Agyagásvány

Általános jellemzők

Az agyagásványok szerkezetét nagyrészt röntgendiffrakciós módszerekkel határozták meg. A hidro-rétegű szilikátok alapvető jellemzőit különböző tudósok, köztük Charles Mauguin, Linus C. Pauling, W. W. Jackson, J. West és John W. Gruner fedezték fel az 1920-as évek végétől az 1930-as évek közepéig. Ezek a jellemzők összefüggő, kétdimenziós, Si2O5 összetételű tetraéderes lapok, amelyekben a SiO4 tetraéderek (1. ábra) az egyes tetraéderek három sarkának megosztása révén hatszögletű hálós mintázatot alkotnak (2A ábra). A tetraéderek szilíciumatomjait gyakran részben alumíniummal és kisebb mértékben vasalással helyettesítik. A tetraéderek negyedik sarkában lévő apikális oxigén, amely általában a lapra merőlegesen irányul, egy szomszédos oktaéderlap részét képezi, amelyben az oktaédereket közös élek kötik össze (3. ábra). A tetraéderes és oktaéderes lapok közötti kapcsolódási síkot a tetraéderek közös csúcsos oxigénatomjai és a nem közös hidroxilok alkotják, amelyek a tetraéderek egyes hexagonális gyűrűinek közepén és a közös csúcsos oxigénatomokkal azonos szinten helyezkednek el (4. ábra). Az oktaéderlapokat koordináló gyakori kationok az Al, Mg, Fe3+ és Fe2+; esetenként Li, V, Cr, Mn, Ni, Cu és Zn jelentős mennyiségben helyettesíti őket. Ha kétértékű kationok (M2+) vannak az oktaéderes lapokban, akkor az összetétel M2+/3 (OH)2O4 és az összes oktaéder foglalt. Ha háromértékű kationok (M3+) vannak, akkor az összetétel M3+/2 (OH)2O4 és az oktaéderek kétharmada foglalt, a harmadik oktaéder hiányzik. Az előbbi típusú oktaéderlapot trioktaéderesnek, az utóbbit pedig dioktaéderesnek nevezzük. Ha az oktaéderes lapok összetételében az összes anioncsoport hidroxilion, akkor a keletkező lapokat M2+(OH)2, illetve M3+(OH)3 alakban fejezhetjük ki. Az ilyen, hidroxidlapoknak nevezett lapok egyes agyagásványokban egyenként, szilikátrétegekkel váltakozva fordulnak elő. A brucit, Mg(OH)2, és a gibbszit, Al(OH)3, tipikus példái a hasonló szerkezetű ásványoknak. Az agyagásványok szilikátrétegeknek nevezett szerkezeti “gerincének” két fő típusa van. Az egy oktaéderes lap és egy tetraéderes lap egymáshoz igazításával kialakuló egységnyi szilikátréteget 1:1 arányú szilikátrétegnek nevezzük, és az oktaéderes lap szabad felülete hidroxilokból áll. Egy másik típusban az egységnyi szilikátréteg egy oktaéderes lapból áll, amelyet két ellentétes irányba orientált tetraéderes lap szendvicsez, és 2:1 arányú szilikátrétegnek nevezzük (5. ábra). Ezek a szerkezeti jellemzők azonban csak idealizált geometriai elrendezésekre korlátozódnak.

Az agyagásványok valódi szerkezetei jelentős kristálytöréseket és torzulásokat tartalmaznak, amelyek szabálytalanságokat, például deformált oktaédereket és tetraédereket eredményeznek az egyenlő oldalú háromszögfelületű poliéderek helyett, az ideális hexagonális felületi szimmetriától eltérő ditrigonális szimmetria, és a tetraéderes lap bazális oxigénatomjai által alkotott sík síkok helyett fodros felületek. Az ilyen torzulások egyik fő oka a tetraéderes és oktaéderes lapok közötti dimenzióeltérések. Ha a tetraéderes lap csak szilíciumot tartalmaz a kationos helyen és ideális hexagonális szimmetriával rendelkezik, akkor a bazális síkon belüli hosszabb egységméret 9,15 Å, ami a gibbszit 8,6 Å és a brucit 9,4 Å megfelelő méretei között van. Ahhoz, hogy a tetraéderes lap az oktaéderes lap dimenziójába illeszkedjen, a váltakozó SiO4 tetraéderek ellentétes irányba forognak (az elméleti maximum 30°-ig), hogy az ideális hatszögű tömböt kétszer háromszögletű (ditrigonális) tömbté torzítsák (2B ábra). Ezzel a torziós mechanizmussal az ionos helyettesítésekből származó, széles összetételű tetraéderes és oktaéderes lapok összekapcsolódhatnak és szilikátrétegeket tarthatnak fenn. Az ionos helyettesítések közül a határozottan különböző méretű ionok közötti helyettesítések befolyásolják leginkább a szilikátrétegek geometriai konfigurációját.

A rétegszilikátok másik jelentős jellemzője a lapszerkezetek hasonlósága és a hexagonális vagy közel-hexagonális szimmetria miatt az, hogy a szerkezetek lehetővé teszik az atomi síkok, lapok és rétegek különböző módon történő egymásra helyezését, ami olyan kristályográfiai műveletekkel magyarázható, mint a transzláció vagy az eltolás és forgatás, ezáltal megkülönböztetve őket a polimorfoktól (pl. gyémánt-grafit és kalcit-aragonit). Az előbbi egydimenziós, az utóbbi viszont általában háromdimenziós változásokat foglal magában. A rögzített kémiai összetételű különböző rétegződési sorrendekből eredő szerkezetek sokféleségét polytípusoknak nevezzük. Ha az ilyen változatosságot kisebb mértékű, de állandó ionhelyettesítések okozzák, akkor polytípusosnak nevezzük őket.