الأنواع المختلفة للبنيات التركيبية السليكاتية

1998 الموسوعة الجيولوجية الجزء الثاني

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

البنيات التركيبية السليكاتية الأنواع المختلفة للبنيات التركيبية السليكاتية الكيمياء

إن الوحدة البنائية الأساسية التي تشارك في بناء جميع المعادن السليكاتية تشتمل على عدد 4 أيونات أكسجين تحيط بأيون السليكون الرباعي التكافؤ، مكونة شكلاً رباعي الأوجه (Tetrahedron)

ولقد اتضح أن الوصلة القوية الموجودة بين أيونات الأكسجين والسليكون هي السبب الرئيسي في جعل مادة الأرض متماسكة وقوية.

ومن الملاحظ أن الطاقة الرابعة لأيون السليكون في مجموعها تكون موزعة على عدد 4 أيونات أكسجين بالتساوي. أي أن كل رابطة بين السليكون والأكسجين تكون لها  الطاقة الرابطة لأيون السليكون أو نصف الطاقة الرابطة لأيون الأكسجين.

 

وعليه قد وجد أن لكل أيون أكسجين الفرصة للارتباط بايون سليكون آخر لمجموعة رباعي الأوجه المجاور.

بمعنى أن كل مجموعتين من رباعي الأوجه ترتبطان بواسطة أيون الأكسجين المشترك بينهما.

وقد يحدث الارتباط بين المجموعتين بواسطة أيون واحد من الأكسجين أو بواسطة أيونين أو ثلاثة أو 4 أيونات مما يسبب تكوين العديد من الأنواع المختلفة للبنيات السليكاتية والتي قد تعرف بعملية البلمرة (Po-lymerization)

 

ويلاحظ أن معدل البلمرة للمركبات السليكاتية يزداد من الصهير القاعدي إلى الصهير الحامضـي مع انخفاض درجة الحرارة. وذلك أثناء عملية التبلور الجزئي للصهير.

فمثلاً نجد أن معدن الأوليفين وهو أول المعادن المتكونة من الصهير أثناء عملية التبلور الجزئي (Fractional crystallization) يتميز ببناء سليكاتي بسيط عند درجات الحرارة المرتفعة

وفي نهاية عملية التبلور تتكون معادن الأرثوكليز والكوارتز وهما يمثلان أقصى حالات التبلمر حيث نجد رباعي الأوجه قد شارك بجميع أيونات الأكسجين الأربعة في درجات الحرارة المنخفضة مع مجموعة رباعي الأوجه الآخر وفيما يلي سوف نوضح الأنواع المختلفة للبنيات التركيبية السليكاتية :-

 

1- مجموعة رباعي الأوجه المنفصلة Independent tetrahedral group

المعادن النيزوسليكاتية Nesosilicates

لقد دلت أشعة أكس (الأشعة السينية) على أن هذا النوع من البلورات يحوي أيون السليكون الربعاي (Si4°) في مركز هرم منتظم رباعي الأوجه.

وتوجد ذرات الأكسجين الأربع في رؤوسه وتكون هذه المجموعة أيون  (شكل 1) وتوجد هذه الأيونات حرة في بعض الحالات مثل سليكات الماغنسيوم Mg₂(SiO₄) وسليكات الزيركونيوم (ZrSiO₄).

ويشمل النوع من المعادن البنيات السليكاتية التي تحوي مجموعات رباعي الأوجه المنفصلة والتي ترتبط ببعضها بواسطة كاتيونات بعض العناصر المختلفة الحجم والشحنة.

 

ولقد وجد أن هناك نوعين من الكاتيونات، أحدهما صغير الحجم مثل الماغنسيوم (Mg) كما في معادن الأوليفين (Olivine) أما النوع الآخر من الكاتيونات فهو كبير الحجم مثل الزيركونيوم (Zr) كما في معدن الزيركون (Zircon) وكذلك الثوريوم (Th) في معدن الثوريت (Thorite)

ومن الملاحظ أنه قد يحدث في بعض المعادن أن تحل مجموعات الهيدروكسيل (OH) محل مجموعة رباعي الأوجه إحلالاً جزئياً.

