Hàm lượng hóa học của Silic dioxyt, silicat và Đá Thạch Anh

Do thuật ngữ hàm lượng silic dioxyt và hàm lượng thạch anh đã được làm sáng tỏ, ta có thể nhìn vào mối liên hệ giữa hàm lượng silic dioxyt và thành phần khoáng của một đá. Một lần nữa, ta bắt đầu với một ví dụ đơn giản.

Nếu người ta nấu chảy hỗn hợp thạch anh SiO_2­ và MgO với tỷ lệ đúng trong một ấm, ngay khi sự nấu chảy nguội đi và đông đặc lại, nó sẽ sản sinh ra một khối forsterite khoáng silicat, chứa tetrahedral SiO₄ tự do:

SiO₂ + 2 MgO → Mg₂SiO₄  (Forsterite)    [1]

Xem thêm các mẫu Thạch Anh Vụn Ngũ Sắc: 

https://kimtuthap.vn/cung-cap-da-thach-anh-vun-phong-thuy-dai-nen-nha-dung-trong-xay-dung/

Tại sao tôi lại lấy MgO mà không phải một oxyt kim loại khác?

Bởi lẽ trong thành phần tổng quan của Trái Đất, Magie là một thành phần quan trọng và trong nhiều trường hợp, nó là một chất chỉ thị của nguồn gốc một đá: forsterite là thành phần chính của olivine^[3], một khoáng tạo đá phổ biến trong lớp vỏ trên của Trái Đất. Những đá ngoải nhất định, như là peridotites và dunites, chứa hơn 90% olivine. Nếu ta nhìn vào biểu đồ tròn về hàm lượng silic dioxyt của forsterite (Fig 3.1), ta sẽ thấy nó thấp hơn (nặng 42.7% và 33.3 mol % SiO_2­) hơn là hàm lượng silic dioxyt trong granite được chỉ ra phía trên (Fig 2.1).

Tất nhiên, bạn có thể nói rằng nó thấp hơn rất nhiều , nó nằm trong công thức. Điểm thú vị ở đây đó là:

Forsterite không thể hình thành trong sự có mặt của thạch anh và Thạch anh không thể hình thành trong sự có mặt của forsterite.

Cả hai loại khoáng đều độc quyền trong một đá^[4]. Lý do cho điều này nằm ở thuộc tính quan trọng của silic dioxyt: tetrahedral SiO₄ có khuynh hướng mạnh trùng hợp. Chúng hình thành những nhóm lớn hơn bằng cách chia sẻ các nguyên tử oxy, hoặc thêm vào các phân tử axit orthosilicic, ví dụ như:

[SiO₄]^4- + H₄SiO₄ → [Si₂O₇]^6- + H₂O + 2 H⁺    [2], một nhóm gồm 2 tetrahedra

[SiO₄]^4- + 2 H₄SiO₄ → [Si₃O₉]^6- + 3 H₂O + 2 H⁺    [3], một vòng gồm 3 tetrahedra

hay dưới điều kiện kohl, với sự thêm vào silic dioxyt, ví dụ:

n [SiO₄]^4- + n SiO₂ → n [Si₂O₆]^4-    [4] một chuỗi tetrahedra

Vậy nên khi silic dioxyt phản ứng vơi oxit kim loại để hình thành silicat, nó có thể bị hợp nhất vào trong những khoáng mới như nhóm SiO₄^4- đơn lập, như trong forsterite (công thức [1]). Nhưng nó có thể cũng hình thành các chuỗi, vòng, tờ, mạng tetrahedral SiO₄. Liệu nó có thực sự hình thành các chuỗi hay các mạng, hoặc chỉ giữ nguyên các nhóm SiO₄^4- riêng lẻ phụ thuộc vào nhiều tham số, bao gồm lượng silic dioxyt có trong đá.

Ta quay trở lại ví dụ trộn lẫn oxyt magie và thạch anh trong một ấm, nhưng tại thời điểm này, ta dùng gấp hai lần lượng thạch anh trong công thức [1]:

2 SiO₂ + 2 MgO → Mg₂Si₂O₆  (Enstatite)    [5]

Ta nhận được khoáng enstatite, một thành phần trong nhóm khoáng pyroxenes hình thành đá. Lượng silic dioxyt cao hơn được trình bày trong biểu đồ tròn ở hình 3.2 (58.9 % về khối lượng và 50 % mol SiO₂. Trên thực tế, enstatire và tất cả các pyroxenes là các silicat chuỗi, đó là, tetrahedral của SiO₄ hình thành các chuỗi song song vô tận, như được gợi ý trong công thức ở trên.

Kết quả tương tự có thể đạt được bằng cách trộn lẫn forsterite với thạch anh: SiO₂ + Mg₂SiO₄  (Forsterite) → Mg₂Si₂O₆  (Enstatite)    [6]

Vậy nê, đây là lý do tại sao thạch anh và forsterite không thể hình thành cùng nhau trong một đá, chúng sẽ phản ứng để hình thành enstatite. Và dù những điều đã nói về sự phong phú của olivines trong lớp vỏ trên của Trái Đất, chúng ta có thể kết luận rằng rất có khả năng không có thạch anh trong lớp vỏ trên.

Điều gì xảy ra nếu ta thêm nhiều thạch anh hơn vào hỗn hợp? Trong hệ thống đơn gign chỉ với 4 thành phần, không có gì: không có khoáng nào ngoài enstatite sẽ hình thành, và bất cứ lượng thạch anh thêm vào nào cũng sẽ bị bỏ lại trong hỗn hợp. Do đó, ta có thể nói rằng: sự có mặt của enstatite là tương thích với sự có mặt của thạch anh trong một đá.

Nếu sự có mặt của nước và nhiều silic dioxyt hơn một chút, hỗn hợp sẽ chuyển sang một khoáng khác, anthophyllite:

 8 SiO₂ + 7 MgO + H₂O → Mg₇(Si₄O₁₁)₂(OH)₂  (Anthophyllite)    [7]

Anthophyllite là một thành phần của nhóm khoáng tạo đá của amphiboles, và như pyroxenes, chúng là các silicat chuỗi, nhưng trong khi pyroxene chứa các chuỗi đơn tetrahedral SiO_4­, amphibole chứa các chuỗi đôi và nhóm hydoxyt. Như được trình bày trong biểu đồ tròn Fig 3.3, do nước được thêm vào, dung lượng silic dioxyt của khoáng nhìn chung không tăng nhưng liên quan tới lượng MgO.

Chúng ta có thể làm như trong công thức [6] và đạt được kết quả tương tự bằng cách trộn lẫn enstatite, nước và silic dioxyt:

2 SiO₂ + 2 H₂O + 7 Mg₂Si₂O₆  (Enstatite) → 2 Mg₇(Si₄O₁₁)₂(OH)₂  (Anthophyllite)    [8]

Nếu enstatite và thạch anh xảy ra cùng nhau như các khoáng tạo đá trong một đá, nó có nghĩa là gì? Chúng có thể không hình thành cùng nhau trong sự có mặt của nước tự do, với sự thêm vào silci dioxyt sẽ phản ứng với enstatite, và người ta thay vào đó có thể tìm ra một hỗn hợp enstatite và anthophyllite. Vậy nên đây là hình ảnh lý tưởng và các khoáng có trong đá có thể thúc đẩy hay ngăn lại phản ứng này.

Vẫn có ngày càng nhiều nước và silic dioxyt hơn, và chúng ta thu được đá tan, trừ việc đá tan sẽ không đơn giản hình thành bằng cách trộn và đun nóng MgO, SiO₂ và nước, nó là một sản phẩm phức tạp được hình thành qua sự thay đổi của một số khoáng khác, vậy nên công thức [9] được lý tưởng hóa và không phản ánh được quy trình thực sự sự hình thành của đá tan.

4 SiO₂ + 3 MgO + H₂O → Mg₃(Si₂O₅)₂(OH)₂  (Talc)    [9]

Cấu trúc của đá tan rất khác so với cấu trúc của pyroxenes và amphiboles: nó là một dạng silicat mà có chuỗi tetrahedral SiO₄ được xếp trong hai dải hai hướng vô hạn và các ion sắt và hydroxyt được đặt giữa chúng. Sự khác biệt trong cấu trúc của chúng được phản ánh trong sự khác biệt về thuộc tính: trong khi forsterite, enstatite và anthophyllite  là những khoáng cứng có thể hình thành nên những tinh thể cỡ centimet, đá tan rất mềm và tại thành từ những bông nhỏ bé, do dài tetrahedral SiO₄ đơn lẻ gần như chuyển động tự do tương tác với nhau.

Tóm lại, do dải tetrahedral SiO₄ có xu hướng trùng hợp và tổ chức thành những nhóm lớn, các khoáng khác nhau có thể hình thành những oxyt và silic dioxyt kim loại tương tự nhau, phụ thuộc vào lượng silic dioxyt trong đá, và cũng phụ thuộc vào các tham số khác, như sự xuất hiện của nước.