра реальной научно-технической информации. Публикации в международных изданиях так же повышают рейтинг ВУЗа.

Возможности реализации инновационного проекта на территории Тюменской области:

Возможность реализации рассматривается для конкретного предприятия, где будет апробация результатов. В дальнейшем на основании поступающих предложений от производителей силикатного кирпича будет обеспечено расширение сферы применения, а так же внедрение разработанных в процессе проекта технологий механохимической активации кварцсодержащего и техногенного сырья. (Мордовская республика; Татарстан; Брянская и Владимирская области).

Имеющийся задел для НИОКР:

Актуальность и новизна исследований, выполненных ранее по теме проекта, подтверждены патентом на изобретение и публикациями в 2 статьях, индексируемых Scopus, 3 статьях, индексируемых ВАК и обсуждением результатов, актуальности и перспектив внедрения, полученных на завершенном этапе, научных данных на международной конференции СИЛИКАТЕК (10-12 октября 2018г).
Полученные результаты исследований докладывались на международных конференциях в городах: Кемерово, Владивосток, Москва, Томск, Челябинск.

Научный коллектив проекта:

  • Руководитель: Зимакова Галина Александровна, доцент, к.т.н., зав. кафедрой СМ, Опыт более 40 лет. По тематике проекта: 2 патента на изобретение, 5 докладов на международных конференциях, 2 статьи Scopus, 6 статей ВАК, более 30 статей РИНЦ
  • Солонина Валентина Анатольевна, к.т.н., доцент кафедры СМ, Опыт более 20 лет. По тематике проекта: 2 патента на изобретение, 2 доклада на международных конференциях, 2 статьи Scopus, 3 статьи ВАК, более 20 статей РИНЦ
  • Константинов Александр Олегович, педагог ДО, НОЦ «Геология нефти и газа» ТИУ, Литолого-петрографические и геохимические исследования алевропелитовых пород Ишимской свиты. Опыт полевых геологических изысканий. По тематике исследований: 10 статей WoS.
  • Новоселов Андрей Андреевич, педагог ДО, НОЦ «Геология нефти и газа» ТИУ, Литолого-петрографические и геохимические исследования алевропелитовых пород Ишимской свиты. Опыт полевых геологических изысканий. По тематике исследования: 1 статья WoS и 2 статьи ВАК.

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Материаловедение. Силикатные материалы — презентация онлайн

1. Дисциплина «Материаловедение и электрорадиоматериалы», лекция 3.1

Силикатные
материалы

2. УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:

• 1. Силикатные материалы.
Классификация силикатных материалов.
• 2. Бетоны на основе силикатных
вяжущих: структуры и свойства.
• 3. Плавленные силикаты: структура,
свойства, области применения.
• 4. Керамические материалы. Кислородная
(оксидная) и бескислородная керамика:
структура, свойства, области применения.
Глиняные кирпичи

3. Литература

• Валуев
Н.П.,
Муров
В.А.,
Пушкин
И.А.
Материаловедение
и
безопасность
материалов.
Неметаллические материалы. – Учебник. — Химки: АГЗ
МЧС России, 2013 г., 202 с., с. 7 — 65.

4. 1. Силикатные материалы.

• Силикаты — это соединения различных элементов с
кремнеземом (оксидом кремния), в которых он играет роль
кислоты. Структурным элементом силикатов является
тетраэдрическая ортогруппа [SiO4]-4 с атомом кремния Si+4 в
центре и атомами кислорода O-2 в вершинах тетраэдра. Тетраэдры
в силикатах соединены через общие кислородные вершины в
кремнекислородные комплексы различной сложности в виде
замкнутых колец, цепочек, сеток и слоев. В алюмосиликатах,
помимо силикатных тетраэдров, содержатся тетраэдры состава
[АlО4]-5 с атомами алюминия Аl+3, образующие с силикатными
тетраэдрами алюминий-кремнийкислородные комплексы.
• Силикатными материалами называются материалы
из смесей или сплавов силикатов, полисиликатов и
алюмосиликатов. Это твердые кристаллические или аморфные
материалы, и к силикатам иногда относятся материалы, не
содержащие в своем составе оксидов кремния

5. Классификация силикатных материалов

6. Классификация силикатов(2)

Стекло — материал содержащий максимальное количество диоксида
кремния, образующего ячеистую структуру в которую включаются катионы
различных металлов, определяющие цвет стекла. Обычное стекло –
результат сплавления смеси кварцевого песка (SiO2), соды (Na2CO3)
и карбоната кальция(CaCO3). В результате получается соединение состава
Na2O·CaO·6SiO2.
Керамика — (др.-греч. κέραμος — глина) — изделия из неорганических
материалов (например, глины) и их смесей с минеральными добавками,
изготавливаемые под воздействием высокой температуры с последующим
охлаждением.
Цемент и др. вяжущие материалы — (лат. caementum — «щебень, битый
камень») — искусственное неорганическое гидравлическое вяжущее
вещество. Один из основных строительных материалов.При взаимодействии
с водой, водными растворами солей и другими жидкостями образует
пластичную массу, которая затем затвердевает и превращается
в камневидное тело. Имеет наименьшее содержание диоксида кремния.

7. 2. Бетоны на основе силикатных вяжущих: структуры и свойства.

• При взаимодействии с водой, водными растворами солей и
другими жидкостями цемент образует пластичную массу, которая
затем затвердевает и превращается в камневидное тело. В
основном используется для изготовления бетона и строительных
растворов. Цемент является гидравлическим вяжущим и
обладает способностью набирать прочность во влажных
условиях, чем принципиально отличается от некоторых других
минеральных вяжущих — (гипса, воздушной извести), которые
твердеют только на воздухе.
• Марка цемента — условная величина, которая обозначает, что
прочность при сжатии будет не ниже обозначенной марки (200,
300, 400, 500, 600)
• Цемент для строительных растворов изготавливают совместным
помолом портландцементного клинкера, активных минеральных
добавок и наполнителей. Клинкер – промежуточный продукт при
производстве цемента. Примерный состав 67% СаО, 22% SiO2,
5% Al2О3, 3% Fe2O3, 3% других компонентов.

8. 3. Плавленные силикаты: структура, свойства, области применения.

Плавленными силикатами называют силикатные материалы, образующиеся
при расплавлении и застывании стеклообразной массы. Это глазури, эмали,
ангобы
Глазурь (нем. Glasur, фр. glaçure) — стекловидное покрытие на поверхности
керамического изделия. Кроме того, глазурью также называют исходный
материал или смесь материалов, которые после нанесения на керамическое
изделие и обжига дают соответствующее покрытие. В древней Руси глазурь
также называли поливой.
Эмаль — тонкое стекловидное покрытие на поверхности металла, получаемое
высокотемпературной обработкой.
В переносном смысле эмалями нередко называют практически все
стекловидные покрытия по металлам, используемые в бытовых целях
(эмалированная посуда, ванна и т. д.).
Ангоб (фр. engobe) — покрытие из жидкой глины, которое наносят на
поверхность изделия до его обжига в виде сплошного или частичного
покрытия для получения более гладкой поверхности, маскировки
нежелательной окраски изделий..

9. 4. Керамические материалы. Кислородная (оксидная) и бескислородная керамика: структура, свойства, области применения. Глиняные

кирпичи.
Образуется в результате обжига и удаления связанной воды.
Кислородная керамика получается на основе чистых окислов Al2O3, ZrO2, MgO,
CaO, BeO, ThO2, UO2 и т.д. Структура однофазная, пористая, стекловидная,
прочная на сжатие, хрупкая на удар и растяжение, не подвержена окислению.
Керамика на основе корунда (Al2O3) обладает высокой прочностью до 12000С,
химически стойка, отличный диэлектрик, хороший инструментальный материал с
красностойкостью до 12000С, твердостью 92-93 НRС. Из корундового материала
(микролита ЦМ-232) изготавливают резцовые пластинки, фильеры, насадки,
сопла, матрицы, подшипники, свечи зажигания, тигли для плавки металла и т.д.
Из циркониевой керамики (ZrO2) изготавливают тигли, покрытия для металлов,
футеровку печей.
Керамика из MgO, CaO хорошо стоит в печах при основных шлаках и
используется для изготовления тиглей, футеровки печей.
Бериллиевая керамика отличается высокой теплопроводностью, очень
термостойкая, рассеивает ионизирующее излучение высоких энергий, замедляет
тепловые нейтроны, используется в полупроводниках.
Керамика на основе урана, тория имеет высокую температуру плавления,
плотность, удельный вес, радиоактивность. Делают тигли для плавки радия,
платины, иридия.

10. Бескислородная керамика (1)

• представляет собой соединения металлов с углеродом — карбиды, с
бором — бориды, с азотом — нитриды, с кремнием — силициды и с
серой — сульфиды. Эти соединения отличаются высокой
огнеупорностью,
твердостью
и
износостойкостью,
но
достаточно хрупки.
• Карбиды обладают высокой твердостью, устойчивостью к кислотам
и неустойчивостью к щелочам, высокой жаростойкостью.
• Наибольшее применение получила керамика из карбида кремния
SiC (карборунд).
• В качестве инструментального материала карборунд применяется
для изготовления абразивных инструментов (шлифовальных кругов,
брусков и др.). Теплостойкость карбидов кремния составляет 1300—
1400 “С.
• Бориды обладают высокой твердостью, износостойкостью,
стойкостью к окислению и высокой электропроводностью. Керамику
из боридов TiB2, ZrB2 используют в качестве покрытий, повышающих
твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

11. Бескислородная керамика(2)


Нитриды имеют низкую электропроводность и более низкую твердость и
прочность, чем карбиды и бориды.
Нитрид бора a-BN с гексагональной графитоподобной структурой
(«белый графит») является хорошим диэлектриком при 1800 °С в
бескислородной среде.
Нитрид бора P-BN с кубической структурой (эльбор), по твердости
близкий к алмазу, широко применяется в качестве инструментального
материала. На основе кубического нитрида бора получают
композиционные сверхтвердые материалы.
Нитрид кремния Si3N4 по удельной прочности при высоких температурах
превосходит все конструкционные материалы; как износостойкий и
жаропрочный материал, стойкий против коррозии и эрозии, применяется в
двигателях внутреннего сгорания (головки блока цилиндров, поршни
камеры предварительного сгорания для дизеля и др.).
Силициды отличаются окалиностойкостыо и стойкостью к действию
кислот и щелочей. Из керамики на основе дисилицида молибдена (MoSi2)
изготавливают лопатки газовых турбин

12. Благодарю за внимание!

[email protected] mail.ru

Влагостойкость силикатных материалов от SiMAT Каменск-Уральского завода строительных материалов


При выборе строительных материалов не мало важным для покупателя является прочность, звукоизоляция, экологичность и наконец влагостойкость. Именно о влагостойкости силикатных материалов пора рассказать всю правду и развеять все сомнения.

Долгое время, а именно где-то в 40-х годах зародилось мнение о низкой водостойкости и морозостойкости силикатных изделий. Это бесспорно обусловлено на тот период не развитыми технологиями производства, не доведенная в процентном соотношении до совершенства масса, а в последующем и сами силикатные изделия. Однако уже в 60-х годах Б.Г. Скрамтаевым, И.А. Якубом и А.Т.Королевой были произведены научные исследования водостойкости автоклавных силикатных материалов. Установлено что у образцов после 30 — и 90- суточного прибывания в воде уменьшается предел прочности при сжатии по сравнению с первоначальной. Для возможности восстановления прочности часть образцов после 30-суточного храниения в воде выдерживали в течении 60 сут в воздушно — сухих условиях. В следствии чего предел прочности при сжатии восстанавливался. Итак чем же это обусловлено: при хранении образцов в воде она проникает в структуру, разъединяя частицы и нарушая сцепление между ними, но воздушно-сухие условия, при которых вода удаляется происходит восстановление структуры материала, а соответственно и его прочности.

На сегодняшний день производство силикатных изделий давно шагнули в перед. Полностью автоматизированное оборудование, доведенная до совершенства консистенция массы силикатных изделий может твердо заявить о своей прекрасной влагостойкости и морозостойкости. В настоящее время имеются данные о проведенных исследованиях многих заводов строительных материалов (ОАО «Ярославский завод силикатного кирпича» ООО «Комбинат строительных материалов», ОАО «Силикат» ООО «Инвест-силикат-стройсервис»), и наконец ООО «Каменск-Уральским заводом строительных материалов SiMAT. Результаты определения водостойкости силикатного кирпича, даже после 100 циклов попеременного увлажения-высушивания определили, что прочность кирпича в сухом состоянии практически не изменилась, при этом произошло повышение плотности силикатного камня.

Увеличение плотности силикатного кирпича свидетельствует о том, что при воздействии попеременного увлажнения-высушивания, по крайней мере до 100 циклов, из силикатного камня не только не вымывается Ca(OH)2, а происходит дальнейшая гидратация извести с взаимодействием песка, что приводит к увеличению содержания гидросиликатов кальция.. Иными словами силикатная продукция набирая влагу распределяет ее по всей структуре и не задерживает т. е. Не скапливает в одном месте, а при высыхании взаимодействуя с водой силикатный камень приобретает большую прочность.

Касаемо стойкости силикатных материалов в оде и агрессивных средах подтвердились факты, научно исследовательской лаборатории Ассоциации производителей силикатных изделий   выше изложенных.

