Кристобалит - Cristobalite

Кристобалит
Кристобалит-Фаялит-40048.jpg
Сферы из кристобалита, образованные расстеклованием из обсидиановой матрицы (Калифорния, США) 5,9 × 3,8 × 3,8 см
Общий
Категория Оксид минеральный , группа кварца
Формула
(повторяющаяся единица) 		SiO 2
Классификация Струнца 4.DA.15
Классификация Дана 75.1.1.1
Кристаллическая система Тетрагональный
Кристалл класс Трапецоэдр (422)
Космическая группа С 4 1 2 1 2, С 4 3 2 1 2
Ячейка а = 4,9709 (1) Å,
с = 6,9278 (2) Å;
Z  = 4 (α-политип)
Состав
Джмол (3D) Интерактивное изображение
Идентификация
Цвет Бесцветный, белый
Хрустальная привычка Октаэдры или сферолиты размером до нескольких см
Twinning на {111}
Перелом Конхоидальный
Упорство Хрупкий
Твердость по шкале Мооса 6–7
Блеск Стекловидное тело
Полоса белый
Прозрачность Прозрачный
Удельный вес 2,32–2,36
Оптические свойства Одноосный (-)
Показатель преломления n ω = 1,487
n ε = 1,484
Двулучепреломление 0,003
Плеохроизм Никто
Температура плавления 1713 ° С (β)
использованная литература

Кристобалит является минеральным полиморфным из диоксида кремния , который образуется при очень высоких температурах. Применяется в стоматологии как компонент альгинатных оттискных материалов, а также для изготовления моделей зубов.

Она имеет ту же химическую формулу , как кварц , SiO 2 , но отдельной кристаллической структурой. И кварц, и кристобалит представляют собой полиморфы со всеми членами группы кварца, в которую также входят коэсит , тридимит и стишовит . Кристобалит встречается в виде белых октаэдров или сферолитов в кислых вулканических породах и в преобразованных диатомовых отложениях в формации Монтерей в американском штате Калифорния и подобных областях. Кристобалит стабилен только при температуре выше 1470 ° C, но может кристаллизоваться и метастабильно сохраняться при более низких температурах. Он назван в честь Серро-Сан-Кристобаль в муниципалитете Пачука , Идальго , Мексика .

Устойчивость кристобалита за пределами его диапазона термодинамической стабильности происходит потому, что переход от кристобалита к кварцу или тридимиту является «реконструктивным», требующим разрушения и преобразования каркаса кремнезема . Эти каркасы состоят из тетраэдров Si O 4, в которых каждый атом кислорода является общим с соседним тетраэдром, так что химическая формула кремнезема - Si O 2 . Разрыв этих связей, необходимый для преобразования кристобалита в тридимит и кварц, требует значительной энергии активации и может не произойти в человеческих временных рамках при комнатной температуре. Каркасные силикаты также известны как тектосиликаты .

Существует несколько форм каркаса кристобалита. При высоких температурах структура называется β-кристобалитом. Он находится в кубической кристаллической системе , пространственная группа Fd 3 m (№ 227, символ Пирсона cF104 ). Он имеет структуру алмаза, но со связанными тетраэдрами кремния и кислорода, где атомы углерода находятся в алмазе. Хиральный тетрагональной образуют называется а-кристобалит (пространственная группа либо P4 1 2 1 2, № 92, или P4 3 2 1 2, № 96, в случайном порядке) возникает при охлаждении ниже примерно 250 ° C при давлении окружающей среды и связано к кубической форме за счет статического наклона тетраэдров кремнезема в каркасе. Этот переход по-разному называется переходом от низкого к высокому . Это можно назвать «смещением»; то есть, как правило, невозможно предотвратить превращение кубической β-формы в тетрагональную за счет быстрого охлаждения. В редких случаях кубическая форма может быть сохранена, если кристаллическое зерно закреплено в матрице, которая не допускает значительной спонтанной деформации, связанной с переходом, которая вызывает изменение формы кристалла. Этот переход очень прерывистый. Переход от α-формы к β-форме вызывает увеличение объема на 3–4 процента. Точная температура перехода зависит от кристалличности образца кристобалита, которая сама по себе зависит от таких факторов, как продолжительность отжига при определенной температуре.

