предыдущая главасодержаниеследующая глава

Глава 3. Что мы знаем о кремнеземе

Кристаллическая структура кремнезема

Химическая формула всех кремнеземов - SiO2. Она относится и к кварцу, и к тридимиту, и к агату. Во многих случаях кремний частично замещается железом, алюминием и некоторыми другими металлами. Часто минералы кремнезема содержат механические примеси различных оксидов. Например, яшма является смесью кремнезема с оксидами марганца, железа и другими соединениями. В кварце химических примесей крайне мало. Тем не менее на цвет камня они влияют самым решительным образом. В состав опала входит довольно большое количество воды (до 10%), поэтому его формулу пишут в виде SiO2*nH2O.

Рис. 1. Два способа изображения кремнекислородного тетраэдра; а - шариковая модель; б - полиэдр
Рис. 1. Два способа изображения кремнекислородного тетраэдра; а - шариковая модель; б - полиэдр

Как известно, кремний четырехвалентен, а кислород двухвалентен. Легко представить маленький ион кремния (шарик радиусом 26 пм (Напомним, что в 1 м умещается триллион пикометров (пм))), окруженный четырьмя крупными ионами кислорода (радиус 138 пм). Такая группа называется кремнекислородным тетраэдром и несет четыре валентных заряда (рис. 1). Она может присоединить к себе еще четыре кремнекислородных тетраэдра, те, в свою очередь, еще, еще и еще... В результате собирается трехмерная кольчуга из тетраэдров, как эту структуру образно назвал академик Н. В. Белов. Многоликость кремнезема определяется способом сочленения тетраэдров в кольчуге (рис. 2).

Рис. 2. Сочленения тетраэдров в кристобалите (а), тридимите (б) и кварце (в)
Рис. 2. Сочленения тетраэдров в кристобалите (а), тридимите (б) и кварце (в)

Общеизвестно, что атом является наименьшей частицей химического элемента и носителем его свойств. Наименьшей частицей вещества, обладающей его основными химическими свойствами, является молекула. А вот наименьшей частицей кристалла является элементарная ячейка. Она может иметь вид кубика, прямоугольного или косоугольного параллелепипеда со сторонами а, в сис углами между ними α, β, γ (рис. 3, табл. 1). Из параллелепипедов, как из строительных кирпичиков, воздвигается кристалл.

Основным свойством кристаллов является их симметричность. Кристаллографы различают три основных типа симметрии: высшую (или кубическую), среднюю и низшую. Средний тип симметрии подразделяют на гексатональный, тетрагональный и тригональный, а низший - на ромбический, моноклинный и триклинный. Эти слова легко расшифровать, зная русские эквиваленты греческих терминов. Например, тетрагонами называют четырехугольники, а словом "триклинная" обозначается элементарная ячейка, в которой все три угла отличаются от 90°. Элементарная ячейка кубических кристаллов имеет вид кубика. Элементарные ячейки кристаллов других типов симметрии легко запомнить, внимательно рассмотрев рис. 3.

Рис. 3. Элементарные ячейки кристаллов следующих типов симметрии: а - кубической; б - гексагональной; в - тригональной; г - тетрагональной; д - ромбической; е - моноклинной; ж - триклинной
Рис. 3. Элементарные ячейки кристаллов следующих типов симметрии: а - кубической; б - гексагональной; в - тригональной; г - тетрагональной; д - ромбической; е - моноклинной; ж - триклинной

Чаще всего кристаллы одного и того же вещества образуются по какому-то определенному типу симметрии. Например, все гранаты кубические, а корунды - тригональные. Алмаз и графит, хотя и состоят из одинаковых атомов углерода, кристаллизуются по-разному: алмаз - кубический, графит - гексагональный. А вот минералы кремнезема распределены почти по всем типам симметрии (табл. 1).

Таблица 1. Типы симметрии и параметры ячеек некоторых минералов кремнезема

Название Тип симметрии Параметры ячейки, пм Z
a b c β
β-кристобалит кубический 703,2 - - - 8
β-кварц гексагональный 499,9 - 545,7 - 3
β-тридимит гексагональный 504,0 - 824,0 - 4
α-кристобалит тетрагональный 497,1 - 691,9 - 4
Стишовит тетрагональный 417,9 - 266,5 - 2
Китит тетрагональный 745,6 - 860,4 - 12
α-кварц тригональный 491,3 - 540,5 - 3
α-тридимит ромбический 991,0 1718,0 8157,0 - 320
Коэсит моноклинный 717,0 717,0 836,0 120 0 16

В элементарной ячейке кварца содержатся 3 атома кремния и шесть атомов кислорода. Таким образом, формулу кварца следовало бы писать так: Si3O6. Если пойти по этому пути, то формула тридимита приобретет устрашающий вид: Si320O640. Это крайне громоздко и неудобно. Поэтому договорились формулы всех минералов кремнезема сократить до SiO2 (это называется формульной единицей). Число формульных единиц в элементарной ячейке обозначается латинской буквой Z (табл. 1). Греческими буквами α и β обозначаются низкотемпературные и высокотемпературные модификации кремнезема. В табл. 2 еще одна графа обозначена буквой β. В данном случае это один из углов в элементарной ячейке моноклинной симметрии. Остальные два угла прямые.