Прочность образцов, подвергшихся воздействию солевого раствора снижается первые два месяца, далее возрастает до начальной, последующие месяцы наблюдается постепенное снижение, после 8 месяцев стабилизируется и заметно снижается на 12-ом. После непрерывного пребывания в артезианской воде и растворе солей прочность образцов снижается на 21% и 40% соответственно. Коэффициент стойкости силикатных материалов 0,79 в артезианской воде следует признать достаточно высоким. В реальных условиях практически исключено воздействие столь агрессивной среды на части здания, даже ниже нулевого цикла, в течении такого времени. Таким образом силикатные материалы обладают достаточной стойкостью к минерализованным грунтовым водами, что говорит о возможности использования в практике строительства силикатных изделий в помещениях с влажным и мокрым режимом эксплуатации для кладки наружных и внутренних стен подвалов, цоколей и фундаментов.

Испытания силикатных материалов в горячей воде и вовсе опровергают все мифы. Установлено , что прочность образцов первые два месяца снижается при испытании во влажном состоянии. Далее, через 4 месяца прочность возрастает до начальной и выше. После шести месяцев нахождения в горячей воде прочность снизилась на 7,4% ( при влажном состоянии), а высушенные образцы и вовсе не изменили своих характеристик, так же масса в воде увеличивается. Коэффициент стойкости кирпича в горячей воде даже после шести месяцев остается высоким 0,93, а после высыхания равен 1. Эти показатели находятся на уровне стойкости силикатных изделий в холодной воде. Весь без исключения кирпич после воздействия горячей воды по всем показателям соответствует ГОСТ 379-2015. Опасения по поводу разрушающего действия горячей, равно как и кипящей воды, абсолютно напрасны.

Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что силикатные материалы заслужили достойную репутацию, с гордостью отвечающие всем строительным требованиям.

Стеновые автоклавные силикатные материалы пониженной теплопроводности с гранулированными заполнителями Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.973

В.В. СТРОКОВА, д-р техн. наук, И.В. ЖЕРНОВСКИЙ, канд. геол.-минер. наук, А.В. МОСЬПАН, А.В. МАКСАКОВ, инженеры,

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Стеновые автоклавные силикатные материалы пониженной теплопроводности с гранулированными заполнителями

Высокая потребность строительной отрасли в эффективных теплоизоляционных строительных материалах для массового жилищного и примышленного строительства выдвигает требование улучшения их эксплуатационных теплофизических характеристик. При этом особую значимость приобретает выбор заполнителей, способных существенно снизить теплопроводность традиционных стеновых материалов — силикатных автоклавных на основе известково-песчаного вяжущего и бетонных на основе цемента.

Если для строительных материалов на основе цемента создана и применяется весьма обширная номенклатура природных и искусственных заполнителей с широким спектром потребительских свойств по экономичности, прочности, пористости, теплопроводности и др., то для силикатных материалов автоклавного твердения выбор невелик. Ассортимент легких природных заполнителей неширокий и характеризуется явно выраженной региональной привязкой, неизбежно повышающей транспортную составляющую себестоимости товарного материала. Получение искусственных легких заполнителей, как правило, связано с энергозатратными термическими процессами обжига, вспучивания либо вспенивания.

Производимые легкие заполнители существенно отличаются по физическим и химическим свойствам от бетонных и силикатных матриц. Коэффициенты термического расширения, водопоглощение и др. отличаются на порядок и более, что разупрочняет контактную зону матрица—заполнитель и уменьшает атмосферостойкость стеновых изделий в целом. Используемые в настоящее время заполнители для стеновых материалов не защищают их от насыщения влагой. Сорбционная влажность стеновых материалов достигает 8—12 мас. % и существенно ухудшает их теплоизолирующие свойства [1].

На кафедре «Строительные материалы, изделия и конструкции» БГТУ им. В.Г. Шухова разработаны новые активные гранулированные заполнители (АГЗ), взаимодействующие с матрицей стенового материала при гидротермальной и автоклавной обработках.

Активный гранулированный заполнитель размером гранулы 1,5—10 мм состоит из ядра и защитной оболочки. Ядром является совместно молотая, гранулированная смесь из кремнеземистого компонента и гидрокси-да щелочного металла. Защитная оболочка вокруг ядра гранулы, состоящая из молотой извести и кремнефто-ристого натрия, не позволяет водорастворимому гид-роксиду щелочного металла перейти в раствор при приготовлении смеси, формовании и твердении бетонных либо силикатных изделий. Кремнефтористый натрий обеспечивает достаточную водостойкость АГЗ. Использование полученных гранул при получении стеновых материалов показывает, что их потребительские характеристики можно изменять в широком диапазоне [2, 3].

Модифицирующее действие АГЗ проявляется в том, что после гидротермальной обработки стенового изде-

лия четкая граница между заполнителем и матрицей изделия не наблюдается, так как гидросиликаты натрия по мере образования в ядре гранулы проникают сквозь защитную оболочку и насыщают матричный материал на глубину 2—3,5 мм, омоноличивая, упрочняя и герметизируя формирующуюся при этом пору с небольшими остатками непрореагировавшего материала. При этом чем больше в исходном сырье ядра гранулы кремнезема в аморфном состоянии, тем полнее протекает растворение ядра и тем изолированнее получаются поры и соответственно снижается теплопроводность получаемого стенового изделия.

При концентрации АГЗ 40 мас. % образующаяся замкнутая пористость и модификация матрицы в меж-поровом пространстве новообразованиями гидросиликатов натрия позволяют уменьшить сорбционную влажность силикатных материалов на 40%, а бетонов — на 42% по сравнению с бездобавочными материалами (рис. 1).

Анализ изменений прочностных показателей силикатного материала и бетона показывает, что снижение прочности в силикатном композите в результате введения АГЗ происходит гораздо медленнее, чем в бетонном (рис. 2).

Формирование замкнутой пористости в изученных строительных композитах приводит к существенному снижению теплопроводности: в бетонных изделиях при содержании АГЗ 60 мас. % снижение теплопроводности наблюдается в 3 раза, в силикатных изделиях — в 7 раз (рис. 3).

Рентгенограммы силикатных автоклавных материалов, с одинаковым исходным составом вяжущего (20 мас. % кварца и 80 мас. % извести), с АГЗ и без них, приведены на рис. 4. Как видно, фазовый состав материала представлен кварцем, портландитом и кальцитом. Селективных отражений других кристал-

10

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

о О

1

2

3

4

1 1 1 1 1 1

30

40 50 60 70 80 90 100 Относительная влажность воздуха, %

Рис. 1. Зависимость сорбционной влажности стеновых материалов от относительной влажности воздуха: 1 — бездобавочный силикатный; 2 -бетонный; 3 — силикатный с добавкой 35 мас.ШЫ *

20 30 40 Содержание, мас. %

60

Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии бетонных (?) и силикатных (2) стеновых материалов от содержания в них АГЗ

1

0,9 0,8

20 30 40 Содержание, мас. %

60

Рис. 3. Зависимость теплопроводности стеновых материалов на основе цементного (?) и силикатного (2) вяжущего в зависимости от содержания в них АГЗ

28 34 40 46 52 58 20, град

Рис. 4. Сравнительная диаграмма рентгенограмм силикатных автоклавных материалов: ? — без АГЗ, 2 — с АГЗ.-Н новообразований (с1=3,04 А и с1=2,8 А, ICDD №33-0306)

лических компонентов не зафиксировано. Характерной особенностью рентгенограммы образца материала с гранулами является присутствие интенсивной фоновой составляющей рентгеновского рассеяния в интервале углов дифракции 20=28—32° (съемку проводили на излучении Cu-анода). Основываясь на предположении, что причиной появления заметной фоновой составляющей дифракционного спектра на этих углах является рентгеновское рассеяние на нано-размерных (полукристаллических) C—S—H образованиях, был проведен полнопрофильный количественный РФА с использованием программы DDM v. 1.8 (derivative difference minimization) [4]. DDM-алгоритм, реализованный в этой программе, основан на минимизации производных разностной кривой экспериментального и расчетного профиля рентгенограммы. Он позволяет не учитывать в расчетных процедурах форму линии фона, при этом разностная кривая, по сути, представляет фоновую составляющую рентгенограммы. Максимумы интенсивности на этой кривой в интервале углов дифракции 20=28-32о соответствуют полукристаллическим гидр о силикатам кальция, являющимися носителями прочностных свойств данного материала (рис. 5).

Количественный полнопрофильный РФА показал снижение концентрации кварца от 16,5 мас. % в образце без АГЗ до 8,3 мас. % в образце с гранулами. На основании полученных результатов можно полагать, что введение АГЗ в силикатные автоклавные материалы повышает реакционную активность кварцевой составляющей и интенсифицирует образование C—S—H фаз. Изложение результатов детальных исследований механизма воздействия АГЗ на C—S—H фазообразования в описываемых материалах является предметом будущих публикаций.

Широкое использование АГЗ при производстве строительных изделий позволит в широком диапазоне регулировать потребительские характеристики строительных материалов. Их можно использовать в комбинации с уже используемыми легкими заполнителями.

Из анализа физических свойств силикатных материалов можно предположить, что получен новый прочный и теплоизоляционный силикатный материал автоклавного твердения, который по своим прочностным и теплоизолирующим свойствам может расширить номенклатуру силикатных стеновых материалов автоклавного твердения и занять место между силикатным кирпичом и газосиликатом.

По результатам данной работы получено 9патен-тов РФ.

Ключевые слова: ячеистый силикатный материал, активный гранулированный заполнитель, теплопроводность, стеновой материал.

Список литературы

1. Юрков О.И., Кудревич О.О., Гончарик В.Н. и др. О теплотехнических характеристиках ячеистого газосиликата автоклавного твердения // Строит. материалы. 2004. № 3. С. 42-43.

2. Соловьева Л.Н., Ходыкин Е.И., Мосьпан А.В. Перспективы использования кремнеземсодержащего сырья для получения гранулированного заполнителя легких бетонов // Вестник БГТУ. 2008. № 1. С. 9-11.

3. Строкова В.В., Соловьева Л.Н., Мосьпан В.И. и др. Конструкционные легкие бетоны на основе активных гранулированных заполнителей // Строит. материалы. 2009. № 10. С. 23-25.

4. Solovyov L.A. Full-profile refinement by derivative difference minimization. // Journal of Applied Crystallography. 2004. 37. Pp.743-749.

fy-.- научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

¿VJ : ® июнь 2010 71

2.4 Силикатные минералы — Физическая геология

Подавляющее большинство минералов, составляющих породы земной коры, являются силикатными минералами. К ним относятся такие минералы, как кварц, полевой шпат, слюда, амфибол, пироксен, оливин и большое количество глинистых минералов. Строительным блоком всех этих минералов является тетраэдр кремнезема , состоящий из четырех атомов кислорода и одного атома кремния. Они расположены так, что плоскости, проведенные через атомы кислорода, образуют тетраэдр (рис.2.6). Поскольку ион кремния имеет заряд +4, а каждый из четырех ионов кислорода имеет заряд –2, тетраэдр кремнезема имеет чистый заряд –4.

В силикатных минералах эти тетраэдры организованы и связаны друг с другом различными способами, от отдельных единиц до сложных каркасов (рис. 2.9). Простейшая силикатная структура минерала оливина состоит из изолированных тетраэдров, связанных с ионами железа и / или магния. В оливине заряд –4 каждого тетраэдра кремнезема уравновешивается двумя двухвалентными (т.е.е., +2) катионы железа или магния. Оливин может быть либо Mg 2 SiO 4 , либо Fe 2 SiO 4 , либо их комбинацией (Mg, Fe) 2 SiO 4 . Двухвалентные катионы магния и железа довольно близки по радиусу (0,73 против 0,62 ангстрем). Из-за такого сходства размеров и поскольку они оба являются двухвалентными катионами (оба имеют заряд +2), железо и магний могут легко заменять друг друга в оливине и многих других минералах.

Рис. 2.9 Конфигурация силикатных минералов. Треугольники представляют тетраэдры кремнезема.
Конфигурация тетраэдра Примеры минералов
Изолированный (несиликаты) Оливин, гранат, циркон, кианит
Пары (соросиликаты) Эпидот, цоизит
Кольца (циклосиликаты) Турмалин
Одиночные цепи (иносиликаты) Пироксены, волластонит
Двойные цепи (иносиликаты) Амфиболы
Листы (филлосиликаты) Слюды, глинистые минералы, серпентин, хлорит
Трехмерная структура Каркас (тектосиликат) Полевой шпат, кварц, цеолит

Упражнение 2.3 Сделайте тетраэдр

Обрежьте внешнюю часть фигуры (сплошные и пунктирные линии), а затем сложите по сплошным линиям, чтобы получился тетраэдр.

Если у вас есть клей или скотч, прикрепите выступы к тетраэдру, чтобы они держались вместе. Если у вас нет клея или ленты, сделайте надрез по тонкой серой линии и вставьте заостренный язычок в прорезь.

Если вы делаете это в классе, попробуйте соединить свой тетраэдр с другими в пары, кольца, одинарные и двойные цепи, листы и даже трехмерные каркасы.

В оливине, в отличие от большинства других силикатных минералов, тетраэдры кремнезема не связаны друг с другом. Однако они связаны с железом и / или магнием, как показано на рисунке 2.10.

Рис. 2.10. Изображение структуры оливина, вид сверху. Формулу для этого конкретного оливина, который имеет три иона Fe на каждый ион Mg, можно было бы записать: Mg0,5Fe1,5SiO4.

