Menu

Твердые растворы.

 В природе существует множество важных минералов, у которых широко развиты явления замещения. Если замещающие атомы точно соответствуют замещаемым по заряду и размеру, то химический состав минерала изменяется непрерывно во всем диапазоне составов. Двухвалентные ионы Mg и Fe, находясь в октаэдрической координации с кислородом, имеют радиусы 0,072 и 0,078 HM соответственно. Эти значения настолько близки, что между ионами возможно полное замещение, и в результате они легко образуют твердые растворы. Такие твердые растворы Mg/Fe2+ свойственны не только породообразующим минералам групп оливина, граната, амфибола и пироксена, но встречаются также в широком круге других минеральных групп, например в карбонатах. Множество других катионов обычно замещаются Fe2+ и Mg, и мы воспользуемся минералами группы кальцита, чтобы показать степень развития (и ограничения) твердых растворов.

Группа кальцита имеет общую формулу МСО3, где M — двухвалентный катион в октаэдрической координации (см. рис. 10.1). Минералы этой группы и ионные радиусы их катионов приведены в табл. 2.1. В данном случае образование твердых растворов происходит за счет замещения и беспорядочного распределения катионов, находящихся в октаэдрических узлах. Состав карбонатных минералов может варьировать в широких пределах. Спектр составов, наблюдаемых в природе, зависит от относительных размеров катионов, а также, конечно, от химического состава раствора, из которого минералы кристаллизовались.

Рис. 2.З Твердые растворы в системе сидерит— родохрозит — магнезит Поле составов затушевано

Среди минера-ов группы кальцита широкое развитие твердых растворов проявляется между родохрозитом и сидеритом, а также между сидеритом и магнезитом. В то же время только ограниченное число случаев образования твердых растворов наблюдается между родохрозитом и магнезитом, так как ион Mn2+ значительно крупнее иона Mg2+ Область развития твердых растворов, изображенная в виде полей их составов, показана на рис. 2.3.

В кальцитовой группе крайними случаями являются замещение кальция магнием в кальците и магния кальцием в магнезите. Кальциты, содержащие более нескольких атомных процентов магния, сохраняют стабильность только в высокотемпературных условиях. При повышенных температурах (несколько сотен градусов Цельсия) образуются кальциты, у которых до 20% кальция замещено магнием.

Таблица 2.1 Минералы группы кальцита

Состав

Минерал

Ионный радиус катиона, HM

CaCO3

Кальцит

0,100

CdCO3

Ставит

0,095

MnCO3

Родохрозит

0,083

FeCO3

Сидерит

0,078

CoCO3

Сферокобальтит

0,075

ZnCO3

Смитсонит

0,074

MgCO3

Магнезит

0,072

 

Гаспеит

0,069

 С другой стороны, Ca отличается почти ничтожной растворимостью в MgCO3. Это свидетельствует о сложности замещения достаточно большого катиона Ca2+ в небольшом узле по сравнению с замещением некрупного катиона Mg2+ в большем по размеру узле. Соединение промежуточного между кальцитом и магнезитом состава (Ca05Mg05)CO3 действительно существует в природе, но не относится к твердому раствору серии кальцит — магнезит, а представляет собой самостоятельную; хотя и сходную с ним структуру. Из-за различия в размерах Ca и Mg катионы не распределяются беспорядочно, как это происходит в твердых растворах, а подвергаются упорядочению, и узел катиона M в структуре кальцита превращается в два отдельных узла в структуре доломита. При этом формула доломита записывается как CaMg(CO3)2. Структура доломита аналогична структуре кальцита за исключением того, что у доломита каждый второй слой Ca замещен Mg. Таким образом, несколько упрощенно можно считать, что структура доломита состоит из чередующихся слоев кальцита и магнезита. При высоких температурах в структуре минералов группы доломита нарушается строгий порядок расположения катионов и в некоторых случаях у этих минералов восстанавливается способность образовывать твердые растворы.

Примером для дальнейшего рассмотрения значимости и сложности атомных замещений могут служить минералы группы пироксена M2Si2O6 Структура пироксена основана на существовании отдельных цепочек, объединенных вершинами тетраэдров SiO4 с катионом металла в октаэдри-ческих узлах, располагающихся между Si-O- цепочками (рис. 2.4). Среди пироксенов выделяется множество разных конечных членов, но мы ограничимся описанием системы Mg-Fe2+-Ca. Конечными членами в ней являются Mg2Si2O6 (эн-статит), Fe2Si2Oe (ферросилит), CaMgSi2O6 (дио-псид) и CaFeSi2O6 (геденбергит). Чисто кальциевый конечный член волластонит CaSiO3 представляет собой пироксеноид, а не истинный пироксен. Между энстатитом и ферросилитом, а также между диопсидом и геденбергитом существует полный ряд твердых растворов Mg <-> Fe, но лишь ограниченное число случаев образования твердых растворов типа Ca <-> Mg и Ca <-> Fe наблюдается между энстатитом и диопсидом, а также между ортоферросилитом и геденбергитом.

Рис. 2.4 Структура пироксена. Видны отдельные цепочки тетраэдров SiO4 и положения катионов металлов, находящихся в октаэдрической координации.

Область развития таких атомных замещений показана на рис. 2.5. И в этом случае существование твердых растворов можно объяснить, рассмотрев размеры катионов. Практически одинаковые размеры ионов Mg и Fe2+ допускают возникновение между ними полного ряда твердых растворов, в то время как размер иона Ca, значительно больший, чем Mg и Fe2+, ограничивает их взаимообмен. Область развития твердого раствора зависит от температуры, и при высоких температурах поля составов становятся шире, так как в этих условиях структуры кристаллов расширяются и допустимые отклонения в размерах для осуществления замещения становятся менее жесткими. На рис. 2.5 показана также область существования различных пирок-сенов — от авгита до пижонита, — относящихся к промежуточным Ca-Mg-Fe-составам. Отмеченная зависимость содержания Ca в пироксене от температуры позволяет оценивать температуру кристаллизации при сосуществовании клино- и орто-пироксена (рис. 2.6).

Оставьте свой комментарий

Оставить комментарий от имени гостя

0
  • Комментарии не найдены

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:2581 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:5189 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:2462 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Организация службы качества в строительс…

Проектирование и строительство различных объектов на основе комплексной системы управления качеством повышает их надежность, долговечность и экономическую эффективность. Наблюдения за работой конструкций и элементов в течение длительного срока свидетельствуют, что их...

19-03-2013 Просмотров:2641 Обследование и испытание сооружений

Условия образования и преобразования пор…

Условия образования и преобразования пород определяются по комплексу признаков, полученных в результате изучения и описания вышеперечисленных характеристик. Как отмечалось ранее, генетический смысл несут в себе почти все характеристики - форма...

14-10-2010 Просмотров:6084 Геологическое картирование, структурная геология

Винос у натуру проектного контуру водойм…

Винос проектного контуру водоймища роблять для визначення в натурі границі затоплення різних земель: населених пунктів, сільськогосподарських і лісових угідь і т.п. Ця робота складається в позначенні на місцевості точок, висоти...

30-05-2011 Просмотров:3193 Інженерна геодезія