Майже весь світ кристалічної, - кажуть фізики і мінералоги. Дійсно, кристали оточують нас всюди. Ми їх знайдемо в щіпці білосніжною солії в шматку чорного вугілля, в тонкому зрізі металу і в звичайному кругляку. Навіть м'яка, пластична глина має найдрібніші кристалічні лусочки. Вони невидимі ні простим оком, ні під мікроскопом, але легко виявляються за допомогою рентгенівських променів.
Складаються з кристалів і все алюмосилікати (як і силікати, що не містять алюмінію). За своїм хімічним складом вони представляють найскладніші неорганічні речовини на світлі. У них, крім атомів кремнію і кисню, часто присутні атоми інших металів: кальцію, магнію, титану, берилію, натрію, калію. Знайдемо ми в їх складі молекули води, а також і різні аніони: SOl \ », СО | \», F \ ", СГ. Вивченням поведінки, властивостей і структури всього різноманіття кристалів займаються кристалографи. З самого початку виникнення цієї науки в основу розвиваються нею уявлень була покладена ідея про щільній упаковці частинок.
Як відомо, атом (діаметр якого дорівнює одній або декільком стомільйонний часток сантиметра) має дуже складну будову. У його центрі знаходиться маленьке, дуже щільне ядро, що володіє позитивним зарядом. У ядер важких елементів заряд більше, у легких - менше. Навколо ядра по замкнутих орбітах рухаються електрони - найдрібніші матеріальні частки негативного електрики.
Електрони утворюють навколо ядра кілька вкладених одна в іншу оболонок. У важких атомів оболонка складається з декількох шарів. Кристал будь-якої речовини складається з величезного числа елементарних осередків, заповнених усередині плотноупак-ванними частинками, які можна собі уявити у вигляді куль. Рентгенівські знімки кристалів показують, що атоми - кулі - укладаються в кілька шарів.
Оскільки форма елементарної комірки повторюється в кристалах через рівні проміжки, незалежно від того, яке б ми не вибрали напрямок, отже, і розташування шарів упаковки атомів строго повторюється через рівне число шарів. Якщо щільно укладати кулі однакового розміру, то між ними залишаються порожнечі. Вченими підраховано ;, що в щільній упаковці кристалів хімічних елементів, складених з атомів однакового розміру, обсяг пустот становить близько 1/4 загального обсягу.
У кристалах речовин, що складаються з атомів різного розміру, менші атоми розміщуються в порожнечах, що утворилися від розташування великих атомів. У складних речовинах \ "будівельним \» матеріалом кристалів служать головним чином заряджені атоми. Порожнечі в щільній упаковці заповнюються атомами і іонами по-різному. Різне число шарів, з яких побудовані щільні упаковки, а також різні способи заповнення пустот створюють найбільше різноманіття структур кристалів. У кристалі кухонної солі великі іони хлору укладені в три шари, іони ж натрію заповнюють всі порожнечі між ними. Кожен іон натрію оточений шістьма іонами хлору.
У щільній упаковці молекул вуглекислоти в кристалі (такі кристали існують тільки в \ "сухому льоді \», тобто при низькій температурі) атоми вуглецю оточені двома атомами кисню.
Від характеру щільної упаковки в кристалі залежать і його багато властивостей. Вони наочно проявляються на прикладі звичайної кухонної солі. Для того щоб кристал, що має форму куба, розколоти по діагоналі, потрібно зусилля, в чотири рази більше, ніж для того, щоб розбити його по центральній осі. Пояснити це можна тим, що діагональ проходить через різні атоми, заряджені позитивно і негативно.
Але ж, як відомо, плюс притягує мінус. Центральна ж вісь проходить по однойменно заряджених атомів хлору, і, отже, міцність по цій лінії буде менше (мінус відштовхує мінус!), І в цьому напрямку кристал легко ламається. Основу в кристалах утворюють більші за розміром негативно заряджені іони. Позитивно заряджені іони зазвичай заповнюють не всі проміжки між ними.