Как уже отмечалось, +2 ионы железа и магния близки по размеру (хотя и не совсем одинаковы).Это позволяет им заменять друг друга в некоторых силикатных минералах. Фактически, обычные ионы в силикатных минералах имеют широкий диапазон размеров, как показано на рис. 2.11. Все показанные ионы являются катионами, за исключением кислорода. Обратите внимание, что железо может существовать как ион +2 (если он теряет два электрона во время ионизации), так и ион +3 (если он теряет три). Fe 2+ известен как железо , двухвалентное железо . Fe 3+ известен как железо , трехвалентное железо . Ионные радиусы имеют решающее значение для состава силикатных минералов, поэтому мы еще раз обратимся к этой диаграмме.

Рис. 2.11. Ионные радиусы (эффективные размеры) в ангстремах некоторых обычных ионов в силикатных минералах

Структура одноцепочечного силикатного пироксена показана на рис. 2.12 и 2.13. В пироксене тетраэдра кремнезема связаны в единую цепь, где один ион кислорода из каждого тетраэдра является общим с соседним тетраэдром, следовательно, в структуре меньше атомов кислорода. В результате соотношение кислорода и кремния ниже, чем в оливине (3: 1 вместо 4: 1), а общий заряд на атом кремния меньше (–2 вместо –4), поскольку требуется меньше катионов. чтобы сбалансировать этот заряд.Композиции пироксенов относятся к типу MgSiO 3 , FeSiO 3 и CaSiO 3 или их комбинации. Пироксен также можно записать как (Mg, Fe, Ca) SiO 3 , где элементы в скобках могут присутствовать в любой пропорции. Другими словами, пироксен имеет один катион для каждого тетраэдра кремнезема (например, MgSiO 3 ), в то время как оливин имеет два катиона (например, Mg 2 SiO 4 ). Поскольку каждый ион кремния равен +4, а каждый ион кислорода равен –2, три атома кислорода (–6) и один кремний (+4) дают суммарный заряд –2 для одной цепочки тетраэдров кремнезема.В пироксене один двухвалентный катион (2+) на тетраэдр уравновешивает этот заряд –2. В оливине требуется два двухвалентных катиона, чтобы сбалансировать заряд –4 изолированного тетраэдра.

Структура пироксена более «разрешающая», чем у оливина — это означает, что в нее могут поместиться катионы с более широким диапазоном ионных радиусов. Вот почему пироксены могут иметь катионы железа (радиус 0,63 Å), магния (радиус 0,72 Å) или кальция (радиус 1,00 Å).

Рис. 2.12. Изображение структуры пироксена.Тетраэдрические цепи продолжаются слева и справа, и каждая из них перемежается рядом двухвалентных катионов. Если это ионы Mg, то формула будет MgSiO3. Рисунок 2.13. Одиночный тетраэдр кремнезема (слева) с четырьмя ионами кислорода на ион кремния (SiO4). Часть единой цепочки тетраэдров (справа), где атомы кислорода в смежных углах делятся между двумя тетраэдрами (стрелки). Для очень длинной цепи результирующее отношение кремния к кислороду составляет от 1 до 3 (SiO3).

Упражнение 2.4 кислородная депривация

На диаграмме ниже представлена ​​одиночная цепь в силикатном минерале.Подсчитайте количество тетраэдров по сравнению с количеством ионов кислорода (желтые сферы). Каждый тетраэдр имеет один ион кремния, поэтому это должно давать отношение Si к O в одноцепочечных силикатах (например, пироксен).

На диаграмме ниже представлена ​​двойная цепь в силикатном минерале. Опять же, посчитайте количество тетраэдров по сравнению с количеством ионов кислорода. Это должно дать вам соотношение Si к O в двухцепочечных силикатах (например, амфиболе).

В структурах амфибола тетраэдры кремнезема связаны в двойную цепочку, у которой отношение кислорода к кремнию ниже, чем у пироксена, и, следовательно, для балансировки заряда необходимо еще меньше катионов.Амфибол даже более терпим, чем пироксен, и его состав может быть очень сложным. Роговая обманка, например, может включать натрий, калий, кальций, магний, железо, алюминий, кремний, кислород, фтор и гидроксил-ион (OH ).

В структурах слюды тетраэдры кремнезема расположены в виде непрерывных листов, где каждый тетраэдр имеет три общих аниона кислорода с соседними тетраэдрами. Между соседними тетраэдрами происходит еще большее распределение атомов кислорода, и, следовательно, для листовых силикатных минералов требуется меньше катионов, уравновешивающих заряд.Связь между листами относительно слабая, и это объясняет хорошо развитый однонаправленный раскол (рис. 2.14). Слюда биотита может содержать железо и / или магний, что делает ее ферромагнезиальным силикатным минералом (например, оливином, пироксеном и амфиболом). Хлорит — еще один подобный минерал, который обычно включает магний. В слюде мусковита присутствуют только катионы алюминия и калия; следовательно, это силикатный минерал неферромагнезиального происхождения.

Рис. 2.14 Слюда биотита (слева) и слюда мусковита (справа). Оба силиката представляют собой листовые силикаты и легко разделяются на тонкие слои в плоскостях, параллельных листам. Биотит темный, как и другие силикаты, содержащие железо и / или магний (например, оливин, пироксен и амфибол), а мусковит — светлый. (Каждый образец имеет диаметр около 3 см.)

Помимо мусковита, биотита и хлорита, существует много других листовых силикатов (или филлосиликатов ), которые обычно существуют в виде фрагментов размером с глину (т.е.е. менее 0,004 мм). К ним относятся глинистые минералы , каолинит , иллит, и смектит , и хотя их трудно изучать из-за их очень малого размера, они являются чрезвычайно важными компонентами горных пород и особенно почв.

Все минералы листового силиката также содержат воду в своей структуре.

Тетраэдры кремнезема связаны в трехмерные каркасы как в полевом шпате , так и в кварце .Это неферромагнезиальных минералов — они не содержат железа и магния. Помимо тетраэдров кремнезема, полевые шпаты включают катионы алюминия, калия, натрия и кальция в различных комбинациях. Кварц содержит только тетраэдры кремнезема.

Три основных минерала полевого шпата — это калиевый полевой шпат (он же , калиевый полевой шпат или калиевый шпат) и два типа полевого шпата плагиоклаза: альбит (только натрий) и (только анортит).Как и в случае с железом и магнием в оливине, существует непрерывный диапазон составов (ряд твердых растворов) между альбитом и анортитом в плагиоклазе. Это связано с тем, что ионы кальция и натрия почти одинаковы по размеру (1,00 Å против 0,99 Å). Могут существовать любые промежуточные составы между CaAl 2 Si 3 O 8 и NaAlSi 3 O 8 (рис. 2.15). Это немного удивительно, потому что, хотя они очень похожи по размеру, ионы кальция и натрия не имеют одинакового заряда (Ca 2+ по сравнению с Na +).Эта проблема объясняется соответствующей заменой Si 4+ на Al 3+ . Следовательно, альбит — это NaAlSi 3 O 8 (один Al и три Si), а анортит — это CaAl 2 Si 2 O 8 (два Al и два Si), а полевые шпаты плагиоклаза промежуточного состава имеют промежуточный состав. пропорции Al и Si. Это называется «связанной заменой».

Полевые шпаты плагиоклаза промежуточного состава включают олигоклаз (от 10% до 30% Са), андезин (от 30% до 50% Са), лабрадорит (от 50% до 70% Са) и битовнит (от 70% до 90% Са). Калиевый полевой шпат (KAlSi 3 O 8 ) имеет структуру, немного отличную от структуры плагиоклаза, из-за большего размера иона калия (1,37 Å) и из-за этого большого размера калий и натрий не легко заменяют друг друга, за исключением высоких температур. Эти высокотемпературные полевые шпаты, вероятно, можно найти только в вулканических породах, потому что интрузивные магматические породы охлаждаются достаточно медленно до низких температур, чтобы полевые шпаты превратились в одну из низкотемпературных форм.

Рисунок 2.15 Состав минералов полевого шпата

В кварце (SiO 2 ) , тетраэдры кремнезема связаны в «идеальный» трехмерный каркас. Каждый тетраэдр связан с четырьмя другими тетраэдрами (с кислородом, общим для каждого угла каждого тетраэдра), и в результате отношение кремния к кислороду составляет 1: 2. Поскольку один катион кремния имеет заряд +4, а два аниона кислорода имеют заряд –2, заряд сбалансирован. Нет необходимости в алюминии или других катионах, таких как натрий или калий.Твердость и отсутствие трещин в кварце являются результатом сильных ковалентных / ионных связей, характерных для тетраэдра кремнезема.

Упражнение 2.5 Ферромагнезиальные силикаты?

Силикатные минералы классифицируются как ферромагнезиальные или неферромагнезиальные в зависимости от того, содержат ли они в своей формуле железо (Fe) и / или магний (Mg). Ниже перечислены некоторые минералы и их формулы. Для каждого укажите, является ли это силикат ферромагнезита или нет.

Минеральное Формула Ферромагнезиальный силикат?
оливин (Mg, Fe) 2 SiO 4
пирит FeS 2
плагиоклаз CaAl 2 Si 2 O 8
пироксен MgSiO 3
гематит Fe 2 O 3
ортоклаз КАЛСИ 3 О 8
кварц SiO 2
Минеральное Формула * Ферромагнезиальный силикат?
амфибол Fe 7 Si 8 O 22 (OH) 2
мусковит K 2 Al 4 Si 6 Al 2 O 20 (OH) 4
магнетит Fe 3 O 4
биотит K 2 Fe 4 Al 2 Si 6 Al 4 O 20 (OH) 4
доломит (Ca, Mg) CO 3
гранат Fe 2 Al 2 Si 3 O 12
змеевик Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4

* Некоторые формулы, особенно более сложные, были упрощены.

2.4 Силикатные минералы — Физическая геология — 2-е издание

Подавляющее большинство минералов, составляющих породы земной коры, являются силикатными минералами. К ним относятся такие минералы, как кварц, полевой шпат, слюда, амфибол, пироксен, оливин и различные глинистые минералы. Строительным блоком всех этих минералов является тетраэдр кремнезема , состоящий из четырех атомов кислорода и одного атома кремния. Как мы видели, он называется тетраэдром, потому что плоскости, проведенные через атомы кислорода, образуют форму с четырьмя поверхностями (рис. 2.2.4). Поскольку ион кремния имеет заряд 4, а каждый из четырех ионов кислорода имеет заряд -2, тетраэдр кремнезема имеет чистый заряд -4.

В силикатных минералах эти тетраэдры организованы и связаны друг с другом различными способами, от отдельных единиц до сложных каркасов (таблица 2.6). Простейшая силикатная структура минерала оливина состоит из изолированных тетраэдров, связанных с ионами железа и / или магния. В оливине заряд -4 каждого тетраэдра кремнезема уравновешивается двумя двухвалентными (т.е.е., +2) катионы железа или магния. Оливин может быть либо Mg 2 SiO 4 , либо Fe 2 SiO 4 , либо их комбинацией (Mg, Fe) 2 SiO 4 . Двухвалентные катионы магния и железа довольно близки по радиусу (0,73 против 0,62 ангстрем). Из-за подобия размеров и поскольку они оба являются двухвалентными катионами (оба могут иметь заряд +2), железо и магний могут легко заменять друг друга в оливине и многих других минералах.

Таблица 2.6 Конфигурации силикатных минералов. Треугольники представляют тетраэдры кремнезема.
[Пропустить таблицу]
Изображение конфигурации тетраэдра Имя конфигурации тетраэдра Примеры минералов
Изолированный (несиликаты) Оливин, гранат, циркон, кианит
Пары (соросиликаты) Эпидот, цоизит
Кольца (циклосиликаты) Турмалин
Одиночные цепи (иносиликаты) Пироксены, волластонит
Двойные цепи (иносиликаты) Амфиболы
Листы (филлосиликаты) Слюды, глинистые минералы, серпентин, хлорит
Трехмерная структура Каркас (тектосиликат) Полевой шпат, кварц, цеолит

Обрежьте внешнюю часть фигуры (сплошные и пунктирные линии), а затем сложите по сплошным линиям, чтобы получился тетраэдр.Если у вас есть клей или скотч, прикрепите выступы к тетраэдру, чтобы они держались вместе. Если у вас нет клея или ленты, сделайте надрез по тонкой серой линии и вставьте заостренный язычок в прорезь.

Если вы делаете это в классе, попробуйте соединить свой тетраэдр с другими в пары, кольца, одинарные и двойные цепи, листы и даже трехмерные каркасы.

Ответы к упражнению 2.3 см. В Приложении 3.

В оливине, в отличие от большинства других силикатных минералов, тетраэдры кремнезема не связаны друг с другом.Вместо этого они связаны с ионами железа и / или магния в конфигурации, показанной на рисунке 2.4.1.

Рис. 2.4.1. Изображение структуры оливина, вид сверху. Формулу для этого конкретного оливина, который имеет три иона Fe на каждый ион Mg, можно записать: Mg 0,5 Fe 1,5 SiO 4 .

Как уже отмечалось, 2 иона железа и магния имеют одинаковый размер (хотя и не совсем одинаковые). Это позволяет им заменять друг друга в некоторых силикатных минералах.Фактически, ионы, которые обычно встречаются в силикатных минералах, имеют широкий диапазон размеров, как показано на рисунке 2.4.2. Все показанные ионы являются катионами, за исключением кислорода. Обратите внимание, что железо может существовать как ион +2 (если он теряет два электрона во время ионизации), так и ион +3 (если он теряет три). Fe 2+ известен как железо , двухвалентное железо . Fe 3+ известен как железо , трехвалентное железо . Ионные радиусы имеют решающее значение для состава силикатных минералов, поэтому мы еще раз обратимся к этой диаграмме.

