Кремнезем
Кремнезем представлен рядом различных полиморфных модификации (табл. 1). Среди этих модификаций наиболее распространен низкотемпературный кварц, или просто кварц, — один из главных компонентов земной коры. Кристаллы кварца и большая часть окрашенных и мелкозернистых разновидностей кварца, а также опал были известны уже болee 2000 лет назад. Некоторые названия этих разновидностей кварца сохранили свое первоначальное значение до настоящего времени.
Слово «кварц», впервые появившееся в Саксонии в средние века, обозначало лишь массивную жильную разновидность кварца. Окрашенные и мелкозернистые разновидности его примерно до конца XVIII в. имели свои собственные названия. Общность этих разновидностей была установлена отчасти по морфологическим признакам (так было выявлено родство аметиста, дымчатого кварца, или мориона, и горного хрусталя), а отчасти методами качественного химического анализа и путем изучения физических свойств. До первой половины XIX в, отсутствовали должные предпосылки для систематического изучения химизма и кристаллографии минералов кремнезема. В последующие годы Берцелиус и другие исследователи в общих чертах установили химический состав кварца и химическую природу кремния, а морфологическая кристаллография и оптические свойства этого минерала стали известны из работ Геpшеля, Бийо, Вейсса, Розе-и Доклуазо.
В 1868 г. Рат описал тридимит — первую полиморфную модификацию кремнезема, установленную после кварца, а в 1884 г, этот же исследователь описал кристобалит. Оба эти минерала были вначале обнаружены в изверженных породах района Cepро-Сан-Кристобаль в Мексике. Ле Шателье в 1889 г. впервые получил высокотемпературный кварц в лабораторных условиях, а позднее этот минерал был обнаружен и в природе. Как было установлено позднее, тридимит представлен тремя самостоятельными полиморфными модификациями, имеющими сходные кристаллические структуры; высокотемпературный, среднетемпературный и низкотемпературный тридимит. В свою очередь, кристобалит имеет две полиморфные модификации: высокотемпературную и низкотемпературную. Высокотемпературная и низкотемпературная модификации тридимита обнаружены в 1884 г. Мернаном, а высокотемпературная и низкотемпературная модификации кристобллита — в 1890 г. Малляром. В начале XIX в. Феннер с исчерпывающей детальностью изучил устойчивость этих полиморфных разновидностей кремнезема и открыл среднетемпературный тридимит. Позднее были синтезированы еще три полиморфных модификации кремнезема: в 1953 г. Л. Коэсом —коэсит; в 1954 г. П.П. Китом — китит и в 1961 г. С.М. Стишовым и С. В. Поповой — стишовит. Впоследствии две из этих полиморфных разновидностей кремнезема — коэсит и стишовит — были обнаружены в природе.
Усовершенствование методов оптической микроскопии в копие XIX в. привело к определенным успехам, по в то же время и к некоторой путанице в идентификации топкозернистых и волокнистых разновидностей кремнезема. На основании оптических характеристик было выделено множество новых полиморфных модификаций кремнезема, достоверность которых впоследствии не подтвердилась. Термические методы изучения минералов, получившие развитие в то время, привели к открытию высокотемпературного кварца; эти методы имеют большое значение исследовании полиморфных модификации кремнезема и до настоящего времени. Кроме того, в конце XIX и начале XX в. проведены многочисленные, весьма точные измерения оптических констант, а также плотности и других физических свойств кварца. Эти измерения позволили обнаружить очень небольшие, но важные различия физических констант в образцах из разных районов. Значение таких вариации не сразу было понято, поскольку данные анализов были не очень точными; количественную корреляцию этих различии еще предстоит осуществить.
Рентгеновские методы исследования вещества, начавшие развиваться в первые годы XX в., позволили понять важнейшие структурные соотношения между различными полиморфными модификациями и кристаллохимию кремнезема. Рентгеноструктурный анализ стал новым действенным методом изучения минералов кремнезема. В основном по данным рентгеновских методов стало известно, что опал, ранее считавшийся аморфным веществом, представляет собой разновидность кристобалита; были выяснены также соотношения волокнистых разновидностей кремнезема с кварцем и кристобалитом. Кроме того, в результате рентгеновских и термических исследований были установлены вариации разупорядочения в наложении слоев кристаллической решетки и сверхструктур, проявляющиеся при переходе тридимита в кристобалит. Эти вариации обусловлены главным образом химическим составом определенных образцов и теми термальными воздействиями, которым они подвергались. Дальнейшее развитие более чувствительных методов химического анализа создает предпосылки для определения пределов колебаний состава кварца и других полиморфных модификаций кремнезема. Использование этих методов для исследования образцов малого размера поможет глубже понять наблюдаемые различия свойств и структурных характеристик минералов кремнезема.
