Кристобалит

Кристобалит
Кристобалит
	Кристобалитовые сферолиты образуются в расстекловывания матрицы обсидиана результате . ; Образец из Калифорнии, США; размер: 5,9 см × 3,8 см × 3,8 см (2,3 × 1,5 × 1,5 дюйма).
Общий
Категория	Оксидный минерал , кварца группа
Формула ; (повторяющаяся единица)	SiO 2
Имеет символ IMA.	Крс
Классификация Штрунца	4.DA.15
Классификация Дана	75.1.1.1
Кристаллическая система	четырехугольный
Кристаллический класс	Трапецоэдрический (422)
Космическая группа	П 4 1 2 1 2, П 4 3 2 1 2
Элементарная ячейка	а = 4,9709(1) Å, ; с = 6,9278(2) Å; ; Z = 4 (α-политип)
Структура
Джмол (3D)	Интерактивное изображение
Идентификация
Цвет	Бесцветный, белый
Кристальная привычка	Октаэдры или сферолиты диаметром до нескольких см.
Твиннинг	на {111}
Перелом	раковистый
упорство	хрупкий
шкала Мооса твердость	6–7
Блеск	стекловидное тело
Полоса	Белый
прозрачность	Прозрачный
Удельный вес	2.32–2.36
Оптические свойства	Одноосный (-)
Показатель преломления	п ω = 1,487 ; п ε = 1,4
Двойное лучепреломление	0.003
Плеохроизм	Никто
Температура плавления	1,713 ° C (3,115 ° F) (б)
Ссылки

Кристобалит ( / k r ɪ ˈ s t oʊ b ə ˌ l aɪ t / ) — минеральная полиморфная модификация , кремнезема которая образуется при очень высоких температурах. Он имеет ту же химическую формулу, что и кварц SiO ₂ , но особую кристаллическую структуру. И кварц, и кристобалит представляют собой полиморфные модификации всех членов группы кварца, в которую также входят коэсит , тридимит и стишовит . Он назван в честь Серро-Сан-Кристобаль в муниципалитете Пачука , Идальго , Мексика .

Применяется в стоматологии в составе альгинатных оттискных материалов, а также для изготовления моделей зубов. ^[7]

Характеристики

Метастабильность

Кристобалит стабилен только при температуре выше 1470 ° C, но может кристаллизоваться и метастабильно сохраняться при более низких температурах. Сохранение кристобалита за пределами диапазона его термодинамической стабильности происходит потому, что переход от кристобалита к кварцу или тридимиту является «реконструктивным», требующим разрушения и реформирования кремнеземного каркаса. Эти каркасы состоят из Si O ₄ тетраэдров , в которых каждый атом кислорода является общим с соседним тетраэдром, так что химическая формула кремнезема — SiO ₂ . Разрыв этих связей, необходимый для превращения кристобалита в тридимит и кварц, требует значительной энергии активации и может не произойти в человеческое время при комнатной температуре. Каркасные силикаты также известны как тектосиликаты .

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

Структуры

Существует более чем одна форма кристобалитового каркаса. При высоких температурах структура называется β-кристобалитом. Он находится в кубической кристаллической системе , пространственная группа Fd 3 m (№ 227, обозначение Пирсона cF104 ). ^[8] Он имеет структуру алмаза , но со связанными тетраэдрами кремния и кислорода, где атомы углерода находятся в алмазе. Хиральная форма , тетрагональная называемая α-кристобалитом (пр. группа P4 ₁ 2 ₁ 2, № 92, ^[9] или P4 ₃ 2 ₁ 2, № 96, наугад) возникает при охлаждении ниже примерно 250 °С при давлении окружающей среды и связана с кубической формой статическим наклоном кремнеземных тетраэдров в каркасе. Этот переход по-разному называют «низкий-высокий» или «низкий-высокий». $\alpha {-}\beta$ переход. Его можно назвать «вытесняющим»; т.е., как правило, невозможно предотвратить превращение кубической β-формы в тетрагональную путем быстрого охлаждения. В редких случаях кубическая форма может сохраняться, если кристаллическое зерно закреплено в матрице, которая не допускает значительной спонтанной деформации, участвующей в переходе, вызывающей изменение формы кристалла. Этот переход весьма прерывистый. Переход от α-формы к β-форме приводит к увеличению объема на 3 ^[10] или 4 ^[11] процент. Точная температура перехода зависит от кристалличности образца кристобалита, которая сама зависит от таких факторов, как продолжительность отжига при определенной температуре.