Рис. 2.4.2. Ионные радиусы (эффективные размеры) в ангстремах некоторых обычных ионов в силикатных минералах. [Описание изображения]

Структура одноцепочечного силикатного пироксена показана на рисунках 2.4.3 и 2.4.4. В пироксене тетраэдры кремнезема соединены в единую цепь, где один ион кислорода из каждого тетраэдра является общим с соседним тетраэдром, следовательно, в структуре меньше атомов кислорода. В результате отношение кислорода к кремнию ниже, чем в оливине (3: 1 вместо 4: 1), а чистый заряд на атом кремния меньше (-2 вместо -4).Следовательно, для балансировки этого заряда необходимо меньше катионов. Композиции пироксенов относятся к типу MgSiO 3 , FeSiO 3 и CaSiO 3 или их комбинации. Пироксен также можно записать как (Mg, Fe, Ca) SiO 3 , где элементы в скобках могут присутствовать в любой пропорции. Другими словами, пироксен имеет один катион для каждого тетраэдра кремнезема (например, MgSiO 3 ), в то время как оливин имеет два катиона (например, Mg 2 SiO 4 ). Поскольку каждый ион кремния равен +4, а каждый ион кислорода равен -2, три атома кислорода (-6) и один кремний (+4) дают суммарный заряд -2 для единственной цепочки тетраэдров кремнезема.В пироксене один двухвалентный катион (2) на тетраэдр уравновешивает этот заряд -2. В оливине требуется два двухвалентных катиона, чтобы сбалансировать заряд -4 изолированного тетраэдра. Структура пироксена более «разрешающая», чем структура оливина, что означает, что в нее могут поместиться катионы с более широким диапазоном ионных радиусов. Вот почему пироксены могут иметь катионы железа (радиус 0,63 Å), магния (радиус 0,72 Å) или кальция (радиус 1,00 Å) (см. Рис. 2.4.2 выше).

Рисунок 2.4.3 Изображение структуры пироксена.Тетраэдрические цепи продолжаются слева и справа, и каждая из них перемежается рядом двухвалентных катионов. Если это ионы Mg, то формула выглядит так: MgSiO 3 . Рисунок 2.4.4. Одиночный тетраэдр кремнезема (слева) с четырьмя ионами кислорода на ион кремния (SiO 4 ). Часть единой цепочки тетраэдров (справа), где атомы кислорода в смежных углах делятся между двумя тетраэдрами (стрелки). Для очень длинной цепи результирующее отношение кремния к кислороду составляет от 1 до 3 (SiO 3 ).

На диаграмме ниже представлена ​​одиночная цепь в силикатном минерале. Подсчитайте количество тетраэдров по сравнению с количеством ионов кислорода (желтые сферы). Каждый тетраэдр имеет один ион кремния, поэтому это должно дать вам отношение Si к O в одноцепочечных силикатах (например, пироксен).

На диаграмме ниже представлена ​​двойная цепь в силикатном минерале. Опять же, посчитайте количество тетраэдров по сравнению с количеством ионов кислорода. Это должно дать вам отношение Si к O в двухцепочечных силикатах (например,г., амфибол).

Ответы к упражнению 2.4 см. В Приложении 3.

В структурах амфибола тетраэдры кремнезема связаны в двойную цепочку, у которой отношение кислорода к кремнию ниже, чем у пироксена, и, следовательно, для балансировки заряда необходимо еще меньше катионов. Амфибол даже более терпим, чем пироксен, и его состав может быть очень сложным. Роговая обманка, например, может включать натрий, калий, кальций, магний, железо, алюминий, кремний, кислород, фтор и гидроксил-ион (OH ).

В структурах слюды тетраэдры кремнезема расположены в виде непрерывных листов, где каждый тетраэдр имеет три общих аниона кислорода с соседними тетраэдрами. Между соседними тетраэдрами происходит еще большее распределение атомов кислорода, и, следовательно, требуется меньше катионов, чтобы сбалансировать заряд структуры кремнеземных тетраэдров в слоистых силикатных минералах. Связь между листами относительно слабая, и это объясняет хорошо развитое однонаправленное расщепление слюды (рис. 2.4.5). Слюда биотита может содержать железо и / или магний, что делает ее ферромагнезиальным силикатным минералом (например, оливином, пироксеном и амфиболом). Хлорит — еще один подобный минерал, который обычно включает магний. В слюде мусковита присутствуют только катионы алюминия и калия; следовательно, это силикатный минерал неферромагнезиального происхождения.

Рисунок 2.4.5 Слюда биотита (слева) и слюда мусковита (справа). Оба силиката представляют собой листовые силикаты и легко разделяются на тонкие слои в плоскостях, параллельных листам.Биотит темный, как и другие силикаты, содержащие железо и / или магний (например, оливин, пироксен и амфибол), а мусковит — светлый. (Каждый образец имеет диаметр около 3 см.)

Помимо мусковита, биотита и хлорита, существует множество других листовых силикатов (также известных как филлосиликатов ), многие из которых существуют в виде фрагментов размером с глину (т.е. менее 0,004). миллиметры). К ним относятся глинистые минералы , каолинит , иллит и смектит , и хотя их трудно изучать из-за их очень малого размера, они являются чрезвычайно важными компонентами горных пород и особенно почв.

В структуре всех листовых силикатных минералов также есть молекулы воды.

Тетраэдры кремнезема связаны в трехмерные каркасы как в полевом шпате , так и в кварце . Это неферромагнезиальных минералов — они не содержат железа и магния. Помимо тетраэдров кремнезема, полевые шпаты включают катионы алюминия, калия, натрия и кальция в различных комбинациях. Кварц содержит только тетраэдры кремнезема.

Три основных минерала полевого шпата — это полевой шпат , (a.к.а. K-полевой шпат или K-шпат) и два типа полевого шпата плагиоклаза: альбит (только натрий) и анортит (только кальций). Как и в случае с железом и магнием в оливине, существует непрерывный диапазон составов (ряд твердых растворов) между альбитом и анортитом в плагиоклазе. Поскольку ионы кальция и натрия почти идентичны по размеру (1,00 Å против 0,99 Å), могут существовать любые промежуточные составы между CaAl 2 Si 3 O 8 и NaAlSi 3 O 8 (Рисунок 2.4.6). Это немного удивительно, потому что, хотя они очень похожи по размеру, ионы кальция и натрия не имеют одинакового заряда (Ca 2+ по сравнению с Na + ). Эта проблема объясняется соответствующей заменой Si +4 на Al +3 . Следовательно, альбит — это NaAlSi 3 O 8 (1 Al и 3 Si), а анортит — CaAl 2 Si 2 O 8 (2 Al и 2 Si), а полевые шпаты плагиоклаза промежуточного состава имеют промежуточный состав. пропорции Al и Si.Это называется «связанной заменой».

Полевые шпаты плагиоклаза промежуточного состава включают олигоклаз (от 10% до 30% Са), андезин (от 30% до 50% Са), лабрадорит (от 50% до 70% Са) и битовнит (от 70% до 90% Са). K-полевой шпат (KAlSi 3 O 8 ) имеет структуру, немного отличную от структуры плагиоклаза, из-за большего размера иона калия (1,37 Å) и из-за этого большого размера калий и натрий не легко заменяют друг друга, за исключением высоких температур.Эти высокотемпературные полевые шпаты, вероятно, можно найти только в вулканических породах, потому что интрузивные магматические породы охлаждаются достаточно медленно до низких температур, чтобы полевые шпаты превратились в одну из низкотемпературных форм.

Рисунок 2.4.6 Состав минералов полевого шпата.

В кварце (SiO 2 ) , тетраэдры кремнезема соединены в «идеальный» трехмерный каркас. Каждый тетраэдр связан с четырьмя другими тетраэдрами (с кислородом, общим для каждого угла каждого тетраэдра), и в результате отношение кремния к кислороду составляет 1: 2.Поскольку один катион кремния имеет заряд +4, а два аниона кислорода имеют заряд -2, заряд сбалансирован. Нет необходимости в алюминии или других катионах, таких как натрий или калий. Твердость и отсутствие трещин в кварце являются результатом сильных ковалентных / ионных связей, характерных для тетраэдра кремнезема.

Силикатные минералы классифицируются как ферромагнезиальные или неферромагнезиальные в зависимости от того, содержат ли они в своей формуле железо (Fe) и / или магний (Mg).Ниже перечислены некоторые минералы и их формулы. Для каждого укажите, является ли это силикат ферромагнезита или нет.

Минеральное Формула Ферромагнезиальный силикат?
оливин (Mg, Fe) 2 SiO 4 .
пирит FeS 2 .
плагиоклаз полевой шпат CaAl 2 Si 2 O 8 .
пироксен MgSiO 3 .
гематит Fe 2 O 3 .
ортоклаз полевой шпат КАЛСИ 3 О 8 .
кварц SiO 2 .
амфибол Fe 7 Si 8 O 22 (OH) 2 .
мусковит K 2 Al 4 Si 6 Al 2 O 20 (OH) 4 .
магнетит Fe 3 O 4 .
биотит K 2 Fe 4 Al 2 Si 6 Al 4 O 20 (OH) 4 .
доломит (Ca, Mg) CO 3 .
гранат Fe 2 Al 2 Si 3 O 12 .
змеевик Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 .

Ответы к упражнению 2.5 см. В Приложении 3. * Некоторые формулы, особенно более сложные, были упрощены.

Описание изображений

Рисунок 2.4.2 Описание изображения: Ионные радиусы элементов в ангстремах и их заряды.
Элемент Ионные радиусы (в ангстремах) Заряд
Кислород 1,4 -2 (анион)
Калий 1,37 1 (катион)
Кальций 1,00 2 (катион)
Натрий 0,99 1 (катион)
Магний 0,72 2 (катион)
Утюг 0.63 2 (катион)
0,49 3 (катион)
Алюминий 0,39 3 (катион)
Кремний 0,26 4 (катион)
Углерод 0,15 4 (катион)

[Вернуться к рисунку 2.4.2]

3.4: Силикатные минералы — Геонауки LibreTexts

Минералы классифицируются на основе их состава и структуры.Силикатные минералы построены вокруг молекулярного иона, называемого кремний-кислородным тетраэдром . Тетраэдр имеет форму пирамиды с четырьмя сторонами и четырьмя углами. Силикатные минералы составляют самую большую группу минералов на Земле, составляющую большую часть мантии и коры Земли. Из почти четырех тысяч известных минералов на Земле большинство являются редкими. Лишь некоторые из них составляют большую часть скал, с которыми могут встретиться живущие на поверхности существа вроде нас. Обычно их называют породообразующими минералами .

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Анимация вращения тетраэдра

Кремний-кислородный тетраэдр (SiO 4 ) состоит из одного атома кремния в центре и четырех атомов кислорода, расположенных в четырех углах тетраэдра. Каждый ион кислорода имеет заряд -2, а ион кремния — заряд +4. Ион кремния разделяет один из своих четырех валентных электронов с каждым из четырех ионов кислорода в ковалентной связи, создавая симметричную геометрическую четырехстороннюю пирамиду. Только половина валентных электронов кислорода являются общими, что дает кремний-кислородный тетраэдр ионный заряд -4.Этот кремний-кислородный тетраэдр образует связи со многими другими комбинациями ионов, образуя большую группу силикатных минералов.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Модель тетраэдра с мячом для пинг-понга: шары — это кислород, небольшое пространство в центре — это кремний

Ион кремния намного меньше, чем ионы кислорода (см. Рисунки), и вписывается в небольшое пространство в центре четырех больших ионов кислорода, посмотрите, удален ли верхний шарик (как показано на рисунке справа). Поскольку только один из валентных электронов угловых атомов кислорода является общим, кремний-кислородный тетраэдр имеет химически активные уголки, доступные для образования связей с другими тетраэдрами кремнезема или другими положительно заряженными ионами, такими как Al +3 , Fe + 2, + 3 , Mg +2 , K +1 , Na +1 и Ca +2 .В зависимости от многих факторов, таких как исходная химия магмы, кремнеземно-кислородные тетраэдры могут объединяться с другими тетраэдрами в нескольких различных конфигурациях. Например, тетраэдры могут быть изолированы, соединены в цепочки, листы или трехмерные структуры. Эти и другие комбинации создают химическую структуру, в которую могут быть вставлены положительно заряженные ионы для получения уникальных химических составов, образующих группы силикатных минералов.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): атом кремния в центре тетраэдра (с удаленным верхним кислородом), представленный металлическим шаром

Темные ферромагнезиальные силикаты

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Зеленый оливин в базальте

Семейство оливина

Оливин является основным минеральным компонентом мантийных пород, таких как перидотит и базальт.Он обычно зеленый, когда не выветривается. Химическая формула (Fe, Mg) 2 SiO 4 . Как описано ранее, запятая между железом (Fe) и магнием (Mg) указывает, что эти два элемента находятся в твердом растворе. Не следует путать с жидким раствором, твердый раствор возникает, когда два или более элемента имеют аналогичные свойства и могут свободно заменять друг друга в одном и том же месте в кристаллической структуре.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Тетраэдрическая структура оливина

Оливин относится к семейству минералов из-за способности железа и магния замещать друг друга.Железо и магний в семействе оливина указывают на твердый раствор, образующий композиционный ряд внутри минеральной группы, который может образовывать кристаллы всего железа в качестве одного конечного элемента и всех смесей железа и магния между ними со всем магнием на другом конечном элементе. К композициям между этими концевыми элементами применяются разные названия минералов. В ряду минералов оливина ионы железа и магния в твердом растворе имеют примерно одинаковый размер и заряд, поэтому любой атом может поместиться в одно и то же место в растущих кристаллах.В остывающей магме минеральные кристаллы продолжают расти, пока не затвердеют в вулканическую породу. Относительные количества железа и магния в материнской магме определяют, какие минералы в этой серии образуются. Другие более редкие элементы со свойствами, подобными железу или магнию, такие как марганец (Mn), могут в небольших количествах замещать кристаллическую структуру оливина. Такие ионные замещения в минеральных кристаллах дают начало большому разнообразию минералов и часто являются причиной различий в цвете и других свойствах внутри группы или семейства минералов.Оливин имеет конечный элемент из чистого железа (называемый фаялитом) и конечный элемент из чистого магния (называемый форстеритом). Химически оливин в основном состоит из кремнезема, железа и магния, поэтому его можно отнести к темным ферромагнезиальным (железо = ферро, магний = магнезиальный) или основных минералам , что является сокращением их химических символов Ma и Fe. Основные минералы также называют ферромагнезиальными минералами темного цвета. Ферро означает железо, а магнезиан означает магний.

