General features
The structure of clay minerals has been determined largely by X-ray diffraction methods. De essentiële kenmerken van silicaten uit waterhoudende lagen werden aan het licht gebracht door verschillende wetenschappers, waaronder Charles Mauguin, Linus C. Pauling, W.W. Jackson, J. West, en John W. Gruner in de late jaren 1920 tot midden jaren 1930. Deze kenmerken zijn continue tweedimensionale tetraëdervellen van samenstelling Si2O5, met SiO4-tetraëders (Figuur 1) die onderling verbonden zijn door het delen van drie hoeken van elke tetraëder om een hexagonaal maaspatroon te vormen (Figuur 2A). Vaak zijn de siliciumatomen van de tetraëders gedeeltelijk gesubstitueerd door aluminium en, in mindere mate, ferri-ijzer. De apicale zuurstof in de vierde hoek van de tetraëders, die meestal normaal op het blad is gericht, maakt deel uit van een aangrenzend octahedraal blad waarin octaëders zijn verbonden door het delen van randen (figuur 3). Het verbindingsvlak tussen tetraëder- en octaëderplaten bestaat uit de gedeelde apicale zuurstofatomen van de tetraëders en ongedeelde hydroxylgroepen die in het midden van elke hexagonale ring van tetraëders liggen en op hetzelfde niveau als de gedeelde apicale zuurstofatomen (figuur 4). Veel voorkomende kationen die de octaëderplaatjes coördineren zijn Al, Mg, Fe3+, en Fe2+; soms komen Li, V, Cr, Mn, Ni, Cu, en Zn in aanzienlijke hoeveelheden voor. Als tweewaardige kationen (M2+) in de octaërrale bladen zitten, is de samenstelling M2+/3 (OH)2O4 en zijn alle octaëders bezet. Als er driewaardige kationen (M3+) aanwezig zijn, is de samenstelling M3+/2 (OH)2O4 en zijn twee derde van de octaëders bezet, met afwezigheid van de derde octaëder. Het eerste type octaëderplaat wordt trio-ctaëderplaat genoemd, en het tweede dioctaëderplaat. Als alle aniongroepen hydroxylionen zijn in de samenstellingen van octaëdrale platen, kunnen de resulterende platen worden uitgedrukt met respectievelijk M2+(OH)2 en M3+(OH)3. Dergelijke platen, hydroxideplaten genoemd, komen afzonderlijk voor, afgewisseld met silicaatlagen in sommige kleimineralen. Bruciet, Mg(OH)2, en gibbsiet, Al(OH)3, zijn typische voorbeelden van mineralen met een soortgelijke structuur. Er zijn twee hoofdtypen voor de structurele “ruggengraten” van kleimineralen, silicaatlagen genoemd. De eenheidsilicaatlaag gevormd door het uitlijnen van een octahedrale plaat op een tetrahedrale plaat wordt een 1:1 silicaatlaag genoemd, en het blootgestelde oppervlak van de octahedrale plaat bestaat uit hydroxyls. Bij een ander type bestaat de silicaatlaag uit één octahedrale plaat ingeklemd door twee tetrahedrale platen die in tegengestelde richtingen georiënteerd zijn; dit wordt een 2:1 silicaatlaag genoemd (figuur 5). Deze structurele kenmerken zijn echter beperkt tot geïdealiseerde geometrische regelingen.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
De werkelijke structuren van kleimineralen bevatten aanzienlijke kristalspanningen en vervormingen, waardoor onregelmatigheden ontstaan zoals vervormde octaëders en tetraëders in plaats van veelvlakken met gelijkzijdige driehoekige zijvlakken, ditrigonale symmetrie gewijzigd van de ideale zeshoekige oppervlaktesymmetrie, en gebobbelde oppervlakken in plaats van de platte vlakken gevormd door de basale zuurstofatomen van de tetrahedrale plaat. Een van de belangrijkste oorzaken van dergelijke vervormingen is dimensionale “misfits” tussen de tetrahedrale en octahedrale platen. Als de tetrahedral plaat alleen silicium in de kationische site en heeft een ideale zeshoekige symmetrie, de langere eenheid dimensie binnen het basale vlak is 9,15 Å, die ligt tussen de overeenkomstige afmetingen 8,6 Å van gibbsite en 9,4 Å van brucite. Om de tetraërale plaat in de dimensie van de octaërale plaat te passen, draaien de SiO4-tetraëders om en om (tot een theoretisch maximum van 30°) in tegengestelde richtingen om de ideale hexagonale matrix te vervormen tot een dubbel driehoekige (ditrigonale) matrix (Figuur 2B). Door dit vervormingsmechanisme kunnen tetraëder- en octaëderplaten van een breed scala aan samenstellingen, die het gevolg zijn van ionische substituties, zich aan elkaar koppelen en silicaatlagen in stand houden. Onder de ionische substituties hebben die tussen ionen van duidelijk verschillende grootte de meeste invloed op de geometrische configuraties van silicaatlagen.
Een ander belangrijk kenmerk van laagsilicaten, vanwege hun overeenkomst in plaatstructuren en hexagonale of bijna-hexagonale symmetrie, is dat de structuren verschillende manieren toestaan om atomaire vlakken, vellen, en lagen te stapelen, wat verklaard kan worden door kristallografische operaties zoals translatie of verschuiven en roteren, waardoor ze zich onderscheiden van polymorfen (b.v. diamantgrafiet en calciet-aragoniet). Bij de eerste gaat het om eendimensionale variaties, bij de laatste meestal om driedimensionale. De verscheidenheid aan structuren die het gevolg zijn van verschillende stapelingsvolgorden van een vaste chemische samenstelling, worden polytypen genoemd. Als zo’n verscheidenheid wordt veroorzaakt door ionische substituties die gering maar consistent zijn, worden ze polytypiden genoemd.