І це також служить причиною зменшення міцності кристала в певних місцях. Так, наприклад, в слюди поряд з повністю заповненими порожнечами між атомами є шари менш \ "густонаселені \», тобто такі, в яких багато порожніх проміжків. Тому шари слюди легко рвуться. Цим мінералоги пояснюють здатність слюди легко розщеплюватися на тонкі пластинки.
Алюмосилікатів, побудовані великим архітектором - Природою - за тим же основним принципом, що і знайомі нам досить прості хімічні сполуки: кухонна сіль, сода, селітра та інші. Але є в силікатних \ »будівлях \" і суттєві відмінності. У той час як, наприклад, в кухонної солі аніони являють собою окремі атоми або складаються з двох (наприклад, в сірчаної кислоти SO4) або трьох (у питній соді НСО3) різнорідних атомів, в силікату навіть відносно менш складного складу більша частина аніонів кремнекісло- ти (Si04) не ізольована одна від одної.
\ "Атом кремнію завжди має координаційне число 4, таким чином найближчими атомами, що оточують його, є 4 атома кисню, що утворюють тетраедр, - пише в своїй праці \" Кристаллохимия \ »відомий радянський кристаллограф професор Г.Б.Бокій. - Радикали (Si04) 4 ~ - охоче об'єднуються один з одним через загальні атоми кисню, нейтралізуючи валентність останніх. В результаті утворюються більш складні радикали полікремнієвих солей. Таке об'єднання радикалів (Si04) 4 ~ відбувається шляхом узагальнення тільки вершин тетраедрів, а не ребер або граней. Однак в кожному тетраедра Si04 можуть бути узагальнені перша, друга, третя або всі чотири вершини. В результаті виходить велика різноманітність відносин Si: О в силікату \ "1.
Отже, обов'язковою умовою існування силікатної \ "будівлі \" є розташування чотирьох атомів кисню навколо центрального атома кремнію з утворенням найпростішої геометричної фігури - тетраедра. Цікаво, що цей непорушний принцип витримується і в тому випадку, якщо не вистачає атомів кисню, щоб оточити атом кремнію з усіх чотирьох сторін.
Деякі кисневі атоми беруть участь одночасно в будівництві двох силікатних тетраедрів, тобто належать їм обом. У кожному з двох тетраедрів є по три \ "власних \» атома кисню і один \ "загальний \». З'єднуючись через кисень, тетраедри утворюють безперервний ланцюжок. Такі ланцюжки створюють \ "кістяк \» пироксенов, складових 17% земної кори, діопсид, рамзаіта.
У деяких випадках принцип знаходження кожного атома в оточенні чотирьох атомів кисню може бути витриманий лише тоді, коли ланцюжки з тетраедрів замикаються 4,6,8-ланки кільцями. Таку структуру мають відповідно: силлиманит, смарагд, ксонотліт. Якщо співвідношення атомів кремнію і кисню в силікаті 1: 1, то принцип оточення атомів кремнію чотирма атомами кисню може бути збережений лише в тому випадку, коли кожен з них буде перебувати в спільному володінні двох атомів кремнію. Таке розташування призводить до того, що замість нескінченних ланцюжків в одному вимірі, і листів, нескінченних в двох вимірах, ми маємо справу з каркасами, нескінченними у всіх трьох вимірах.
Якщо співвідношення числа атомів кисню до числа атомів кремнію в тому чи іншому силікаті одно 3: 2, то ланцюжки тетраедрів з'єднуються в нескінченні листи або \ »скатертини \». Виткані з атомів кремнію і кисню, з'єднаних в двох вимірах, вони тягнуться від однієї грані окремого кристала до протилежної. Таке будова слюди, коалініта, андалузиту.
Кристал слюди є хіба тришаровий пакет, який складається з двох шарів, складених тетраедрами, і проміжного шару з октаедрів. У кристалі діаметром всього лише в сантиметр між протилежними стінками розташовується майже 30 мільйонів атомів кремнію і кисню. Вони-то і утворюють єдиний аніон. Тому силікати на відміну від звичайних солей, у яких аніони складаються з одного або декількох атомів, не розчиняються.
