ХИМИЯ ПОЧВЫ. ТВЕРДЫЕ ФАЗЫ ПОЧВЫ

Соединения кремния, алюминия и железа в почве, их структура. Кварц, полевые шпаты, амфиболы, пироксены и слюды

Наиболее распространенными первичными минералами в почвах являются минералы, включающие кислородные соединения кремния: кварц (окись кремния), полевые шпаты, амфиболы, пироксены и слюды (алюмо- и феррисиликаты). Эти же минералы составляют основную массу магматических пород ( ).

Первичные минералы отличаются разнообразным химическим составом и кристаллической структурой, а в связи с этим и различной устойчивостью против выветривания. Остановимся на структуре соединений кремния.

Строение кристаллической решетки минералов в большой мере определяется объемом составляющих ее ионов или, принимая форму ионов шарообразной, величиной их радиусов. В элементарных ячейках, из которых состоят кристаллы, объем катионов и анионов определяет их взаимное расположение. Устойчивая структура образуется тогда, когда каждый катион соприкасается с окружающими его анионами.

Число ионов противоположного знака, окружающих данный ион, носит название координационного числа; величина его зависит от соотношения радиусов ионов ( 6) и определяет форму окружения, а следовательно, и характер элементарной ячейки.

Элементарной ячейкой кремнекислородного соединения является тетраэдр (см.  1), четыре вершины которого заняты крупными анионами 03_4 (г = 1,32 А), а в центре находится маленький катион Si4+ (г = 0,39 А). Тетраэдр (Si04)4- является основной структурной единицей всех существующих в природе соединений кремния с кислородом: окиси кремния (кварца), силикатов и алюмо- и феррисили- катов.

В ячейке Si04 преобладает отрицательный заряд (на четыре положительных заряда кремния приходится восемь отрицательных зарядов кислорода), который может быть компенсирован двумя путями: а) присоединением катионов или б) соединением с другими кремнекислородными тетраэдрами. Присоединение катионов за счет свободных валентностей кислорода имеет место у ортосилика- тов, таких, как форстерит (Mg2Si04), фаялит (Fe2Si04), оливин [(Mg, Fe)2Si04l; в их кристаллической структуре кремнекислород- ные тетраэдры изолированы друг от друга.

Соединение тетраэдров между собой происходит через вершины, т. е. кислородные ионы оказываются одновременно связанными с двумя ионами кремния. Сочетания при этом могут быть самыми разнообразными. Остающиеся свободными валентности кислородных ионов связываются катионами. В природе существуют минералы, соответствующие каждому типу изолированных групп Tefpa3fl ров ( 2).

Кремнекислородные тетраэдры могут образовывать и непрерывные структуры, соединяясь в одинарные цепочки ( 3, а), что характерно для пироксенов [например, энстатит — Mg2Si206, гиперстен— (Mg, Fe)2Si2Ofi], или в двойные цепочки (см.  3, б), как у минералов группы амфиболов [например, антофиллит — (Mg, Fe^SiiOu (ОН)21, или образовывать листы (см.  3, в), как у слюд. В последнем случае тетраэдры соединяются друг с другом тремя вершинами и образуют гексагональную (шестиугольную) сетку в виде плоского слоя или листа непрерывной протяженности в двух направлениях; при этом ионы кислорода с одной свободной валентностью — активные ионы (по одному от каждого тетраэдра) — направлены все в одну сторону, образуя особый активный лист, с помощью которого каждый слой связан с другими слоями. Это строение придает слюдам пластинчатость.

Если кремнекислородные тетраэдры соединяются между собой так, что каждый из четырех ионов кислорода принадлежит двум тетраэдрам, то получаются структуры, непрерывные в трех измерь* ниях и совсем не имеющие активных кислородных ионов. Такую структуру, отвечающую формуле (Si02)„, имеет кварц; она отличается большой прочностью.

