Cechy ogólne
Struktura minerałów ilastych została określona w dużej mierze za pomocą metod dyfrakcji rentgenowskiej. Istotne cechy krzemianów warstwy wodnej zostały ujawnione przez różnych naukowców, w tym Charles Mauguin, Linus C. Pauling, W.W. Jackson, J. West i John W. Gruner przez późnych lat 20-tych do połowy lat 30-tych. Cechy te są ciągłe dwuwymiarowe tetraedryczne arkusze składu Si2O5, z tetraedrami SiO4 (rysunek 1) połączone przez dzielenie trzech rogów każdego tetraedru, tworząc heksagonalny wzór siatki (rysunek 2A). Często atomy krzemu w tetraedrach są częściowo zastąpione przez aluminium i, w mniejszym stopniu, żelazo ferryczne. Tlen wierzchołkowy w czwartym rogu czworościanu, który jest zwykle skierowany normalnie do arkusza, tworzy część sąsiedniego arkusza ośmiościanu, w którym ośmiościany są połączone wspólnymi krawędziami (Rysunek 3). Płaszczyzna łącząca arkusze tetraedryczne i oktaedryczne składa się ze wspólnych wierzchołkowych atomów tlenu tetraedrów i niezaangażowanych hydroksyli, które leżą w centrum każdego heksagonalnego pierścienia tetraedrów i na tym samym poziomie co wspólne wierzchołkowe atomy tlenu (Rysunek 4). Wspólne kationy, które koordynują arkusze oktaedryczne to Al, Mg, Fe3+ i Fe2+; czasami Li, V, Cr, Mn, Ni, Cu i Zn zastępują je w znacznych ilościach. Jeśli kationy dwuwartościowe (M2+) są w arkuszach oktaedrycznych, skład jest M2+/3 (OH)2O4 i wszystkie oktaedry są zajęte. Jeśli są kationy trójwartościowe (M3+), skład jest M3+/2 (OH)2O4 i dwie trzecie oktaedrów są zajęte, z brakiem trzeciego oktaedru. Pierwszy typ ośmiościanu nazywamy trójoktaedrycznym, a drugi dwuoktaedrycznym. Jeżeli w składach arkuszy oktaedrycznych wszystkie grupy anionowe są jonami hydroksylowymi, to powstałe arkusze można wyrazić odpowiednio przez M2+(OH)2 i M3+(OH)3. Takie blaszki, zwane blaszkami wodorotlenkowymi, występują pojedynczo, na przemian z warstwami krzemianowymi w niektórych minerałach ilastych. Brucyt, Mg(OH)2, i gibbsyt, Al(OH)3, są typowymi przykładami minerałów o podobnej strukturze. Istnieją dwa główne typy strukturalnych „szkieletów” minerałów ilastych, zwanych warstwami krzemianowymi. Jednostkowa warstwa krzemianowa utworzona przez ułożenie jednego arkusza oktaedrycznego z jednym arkuszem tetraedrycznym jest określana jako warstwa krzemianowa 1:1, a odsłonięta powierzchnia arkusza oktaedrycznego składa się z hydroksyli. W innym typie, jednostkowa warstwa krzemianowa składa się z jednego arkusza oktaedrycznego umieszczonego pomiędzy dwoma arkuszami tetraedrycznymi, które są zorientowane w przeciwnych kierunkach i jest określana jako warstwa krzemianowa 2:1 (Rysunek 5). Te cechy strukturalne są jednak ograniczone do wyidealizowanych układów geometrycznych.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Realne struktury minerałów ilastych zawierają znaczne odkształcenia krystaliczne i zniekształcenia, które dają nieregularności, takie jak zdeformowane ośmiościany i czworościany zamiast wielościanów o ścianach w kształcie trójkątów równobocznych, ditrygonalna symetria zmodyfikowana w stosunku do idealnej heksagonalnej symetrii powierzchni, oraz wklęsłe powierzchnie zamiast płaskich płaszczyzn tworzonych przez bazowe atomy tlenu arkusza tetraedrycznego. Jedną z głównych przyczyn takich zniekształceń jest niedopasowanie wymiarowe pomiędzy arkuszami tetraedrycznymi i oktaedrycznymi. Jeżeli blaszka tetraedryczna zawiera tylko krzem w miejscu kationowym i ma idealną symetrię heksagonalną, to dłuższy wymiar jednostkowy w płaszczyźnie podstawowej wynosi 9,15 Å, co leży pomiędzy odpowiednimi wymiarami 8,6 Å gibbsite’u i 9,4 Å brucytu. Aby dopasować arkusz tetraedryczny do wymiaru arkusza oktaedrycznego, naprzemienne tetraedry SiO4 obracają się (do teoretycznego maksimum 30°) w przeciwnych kierunkach, zniekształcając idealny układ heksagonalny w układ podwójnie trójkątny (ditrigonalny) (Rysunek 2B). Poprzez ten mechanizm zniekształcenia, tetraedryczne i oktaedryczne arkusze o szerokim zakresie składu, wynikające z podstawników jonowych, mogą łączyć się ze sobą i utrzymywać warstwy krzemianowe. Wśród podstawień jonowych, te pomiędzy jonami o wyraźnie różnych rozmiarach najbardziej znacząco wpływają na geometryczne konfiguracje warstw krzemianowych.
Inną istotną cechą warstwowych krzemianów, dzięki ich podobieństwu w strukturze arkuszy i heksagonalnej lub prawie heksagonalnej symetrii, jest to, że struktury te pozwalają na różne sposoby układania płaszczyzn atomowych, arkuszy i warstw, co może być wyjaśnione przez operacje krystalograficzne, takie jak translacja lub przesunięcie i rotacja, co odróżnia je od polimorfów (np. diament-grafit i kalcyt-aragonit). W pierwszym przypadku mamy do czynienia ze zmianami jednowymiarowymi, w drugim zaś z trójwymiarowymi. Różnorodność struktur wynikających z różnych sekwencji ułożenia w stos o ustalonym składzie chemicznym nazywamy poliptypami. Jeśli taka różnorodność jest spowodowana przez substytucje jonowe, które są niewielkie, ale spójne, nazywa się je polipoidami.