Кристаллическая структура оливина построена из независимых тетраэдров кремнезема. Минералы с независимой тетраэдрической структурой называются неосиликатами (или ортосиликатами). Помимо оливина, другие распространенные неосиликатные минералы включают гранат, топаз, кианит и циркон.

Два других подобных расположения тетраэдров близки по структуре к неосиликатам и переходят в следующую группу минералов — пироксены. В разновидности независимых тетраэдров, называемых соросиликатами, есть минералы, которые разделяют один кислород между двумя тетраэдрами и включают такие минералы, как фисташковый эпидот, драгоценный камень.Другим вариантом являются циклосиликаты, которые, как следует из названия, состоят из тетраэдрических колец и включают такие драгоценные камни, как берилл, изумруд, аквамарин и турмалин

.

Семья пироксенов

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Кристаллы диопсида, члена семейства пироксенов.

Пироксен — еще одно семейство темных ферромагнезиальных минералов, обычно черного или темно-зеленого цвета. Члены семейства пироксенов имеют сложный химический состав, который включает железо, магний, алюминий и другие элементы, связанные с полимеризованными тетраэдрами кремнезема. Полимеры представляют собой цепочки, листы или трехмерные структуры и образованы множеством тетраэдров, ковалентно связанных через их угловые атомы кислорода. Пироксены обычно встречаются в основных магматических породах, таких как перидотит, базальт и габбро, а также в метаморфических породах, таких как эклогит и голубой сланец.

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Одноцепочечные пироксены

состоят из длинных одиночных цепей полимеризованных тетраэдров кремнезема, в которых тетраэдры имеют два общих атома кислорода в углу. Цепочки кремнезема связаны в кристаллические структуры катионами металлов.Распространенным представителем семейства пироксенов является авгит, сам по себе содержащий несколько серий твердых растворов со сложной химической формулой (Ca, Na) (Mg, Fe, Al, Ti) (Si, Al) 2 O 6 , что дает начало к ряду индивидуальных названий минералов.

Эта одноцепочечная кристаллическая структура связывается со многими элементами, которые также могут свободно замещать друг друга. Обобщенный химический состав пироксена — XZ (Al, Si) 2 O 6 . X представляет собой ионы Na, Ca, Mg или Fe, а Z представляет собой Mg, Fe или Al.Эти ионы имеют одинаковые ионные размеры, что делает возможным множество возможных замен среди них. Хотя катионы могут свободно замещать друг друга в кристалле, они несут разные ионные заряды, которые необходимо уравновесить в окончательной кристаллической структуре. Например, Na имеет заряд +1, а Ca имеет заряд +2. Если ион Na + заменяет ион Ca +2 , он создает неравный заряд, который должен уравновешиваться другими ионными замещениями в другом месте кристалла. Обратите внимание, что ионный размер более важен, чем ионный заряд, для замещения, которые происходят в серии твердых растворов в кристаллах.

Семейство амфиболов

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Кристаллы роговой обманки Представьте себе две цепи пироксена, которые соединяются вместе, разделяя третий кислород на каждом тетраэдре. Амфиболы обычно встречаются в магматических и метаморфических породах и обычно имеют форму кристаллов с длинными лопастями.Самый распространенный амфибол — роговая обманка — обычно черного цвета; однако они бывают разных цветов в зависимости от их химического состава. Метаморфическая порода, амфиболит, в основном состоит из минералов амфибола.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Двухцепочечная структура

Амфиболы состоят из железа, магния, алюминия и других катионов, связанных с тетраэдрами кремнезема. Эти темные ферромагнезиальные минералы обычно встречаются в габбро, базальте, диорите и часто образуют черные точки в граните.Их химическая формула очень сложна и обычно записывается как (RSi 4 O 11 ) 2 , где R представляет собой множество различных катионов. Например, его можно также записать более точно как AX 2 Z 5 ((Si, Al, Ti) 8 O 22 ) (OH, F, Cl, O) 2 . В этой формуле A может быть Ca, Na, K, Pb или пустым; X равен Li, Na, Mg, Fe, Mn или Ca; и Z представляет собой Li, Na, Mg, Fe, Mn, Zn, Co, Ni, Al, Cr, Mn, V, Ti или Zr. Замены создают широкий спектр цветов, таких как зеленый, черный, бесцветный, белый, желтый, синий или коричневый.Кристаллы амфибола могут также включать ионы гидроксида (OH ) , , которые возникают в результате взаимодействия между растущими минералами и водой, растворенной в магме.

Листовые силикаты

Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): (слева) Листовые кристаллы биотитовой слюды. (справа) Стопка листов мусковитовой слюды

Листовые силикаты состоят из тетраэдров, которые имеют все три атома кислорода в нижних углах, таким образом образуя листы тетраэдров, верхние углы которых доступны для связывания с другими атомами.Слюды и глины являются распространенными типами листовых силикатов, также известных как филлосиликаты. Минералы слюды обычно встречаются в магматических и метаморфических породах, а глинистые минералы чаще встречаются в осадочных породах. Две часто встречающиеся слюды — это темный биотит, часто встречающийся в граните, и светлый мусковит, обнаруженный в метаморфической породе, называемой сланцем.

Рисунок \ (\ PageIndex {11} \): Листовая структура слюды, вид перпендикулярно листам

Химически листовые силикаты обычно содержат кремний и кислород в соотношении 2: 5 (Si 4 O 10 ).Слюда содержат в основном кремнезем, алюминий и калий. Биотитовая слюда содержит больше железа и магния и считается ферромагнезиальным силикатным минералом. Мусковитовые слюды относятся к кислым силикатным минералам. Felsic — это сжатие, образованное полевым шпатом, доминирующим минералом в кислых породах.

Рисунок \ (\ PageIndex {12} \): (слева) Кристаллическая структура слюды, вид параллельно листам. (справа) Слюдяная «сэндвич-структура», связанная со слоями в структуре иллита.

На иллюстрации кристаллической структуры слюды показаны угловые атомы O, связанные с атомами K, Al, Mg, Fe и Si, образующие полимеризованные листы связанных тетраэдров с октаэдрическим слоем Fe, Mg или Al между ними.Желтые ионы калия образуют связи Ван-дер-Ваальса (притяжение и отталкивание между атомами, молекулами и поверхностями) и удерживают листы вместе. Связи Ван-дер-Ваальса отличаются от ковалентных и ионных связей и существуют здесь между бутербродами, удерживая их вместе в стопку бутербродов. Связи Ван-дер-Ваальса слабы по сравнению со связями внутри листов, что позволяет разделять сэндвичи вдоль слоев калия. Это придает слюде ее характерное свойство — легко расслаиваться на листы.

Рисунок \ (\ PageIndex {13} \): Структура каолинита

Минералы глины встречаются в отложениях, образованных выветриванием горных пород, и представляют собой еще одно семейство силикатных минералов с тетраэдрической пластинчатой ​​структурой. Глинистые минералы образуют сложную семью и являются важным компонентом многих осадочных пород. Другие листовые силикаты включают серпентин и хлорит, обнаруженные в метаморфических породах.

Глинистые минералы состоят из водных силикатов алюминия. Один тип глины, каолинит, имеет структуру, напоминающую сэндвич с открытой поверхностью, при этом хлеб представляет собой один слой кремний-кислородных тетраэдров и слой алюминия, распределенный в октаэдрической конфигурации с верхними атомами кислорода листов.

Каркасные силикаты

Рисунок \ (\ PageIndex {14} \): Кристаллы кварца

Кварц и полевой шпат — два самых распространенных минерала в континентальной коре. Фактически, сам по себе полевой шпат является самым распространенным минералом в земной коре. Существует два типа полевого шпата, один из которых содержит калий и в больших количествах содержится в кислых породах континентальной коры, а другой с натрием и кальцием в изобилии в основных породах океанической коры. Вместе с кварцем эти минералы относятся к каркасным силикатам.Они построены с трехмерным каркасом из тетраэдров кремнезема, в котором все четыре угловых атома кислорода являются общими с соседними тетраэдрами. Внутри этих структур в полевом шпате есть отверстия и пространства, в которые могут поместиться другие ионы, такие как алюминий, калий, натрий и кальций, что дает начало множеству минеральных составов и названий минералов. Обычно они встречаются в магматических породах, таких как гранит, риолит и базальт, а также в метаморфических породах и обломочных осадочных породах. Обломочные осадочные породы состоят из механически выветрившихся частиц породы, таких как песок и гравий.Кварц особенно распространен в обломочных осадочных породах, поскольку он очень устойчив к разрушению при выветривании.

Рисунок \ (\ PageIndex {15} \): Розовые кристаллы ортоклаза

Кварц состоит из чистого кремнезема SiO 2 с тетраэдрами, расположенными в трехмерной структуре. Примеси, состоящие из атомов в этой структуре, дают начало множеству разновидностей кварца, среди которых такие драгоценные камни, как аметист, розовый кварц и цитрин. Полевые шпаты в основном состоят из кремнезема с алюминием, калием, натрием и кальцием.Ортоклазный полевой шпат (KAlSi 3 O 8 ), также называемый калиевым полевым шпатом или калиевым шпатом, состоит из кремнезема, алюминия и калия. Кварц и полевой шпат ортоклаза являются кислыми минералами. Felsic — это составной термин, применяемый к континентальным магматическим минералам и горным породам, которые содержат большое количество ортоклазового полевого шпата. Другой полевой шпат — это плагиоклаз с формулой (Ca, Na) AlSi 3 O 8 , твердый раствор (Ca, Na) указывает на ряд минералов, один конец ряда с кальцием CaAl 2 Si 2 O 8 , называемый анортитом, а другой конец — с натрием NaAlSi 3 O 8 , называемым альбитом.Обратите внимание, как в минерале происходит замещение Ca ++ и Na + . Минералы в этой серии твердых растворов имеют разные названия минералов.

Рисунок \ (\ PageIndex {16} \): Кристаллическая структура полевого шпата

Обратите внимание на то, что алюминий, ионный размер которого подобен кремнию, может заменять кремний внутри тетраэдров (см. Рисунок). Поскольку ионы калия намного больше, чем ионы натрия и кальция, которые очень похожи по размеру, неспособность кристаллической решетки вмещать калий и натрий / кальций приводит к появлению двух семейств полевого шпата: ортоклаза и плагиоклаза соответственно.Каркасные силикаты называются тектосиликатами и включают богатые щелочными металлами фельдшпатоиды и цеолиты.

2.4 Силикатные минералы — Физическая геология

Подавляющее большинство минералов, составляющих породы земной коры, являются силикатными минералами. К ним относятся такие минералы, как кварц, полевой шпат, слюда, амфибол, пироксен, оливин и большое количество глинистых минералов. Строительным блоком всех этих минералов является тетраэдр кремнезема , состоящий из четырех атомов кислорода и одного атома кремния.Они расположены так, что плоскости, проведенные через атомы кислорода, образуют тетраэдр (рис. 2.6). Поскольку ион кремния имеет заряд +4, а каждый из четырех ионов кислорода имеет заряд –2, тетраэдр кремнезема имеет чистый заряд –4.

В силикатных минералах эти тетраэдры организованы и связаны друг с другом различными способами, от отдельных единиц до сложных каркасов (рис. 2.9). Простейшая силикатная структура минерала оливина состоит из изолированных тетраэдров, связанных с ионами железа и / или магния.В оливине заряд –4 каждого тетраэдра кремнезема уравновешивается двумя двухвалентными (т.е. +2) катионами железа или магния. Оливин может быть либо Mg 2 SiO 4 , либо Fe 2 SiO 4 , либо их комбинацией (Mg, Fe) 2 SiO 4 . Двухвалентные катионы магния и железа довольно близки по радиусу (0,73 против 0,62 ангстрем). Из-за такого сходства размеров и поскольку они оба являются двухвалентными катионами (оба имеют заряд +2), железо и магний могут легко заменять друг друга в оливине и многих других минералах.

Конфигурация тетраэдра Примеры минералов
Изолированный (несиликаты) Оливин, гранат, циркон, кианит
Пары (соросиликаты) Эпидот, цоизит
Кольца (циклосиликаты) Турмалин
Одиночные цепи (иносиликаты) Пироксены, волластонит
Двойные цепи (иносиликаты) Амфиболы
Листы (филлосиликаты) Слюды, глинистые минералы, серпентин, хлорит
Трехмерная структура Каркас (тектосиликат) Полевой шпат, кварц, цеолит

Рисунок 2.9 Конфигурации силикатных минералов. Треугольники представляют тетраэдры кремнезема.