Для полевых шпатов также характерны трехмерные каркасы, однако в отличие от кварца они не отвечают формуле Si02. Дело в том, что в части тетраэдров полевых шпатов ион Si4+ замещен ионом А13+. Несмотря на больший размер иона А13+ (г = 0,57 А) по сравнению с ионом Si4+ (г = 0,39 А), такое замещение возможно потому, что отношение радиусов ионов А13+ и О2" равно 0,43, т. е. близко к границе между возможной четверной и шестерной координацией (см. данные на стр. 14). Образующийся в результате замещения алюмокислородный комплекс (А104)5" несет на единицу больший отрицательный заряд, чем SiO*~; этот лишний отрицательный заряд компенсируется тем или иным катионом. Этим объясняется химический состав алюмосиликатов, к которым принадлежат полевые шпаты, отвечающие таким формулам, как NaAlSi308 (или Na2Al2SieOie) — альбит; CaAl2Si208 — анортит и др.

В альбите из четырех ионов Si4+ один замещен на А13+, и лишний отрицательный заряд, возникший в результате этого замещения, компенсирован Na+, который помещается в пустотах решетки; в анортите из четырех ионов Si4+ на А13+ замещено два иона; два отрицательных заряда компенсируются Са2+.

Среди полевых шпатов важнейшее значение имеют подгруппы плагиоклаза и ортоклаза. Плагиоклазы — натриево-известковые полевые шпаты, в которых Na и Са изоморфно замещают друг друга; они представляют непрерывный изоморфный ряд от альбита— Na2Al2Si6Oie до анортита — CaAl2Si208. Подгруппа ортоклаза — кали-натриевые полевые шпаты, такие, как ортоклаз — K2Al2Si6016, натронортоклаз—(Na, K)2Al2SieOi6.

Минералы, в которых Si4+ в тетраэдрах частично замещен на Fe3+, называются феррисиликатами.

Следует отметить, что изоморфные замещения происходят в кристаллической решетке в период ее образования, причем качество и количество замещающих ионов зависят от состава и концентрации окружающего раствора.

Ион А13+ в минералах не только замещает Si4+ в кремнекислород- ных тетраэдрах, но встречается и в шестерной координации, занимая центр октаэдра, на шести вершинах которого находятся ионы ОН"; получается ячейка [А1 (ОН)6]3"', которая более соответствует размерам иона А13+, чем (А10,,)5~. и поэтому более прочна. Кристаллическая решетка с элементарной ячейкой А1(ОН)6 свойственна гиббситу (гидраргиллиту); химическая формула его А1(ОН)3. Слой алюмогидроксильных октаэдров в проекции на плоскость - не все центры октаэдров заняты А13+, а лишь 2/3 их. Это объясняется следующим образом: трехвалентный А1, соединяясь с шестью одновалентными ионами ОН, на соединение с каждым из них тратит 1/2 валентности. Следовательно, для того чтобы полностью была насыщена валентность гидроксильного иона (ОН), он должен соединиться с двумя ионами А1, что и имеет место при строении кристалла, изображенном на  4, а и носящем название диоктаэдрического. Наличие свободных мест в кристаллической решетке, так называемых октаэдрических пустот, имеет большое значение в ряде случаев, как мы увидим в дальнейшем.

Если Mg2+ (или Fe2+) замещает А13+ в октаэдрической структуре, то он занимает благодаря своей меньшей валентности все возможные позиции в решетке ( 4, б). Каждый гидроксильный ион оказывается связанным с тремя ионами Mg2+, который, будучи в октаэдрическом положении, т. е. окруженный шестью ионами гидроксила, связан с каждым из них 1/3 валентности; такое строение кристаллической решетки называется триоктаэдрическим.

В структуре слюд слои алюмогидроксильных октаэдров ЮН~ частично замещен в них на О2-) чередуются со слоями кремнекисло- родных тетраэдров.

Значительное распространение в породах и почвах имеют: мусковит (белая калийная слюда) и биотит (темноцветная железисто- магнезиальная слюда), а также флогопит (магнезиальная слюда). Структура, аналогичная структуре слюд, характерна для ряда вторичных минералов, к чему мы вернемся ниже.