Hvað er Olivine Crystal Uppbygging?

Ólivínkristallabygging samanstendur af réttstöðuskipan þar sem einangruð sílikon-súrefnisfjöruhnetur (SiO₄) eru tengdir saman með málmkatjónum sem eru í áttundum. Hægt er að sjá þessa uppbyggingu sem sexhyrndan -pakkaðan fjölda súrefnisatóma, þar sem helmingur áttundu tómarúmanna er fyllt af magnesíum- eða járnjónum og einn-áttundi af fjórþunga tómarúminu uppteknum af sílikoni.

Ólívínhópurinn kristallast í orthorhombic kristalkerfinu undir geimhópnum Pbnm (einnig nefndur sem Pnma í öðrum stillingum). Þessi grundvallarsamhverfa skilgreinir hvernig atóm raða sér innan kristalgrindarinnar og hefur bein áhrif á eðliseiginleika steinefnisins.

Einingahólfin inniheldur fjórar formúlueiningar (Z=4) og sýnir þrjá ójafna ása sem skerast hornrétt. Fyrir forsterít (Mg₂SiO₄) eru dæmigerðar grindarfæribreytur um það bil a=4.75 Å, b=10.20 Å og c=5.98 Å. Í fayalite (Fe₂SiO₄) stækka þessar breytur örlítið í a=4.82 Å, b=10.48 Å og c=6.09 Å vegna stærri jónradíus járns samanborið við magnesíum.

Tilnefning Pbnm geimhópsins sýnir mikilvægar byggingarupplýsingar. Þessi rýmishópur inniheldur speglaplan og snúningsmiðstöð, sem skapar sérstakar samhverfutakmarkanir á atómstöðu. Þrjár kristalfræðilega aðgreindar súrefnisstöður (O1, O2, O3) eru til innan byggingarinnar, þar sem O1 og O2 liggja á spegilplanum á meðan O3 er í almennri stöðu án sérstakrar samhverfu.

Kjarninn í uppbyggingu ólífíns er einangrað SiO₄⁴⁻ tetrahedron, þar sem miðlægt kísilatóm tengist samgildum fjórum nærliggjandi súrefnisatómum. Þessar fjórþungur eru algjörlega óháðar-þeir deila ekki súrefnisatómum með nálægum fjórþungum og flokka ólívín sem nesílíkat eða réttsílíkat. Hvert Si-O tengi mælist um það bil 1,63-1,66 Å og sýnir sterkan samgildan karakter.

Fjórþjöppurnar skiptast á um stefnu, þær benda upp og niður eftir röðum samsíða kristalla c-ásnum. Þetta skiptis fyrirkomulag skapar rásir innan byggingarinnar þar sem málmkatjónir geta dvalið. Kísiljónin tekur aðeins einn kristallafræðilega aðgreindan stað sem situr á spegilplani, sem þýðir að öll kísilatóm í byggingunni eru tengd með samhverfuaðgerðum.

Málmkatjónir (venjulega Mg²⁺ eða Fe²⁺) eru í tveimur aðskildum áttundum sem merktir eru M1 og M2. M1 staðurinn situr á snúningsmiðstöð og myndar brenglaðari áttund með sex súrefnisatómum í kring. Lengd málm-súrefnistengi í M1 er á bilinu 2,07-2,13 Å fyrir magnesíum. M2 staðurinn liggur á spegilplani og myndar stærri, reglulegri áttund með MO vegalengdir sem spanna 2,04-2,21 Á.

Munurinn á M1 og M2 stöðum hefur veruleg áhrif á hvernig mismunandi katjónir dreifast sér í uppbyggingunni. Í magnesíum-járnlausnum í föstu formi, sýna Mg²⁺ og Fe²⁺ litla staðsetningarval- bæði M1 og M2 staði án mikillar sértækni. Hins vegar, í kalsíum-sem bera ólívín eins og monticellite (CaMgSiO₄), fara stærri Ca²⁺ jónir helst inn á rýmri M2 staðina á meðan Mg²⁺ er hlynnt minni M1 stöðunum.

olivine crystal structure

Önnur leið til að lýsa uppbyggingu ólívíns leggur áherslu á súrefnisgrindina. Súrefnisanjónirnar mynda um það bil sexhyrndan -pakkaðan (hcp) fylki sem er staflað meðfram -ásnum. Þessi umgjörð veitir vinnupallana sem kísil- og málmkatjónir staðsetja sig á.