Кубическая β-фаза состоит из динамически неупорядоченных кремнеземных тетраэдров. Тетраэдры остаются достаточно правильными и смещаются от своих идеальных статических ориентаций из-за действия класса низкочастотных фононов , называемых жесткими единичными модами . Именно «замораживание» одной из этих жестких единичных мод и является мягкой модой для перехода α – β.

В β-кристобалите имеются правые и левые спирали тетраэдров (или атомов кремния), параллельные всем трем осям. Однако при фазовом переходе α–β сохраняется только правая или левая спираль в одном направлении (другое становится двойной винтовой осью), поэтому только одна из трёх вырожденных кубических кристаллографических осей сохраняет ось вращения четырехкратного порядка (фактически винтовая ось ) в тетрагональной форме. (Эта ось становится осью «c», а новые оси «a» поворачиваются 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 произволен, так что различные двойники в одном зерне могут образовываться . Эти различные ориентации двойников в сочетании с прерывистым характером перехода (объем и небольшое изменение формы) могут вызвать значительные механические повреждения материалов, в которых присутствует кристобалит и которые неоднократно проходят через температуру перехода, таких как огнеупорный кирпич.

Идеализированная модель β-кристобалита, демонстрирующая тетраэдры Si O _4, связанные углами . В центре половины белых квадратов расположена правосторонняя четырёхкратная винтовая ось, а в центре остальных — левая. В этой проекции мы видим плоскости скольжения, параллельные осям, и зеркала по диагоналям. На самом деле тетраэдры постоянно колеблются.
β-кристобалит, вид по направлению 101.
Смятый каркас 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 здесь выглядят 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 спирали (первый и последний — эквивалентные атомы в решетке), идущих в направлении «с» (внутрь страницы). Горизонтальная и вертикальная оси — это оси «а».
Элементарная ячейка β-кристобалита; красные сферы — это атомы кислорода.

возникновение

Кристобалит встречается в виде белых октаэдров или сферолитов в кислых вулканических породах и в преобразованных диатомовых отложениях формации Монтерей в американском штате Калифорния и аналогичных областях.

Сферы микрометрового размера, из которых состоит драгоценный опал, демонстрируют некоторые картины дифракции рентгеновских лучей, похожие на картины кристобалита, но лишены какого-либо дальнего порядка, поэтому они не считаются настоящим кристобалитом. Кроме того, наличие в опале структурной воды заставляет сомневаться в том, что опал состоит из кристобалита. ^[12]^[13]

Кристобалит виден как белые включения в обсидиане-снежинке , вулканическом стекле.