Упражнения

Упражнение 2.3. Создание тетраэдра

Обрежьте внешнюю часть фигуры (сплошные и пунктирные линии), а затем сложите по сплошным линиям, чтобы получился тетраэдр.

Если у вас есть клей или скотч, прикрепите выступы к тетраэдру, чтобы они держались вместе. Если у вас нет клея или ленты, сделайте надрез по тонкой серой линии и вставьте заостренный язычок в прорезь.

Если вы делаете это в классе, попробуйте соединить свой тетраэдр с другими в пары, кольца, одинарные и двойные цепи, листы и даже трехмерные каркасы.

В оливине, в отличие от большинства других силикатных минералов, тетраэдры кремнезема не связаны друг с другом. Однако они связаны с железом и / или магнием, как показано на рисунке 2.10.

Рис. 2.10. Изображение структуры оливина, вид сверху. Формулу для этого конкретного оливина, который имеет три иона Fe на каждый ион Mg, можно было бы записать: Mg0.5Fe1.5SiO4.

Как уже отмечалось, +2 ионы железа и магния близки по размеру (хотя и не совсем одинаковы). Это позволяет им заменять друг друга в некоторых силикатных минералах. Фактически, обычные ионы в силикатных минералах имеют широкий диапазон размеров, как показано на рис. 2.11. Все показанные ионы являются катионами, за исключением кислорода. Обратите внимание, что железо может существовать как ион +2 (если он теряет два электрона во время ионизации), так и ион +3 (если он теряет три). Fe 2+ известен как железо , двухвалентное железо .Fe 3+ известен как железо , трехвалентное железо . Ионные радиусы имеют решающее значение для состава силикатных минералов, поэтому мы еще раз обратимся к этой диаграмме.

Рис. 2.11. Ионные радиусы (эффективные размеры) в ангстремах некоторых обычных ионов в силикатных минералах

Структура одноцепочечного силикатного пироксена показана на рис. 2.12 и 2.13. В пироксене тетраэдра кремнезема связаны в единую цепь, где один ион кислорода из каждого тетраэдра является общим с соседним тетраэдром, следовательно, в структуре меньше атомов кислорода.В результате соотношение кислорода и кремния ниже, чем в оливине (3: 1 вместо 4: 1), а общий заряд на атом кремния меньше (–2 вместо –4), поскольку требуется меньше катионов. чтобы сбалансировать этот заряд. Композиции пироксенов относятся к типу MgSiO 3 , FeSiO 3 и CaSiO 3 или их комбинации. Пироксен также можно записать как (Mg, Fe, Ca) SiO 3 , где элементы в скобках могут присутствовать в любой пропорции. Другими словами, пироксен имеет по одному катиону на каждый тетраэдр кремнезема (например,g., MgSiO 3 ), а в оливине их два (например, Mg 2 SiO 4 ). Поскольку каждый ион кремния равен +4, а каждый ион кислорода равен –2, три атома кислорода (–6) и один кремний (+4) дают суммарный заряд –2 для одной цепочки тетраэдров кремнезема. В пироксене один двухвалентный катион (2+) на тетраэдр уравновешивает этот заряд –2. В оливине требуется два двухвалентных катиона, чтобы сбалансировать заряд –4 изолированного тетраэдра.

Структура пироксена более «разрешающая», чем у оливина — это означает, что в нее могут поместиться катионы с более широким диапазоном ионных радиусов.Вот почему пироксены могут иметь катионы железа (радиус 0,63 Å), магния (радиус 0,72 Å) или кальция (радиус 1,00 Å).

Рис. 2.12. Изображение структуры пироксена. Тетраэдрические цепи продолжаются слева и справа, и каждая из них перемежается рядом двухвалентных катионов. Если это ионы Mg, то формула будет MgSiO3. Рисунок 2.13. Одиночный тетраэдр кремнезема (слева) с четырьмя ионами кислорода на ион кремния (SiO4). Часть единой цепочки тетраэдров (справа), где атомы кислорода в смежных углах делятся между двумя тетраэдрами (стрелки).Для очень длинной цепи результирующее отношение кремния к кислороду составляет от 1 до 3 (SiO3).

Упражнения

Упражнение 2.4 кислородная депривация

На диаграмме ниже представлена ​​одиночная цепь в силикатном минерале. Подсчитайте количество тетраэдров по сравнению с количеством ионов кислорода (желтые сферы). Каждый тетраэдр имеет один ион кремния, поэтому это должно давать отношение Si к O в одноцепочечных силикатах (например, пироксен).

На диаграмме ниже представлена ​​двойная цепь в силикатном минерале.Опять же, посчитайте количество тетраэдров по сравнению с количеством ионов кислорода. Это должно дать вам соотношение Si к O в двухцепочечных силикатах (например, амфиболе).

В структурах амфибола тетраэдры кремнезема связаны в двойную цепочку, у которой отношение кислорода к кремнию ниже, чем у пироксена, и, следовательно, для балансировки заряда необходимо еще меньше катионов. Амфибол даже более терпим, чем пироксен, и его состав может быть очень сложным.Роговая обманка, например, может включать натрий, калий, кальций, магний, железо, алюминий, кремний, кислород, фтор и гидроксил-ион (OH ).

В структурах слюды тетраэдры кремнезема расположены в виде непрерывных листов, где каждый тетраэдр имеет три общих аниона кислорода с соседними тетраэдрами. Между соседними тетраэдрами происходит еще большее распределение атомов кислорода, и, следовательно, для листовых силикатных минералов требуется меньше катионов, уравновешивающих заряд. Связь между листами относительно слабая, и это объясняет хорошо развитый однонаправленный раскол (Рисунок 2.14). Слюда биотита может содержать железо и / или магний, что делает ее ферромагнезиальным силикатным минералом (например, оливином, пироксеном и амфиболом). Хлорит — еще один подобный минерал, который обычно включает магний. В слюде мусковита присутствуют только катионы алюминия и калия; следовательно, это силикатный минерал неферромагнезиального происхождения.

Рис. 2.14 Слюда биотита (слева) и слюда мусковита (справа). Оба силиката представляют собой листовые силикаты и легко разделяются на тонкие слои в плоскостях, параллельных листам.Биотит темный, как и другие силикаты, содержащие железо и / или магний (например, оливин, пироксен и амфибол), а мусковит — светлый. (Каждый образец имеет диаметр около 3 см.)

Помимо мусковита, биотита и хлорита, существует множество других листовых силикатов (или филлосиликатов ), которые обычно существуют в виде фрагментов размером с глину (т.е. менее 0,004 мм). ). К ним относятся глинистые минералы , каолинит , иллит, и смектит , и хотя их трудно изучать из-за их очень малого размера, они являются чрезвычайно важными компонентами горных пород и особенно почв.

Все минералы листового силиката также содержат воду в своей структуре.

Тетраэдры кремнезема связаны в трехмерные каркасы как в полевом шпате , так и в кварце . Это неферромагнезиальных минералов — они не содержат железа и магния. Помимо тетраэдров кремнезема, полевые шпаты включают катионы алюминия, калия, натрия и кальция в различных комбинациях. Кварц содержит только тетраэдры кремнезема.

Три основных минерала полевого шпата — это полевой шпат , (a.к.а. K-полевой шпат или K-шпат) и два типа полевого шпата плагиоклаза: альбит (только натрий) и анортит (только кальций). Как и в случае с железом и магнием в оливине, существует непрерывный диапазон составов (ряд твердых растворов) между альбитом и анортитом в плагиоклазе. Это связано с тем, что ионы кальция и натрия почти одинаковы по размеру (1,00 Å против 0,99 Å). Могут существовать любые промежуточные составы между CaAl 2 Si 3 O 8 и NaAlSi 3 O 8 (рисунок 2.15). Это немного удивительно, потому что, хотя они очень похожи по размеру, ионы кальция и натрия не имеют одинакового заряда (Ca 2+ по сравнению с Na +). Эта проблема объясняется соответствующей заменой Si 4+ на Al 3+ . Следовательно, альбит — это NaAlSi 3 O 8 (один Al и три Si), а анортит — это CaAl 2 Si 2 O 8 (два Al и два Si), а полевые шпаты плагиоклаза промежуточного состава имеют промежуточный состав. пропорции Al и Si.Это называется «связанной заменой».

Полевые шпаты плагиоклаза промежуточного состава включают олигоклаз (от 10% до 30% Са), андезин (от 30% до 50% Са), лабрадорит (от 50% до 70% Са) и битовнит (от 70% до 90% Са). Калиевый полевой шпат (KAlSi 3 O 8 ) имеет структуру, немного отличную от структуры плагиоклаза, из-за большего размера иона калия (1,37 Å) и из-за этого большого размера калий и натрий не легко заменяют друг друга, за исключением высоких температур.Эти высокотемпературные полевые шпаты, вероятно, можно найти только в вулканических породах, потому что интрузивные магматические породы охлаждаются достаточно медленно до низких температур, чтобы полевые шпаты превратились в одну из низкотемпературных форм.

Рисунок 2.15 Состав минералов полевого шпата

В кварце (SiO 2 ) , тетраэдры кремнезема связаны в «идеальный» трехмерный каркас. Каждый тетраэдр связан с четырьмя другими тетраэдрами (с кислородом, общим для каждого угла каждого тетраэдра), и в результате отношение кремния к кислороду составляет 1: 2.Поскольку один катион кремния имеет заряд +4, а два аниона кислорода имеют заряд –2, заряд сбалансирован. Нет необходимости в алюминии или других катионах, таких как натрий или калий. Твердость и отсутствие трещин в кварце являются результатом сильных ковалентных / ионных связей, характерных для тетраэдра кремнезема.

Упражнения

Упражнение 2.5 Ферромагнезиальные силикаты?

Силикатные минералы классифицируются как ферромагнезиальные или неферромагнезиальные в зависимости от того, содержат ли они в своей формуле железо (Fe) и / или магний (Mg).Ниже перечислены некоторые минералы и их формулы. Для каждого укажите, является ли это силикат ферромагнезита или нет.

Минеральное Формула Ферромагнезиальный силикат?
оливин (Mg, Fe) 2 SiO 4
пирит FeS 2
плагиоклаз CaAl 2 Si 2 O 8
пироксен MgSiO 3
гематит Fe 2 O 3
ортоклаз КАЛСИ 3 О 8
кварц SiO 2
Минеральное Формула * Ферромагнезиальный силикат?
амфибол Fe 7 Si 8 O 22 (OH) 2
мусковит K 2 Al 4 Si 6 Al 2 O 20 (OH) 4
магнетит Fe 3 O 4
биотит K 2 Fe 4 Al 2 Si 6 Al 4 O 20 (OH) 4
доломит (Ca, Mg) CO 3
гранат Fe 2 Al 2 Si 3 O 12
змеевик Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4

* Некоторые формулы, особенно более сложные, были упрощены.

5.4 Силикатные минералы — Физическая геология, Первый университет Саскачевана, издание

Кремний и кислород ковалентно связываются с образованием силикатного тетраэдра (SiO 4 4-), который представляет собой четырехстороннюю пирамиду с кислородом в каждом углу и кремнием в середине (рис. 5.21). Эта структура является строительным материалом для многих важных минералов в коре и мантии. Кремний имеет заряд +4, а кислород имеет заряд -2, поэтому общий заряд силикатного аниона равен -4.

Рисунок 5.21 Тетраэдр кремнезема является строительным блоком всех силикатных минералов. Источник: Карла Панчук (2018) CC BY-SA 4.0. Изменено после Helgi (2013) CC BY-SA 3.0 view source

В силикатных минералах эти тетраэдры расположены и связаны друг с другом различными способами, от отдельных единиц до цепочек, колец и более сложных каркасов. В оставшейся части этого раздела мы обсудим структуры наиболее распространенных силикатных минералов в земной коре и мантии.

Упражнение: Создайте тетраэдр

Загрузите этот PDF-файл с образцом тетраэдра ниже. Обрежьте внешнюю часть формы (сплошные и пунктирные линии), а затем сложите по сплошным линиям, чтобы получился тетраэдр.

Если у вас есть клей или скотч, прикрепите выступы к тетраэдру, чтобы они держались вместе. Если у вас нет клея или ленты, сделайте надрез по тонкой серой линии и вставьте заостренный язычок в прорезь.

Если вы настроены амбициозно, сделайте несколько тетраэдров и используйте зубочистки по углам, чтобы сделать конфигурации, описанные ниже.

Рисунок 5.22 Шаблон для тетраэдра. Источник: Стивен Эрл (2015) CC BY 4.0 исходный код

Простейшая силикатная структура минерала оливина (рис. 5.23) состоит из изолированных тетраэдров, связанных с ионами железа и / или магния (рис. 5.23 слева). В оливине заряд –4 каждого тетраэдра кремнезема уравновешивается двумя катионами железа или магния, каждый с зарядом +2. Оливин может быть чистым Mg 2 SiO 4 или Fe 2 SiO 4 или их комбинацией, записанной как (Mg, Fe) 2 SiO 4 .Магний и железо могут заменять друг друга, потому что у них обоих есть заряд +2, и они похожи по размеру. Катионы магния имеют радиус 0,73 Å, а катионы железа — 0,62 Å.