 

ولقد اتضح أنه في مجموعة معادن الجارنت (Garnet) يحدث ارتباطا بين مجموعات رباعي الوجه بواسطة كاتيونات كبيرة الحجم وثنائية التكافؤ مثل كاتيونات الكالسيوم (Ca) والمنجنيز (Mn) والحديدوز (Fe²⁺) أو كاتيونات صغيرة الحجم وثلاثية التكافؤ مثل كاتيونات الحديديك (Fe³⁺) والكروم (Cr) والألومنيوم (Al) وتتميز مجموعة معادن الجارنت بالقانون العام التالي: A₃B₂ (SiO₄)₃

حيث أن الكاتيونات الثنائية التكافؤ تمثل بالحرف (A) أما الكاتيونات الثلاثي التكافؤ فهي ممثلة بالحرف (B).

 

2- مجموعة رباعي الأوجه المتعددة Multiple tetrahedral group

المعادن السوروسليكاتية Sorosilicates

في بعض السليكات يتصل طرفا أيونين من أيونات مجموعة ^-4(SiO₄) (شكل 2) يتكون الأيون التالي ^–6(Si₂O₇) كما في سليكات الإسكانديوم (Sc₂Si₂O₇)

ويتميز هذا النوع من المعادن بوجود مجموعات مزدوجة لرباعي الأوجه حيث نجد أن ذرة الأكسجين تشارك كل زوج من رباعي الأوجه وتصبح نسبة السليكون إلى الأكسجين هي (Si) 2: (O) 7.

 

ومن أهم المعادن التي تتبع هذه المجموعة – مجموعة معادن الأبيدوت ويشمل التركيب البنائي للأبيدوت مجموعات من Sio₄ المنفصلة وجموعات من Si₂O₇ ولقد وجد أن هناك نوعين من الكاتيونات في التركيب الكيميائي لمعادن الأبيدوت

ولقد اتفق على أن يرمز للنوع الأول من الكاتيونات بالرمز X وهي عادة كاتيونات كبيرة الحجم وضعيفة الشحنة مثل الكالسيوم (Ca) والصوديوم (Na)

 

أما النوع الثاني من الكاتيونات فهو ممثل بالرمز Y وهي كاتيونات صغيرة الحجم وقوية الشحنة غالباً مثل الألومنيوم (Al) والحديد (Fe³⁺) والمنجنيز (Mn) وعليه أمكن وضع القانون العام للأبيدوت كالآتي:

ولقد وجد أن جميع معادن مجموعة الأبيدوت متشابهة البناء وتتبلور في فصيلة الميل الواحد حيث تستطيل في اتجاه المحور ب وذلك باستثناء معدن الزويسيت.

 

3-السليكات الحلقية Ring Silicates

المعادن السيكلوسليكاتية Cyclosilicates

في هذه الحالة تتصل 3 أو 4 أو 6 أيونات من (Sio₄)^4- مكونة الأيونات الحلقية التالية على التوالي: (Si₃O₉)^6- أو (Si₄O₁₂)^8- أو (Si₆O₁₈)^12-

ويتضح مما سبق أنه عندما يتصل أيونان من أيونات (Sio₄) عن طريق ذرات الأكسجين بهما فإن هذه الذرة المشتركة يصبح نصفها من نصيب أحد الأيونين والنصف الآخر للأيون الثاني.

أي أنه يتصل بكل ذرة من ذرات السليكون  من ذرات الأكسجين، وبذلك تكون صيغة الأيون الناتج هي (Si₂O₇)^6-

 

أما في حالة الأيون الهرمي التالي (Si₃O₉)^6- فيتصل كل هرم بالهرمين المجاورين عن طريق ذرتين من ذرات الأكسجين أي أنه يتصل بكل ذرة سليكون 1 عدد من ذرات الأكسجين يساوي  وتكون صيغة الأيون الناتج هي (Si₃O₉)^6- ويمثل هذا النوع من المركبات السليكاتية معادن السيكلوسليكات.