Кубическая β-фаза состоит из динамически неупорядоченных тетраэдров кремнезема. Тетраэдры остаются довольно регулярными и смещаются из своей идеальной статической ориентации из-за действия класса низкочастотных фононов, называемых модами жестких единиц . Именно «замораживание» одной из этих мод жестких единиц является мягкой модой для перехода α – β.

В β-кристобалите есть правая и левая спирали тетраэдров (или атомов кремния), параллельные всем трем осям. Но при фазовом переходе α – β сохраняется только правая или левая спираль в одном направлении (другая становится осью двойного винта), поэтому только одна из трех вырожденных кубических кристаллографических осей сохраняет четырехкратную ось вращения (фактически ось винта ) в четырехугольной форме. (Эта ось становится осью «c», а новые оси «a» повернуты на 45 ° по сравнению с двумя другими старыми осями. Новый параметр решетки «a» короче примерно на квадратный корень из 2, поэтому единица α ячейка содержит только 4 атома кремния, а не 8.) Выбор оси произвольный, так что в одном и том же зерне могут образовываться разные двойники . Эти разные ориентации двойников в сочетании с прерывистой природой перехода (объем и небольшое изменение формы) могут вызывать значительные механические повреждения материалов, в которых присутствует кристобалит и которые многократно проходят через температуру перехода, таких как огнеупорные кирпичи.

При расстекловывании диоксида кремния кристобалит обычно образуется первой фазой, даже если он находится далеко за пределами диапазона его термодинамической стабильности. Это пример шагового правила Оствальда . Динамически неупорядоченная природа β-фазы частично отвечает за низкую энтальпию плавления кремнезема.

Сферы микрометрового размера, из которых состоит драгоценный опал, демонстрируют некоторые дифракционные картины рентгеновских лучей, которые похожи на дифракционные картины кристобалита, но не имеют дальнего порядка, поэтому они не считаются истинным кристобалитом. Кроме того, наличие структурной воды в опале вызывает сомнения в том, что опал состоит из кристобалита.

  • Идеализированная модель β-кристобалита, демонстрирующая тетраэдры Si O 4 со связанными углами . В центре половины белых квадратов расположена правая четырехгранная ось винта, а в центре остальных - левая. В этой проекции мы видим плоскости скольжения, параллельные осям, и зеркала на диагоналях. На самом деле тетраэдры постоянно колеблются.

  • β-кристобалит в направлении 101.

  • Смятый каркас из α-кристобалита, связанный с β-формой статическим наклоном тетраэдров. Этот вид соответствует виду в направлении 101 на предыдущей иллюстрации, за исключением того, что ось «b» этого изображения теперь горизонтальна. Двойные винтовые оси выглядят здесь как двойные оси вращения, проходящие через середину белых областей и между парами почти наложенных друг на друга атомов кислорода.

  • Элементарная ячейка α-кристобалита; красные сферы - это атомы кислорода. Мы видим здесь пять атомов кремния в виде спирали (первый и последний - эквивалентные атомы в решетке), идущих в направлении «c» (внутрь страницы). Горизонтальная и вертикальная оси - это оси "а".

  • Элементарная ячейка β-кристобалита; красные сферы - это атомы кислорода.

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Словарь геологических терминов Американского геологического института .
  • Дарем, Д.Л., "Формация Монтерей: диагенез". в: Уран в формации Монтерей в Калифорнии . Бюллетень Геологической службы США 1581-A, 1987.
  • Обзоры в Минералогии и геохимии . 29. Кремнезем: поведение, геохимия и физические приложения . Минералогическое общество Америки, 1994.
  • Сосман Р. Б. Фазы кремнезема . (Издательство Университета Рутгерса, 1965)

внешние ссылки