Таблица 2. Физические свойства некоторых минералов кремнезема

Название Показатель преломления Твердость по Моосу Плотность, кг/м3 Эндотермический эффект, К Основные рефлексы на рентгенограмме (максимальный выделен), пм
Опал 1,440 5 2000 373 432-408-250-162-144
Лешательерит 1,458 6 2100 - -
Тридимит 1,471-1,474 6 2300 403 439-412-373-249-169
Кристобалит 1,484-1,487 7 2320 453 404-314-285-249-161
Китит 1,513-1,522 7 2500 - 450-372-342-333-311
Хризопраз 1,530-1,539 6,5-7,0 2580-2640 - 426-334-182-154
Агат 1,544-1,553 6,5-7,0 2600-2650 - 426-334-182-154
Кварц 1,544-1,553 7 2650 846 426-334-182-154
Коэсит 1,594-1,597 7,5 2930 ? 620-343-309-276-179
Стишовит 1,799-1,826 9 4280 1173 296-225-198-153-124
Рис. 4. Структуры β-кварца (а) и α-кварца (б)
Рис. 4. Структуры β-кварца (а) и α-кварца (б)

Проведем мысленный эксперимент: будем медленно нагревать широко распространенный в природе α-кварц. Его структура, образованная бесконечными спиралями из незамкнутых шестерных колец тетраэдров, схематически изображена на рис. 4. При температуре 846 К (то есть 573° С) в кольчуге из тетраэдров происходят незначительные смещения (шаг спиралей уменьшается). Этого оказывается достаточно для перехода тригональной симметрии в гексагональную. Дальнейшее повышение температуры до 1143 К теоретически должно привести к образованию β-тридимита. Шестиугольные кольца в его структуре соединяются в бесконечные плоские сетки, связанные между собой общими атомами кислорода (рис. 5).

Рис. 5. Структура β-тридимита
Рис. 5. Структура β-тридимита

При температуре 1743 К появляется наиболее симметричная модификация кремнезема - β-кристобалит. Пространственная связь из плоских сеток при этом сохраняется, изменяется лишь способ сочленения сеток (рис. 6).

Рис. 6. Структуры β-кристобалита (а) и α-кристобалита (б)
Рис. 6. Структуры β-кристобалита (а) и α-кристобалита (б)

На самом деле переход кремнезема из одной модификации в другую происходит по более сложному пути. Первое превращение (α-кварц - β-кварц) протекает быстро благодаря малым изменениям в решетке. Для завершения перехода β-кварц - β-тридимит, сопровождаемого глубокой перестройкой решетки, требуется несколько суток или даже недель. Так что на практике осуществляется другое, более вероятное превращение β-кварца в β-кристобалит.

Выше 1986 К кремнезем существует в виде расплава. При его быстром охлаждении образуется стекло (лешательерит). Кварцевое стекло представляет собой пространственную сетку из связанных между собой тетраэдров. Особого порядка в их расположении нет, соответственно нет и кристалла.

Рис. 7. Структура стишовита
Рис. 7. Структура стишовита

Китит, коэсит и стишовит образуются в условиях высоких температур в сочетании с громадными давлениями. О них мы расскажем несколько позже. А этот раздел закончим показом структуры стишовита (рис. 7). Громадные давления привели к тому, что вокруг каждого атома кремния собралось не четыре, а шесть атомов кислорода. В результате образовались кремне-кислородные октаэдры, соединенные между собой ребрами. Стишовит - царь среди минералов кремнезема. По своим физическим свойствам он намного превосходит сородичей. Например, кварц мягче топаза, а стишовит по твердости приближается к рубину.

предыдущая главасодержаниеследующая глава






Лабораторные бриллианты становятся популярнее

В Калининграде нашли янтарь весом более 3 кг

Муассанит: ярче бриллианта и крепче сапфира

На кувейтском острове нашли 3,6-тысячелетнюю ювелирную мастерскую

Сияющий опал: 10 удивительных фактов о самом красивом драгоценном минерале

Модный тренд 1950-х: ювелирные украшения, которые приклеивали к телу

Ювелирный этикет ношения колец: правила, которые необходимо соблюдать

Странные гигантские алмазы приоткрывают тайну состава Земли

Что хранится в королевской шкатулке?

Работу хабаровского ювелира приняли в постоянную экспозицию Эрмитажа

В Болгарии найден древний амулет из Китая



Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Карнаух Лидия Александровна, подборка материалов, оцифровка; Злыгостева Надежда Анатольевна, дизайн;
Злыгостев Алексей Сергеевич, разработка ПО 2008-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник: 'IzNedr.ru: Из недр Земли'