Якщо ж розплавити силікат, то при застиганні розплаву він застигне у вигляді аморфної склоподібною маси. У багатьох листових силікатів атоми кремнію заміщуються атомами алюмінію. У слюди (мусковіт) таке заміщення досягає 25%, в Маргариті 50%, а в Ксан-тофілліте воно ще більше. Якщо відсоток заміщення атомів кремнію атомами алюмінію в тетраедрах настільки великий, то це відбивається на стійкості ланцюжка.
Вона втрачає свою міцність як в твердому, так і рідкому вигляді. Тому анортит в першу чергу вивітрюється в польового шпату, які при цьому збагачуються альбітом. Характерно, що і рідка маса складу анортиту також легко викристалізовується. Така роль алюмінію в метаморфози, що зазнають силікатами. Вивчення поведінки атомів алюмінію в природних силікату має велике практичне значення.
Наприклад, якщо на скляному заводі вводять в шихту нефелин з високим вмістом цього елементу, то найменше порушення режиму технологічного процесу може привести до шлюбу. Алюмосилікати ті ланцюжки можуть розірватися, і тому станеться передчасне виділення закристалізуватися маси, іншими словами, як кажуть виробничники, - освіту \ "козла \».
У каркасних силікату тетраєдри в ланцюжках можуть з'єднуватися не тільки один з одним, але і з атомами різних металів, найчастіше з магнієм, кальцієм, залізом, а також з титаном, марганцем, цирконієм і іншими. У них обов'язково є атоми алюмінію. Найважливіші представники цієї групи силікатів: нефелин, содаліт і ультрамарин.
Деякі з металів, що входять до складу силікатів, мають здатність імітувати кремній, тобто ізоморфно заміщати його.
\ "Це перш за все AI, В і Be, які так само, як і кремній, мають координаційне число по відношенню до атомів кисню 4 і координаційний багатогранник - тетраедр. Розміри таких тетраедрів теж близькі до розмірів кремнекислородних тетраедрів. З цих трьох елементів - імітаторів кремнію найбільш близькі за розмірами У і Be, тому аналогія між ними і Si повніша.
Атом (іон) алюмінію більші атома кремнію, тому алюміній в силікату зустрічається як в тетраедрах, так і в октаедр. У першому випадку речовини називаються алюмосиликатами, у другому силікатами алюмінію \ », - пише Г.Б.Бо-кий. У цих східних назвах, проте, наочно відображено розташування атомів в алюмосилікатах. У алюмосилікатах атом алюмінію заміщає частина атомів кремнію і спільно з ними утворює єдиний ланцюжок.
Проте в другій групі мінералів він вже не союзник кремнію при будівництві тетраедрів і октаедрів, а скоріше, такий же \ "квартирант \», як і інші метали, і перш за все кальцій і магній. Іншими словами, він являє собою самостійний катіон. Поділ силікатів на алюмосилікати і силікати глинозему по геометричному принципом, незважаючи на всю його важливість, не можна визнати абсолютно строгим.
У природі не існує настільки вже різкої різниці між двома станами алюмінію в них. Належність до тієї чи іншої групи нерідко встановлюють визначаючи, в якій кількості, атоми кремнію заміщають атоми алюмінію. Якщо заміщення не перевищує 25%, то відповідний каркас (в трьох вимірах) буде менш стійкий, ніж однорідний, побудований з атомів кремнію.
Це властивість алюмосилікат широко використовується в скляної промисловості. Особливо його враховують у виробництві скла, які формують механічним способом, коли бажано отримати більш пластичну скляну масу. У цьому випадку алюміній робить позитивний вплив на її властивості. І ще приклад з виробництва скла. Альбітовое скло так само в'язко і настільки ж погано кристалізується, як і звичайне. Введення ж алюмінієвих тетраедрів, кілька знижує жорсткість каркаса з тетраедрів кремнію.