1.2.3 Слоистые алюмосиликаты, структурная характеристика

В основе строения атомных решеток большинства глинистых минералов лежат два структурных элемента [15, 16].

Рисунок 1.7 - Отдельный октаэдр (а) и октаэдрическая сетка структуры (б)

Первый состоит из двух слоев плотноупакованных атомов кислорода или гидроксильных групп, между которыми в октаэдрической координации расположены атомы Al, Fe или Mg так, что они равноудалены от 6 кислородов или гидроксилов (рисунок 1.7). Если в тих положениях находятся атомы Al, они заполняют лишь 2/3 всех возможных положений, чтобы уравновесить структуру, которая в этом случае является структурой гидраргиллита и имеет формулу Al₂(OH)₆. При наличии атомов Mg заполненными оказываются все положения, уравновешенная структура является в этом случае структурой брусита с формулой Mg₂(OH)₆. Это так называемый октаэдрический слой.

Рисунок 1.8 - Отдельный тетраэдр (а) и сетка кремнекислородных тетраэдров, расположенных по гексагональному мотиву (б)

Второй элемент структуры построен из кремнекислородных тетраэдров. В каждом тетраэдре атом кремния равноудален от четырех атомов кислорода или гидроксильных групп в зависимости от требований баланса структуры, образованной тетраэдрами с атомами кремния в их центрах. Это тетраэдрический слой (рисунок 1.8).

Структура этого элемента подобна структуре слоя из кремнекислородных тетраэдров в слоистых минералах с тем лишь отличием, что она имеет бесконечную протяженность только в одном направлении.

Цепи связаны вместе атомами алюминия или магния, расположенными так, что каждый из них окружен шестью «активными» атомами кислорода. Активными являются те атомы кислорода, которые имеют лишь одну связь с кремнием и, следовательно, находятся на краях цепей и в вершинах тетраэдров.

Тетраэдры расположены так, что вершины каждого из них направлены в одну и ту же сторону, а основания находятся в одной и той же плоскости. В структуре этого слоя можно выделить три уровня. На первом уровне в виде ажурной сетки находятся атомы кислорода. На втором уровне находятся атомы кремния, каждый из которых лежит в выемке, образованной тремя соприкасающимися атомами кислорода первого уровня, вследствие чего они в совокупности образуют гексагональную сетку. На третьем уровне находятся гидроксильные группы, причем каждый гидроксил расположен в вершине тетраэдра прямо над атомом кремния. Нецентрированная гексагональная сетка может рассматриваться как образованная тремя системами рядов атомов кислорода, пересекающихся под углом в 120°. Расстояние 0 — 0 в тетраэдрическом слое равно 0,255 нм, а пространство, доступное для иона, в тетраэдрической координации имеет размер примерно 0,055 нм. Толщина этого структурного элемента в структурах глинистых минералов 0,493 нм; каждый из них имеет расстояние от центра до центра примерно 0,21 нм [17].

Как в тетраэдрическом, так и в октаэдрическом слое имеют место изоморфные замещения. В октаэдрическом слое каолинита ион Al³⁺ может быть частично замещен ионом Fe²⁺. Наиболее часты изоморфные частичные замещения в сочетаниях слоев 2:1. Так ион Si⁴⁺ может быть замещен ионом Al³⁺, а ион Al³⁺ в октаэдрическом слое ионами железа, магния, цинка, никеля и др. Замещение иона алюминия, например, ионом магния может быть двояким:

а) один ион алюминия – на один ион магния (1Al³⁺ →1Mg²⁺);

б) два иона алюминия – на три иона магния (2Al³⁺ →3Mg²⁺).

В первом случае не все октаэдрические позиции окажутся замещенными, и тетраэдрический слой будет касаться своими вершинами 2/3 кислородных вершин оснований октаэдров. Во втором случае все октаэдрические позиции окажутся замещенными.

По характеру кристаллической решетки различают минералы типа 1:1 и минералы типа 2:1. Элементарная ячейка минералов первого типа представлена пакетом из тетраэдрического и октаэдрического слоев.

Рисунок 1.9- Фрагмент кристалл-лической структуры монтморил-лонита в аксонометрии

Минералы группы монтмориллонита это трехслойные алюмосиликаты с решеткой типа 2:1 (рисунок 1.9). Они содержат два слоя кремнекислородных тетраэдров и между ними слой алюмогидроксильных октаэдров. Пакет построен симметрично и пакеты обращены друг к другу кислородными атомами. Здесь не возникает водородных связей, а невысокий отрицательный заряд компенсируется расположенными в межпакетных промежутках катионами.

Рисунок 1.10 - Фрагмент кристаллической структуры мусковита в аксонометрии

Слюды и гидрослюды также относятся к минералам типа 2:1 (рисунок 1.10). Отличительная их особенность заключается в наличии высокого отрицательного заряда, возникающего в тетраэдрическом слое за счет замещения части Si⁴⁺ на Al³⁺ .

Связь между гетерогенными слоями у глинистых минералов может быть различной в зависимости от особенностей строения слоя и его заряда. У некоторых глинистых минералов она достаточно прочна и обеспечивается взаимодействием атомов кислорода и гидроксильных групп (водородная связь) или катионами, располагающимися в межслоевом пространстве (ионно-электростатическая связь). У других минералов связь между слоями менее прочная и обусловлена молекулярными силами.

В первом случае глинистые минералы имеют более жесткую кристаллическую структуру, то есть такую, когда молекулы воды и обменные катионы не могут проникать в межслоевое пространство кристалла. У минералов с жесткой кристаллической структурой (каолинит, гидрослюда, хлорит, палыгорскит) внутрикристаллическое набухание (расширение межслоевого расстояния при взаимодействии с молекулами воды) отсутствует. Во втором случае глинистые минералы имеют раздвижную кристаллическую структуру. При гидратации таких минералов молекулы воды и обменные катионы могут проникать в межслоевое пространство и существенно увеличивать межслоевое расстояние, обусловливая этим большое внутрикристаллическое набухание.