Введение
Цельсиан – редкий полевой шпат, бариево-алюмосиликат, BaAl₂Si₂O₈. Минерал встречается в контактно-метаморфических породах с высоким содержанием бария. Его кристаллическая система – моноклинная, а внешний вид – белый, жёлтый или прозрачный. В чистом виде он прозрачен. Синтетический бариево-алюмосиликат используется как керамический материал в зубных пломбах и других областях применения. Минерал назван в честь Андерса Цельсия (1701–1744).
Состав
Цельсиан – это бариевый полевой шпат с химической формулой BaAl₂Si₂O₈. Он входит в группу полевых шпатов и принадлежит к рядам цельсиан-гиалофан и цельсиан-ортоклаз. Он имеет некоторое сходство с анортитом и существует в виде четырех различных полиморфных модификаций. Основными элементами являются кремний, алюминий, кислород и барий. К распространенным примесям в минерале относятся железо, титан, магний, калий и кальций. Цельсиан стабилен при комнатной температуре вплоть до 1590 °C (Lin and Foster, 1968). Наиболее распространенными микроэлементами являются калий и кальций; анализ приблизительного химического состава цельсиана показал следующие весовые проценты:
• SiO₂ – 35,1
• Al₂O₃ – 26,8
• BaO – 35,8
• K₂O – 2,3
Всего: 100,0 (Newham и Megaw, 1960).
• SiO2—35.1
• Al2O3 26.8
• BaO 35.8
• K2O 2.3
Total:100.0 (Newham and Megaw, 1960).
Геологическое происхождение
Цельсиан встречается ограниченно. Большинство бариевых полевых шпатов связано с эклогальными гидротермальными процессами и метаморфизмом низкой и средней степеней (Moro и Cembranos и Fernandez, 2001). Он также встречается в связи с осадочными и метаосадочными породами, месторождениями марганца, ферромарганца и барита. Цельсиан можно обнаружить в таких местах, как Уэльс, Самора (Испания), Аляска, Калифорния, Швеция и Япония, а также совместно с хендрикситом на рудниках Франклина в Нью-Джерси.
Структура
Симметрия в цельсиане несколько отличается от симметрии, обычно наблюдаемой в полевых шпатах. Он моноклинический, с объёмно-центрированной решёткой, подобной решётке анортита. Недостаточно доказательств, чтобы предположить отсутствие центра симметрии у цельсиана, поэтому его пространственная группа – I 2/c (Newnham и Megaw, 1960). Эта пространственная группа отличается от пространственных групп других представителей группы, таких как ортоклаз, альбит и объёмно-центрированный анортит – C2/m, C1̄ и I1̄. Рентгеновский анализ показывает, что значения параметров решётки для осей a, b, c и углов приблизительно равны: a = 863 пм, b = 131,0 пм, c = 1400 пм и β = 116°, θ = 90° (Gay, 1956). В элементарной ячейке содержится 8 формульных единиц, а общее положение восьмикратное, поэтому все атомы могут находиться в общих положениях (Newnham и Megaw, 1960). Эта структура очень похожа на структуру ортоклаза и сандина, но имеет два отличия: 1. Распределение Si и Al. 2. Координаты всех атомов. Распределение кремния и алюминия по тетраэдрическим позициям, в сочетании с природой атома бария, влияет на окружающий силикатный каркас (Newnham и Megaw, 1960). Связи Si-Al частично упорядочены, и в некоторых случаях алюминий замещает кремний. Упорядочение в цельсиане очень простое: каждый алюминиевый тетраэдр окружён четырьмя кремниевыми тетраэдрами и наоборот (Newnham и Megaw, 1960). Кроме того, существует другой тип трансформации, помимо замещения алюминия кремнием, при котором области, обеднённые кремнием, переходят в области, богатые кремнием, что требует одновременной замены Al и Si в других позициях. Ион бария имеет неправильную конфигурацию, близкую к конфигурации калия в полевых шпатах. Каждый ион бария имеет близко расположенный атом кислорода, и благодаря этой конфигурации он оказывает сильное влияние на углы Si-O-Si.
1. The distribution of Si and Al. 2. The coordinates of all the atoms. The distribution of silicon and aluminium along the tetrahedral sites mixed with the nature of the barium atom makes an impact on the surrounding silicate framework (Newham and Megaw, 1960). The Si Al bonds are partially ordered, and in some cases the aluminium substitute's silicon. The order in celsian is very simple, each aluminium tetrahedron is surrounded by four silicon tetrahedra, and vice versa (Newham and Megaw, 1960). Also there is another type of transformation besides aluminium silicon, where silicon poor goes into a silicon rich network that involves having to simultaneously be a replacement of Al, and Si at other sites. The barium ion has an irregular configuration close to the one in potassium in the feldspars. Each barium has an oxygen close, and thanks to this configuration it has a strong effect on the silicon oxygen silicon bond angles.
Полиморфизм
Существует четыре различных полиморфа цельсиана, два из которых – природные минералы, а два других – продукты синтеза. Первыми являются парацельсиан и цельсиан, вторыми – гексацельсиан, а еще один связан с минералом цимиритом (Lin and Foster, 1967). Порядок возрастания стабильности следующий: парацельсиан → гексацельсиан → цельсиан в температурном диапазоне от 500 °C до 1000 °C. При повышении температуры от 1600 °C до 1760 °C происходит переход от цельсиана к обратимой форме гексацельсиана. Парацельсиан менее стабилен, чем два других, а цельсиан – наиболее стабилен.
Близнецы
Фельдспаты бария встречаются в оптически однородных кристаллах, где двойникование развито слабо, за исключением крупных кристаллов. Было идентифицировано восемнадцать кристаллических форм; одиннадцать из них совпадают с известными для ортоклаза. Наблюдаемые двойники включают близнецы Манебаха по плоскости (001) и близнецы Бавено по плоскости (021). В некоторых образцах цельсиана обнаружено редкое пластинчатое двойникование (Спенсер, 1941).
Физические свойства
Цельсиан демонстрирует c(001) совершенное спайность и b(010) хорошее спайность, что отличает его от полиморфа парацельсиана, у которого [110] слабо выраженное спайность. Встречаются различные формы кристаллов, такие как адулярия, крупные, коренастые кристаллы (Spencer, 1941), а также длинные, вытянутые до игольчатых. Обычно он бесцветный и прозрачный, с перламутровым до не флуоресцирующим блеском. Плотность составляет приблизительно 3,31–3,33 г/см³. Это может быть обусловлено наличием примесей в структуре минерала. Его твердость по шкале Мооса равна 6, что связано с малой длиной связи в структуре, поскольку относительно короткие связи, как правило, более прочные.
Оптические свойства
Некоторые другие оптические свойства включают угол 2V, приблизительно равный 88°, с максимальным двойным лучепреломлением 0,014, двуосный со знаком минус (Newnham и Megaw, 1960). Он обладает умеренным рельефом.
Применение
Применение кельция в основном связано со стеклом и керамикой. Эти применения обычно достигаются путем получения чистого синтетического моноклинного кельция. Кельций обладает очень привлекательными характеристиками, такими как химическая стабильность и высокая механическая прочность, которые могут быть эффективно использованы для создания композиционных материалов с улучшенными характеристиками по сравнению с обычным стеклом (Cannillo, Carlier, Manfredini, Montorsi, and Siligardi 2006). Многие исследования показывают, что увеличение содержания фаз кельция в стеклах приводит к увеличению объема кристаллизации (Khater и Idris, 2004).