Рис. 5.23 Оливин — силикатный минерал, состоящий из изолированных тетраэдров кремнезема, связанных с ионами Fe и Mg (слева). Кристаллы оливина (в центре) часто можно найти в вулканической магматической породе, называемой базальтом (справа). Источник: Карла Панчук (2018) CC BY-SA 4.0. Слева — изменено после Стивена Эрла (2015) CC BY 4.0 просмотреть исходный код. Щелкните изображение для просмотра источников фотографий.

Хотя ионы железа и магния схожи по размеру, что позволяет им заменять друг друга в некоторых силикатных минералах, обычные ионы в силикатных минералах имеют широкий диапазон размеров (рис. 5.24). Ионные радиусы имеют решающее значение для состава силикатных минералов, потому что структура силикатного минерала будет определять размер доступных пространств.

Рис. 5.24 Ионные радиусы в ангстремах некоторых обычных ионов в силикатных минералах.Радиусы показаны в масштабе. Обратите внимание, что железо появляется дважды с двумя разными радиусами. Это связано с тем, что железо может существовать как ион +2 (если он теряет два электрона, когда становится ионом) или как ион +3 (если он теряет три). Fe 2+ известен как железо , двухвалентное железо . Fe 3+ известен как железо , трехвалентное железо . Источник: Карла Панчук (2017) CC BY 4.0. Изменено после Стивена Эрла (2015) CC BY 4.0 исходный код

Пироксен (рис. 5.25 внизу слева) является примером одноцепочечного силиката.Структура цепочечных силикатов показана на Рисунке 5.25 (вверху). В пироксене тетраэдров кремнезема образуют цепь, потому что один кислород из каждого тетраэдра является общим с соседним тетраэдром. Это означает, что в структуре меньше кислорода. Это можно выразить как отношение кислорода к кремнию (O: Si). O: Si ниже, чем в оливине (3: 1 вместо 4: 1), и чистый заряд на атом кремния меньше (–2 вместо –4), потому что для балансировки этого заряда необходимо меньше катионов.

Рисунок 5.25 Цепные силикатные минералы. Вверху: расположение тетраэдров кремнезема в одинарные и двойные цепи. Внизу слева: кристаллы пироксена (темные кристаллы) разновидности эгирина (акмит). Внизу справа: кристалл амфибола (темный) разновидности роговой обманки. Источник: Карла Панчук (2018) CC BY-NC-SA 4.0. Вверху слева — изменено после Стивена Эрла (2015) CC BY 4.0. Вверху справа — модифицировано по материалам Klein & Hurlbut (1993). Фотографии Р. Веллера / Колледж Кочиз. Щелкните изображение для просмотра источников.

Составы пироксенов имеют тетраэдры кремнезема, представленные как SiO 3 (e.g., MgSiO 3 , FeSiO 3 и CaSiO 3 .) Другими словами, пироксен имеет один катион для каждого тетраэдра кремнезема (например, MgSiO 3 ), а оливин — два (например, Mg 2 SiO 4 ). Структура пироксена более «разрешающая», чем у оливина, что означает, что в нее могут поместиться катионы с более широким диапазоном ионных радиусов. Вот почему пироксены могут иметь катионы кальция (радиус 1,00 Å), заменяющие железо (0,63 Å) и магний (0,72 Å).

В амфиболе (рисунок 5.25 внизу справа), тетраэдры кремнезема связаны в двойную цепочку, у которой отношение кислорода к кремнию ниже, чем у пироксена, и, следовательно, для балансировки заряда необходимо еще меньше катионов. Амфибол является даже более проницаемым, чем пироксен, и его состав может быть очень сложным, как показано формулой для группы роговой обманки минералов амфибола на Рисунке 5.25 (справа внизу).

Упражнение: отношение кислорода к кремнию

На рис. 5.26 показаны одноцепочечные и двухцепочечные структуры.Подсчитайте количество тетраэдров по сравнению с количеством ионов кислорода (желтые сферы) для каждого. Каждый тетраэдр имеет один атом кремния.

  1. Убедитесь сами, что отношение кремния к кислороду в одной цепи составляет 1: 3.
  2. Что означает O: Si для двойной цепи?
Рис. 5.26 Одинарные и двойные цепочки тетраэдров. Источник: Карла Панчук (2018) CC BY 4.0, модифицированный по Стивену Эрлу (2015) CC BY 4.0, одинарная / двойная цепь

В структурах слюды тетраэдры кремнезема расположены в виде сплошных листов (рисунок 5.27), где каждый тетраэдр имеет три аниона кислорода с соседними тетраэдрами. Поскольку еще больше кислорода разделяется между соседними тетраэдрами, для листовых силикатных минералов требуется меньше катионов, уравновешивающих заряд. Связь между листами относительно слабая, и это объясняет тенденцию минералов слюды разделяться на листы (рис. 5.27 внизу справа). В силикатных породах встречаются две слюды: , биотит (рис. 5.27 внизу слева), который содержит железо и / или магний, что делает его темным минералом; и мусковит (рисунок 5.27 справа), который содержит алюминий и калий и имеет светлый цвет. Все минералы листового силиката имеют в своей структуре воду в форме гидроксильного (OH-) аниона.

Рис. 5.27 Слюды представляют собой листовые силикаты и легко разделяются на тонкие слои в плоскостях, параллельных листам. Биотитовая слюда (внизу слева) содержит катионы Fe и Mg. Мусковитовая слюда (внизу справа) содержит Al и K. Мусковитовая слюда показывает, как тонкие слои могут расколоться в листовом силикате. Источник: Карла Панчук (2018) CC BY-NC-SA 4.0. Вверху слева — изменено после Стивена Эрла (2015) CC BY 4.0. Вверху справа — модифицировано по материалам Klein & Hurlbut (1993). Фотографии Р. Веллера / Колледж Кочиз. Щелкните изображение для просмотра источников.

Некоторые листовые силикаты обычно встречаются в виде фрагментов размером с глину (т.е. менее 0,004 мм). К ним относятся глинистые минералы , каолинит , иллит, и смектит , которые являются важными компонентами горных пород и особенно почв.

В каркасных силикатах тетраэдры соединены друг с другом в трехмерные структуры, а не в двумерные цепочки и листы.

Полевой шпат

Полевые шпаты представляют собой группу очень распространенных каркасных силикатов в земной коре. Они включают тетраэдры оксида алюминия, а также силикатные тетраэдры. В тетраэдрах оксида алюминия в центре находится катион алюминия, а не катион кремния.

Полевые шпаты классифицируются по тройной (3-кратной) системе с тремя конечными элементами («чистые» полевые шпаты). Эта система проиллюстрирована треугольной схемой, на которой каждый концевой элемент находится в одном углу (Рисунок 5.28). Расстояние вдоль одной из сторон диаграммы представляет относительную обильность состава каждого конечного элемента.

Рис. 5.28 Тройная диаграмма, показывающая группу полевого шпата каркасных силикатных минералов. Щелочные полевые шпаты — это шпаты, состав которых варьируется от альбита (с катионом Na) до ортоклаза и его полиморфов (с катионом K. Плагиоклазовые полевые шпаты имеют состав от альбита и анортита (с катионом Ca). Источник: Карла Панчук ( 2018) CC BY-SA 4.0. Тройная диаграмма, модифицированная по Klein & Hurlbut (1993). Щелкните изображение, чтобы просмотреть источники фотографий и тройную диаграмму без изображений минералов.

Один конечный элемент — это калиевый полевой шпат (также называемый калиевый полевой шпат ), который имеет состав KAlSi 3 O 8 . В зависимости от температуры и скорости охлаждения калиевый полевой шпат может быть одним из трех полиморфов: ортоклаза , санидина или микроклина . Другой конечный элемент — альбит , который содержит натрий вместо калия (формула NaAlSi 3 O 8 ).Как и в случае с железом и магнием в оливине, существует непрерывный диапазон составов (называемый серией твердых растворов) между альбитом и ортоклазом. Полевые шпаты этой серии называются щелочными полевыми шпатами . Катионы калия намного крупнее катионов натрия (1,37 Å против 0,99 Å соответственно), поэтому для образования щелочных полевых шпатов промежуточного состава требуются высокие температуры.

Третий конечный элемент — это анортит , и он содержит кальций вместо калия или натрия (формула CaAl 2 Si 3 O 8 ).Полевые шпаты в ряду твердых растворов между альбитом и анортитом называются полевыми шпатами плагиоклаза . Катионы кальция и натрия почти одинакового размера (1,00 Å и 0,99 Å соответственно), поэтому с этой точки зрения имеет смысл, что они легко заменяют друг друга и что любые промежуточные составы между CaAl 2 Si 3 O 8 и NaAlSi 3 O 8 могут существовать. Однако ионы кальция и натрия не имеют одинакового заряда (Ca 2+ по сравнению с Na +), поэтому удивительно, что они так легко заменяются.Разница в заряде компенсируется заменой Si 4+ частицами Al 3+ . Альбит содержит в своей формуле один Al и три Si, а в анортите — два Al и два Si. Плагиоклазовые полевые шпаты промежуточного состава также имеют промежуточные пропорции Al и Si.

Кварц

Кварц (SiO 2 ; рис. 5.29) содержит только тетраэдры кремнезема. В кварце , каждый тетраэдр кремнезема связан с четырьмя другими тетраэдрами (с кислородом, общим для каждого угла каждого тетраэдра), образуя трехмерный каркас.В результате соотношение кремния и кислорода составляет 1: 2. Поскольку один катион кремния имеет заряд +4, а два аниона кислорода имеют заряд –2, заряд сбалансирован. Нет необходимости добавлять катионы, чтобы сбалансировать заряд. Твердость кварца и тот факт, что он ломается нерегулярно (обратите внимание на нижнюю часть кристалла на рис. 5.29 справа), а не по гладким плоскостям, являются результатом сильных ковалентных / ионных связей, характерных для тетраэдра кремнезема.

Рис. 5.29 Кварц — еще один силикатный минерал с трехмерным каркасом из кремнеземных тетраэдров.Иногда кварц встречается в виде хорошо развитых кристаллов (слева), но он также встречается в обычных породах, таких как гранит (справа). Помимо кварца, гранит содержит калиевый полевой шпат, альбит и амфибол. Источник: Карла Панчук (2018) CC BY-NC-SA 4.0. Фотографии Р. Веллера / Колледж Кочиз. Щелкните изображение для просмотра источников фотографий.
Список литературы

Кляйн, К. и Херлбут, К. С., младший (1993). Руководство по минералогии (по Дж. Д. Дана). Нью-Йорк, Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc.

Силикатные минералы — обзор

3.3.3 Основность и гидролиз магматических силикатных минералов

Минералоги классифицируют силикатные минералы на основе силикатных полианионов, которые определяют их основную кристаллическую структуру (Таблица 3.3). Катионное замещение тетраэдрического Si 4+ на Al 3+ , которое оставляет нетронутой основную алюмосиликатную тетраэдрическую полианионную сетку, редко или отсутствует в несиликатах с несиликатными, соро-, цилиндрическими и одноцепочечными цепями.

Таблица 3.3. Силикатные минеральные группы

Силикатные группы Силикатные анионы Минеральные группы
Несиликаты SiO44− Оливин
Соросиликаты Si 2 O Ep.
Циклосиликаты Si 3 O96− Цикловолластонит
Циклосиликаты Si 6 O1812− Берилловая группа
Инсосиликат Si 2 O64−28 Инсосиликат Si 4 O116− Амфибол
Филлосиликат AlSi 3 O103− Группа слюды
Филлосиликат Si 4 O104− Группа Kaol Тектосиликат SiO20 Кварц
Тектосиликат AlSi 3 O81− Щелочные полевые шпаты
Тектосиликат Al 2 Si 2 O82− Плагиоклаз внесен в список
40 Силикат 40 в таблице 3.3 не встречаются в силикатных минералах, кристаллизующихся из водного раствора. Это очень сильные основания, которые агрессивно реагируют с жидкой водой. Магматические минералы кристаллизуются непосредственно из высокотемпературной сложной ионной жидкости , известной как магма под поверхностью Земли и лавы , когда она извергается на поверхность Земли. Жидкая водная фаза не может существовать при температурах, характерных для магмы и лавы. В отсутствие жидкой воды силикатные ионы в магме и лаве попадают в магматические минералы по мере охлаждения ионной жидкости.

Формулы во втором столбце таблицы 3.3 указывают заряд силикатного аниона в том виде, в каком он присутствует в магме и типичном силикатном минерале. Количество концевых атомов кислорода Si – O (ср. Немостиковые силикатные тетраэдрические вершины на рис. 3.4) равно заряду силикатного аниона. Количество мостиковых атомов кислорода Si – O – Si, связывающих силикатные тетраэдры вместе, равно общему количеству атомов кислорода в силикатном анионе за вычетом заряда аниона. Например, инсосиликатный анион Si 2 O64− содержит четыре (4) концевых атома кислорода и два (2) мостиковых атома кислорода.

Рис. 3.4. Полимерные силикатные анионы шести основных групп силикатных минералов.

Основность конкретного силикатного минерала (магматического или другого) определяется зарядом силикатного аниона, но его легче определить количественно путем подсчета молей заряда , суммированных по элементам групп 1 и 2 на формульную единицу.

Несосиликатный форстерит Mg 2 SiO 4 (s) содержит четыре (4) моля основного заряда на формульную единицу, в то время как тектосиликатный кварц SiO 2 (s) содержит ноль молей основного заряда на формульную единицу .Чтобы понять химическое значение основного заряда в контексте силикатных минералов, рассмотрим чистый гидролиз форстерита, где химическая формула записана как сумма оксидов (см. Пример 6.1): 2 MgO ⋅SiO 2 (s) .

