Строение и свойства первичных силикатов

Состав и строение грунтов

Твердая компонента грунтов.

Минералы + органическое вещество + органо-минеральные соединения + лед.

Магматические породы: кварц, оливин, полевые шпаты, пироксены.

Метаморфические: +дистен, андалузит, гранаты.

Осадочные: слюды, кварц, полевые шпаты, карбонаты, сульфаты, органическое вещество, органо-минеральные соединения, галоиды.

Почти все минералы имеют кристаллическое строение.

При изучении минералов в и/г главное внимание уделяется строению и свойствам.

Прочность кристаллической структуры обусловлена энергией и направленностью связей между отдельными атомами структурной решетки.

В инженерно-геологических целях классификацию целесообразно проводить не по химическому составу, а по преобладающему типу связи в них.

Связи могут быть:

Вид связи	Энергия кДж/моль
ионными	300-1200
ковалентными	200-1200
водородными	4-40
остаточными (молекулярными)	0,4-12

Ионная связь обусловлена электроотрицательностью, способностью захватывать электроны. Энергия тем больше, чем больше разница в электроотрицательности взаимодействующих атомов. Сильное ослабление ионных связей происходит под действием гидратации

Простые соли – галоиды, карбонаты, сульфаты.

Ковалентная связь – совместное использование пары электронов взаимодействующими атомами. Силикатыблагодаря данному виду связи обладают высокой прочностью и низкой растворимостью.

В водородсодержащих соединениях (вода, лед, органическое вещество) существуют водородные связи. Этот вид связи играет важную роль в образовании глинистых минералов.

При нахождении молекул вещества на расстояниях значительно превышающих ионные радиусы возможно образование Ван-дер-Ваасльсовых сил, молекулярных сил. Это наиболее слабое взаимодействие, но оно существует во всех минералах. Первичное формирование осадка происходит за счет молекулярных сил.

Таким образом, исходя из строения и преобладающего типа межатомных связей, среди минералов можно выделить 5 групп соединений, различающихся по физическим, химическим и механическим свойствам.

Классификация минералов в инженерно-геологических целях.

1. Минералы класса первичных силикатов – И, ИК связи.

2. Простые соли (галоиды, сульфаты, карбонаты) – И

3. Глинистые минералы – ВМ

4. Органическое вещество и органо-минеральные комплексы – ВМ

5. Лед – ВМ

Строение и свойства первичных силикатов.

Основной структурный элемент – ККТ. В центре Si⁴⁺, в вершинках – атомы кислорода. Отличие в упаковке – тетраэдры могут существовать в виде изолированных групп или давать сочетания групп.

Q – структура каркасная, рыхлая, ККТ соединены через вершины, связь ИК, Q – валентно-нейтрален, Si компенсируется О

Высокая прочность, низкая растворимость, устойчивость к агентам выветривания.

ПШ: (K-Na) – ортоклаз, микроклин (Са-Na) - альбит, анортит – плагиоклазы.

часть Si⁴⁺ изоморфно замещена Al³⁺ с образованием алюмокислородного мотива AlO₄ – вносит в единицу структуры добавочный отрицательный заряд, который компенсируется катионами-компенсаторами (Na⁺-K⁺) или (Na⁺-Ca⁺), который внедряется в решетку полевых шпатов вместе с Al. Щелочные ионы располагаются в пустотах каркасной решетки полевых шпатов и осуществляют ионную связь между отдельными алюмокислородными мотивами.

Прочность полевых шпатов сравнительно высокая, имеют 2 плоскости спайности, практически нерастворимы в воде, но под воздействием агентов выветривания в отличие от кварца легко разрушаются с образованием вторичного минерала – каолинита.

Несколько реже встречаются силикаты с островным мотивом структуры (оливин). ККТ не имеют общих вершин, а связаны в один структурный мотив с помощью катионов Mg⁺ и Fe⁺. Для оливина характерна высокая прочность и низкая растворимость, низкая устойчивость к выветриванию.

В зоне выветривания закисное железо Fe²⁺ переходит в Fe³⁺ окисное, сопровождается сокращением ионного радиуса и разрушением кристаллической решетки оливина, именно поэтому оливин никогда не встречается в осадочных породах.

Типичные представители цепочечных и ленточных силикатов – пироксены и амфиболы. ККТ соединены в них через вершины или грани с образованием плоских цепочек. Связь между цепочками и лентами осуществляется сложным комплексом катионов, включая Na, К, Сa и даже Fe²⁺. За счет Fe²⁺ в зоне выветривания амфиболы и пироксены разрушаются с образованием монтмориллонита и нонтронита.