Ссылки

^ Уорр, Л.Н. (2021). «Утвержденные IMA–CNMNC символы минералов» . Минералогический журнал . 85 (3): 291–320. Бибкод : 2021MinM...85..291W . дои : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID 235729616 .
^ Дир, Вашингтон; Хауи, РА; Зуссман, Дж. (1966). Знакомство с породообразующими минералами . Лонгман . стр. 340–355. ISBN 0-582-44210-9 .
^ Минераленатлас .
^ Кристобалит. Архивировано 15 июля 2010 г. в Wayback Machine . Справочник по минералогии.
^ Кристобалит . Миндат.
^ «Данные о минералах кристобалита» . Вебминерал .
^ Анусавице, Кеннет Дж. (2013). Наука Филлипса о стоматологических материалах . Эльзевир/Сондерс. ISBN 978-1-4377-2418-9 . OCLC 934359978 .
^ Райт А.Ф., Ледбеттер А.Дж. (1975). «Структуры b-кристобалитовых фаз SiO ₂ и AlPO ₄ ». Философский журнал . 31 (6): 1391–1401. Бибкод : 1975PMag...31.1391W . дои : 10.1080/00318087508228690 .
^ Даунс RT, Палмер, округ Колумбия (1994). «Поведение кристобалита под давлением» (PDF) . Американский минералог . 79 : 9–14. Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2019 г. Проверено 15 декабря 2009 г.
^ Р. Э. Смоллман и Р. Дж. Бишоп (1999). «2». Современная физическая металлургия и материаловедение (6-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-4564-5 .
^ Эй Джей Ледбеттер и А. Ф. Райт (1976). «Переход α—β в кристобалитовых фазах SiO ₂ и AIPO ₄ I. Рентгеновские исследования». Философский журнал . 33 (1): 105–112. Бибкод : 1976PMag...33..105L . дои : 10.1080/14786437608221095 .
^ Дин К. Смит (1998). «Опал, кристобалит и тридимит: некристалличность и кристалличность, номенклатура минералов кремнезема и библиография» . Порошковая дифракция . 13 (1): 2–19. Бибкод : 1998PDiff..13....2S . дои : 10.1017/S0885715600009696 . S2CID 97394861 .
^ «Кремнезем кристаллический — Обзор | Управление по охране труда» (PDF) . www.osha.gov . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г.

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 по минералогии и геохимии , вып. 29. Кремнезем: поведение, геохимия и физические приложения . Минералогическое общество Америки, 1994.
Р.Б. Сосман, Фазы кремнезема . (Издательство Университета Рутгерса, 1965)

Внешние ссылки

Международная карта химической безопасности 0809

[1] Уорр, Л.Н. (2021). «Утвержденные IMA–CNMNC символы минералов» . Минералогический журнал . 85 (3): 291–320. Бибкод : 2021MinM...85..291W . дои : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID 235729616 .

[Deer-2] Дир, Вашингтон; Хауи, РА; Зуссман, Дж. (1966). Знакомство с породообразующими минералами . Лонгман . стр. 340–355. ISBN 0-582-44210-9 .

[3] Минераленатлас .

[Handbook-4] Кристобалит. Архивировано 15 июля 2010 г. в Wayback Machine . Справочник по минералогии.

[Mindat-5] Кристобалит . Миндат.

[Webmin-6] «Данные о минералах кристобалита» . Вебминерал .

[7] Анусавице, Кеннет Дж. (2013). Наука Филлипса о стоматологических материалах . Эльзевир/Сондерс. ISBN 978-1-4377-2418-9 . OCLC 934359978 .

[8] Райт А.Ф., Ледбеттер А.Дж. (1975). «Структуры b-кристобалитовых фаз SiO ₂ и AlPO ₄ ». Философский журнал . 31 (6): 1391–1401. Бибкод : 1975PMag...31.1391W . дои : 10.1080/00318087508228690 .

[9] Даунс RT, Палмер, округ Колумбия (1994). «Поведение кристобалита под давлением» (PDF) . Американский минералог . 79 : 9–14. Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2019 г. Проверено 15 декабря 2009 г.

[10] Р. Э. Смоллман и Р. Дж. Бишоп (1999). «2». Современная физическая металлургия и материаловедение (6-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-4564-5 .

[11] Эй Джей Ледбеттер и А. Ф. Райт (1976). «Переход α—β в кристобалитовых фазах SiO ₂ и AIPO ₄ I. Рентгеновские исследования». Философский журнал . 33 (1): 105–112. Бибкод : 1976PMag...33..105L . дои : 10.1080/14786437608221095 .

[12] Дин К. Смит (1998). «Опал, кристобалит и тридимит: некристалличность и кристалличность, номенклатура минералов кремнезема и библиография» . Порошковая дифракция . 13 (1): 2–19. Бибкод : 1998PDiff..13....2S . дои : 10.1017/S0885715600009696 . S2CID 97394861 .

[13] «Кремнезем кристаллический — Обзор | Управление по охране труда» (PDF) . www.osha.gov . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]