ويختص هذا النوع من المعادن بوجود حلقات متصلة من رباعي الأوجه (Sio₄)^4-

 

ولقد وجد أن نسبة السليكون إلى الأكسجين في هذه المركبات تساوي (Si) 1 : (O) 3 ويشمل هذا النوع من السليكات ثلاثة أنواع من الحلقات المقفلة هي:

أ- الحلقة الثلاثية (Si₃O₉)^6-: وهي تحوي ثلاثة لرباعي الأوجه ومن أمثلتها معدن بنيتويت Benitoite (BaTiSi₃O₉) (شكل 3).

 

ب- الحلقة الرباعية ^–(Si₄O¹²)⁸: وتشتمل على أربع مجموعات لرباعي الأوجه (شكل 4).

 

ج- الحلقة السداسية (Si₆O₁₈)^12-: وهي مكونة من 6 مجموعات لرباعي الأوجه وتمثل البناء الأساسي لمعادن البيريل والتورمالين (شكل 5).

 

4- السليكات الشريطية Chain silicates

المعادن الأينوسليكاتية Inosilicates

تتصل أيونات (Sio₄)^4- ببعضها لكي تكون سلسلة لا نهائية شريطية الشكل ويتضح أن كل هرم يتصل بهرمين آخرين عند رأسين من رؤوسه وبذلك تكون ذرات الأكسجين عند مواضع الاتصال من نصيب الهرمين المتجاورين.

أي أن كل ذرة من ذرات السليكون تتصل بثلاث ذرات أكسجين اثنتان أصليتان ونصفان من الذرات المشتركة. 

بمعنى أن عدد ذرات الأكسجين تساوي  وتكون الصيغة الأولية هي (SiO₃)^2- أو (Si₂O₆)^4- كما هو في حالة البايروكسينات (شكل 6).

 

وفي حالة اتصال شريطين من النوع السابق ببعضهما فإنه يلاحظ أن كل أيون من أيونات (Si₂O₆)^4- يتصل بالآخر في نقطة واحدة ممثلة بذرة أكسجين حيث تكون موزعة بالتساوي على الأيونين فتصبح صيغة السليكات في هذه الحالة (Si₄O₁₁)^6-.

 

ويوجد في هذا التركيب في السليكات المعروفة بالأمفيبولات (شكل 7).

وتوجد أيونات الفلز الموجبة بين السلسلتين المتصلتين وتعمل على ربطهما بقوى الجذب ولكن نظراً لضعف هذه القوى فإنه يسهل تكسير البلورات إلى ألياف طويلة كما هو الحال في معدن الإسبستوس (سليكات الماغنسيوم).

ويوجد هذا النوع من المعادن على هيئة سلاسل مفردة أو سلاسل مزدوجة.

ويلاحظ في السلسة المفردة أن كل ذرتين من ذرات الأكسجين الأربعة في رباعي الأوجه (SiO₄) تشترك بين مجموعتين من رباعي الأوجه المتجاورتين وبذلك تصبح نسبة السليكون إلى الأكسجين (Si) 1 : (O) 3 أما في السلسلة المزدوجة فإن نسبة السليكون إلى الأكسجين تساوي (Si) 4 : (O) 11

 

وفي السلسلة المفردة لمعادن البيروكسين Pyroxene ويمكننا أن نتصور وجود سلاسل عديدة منفردة من السليكون والأكسجين موازية لبعضها في اتجاه المحور ج وتتصل ببعضها جانبياً عن طريق كاتيونات كبيرة الحجم وأخرى صغيرة الحجم بواسطة روابط أيونية مثل الكالسيوم (Ca) والصوديوم (Na) اللذيْن يعتبران بمثابة كاتيونات كبيرة الحجم.