(3.R1) 2MgO⋅SiO2 (s) Форстерит + 4h3O (l) → 2Mg2 + (aq) + 4OH− (aq) + h5SiO40 (aq)

Ортосиликатный анион SiO44− в форстерите имеет четыре (4) терминала. атомы кислорода и гидролизуются в присутствии жидкой воды с образованием четырех (4) молей гидроксида ОН на формульную единицу.Существует две различные реакции гидролиза с участием силикатных анионов, перечисленных в таблице 3.3, и воды, реакция (3.R1) представляет собой реакцию гидролиза кислотно-основную реакцию с участием концевых силикатных атомов кислорода.

Иносиликатный энстатит Mg 2 Si 2 O 6 (s) содержит два (4) моля основного заряда на кремний, что вдвое меньше, чем у форстерита. Чтобы понять химическое значение мостиковых атомов кислорода Si – O – Si, связывающих силикатные тетраэдры, рассмотрим реакцию гидролиза энстатита (3.R2), для которого, опять же, химическая формула записывается как сумма оксидов: 2MgO ⋅ 2SiO 2 (т).

(3.R2) 2MgO⋅2SiO2 (s) Энстатит + 6h3O (l) → 2Mg2 + (водный) + 4OH− (водный) + 2h5SiO40 (водный)

Реакция (3.R2) содержит именной номер концевого Si –O атомы кислорода, как (3.R1), однако два дополнительных моля H 2 O появляются на стороне эдукта реакции без добавления к гидроксиду OH выход на стороне продукта.

Эти дополнительные молекулы H 2 O необходимы для разрыва мостиков Si – O – Si между силикатными тетраэдрами вдоль инсосиликатной цепи.Эта вторая реакция гидролиза не является реакцией кислотно-основного гидролиза , такой как та, которая дает один моль гидроксида ОН на каждый моль концевого кислорода Si – O в формульной единице.

Третья реакция гидролиза — кислотно-основная реакция, связанная с гидролизом концевых атомов кислорода Si – O (см. 3.R1) — включает элементы, которые осаждаются в присутствии жидкой воды, образуя нерастворимые оксиды и гидроксиды. Чтобы понять разницу между элементами 1-й и 2-й групп и элементом 13-й группы алюминия, мы сравним гидролиз двух очень похожих филлосиликатных минералов: талька и пирофиллита.

Силикатный анион Si 4 O104− идентичен в обоих минералах. Катионы Mg 2+ и Al 3+ занимают идентичные октаэдрические координационные центры, с той лишь разницей, что двухвалентный Mg 2+ занимает все октаэдрические позиции в филлосиликатном слое, а трехвалентный Al 3+ занимает две трети места. Полный гидролиз талька (реакция 3.R3) и пипрофиллита (реакция 3.R4) показан ниже, формулы обоих минералов записаны как сумма оксидов.

(3.R3) 6MgO⋅8SiO2⋅2h3O (s) Тальк + 20h3O (l) → 6Mg2 + (водн.) + 12OH- (водн.) + 8h5SiO40 (водн.)

(3.R4) 2Al2O3⋅8SiO2⋅2h3O ( s) Пирофиллит + 20h3O (l) → 4Al (OH) 3 (s) Гиббсит + 8h5SiO40 (водн.)

Гидролиз талька, содержащий шесть катионов Mg 2+ на формульную единицу, дает двенадцать OH в реакции (3 .R3). Тальк Mg 6 Si 8 O 20 (OH) 4 (s) содержит катион 2 группы Mg 2+ и его концевые атомы кислорода Si – O по реакции (3.R1).

Пирофиллит Al 4 Si 8 O 10 (OH) 4 (s) содержит катион 13 группы Al 3+ . Конечные атомы кислорода Si – O в пирофиллите реагируют с водой через третью реакцию гидролиза, поскольку Al 3+ образует нерастворимые оксиды и гидроксиды в присутствии жидкой воды. Гидролиз пирофиллита (реакция 3.R4) дает такое же количество ионов OH , что и гидролиз талька, но Al 3+ реагирует со всеми образующимися ионами OH с образованием нерастворимого минерала гиббсита.

Реакция (3.R4) удаляет из водного раствора три моля силикатной основности на каждый Al 3+ в исходном силикате, образуя нерастворимое основание конъюгата. Чтобы дополнительно проиллюстрировать третью реакцию гидролиза, рассмотрим полный гидролиз анортита CaAl 2 Si 2 O 8 (s), полевого шпата плагиоклаза, содержащего один катион Ca 2+ группы 2 на формульную единицу и две группы 13 Al 3+ катионов. В отличие от пирофиллита весь Al 3+ в щелочных и плагиоклазовых полевых шпатах замещает тетраэдрический Si 4+ .Полный гидролиз анортита происходит в реакции (3.R5).

(3.R5) CaO⋅Al2O3⋅2SiO2 (s) Анортит + 8h3O (l) ⇔Ca2 + (водн.) + 2OH− (водн.) + 2Al (OH) 3 (s) Гиббсит + 2h5SiO40 (водн.)

Один моль концевых атомов кислорода Si – O в силикатных минералах дает один моль OH через реакции гидролиза (3.R1), (3.R3), (3.R4) и (3.R5), независимо. Разница между реакциями (3.R4) и (3.R5), с одной стороны, и реакциями (3.R1) и (3.R3), с другой, заключается в судьбе образовавшегося OH .Катионы алюминия и железа удаляют основность силиката, поскольку трехвалентные катионы этих двух элементов образуют нерастворимые оксиды и гидроксиды. Оставшаяся основность силикатного минерала, равная содержанию катионов групп 1 и 2, если считать как моля заряда , остается в растворе, доступном для реакции с водным CO 2 (водн.) Для определения щелочности формы (см. Главу 6).

Основность и гидролиз силикатных минералов имеют очевидные последствия для процессов химического выветривания.Повторюсь, каждый моль концевых атомов кислорода Si – O в силикат-анионах (таблица 3.3 и рис. 3.3) дает один моль OH посредством кислотно-основного гидролиза, а выход растворимого OH (водн.) Зависит от химический состав силикатного минерала.

Силикатные минералы в разной степени устойчивы к химическому выветриванию, но в целом сопротивление пропорционально содержанию мостиковых атомов кислорода Si – O – Si в силикатном анионе. Базальты содержат высокие содержания легко выветриваемых оливина, пироксена и минералов группы амфибола.Гранит содержит более высокую долю стойких минералов: слюды, полевого шпата и кварца. В конечном итоге химическое выветривание полностью растворяет магматические силикатные минералы на стадии выветривания 11 (см. Таблицу 3.2).

В следующем разделе будет обсуждаться трансформация на месте магматических минералов пририбола (инсосиликата) и полевого шпата (тектосиликата) в глинистые минералы (филлосиликаты глинистого сорта). Обоснование выделения глинистого минерала в отдельный раздел простое: кристаллы глинистого минерала не зарождаются и не растут из гомогенного водного раствора (т.е.например, из систем, содержащих фазу водного раствора и не содержащих минеральных фаз).

Силикатный минерал — обзор

a.

Стекло . Многие силикатные минералы после плавления не кристаллизуются при охлаждении, а образуют твердые, некристаллические, прозрачные вещества, называемые стеклами. (Другие материалы также образуют стекла, но этот термин чаще всего используется для силикатного стекла повседневного использования.) Поскольку стекла чрезвычайно вязкие, преобразование структуры в более стабильные кристаллические формы происходит очень медленно и может потребовать столетий.

Обычное оконное стекло представляет собой смесь силикатов натрия и кальция. Его получают путем плавления карбоната натрия, карбоната (или оксида) кальция и диоксида кремния вместе.

xNa2CO3 (l) + xSiO2 (s) → Na2x (SiO3) x (l) + xCO2 (g) xCa2CO3 (s) + xSiO2 (s) → Cax (SiO3) x (l) + xCO2 (g)

Белый песок служит источником кремнезема. Даже самый лучший песок содержит небольшую долю соединений железа (III), которые придают ему желтый или коричневый оттенок. Когда этот песок превращается в стекло, железо превращается в смесь светло-зеленых силикатов железа (II).Нежелательный цвет этих соединений может быть нейтрализован включением диоксида марганца (MnO 2 ) в стеклянную смесь. Диоксид марганца восстанавливается с образованием силикатов марганца (II), розовый цвет которых уравновешивает зеленый цвет из-за железа. Это делает стекло бесцветным.

Возможны бесчисленные вариации состава стекла. Например, замена части натрия калием делает стекло более твердым и повышает его температуру плавления. Добавление соединений переходных металлов к смеси стекла приводит к образованию окрашенных силикатов: оксид хрома (III) дает темно-зеленое стекло, оксид кобальта (II) дает синее и так далее.Включение коллоидных материалов может придать стеклу цвет (Au дает рубиновое стекло) или сделать его полупрозрачным или непрозрачным (SnO 2 дает непрозрачное стекло). Добавление оксида свинца (II) увеличивает показатель преломления стекла, так что оно дает игру цветов при воздействии лучей белого света. Свинцовое стекло (бесцветное стекло) используется для изготовления хрустальной посуды, линз и искусственных драгоценных камней.

Если часть диоксида кремния заменить оксидом бора в форме буры, полученное стекло будет иметь очень низкий коэффициент расширения и может претерпевать быстрые изменения температуры без разрушения.Пирекс, стекло с торговой маркой, распространенное в лабораториях, представляет собой боросиликатное стекло.

Обычное стекло мало растворимо в воде, но оно достаточно растворимо, чтобы вода, находившаяся в сосуде из такого стекла в течение некоторого времени, давала щелочную реакцию и при испарении давала взвешенный остаток. Гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов заметно разрушают стекло, поскольку полимерные силикатные анионы разлагаются щелочами. Кислоты, за исключением плавиковой, почти не действуют на большинство стекол.Плавиковая кислота довольно быстро разрушает стекло и используется для травления рисунков на стеклянных изделиях.

Очень интересное стекло, которое лишь слегка протравлено плавиковой кислотой, содержит большое количество фосфата алюминия, AlPO 4 . Алюминий и фосфор фланкируют кремний в периодической таблице, причем атом алюминия имеет на один протон и на один электрон меньше, чем атом кремния, а атом фосфора имеет на один больше каждого из них. Таким образом, фосфат алюминия изоэлектронен диоксиду кремния.Действительно, он имеет ту же кристаллическую структуру, что и кварц, с чередующимися атомами кремния, замененными атомами алюминия и фосфора.

б.

Керамика . Стекло некристаллическое, и его основным силикатным ингредиентом является песок. Напротив, большинство продуктов, которые мы считаем керамикой — кирпич, плитка, фаянс, керамика и фарфор — содержат глину в качестве основного ингредиента и представляют собой смесь кристаллической и стеклянной фаз. Термин «керамика» сложно дать точное определение.Одна энциклопедия включает в себя как керамику все твердые материалы, не являющиеся органическими или металлическими. Распространенное определение — это материалы, сделанные из глины.

Глины образуются в результате выветривания алюмосиликатных минералов и обычно содержат исходный минерал и песок в качестве примесей. Большинство глин также содержат в качестве примеси оксид железа (III), и красноватый цвет многих глин и керамических изделий обусловлен этим оксидом. Глины, имеющие наибольшее значение для керамической промышленности, содержат минералы группы каолина [например, Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ] в качестве основных компонентов.

Керамические изделия изготавливаются путем формования, сушки и последующего нагревания до высокой температуры пластичных смесей глины, добавок, таких как другие силикатные минералы или кварц, и воды. Изменения, происходящие при стрельбе, сложны и не были изучены с научной точки зрения.

Стекловидное покрытие или глазурь часто наносят на керамические изделия после предварительного обжига. Глазурь — это может быть оксид или соль металла, силикат металла или их смесь — наносится на поверхность, и объект повторно нагревается до температуры, при которой добавка либо плавится, либо вступает в реакцию с глиной, чтобы образуют стекловидное покрытие.Внешний вид и свойства керамической посуды могут широко варьироваться в зависимости от типа используемой глины, природы и количества добавок, природы глазури, времени и температуры обжига, а также наличия окислительной или восстановительной атмосферы во время стрельба.

г.

Цемент . Основным сырьем для цемента, смеси, часто называемой портландцементом (из-за его сходства с камнем, произрастающим на острове Портленд в Англии) или гидравлическим цементом (потому что он схватывается даже под водой), является известняк (CaCO 3 ). и глина.Порошкообразная смесь этих материалов нагревается во вращающейся печи до 1400–1600 ° C. Двуокись углерода выделяется из известняка, и полученная смесь спекается в небольшие комки, называемые «клинкером». Этот материал, смесь алюминатов и силикатов кальция с известью (CaO), смешивается с небольшим количеством гипса (CaSO 4 · 2H 2 O) и измельчается.

При смешивании цемента с водой образуются гидраты. Это дает пластичную массу. Когда материал впервые затвердевает, в течение примерно 24 часов, он все еще достаточно мягкий, и его можно даже разрезать ножом в течение дня или двух.Гипс увеличивает время затвердевания, что позволяет дольше работать с цементом. Процесс отверждения включает гидролиз алюмината кальция с образованием гидроксида кальция и гидратированного оксида алюминия, которые реагируют с силикатами кальция с образованием алюмосиликатов кальция. Закалка продолжается много лет. Соединения, впервые образовавшиеся при схватывании цемента, по-видимому, медленно гидратируются, после чего происходит кристаллизация гидратов.

В быстротвердеющих цементах оксид алюминия в форме боксита заменяет часть глины.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *