Передмова

Для ґрунтовної підготовки спеціалістів у галузі агрохімії та ґрунтознавства вкрай необхідним є глибоке вивчення ґрунтотворних мінералів, серед яких чи не найбільшу роль відіграють силікати – найпоширеніші серед мінералів земної кори.

Виникла термінова потреба вивчати згадані мінерали глибше й детальніше, ніж це робилося досі. Нині існує чимало навчальних посібників, що містять матеріали про будову і властивості силікатів, але переважна їх більшість адресована студентам геологічних спеціальностей. Ті ж посібники, що пропонуються студентам сільськогосподарських вузів, подають цей матеріал занадто спрощено, схематично, що, звичайно. Дуже шкодить розумінню і уясненню ролі особливо важливих ґрунтових силікатів – глинистих мінералів, проте певний досвід викладання основ геології, набутий нами за багато років, свідчить, що особливих труднощів при вивченні курсу силікатів можна уникнути, якщо докласти певних зусиль для висвітлення основ вчення про їх структур.

Пропонована лекція підготовлена з темою подати студентами – майбутнім ґрунтознавцям, агрохімікам, агрономам достатньо повне уявлення про силікатні мінерали, принципи їх будови та класифікації, поширення в природі, роль у ґрунтах та практичне використання.

Для повнішого засвоєння поданого тут матеріалу бажано опрацювати в навчальних посібниках з хімії розділи про атомні та іонні радіуси, типи хімічних зв’язків та про ізоморфізм.

1. Загальні відомості про силікати

Силікати – найпоширеніші мінерали земної кори: вони складають понад 90 % її маси. Майже всі магматичні, метаморфічні та переважна більшість осадових порід складені силікатами. Серед мінералів ґрунту вони також переважають, особливо значну роль тут відіграють так звані глинисті мінерали, бо вони в значній мірі визначають властивості ґрунту – вбирну здатність, набухання, липучість та ін. Крім того, останні мають важливе народногосподарське значення, їх використовують як технологічні матеріали.

За своєю будовою, а почасти й за хімічним складом силікати є найскладнішими мінералами. Тривалий час їх розглядали як солі гіпотетичних кремнієвих кислот – метакремнієвих, ортокремнієвих тощо.

Новий етап у дослідженні природи й структури силікатів почався після відкриття в 1912 р. явища дифракції рентгенівських променів у кристалах мінералів. Великий вклад у справу їх вивчення внесли Вільям та Лоуренс Брегги (батько і син), Е. Шібольд, Л. Паулінг, В. Вернадський, М. Бєлов та ін.

Дослідження силікатів тривають і в наш час. Учені ведуть пошуки в напрямі виявлення специфічних властивостей глинистих мінералів і цеолітів, що мають широке застосування в різних галузях народного господарства.

2. Особливості внутрішньої будови силікатів

Силікатами називають мінерали, що містять кремній як головний структуроутворюючий елемент. Відомо, що в складі земної кори найголовнішу роль відіграють два елементи – кремній та кисень, які сумарно займають майже 77 % її маси. Отже, серед відомих хімічних елементів періодичної системи атоми кисню та кремнію найчастіше «торкаються» один для одного, а враховуючи, що зовнішні електронні оболонки цих елементів помітно відрізняються, можна очікувати, що вони можуть утворювати сполуки. І справді, структурними методами встановлено, що в основі внутрішньої будови силікатних мінералів лежить здатність атомів кремнію утворювати дуже міцний зв'язок з атомами кисню. Звичайно, в земній корі кількісно переважають атоми кисню. Якщо врахувати, що вони за розмірами більші, ніж атоми кремнію (так, іонний радіус кисню становить 1,32 А, а кремнію – 0,39 А), то виходить, що основний об’єм займають також атоми кисню, а інші атоми ніби включені в кисневу оболонку.

Структурними дослідженнями встановлено, що кожний атом кремнію щільно оточений чотирма атомами кисню. Якщо умовно сполучити центри атомів кисню лініями, одержимо тетраедр, в центрі якого розміщується атом кремнію (рис. 1). Умовно позначають цей кремнекисневий тетраедр формулою SiO₄. Оскільки кремній компенсує лише чотири від’ємних валентності з восьми, що належить кисневій групі у складі тетраедра, то загальний заряд останнього становитиме -4. Для зручності ми будемо користуватися схематичним зображенням кремнекисневого тетраедра у вигляді поліедра (рис. 1, В).

Рис. 1. Будова кремнекисневого тетраедра і різні способи його зображення: А – розріджена модель; Б – модель щільної упаковки; В – поліедрична модель

Характерною особливістю кремнекисневих тетраедрів є їх здатність є їх здатність сполучатися між собою, утворюючи різноманітні угрупування. Сполучення їх відбувається через іони кисню, тобто кожна вершина тетраедра може стати спільною для сусіднього. Якщо зобразити кремнекисневі тетраедри у вигляді розріджених моделей, то два сполучених між собою тетраедри мають вигляд

Сучасна класифікація силікатів враховує спосіб сполучення кремнекисневих тетраедрів. Відповідно до цього спрощено виділяють п’ять типів силікатних структур:

а) острівні силікати – кремнекисневі тетраедри розташовуються у вигляді ізольованих «острівців», між якими знаходяться металічні катіони, які й компенсують надлишковий негативний заряд;

б) ланцюжкові силікати – тетраедри сполучаються в нескінченні ланцюжки, а зв'язок між ними відбувається за допомогою металевих катіонів;

в) стрічкові силікати – тетраедри утворюють відокремлені металічними катіонами нескінченні стрічки, які можна уявити як здвоєні ланцюжки;

г) каркасні силікати – з тетраедрів усіма вершинами тримає зв'язок з такими ж тетраедрами;

д) шаруваті (листові) силікати – тетраедри сполучаються трьома вершинами, що лежать в одній площині, в нескінченну двовимірну сітку або лист.

Характер структури помітно впливає на важливі фізичні та кристалохімічні особливості силікатних мінералів.