ولكنها ضعيفة الشحنة وهذا النوع من الكاتيونات يرمز له بالحرف X عادة أما الكاتيونات الصغيرة الحجم فتشمل عناصر كل من الحديد (Fe) والألومنيوم (Al) والمنجنيز (Mn) والليثيوم (Li) والتيتانيوم (Ti) ويرمز لها بالحرف Y غالباً.

 

ومن الملاحظ أنه إذا كانت مواقع كل من X و Y محتلة بأيونات صغيرة الحجم فإن معادن البايروكسين تتبلور في فصيلة المعيني القائم أما إذا كانت محتلة بأيونات كبيرة في الموقع X وصغيرة في الموقع Y فإنها تتبلور في فصيلة الميل الواحد (Monoclinic)

وإذا كانت مواقع كل من X و Y محتلة بأيونات ذو أحجام كبيرة فقط فإنها تتبلور في فصيلة الميول الثلاثة.

ولقد وجد أنه في معادن الأمفيبول تتجه السلاسل المزدوجة في اتجاه المحور البلوري ج حيث تتصل هذه السلاسل جانبياً مع بعضها عن طريق كاتيونات بواسطة روابط أيونية Ionic bonds. أما مجموعات الهيدروكسيل (OH) فإنها توجد في الفراغات الخالية بين كل سلسلتين منفردتين.

 

5- السليكات الصفائحية: Sheet Silicates

المعدن الفيللوسليكاتية Phyllosilicates

إذا اتصلت المجموعات الهرمية ببعضها فسوف تتكون صفائح مستوية ويتضح من ذلك أن عدد ذرات الأكسجين التي تتصل بكل ذرة من ذرات السليكون تساوي 1+ (3×-) = -2 وذلك لاشتراك 3 من ذرات الأكسجين لكل هرم مع الهرم المجاور له.

وتصبح بذلك صيغة هذا النوع من السليكات (Si₂O₅)^2- أو أحد مضاعفتها كما هو الحال في مجموعة سليكات المايكا (شكل 8)

وترتبط هذه الصفائح ببعضها بأيونات موجبة ففي معدن البيروفلليتAl₂(Si₄O₁₀) (OH)₂] ]توجد أيونات الألومنيوم بين هذه الصفائح أما في معدن التلك [Mg₃(Si₄O₁₀) (OH)₂] فترتبط الصفائح مع بعضها بواسطة أيونات الماغنسيوم

وفي كلتا الحالتين تتعادل جميع الشحنات الكهربائية بين الصفائح ولا توجد بينها قوى تجاذب تذكر, ولذلك فمن السهل أن تتشقق الصفائح بانزلاق أحدهما على الأخرى.

 

وقد يحدث أحياناً في بعض أنواع سليكات الألومنيوم أن يستبدل بأيون من أيونات السليكون(Si⁴⁺) أيون من أيونات الألومنيوم (Al³⁺) دون تغيير في التركيب العام للبلورة إلا أنه ينتج عن هذا الاستبدال، زيادة الشحنة السالبة بمقدار الوحدة لكل ذرة مستبدلة

ونتيجة ذلك الاستبدال يشتق الأيونان (AlSi₃O₁₀)^5- و(Al₂Si₂O₁₀)^6- من الأيون(Si₄O₁₀)^4-

ولكي تعود حالة التعادل الكهربائي إلى المركب تدخل بعض الأيونات الموجبة مثل الصوديوم(Na⁺) أو البوتاسيوم(K⁺) أو الكالسيوم(Ca²⁺) في تركيب البلورة كما في معدن الموسكوفيت(OH)₂] (AlSi₃O₁₀) KAl₂ أو(OH)₂  [CaAl₂(Al₂Si₁₀).

 

وتتميز المعادن التابعة لهذه  المجموعة بهيئة صفائحية أي أنها ذات إنفصام واضح.

ولقد وجد أنه في هذا النوع من التركيب الصفائحي تشترك ثلاثة ذرات أكسجين من الأربع الموجودة في أركان رباعي الأوجه مع رباعيات الأوجه الأخرى وبذلك تكون نسبة السليكون إلى الأكسجين تساوي (Si) 2 : (O) 5

وتشتمل جميع معادن الفيللوسليكات على أيون الهيدروكسيل (OH) وتعزى الخواص المختلفة لهذه المعادن إلى الموقع الذي يحتله هذا الأيون(OH) في البناء السليكاتي للمعدن.

