Особенности структур кварца, тридимита, кристобалита

Полиморфные превращения в системе SiO₂ проходят в соответствии с диаграммой Феннера(см. с.72).

В природе чаще встречаются и являются стабильными все низкотемпературные модификации (b-кварц, g-тридимит, b-кристобалит). Однако, при резком охлаждении кристаллического вещества, в породах и технических материалах могут остаться и высокотемпературные модификации.

Все вертикальные переходы идут достаточно легко и быстро, а горизонтальные – медленно, поскольку связаны с глубокой перестройкой структуры и в связи с высокой вязкостью силикатных расплавов.

В присутствии примесей (минерализаторов – оксидов щелочных и щелочноземельных металлов) горизонтальные переходы ускоряются.

Во всех представленных модификациях координационное число Si/O=4. Но существуют модификации кремнезема, например стишовит, у которого Si/O=6; плотность последнего в 2 раза больше, чем у кварца.

Структуры полиморфных модификаций различаются способом сочленения тетраэдров: в кристобалите они соединяются инверсионно, т.е. через центры инверсии; в тридимите – зеркально, т.е. по плоскостям симметрии, а в кварце – по спирали, завиваясь вокруг оси третьего порядка.

Структура b- и a- кварца.

Рисунок 12.8 – Структура полиморфной модификации кварца

Тетраэдры в кварце соединены под углом 150^о, как бы завиваясь по спирали.

Один виток спирали происходит на трех уровнях – нижнем, среднем и верхнем. Четвертый тетраэдр начинает новый виток.

В одном и том же кристалле все спирали закручиваются в одном направлении. В другом кристалле – все спирали могут закручиваться в другом направлении. Различают правый и левый b-кварц (и a- кварц).

Плотность 2,65 г/см³.

Рисунок 12.9 – Структура полиморфной модификации тридимита

Структура тридимита

Тетраэдры в тридимите соединены зеркально.

Структура тридимита состоит из бесконечного числа гексагональных двухслойных сеток.

Плотность 2,23 г/см³.

Структура кристобалита

Рисунок 12.10 – Структура полиморфной модификации кристобалита

Тетраэдры в кристобалите соединены инверсионно.

Структура кристобалита состоит из гексагональных плоских сеток. Расположенные по типу атомов углерода в алмазе, атомы кремния в кристобалите располагаются по узлам гранецентрированной ячейки и в центрах половины октаэдров. Ячейка крупная с менее плотным расположением ионов по сравнению с тридимитом, поэтому плотность составляет 2,22 г/см³.

Полиморфные превращения в системе SiO₂ связаны с изменением плотности, а значит и объема. Этот факт имеет решающее значение для производства динасовых огнеупоров.