Структура силикатов с кремнекислородными мотивами бесконечных размеров

1. Структуры с одномерными (бесконечными в одном измерении) цепочками или лентами из тетраэдров [SiO₄] ^4- - цепочечные и ленточные структуры. Тетраэдры [SiO₄]^4-, соединяясь между собой вершинами, могут образовывать одинарные цепочки, бесконечные в одном направлении. Каждый тетраэдр в цепочке будет иметь два общих атома кислорода с двумя соседними тетраэдрами и две свободные валентности, через которые катионы металлов будут соединять цепочки в решетку. Число тетраэдров в цепочке неограниченно в том смысле, что определяется только размером данного кристалла. Состав кремнекислородного мотива в структурах с бесконечными радикалами определяется составом периода повторяемости (идентичности) этого мотива, заключенного в квадратные скобки, т.е. того структурного элемента, бесконечным повторением которого в том или ином направлении образуется кремнекислородный мотив [SiO₃]^2-_∞ (один знак бесконечности указывает на бесконечность цепочки в одном направлении).

Другой мотив этой структурной группы силикатов образуется, если две бесконечные цепочки соединяются через вершины тетраэдров вместе, образуя сдвоенные бесконечные в одном направлении ленты или пояса (ленточные структуры). При этом могут образовываться разнообразные по составу и конфигурации мотивы в виде лент: сдвоенная цепочка с четырехчленными кольцами, имеющая радикал состава [Si₂O₅]^2-_∞ , сдвоенная цепочка с шестичленными кольцами с радикалом [Si₄O₁₁]^6-_∞ , сдвоенная цепочка с восьмичленными кольцами с радикалом [Si₄O₁₁]^10-_∞ . Минералы с цепочечными и ленточными кремнекислородными радикалами составляют большую группу. Цепочечные кремнекислородные мотивы состава [SiO₃]^2-_∞ , имеют, например, метасиликаты (силикаты с отношением О: Si =3). К ним, в частности, относятся минералы группы пироксенов: энстатит Mg[SiO₃], диопсид Са Mg[SiO₃]₂ и др. Ленточные кремнекислородные радикалы имеют минералы группы амфиболов – соединений, как правило, сложного состава, сходного с составом пироксенов, но в отличие от них, содержащих группы ОН^-. К амфиболам относятся такие минералы, как роговая обманка, тремолит и пр.

2. Структуры с двухмерными слоями из тетраэдров [SiO₄]⁴ – слоистые структуры. Если каждый тетраэдр [SiO₄]^4- соединяется тремя своими вершинами с соседними тетраэдрами, то могут образовываться бесконечные в двух измерениях слои (листы или сетки).

Состав и характер радикалов в слоистых силикатах также может быть различным. Наиболее простой и распространенный тип слоя – кремнекислородный слой гексагонального типа, представляющий собой листы с шестичленными кольцами, имеет радикал [Si₂O₅]^2-_{∞ ∞} . К этому структурному типу относятся такие минералы, как каолинит Al₂[Si₂O₅](ОН)₄, пластинчатые минералы типа слюд, например мусковит КAl₂[AlSi₃O₁₀](ОН)₂, тальк Mg₃[Si₂O₅]₂(ОН)₂, а также такие минералы более сложного состава, как биотит, вермикулит и т.д.

К этому же типу структур относятся силикаты, имеющие кремнекислородные слои с четырех-, пяти- и восьмичленными кольцами.

3. Структуры с трехмерным непрерывным каркасом из тетраэдров [SiO₄]^4- - каркасные структуры. В силикатах с каркасной структурой все 4 атома кислорода каждого тетраэдра являются общими с атомами кислорода четырех вершин тетраэдра образуется бесконечный в трех измерениях трехмерный каркас. Поскольку на каждый атом кремния при этом приходится 2 атома кислорода, состав радикала выразится формулой [SiO₂]. Такой радикал имеют различные модификации кремнезема SiO₂ (кварц, тридимит, кристобалит). Каркасные структуры модификаций SiO₂ не подчиняются принципу плотнейшей упаковки и представляют собой «рыхлые», «ажурные» структуры, содержащие довольно крупные структурные пустоты.

В чисто кремнеземистом каркасе валентности кремния полностью компенсируются валентностями кислорода. Однако если четырехвалентный кремний в таком каркасе изоморфно замещается, например, трехвалентным алюминием, то каркас приобретает отрицательный заряд, для компенсации которого необходимо внедрение в пустоты структуры дополнительных катионов металла. Подобная структура будет состоять из тетраэдрических групп [SiO₄]^4- и [Al O₄]^5-, причем все тетраэдры будут иметь общие вершины. Состав смешанного алюмокремникислородного мотива можно выразить при этом общей формулой [(Si, Al) O]^n-. Таким образом образуются каркасные структуры многих распространенных природных и искусственных минералов типа полевых шпатов, цеолитов и т.д.

В основе структуры полевых шпатов, являющихся одними из основных породообразующих природных минералов и имеющих большое техническое значение (например в технологии керамики), лежит каркас из связанных между собой тетраэдрических групп [SiO₄]^4- и [Al O₄]^5- (изоморфное замещение Si⁴⁺ на Al ⁵⁺), а в пустотах этого отрицательно заряженного каркаса располагаются компенсирующие заряд катионы щелочных и щелочно-земельных металлов (К, Na, Ca, Ba)