 

6-السليكات ذات التركيب الشبكي في أبعاد ثلاثة: Framework silicates  

المعادن التكتوسليكاتية Tectosilicates

رأينا في جميع الحالات السابقة أن أيون (SiO₄)^4- قد يستخدم ذرة أو ذرتين أو ثلاث من ذرات الأكسجين ليتصل بأيونات أخرى.

أما إذا أمكن للأيون المذكور أن يستخدم ذرات الأكسجين الأربع ليتصل بأيونات أخرى مجاورة له فإنه ينتج عن ذلك هيكل شبكي في أبعاد ثلاثة

وفي هذه الحالة ينتمي لكل ذرة من ذرات السليكون عدد من ذرات الأكسجين يساوي  أي إن نسبة السليكون إلى الأكسجين تساوي  :1(si) 2 (o)وبذلك ينتج التركيب الخاص بثاني أكسيد السليكون (sio₂) (الشكل 9) الذي يتميز بأنواع مختلفة مثل الكوارتز والتريدميت والكريستوباليت crystobalite

ويشتق من السليكا أنواع من السليكات وذلك باستبدال بعض ذرات السليكون والألومنيوم ومعادلة الشحنة الناتجة بأيونات موجبة.

وفي جميع هذه المشتقات يلاحظ أن نسبة مجموع عدد ذرات السليكون والأولومنيوم إلى عدد ذرات الأكسجين تساوي  

 

وينتج عن ذلك بناء مجموعة متباينة من المركبات تختلف عن بعضها في عدد ذرات الألومنيوم والسليكون.

وكذلك في نوع الأيونات الموجبة وفي مدى تماسك الأيونات  ^–(SiO₄)⁴ مع بعضها ومن أمثلة هذه المركبات معادن الفلسبارات (Feldspars) والفلسباثويد (Feldspathiod) والزيوليت (Zeolite). (شكل 10).

ويمكن توضيح البناء السليكاتي لمعادن الفلسبارات من خلال متابعة عملية الإحلال التي تحدث في البناء السليكاتي المتعادل n (SiO₂). فلو اعتبرنا أن قيمة n في النباء السليكاتي المتعادل = 4 فإن تركيب هذا البناء سوف يصبح كالآتي: Si₄O₈

 

ولقد وجد أنه عندما يحل أيون الألومنيوم (Al⁴⁺) محل أيون السليكون (Si) فإن البناء الأخير، فإنه يتكون بناء سليكاتي غير متعادل ^–(AlSi₃O₈)

ولذلك لا بد لهذا البناء السليكاتي غير المتعادل أن يتحد مع أيون موجب ذي شحنة واحدة مثل البوتاسيوم (K⁺) لكي يصل إلى حالة التعادل ويتكون في هذه الحالة معدن الأرثوكليز KAlSi₃O₈

ومن الممكن أيضاً أن يتحد البناء السليكاتي غير المتعادل مع أيون موجب وحيد الشحنة مثل الصوديوم (Na⁺) مكوناً معدن الألبيت في هذه الحالة (Na AlSi₃ O₈)

 

وهناك احتمال آخر وهو أن يحل أيونان من الألومنيوم (Al) محل أيونين من السليكون (Si) ويتكون في هذه الحالة البناء السليكاتي غير المتعادل التالي: {Al₂Si₂O₈}^2-

أي أنه يصبح البناء الجديد غير المتعادل ذا شحنتين سالبيتين ولكي يصل إلى حالة التعادل لا بد أن يتحد هذا البناء مع أيون موجب ذي شحنتين مثل الكالسيوم (Ca²⁺) مكوناً بذلك بناء سليكاتيا متعادلا كما هو في معدن الأنورثيت {CaAl₂Si₂O₈}

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]