Innan þessa hcp súrefnisfyrirkomulags fylla málmkatjónirnar helming af tiltækum áttundum tómum, á meðan kísilatóm taka einn -átta af fjórþunga tómarúminu. Þessi sértæka staðsetning skapar hina einkennandi ólívínstoichiometri M₂SiO4, þar sem M táknar tvígildar málmkatjónir.

Hvert súrefnisatóm tengist einni kísil- og þremur málmfrumeindum og myndar þéttan þrívíddar ramma. Súrefnisatómin eru ekki jafngild-þar aðskildar súrefnisstöðurnar (O1, O2, O3) hafa örlítið mismunandi tengingarumhverfi og fjarlægðir til aðliggjandi frumeinda. Þessi breyting á súrefnisstöðum stuðlar að heildarbyggingarflækjustiginu og hefur áhrif á eiginleika eins og varmaþenslu og þjöppunarhæfni.

Lög af brún-sem deila áttundum ná samsíða (100) planinu, þver-tengd með einangruðu SiO₄ fjórþunga. Þessi lagskiptu eiginleiki verður sérstaklega mikilvægur við beitt álag, þar sem það skapar möguleg sleðaplan sem hefur áhrif á vélræna og jarðskjálftaeiginleika ólivíns í möttli jarðar.

Kristalbygging ólivíns rúmar samfellda, fasta lausn á milli magnesíumenda-forsterítsins (Mg₂SiO₄) og járnenda-hluta fayalitsins (Fe₂SiO₄). Þessi fullkomni blandanleiki er til vegna þess að Mg²⁺ (jónradíus ~0,72 Å) og Fe²⁺ (jónradíus ~0,77 Å) eru aðeins um 7% mismunandi að stærð, sem gerir þeim kleift að skipta frjálslega út án þess að raska kristalbyggingunni verulega.

Samsetningar eru venjulega gefnar upp sem mólprósentur, eins og Fo₇₀Fa₃₀ (eða einfaldlega Fo₇₀), sem gefur til kynna 70% forsterít og 30% fayalit. Náttúruleg ólívín úr mafískum steinum eru venjulega á bilinu Fo₅₀ til Fo₉₀, en möttulólívín eru almennt magnesísk, með samsetningu í kringum Fo₈₈ til Fo₉₂.

Grindabreytur hækka næstum línulega með járninnihaldi. Þar sem Fe²⁺ kemur í stað Mg²⁺ stækkar einingarfruman vegna þess að stærri stærð járns ýtir atómum aðeins lengra í sundur. Þetta samband er svo fyrirsjáanlegt að hægt er að nota stærð einingafrumu til að ákvarða samsetningu ólívíns með hæfilegri nákvæmni.

Fyrir utan helstu Mg-Fe skiptinguna, getur ólífínbyggingin innihaldið lítið magn af öðrum katjónum. Kalsíum fer inn í bygginguna í takmörkuðu magni og kýs frekar M2 staðinn. Mangan (í tephroite, Mn₂SiO₄) getur alveg komið í stað magnesíums eða járns. Snefilmagn af nikkeli, krómi og jafnvel járnjárni (Fe³⁺) getur komið í stað áttunda staða, þó í minni hlutföllum.

Uppbygging ólivíns er aðeins stöðug við sérstakar þrýstings- og hitastig. Eftir því sem dýpt eykst innan jarðar verður ólívínfyrirkomulagið orkulega óhagstætt og breytist í þéttari fjölbreytileika með mismunandi kristalbyggingu.

Á um það bil 410 km dýpi (sem samsvarar þrýstingi um 14 GPa) fer ólífín í útverma fasaskipti yfir í vaðsleyít. Þessi umbreyting felur í sér umtalsverða endurskipulagningu þar sem súrefnisgrindurinn færist úr sexhyrndri þéttri-pökkun í átt að meira teningaskipan. Wadsleyite heldur rétthyrndu samhverfunni en tileinkar sér breytta -spínalbyggingu með sumum kísilatómum í áttundarsamhæfingu.

Dýpra í möttli jarðar, á u.þ.b. 520 km dýpi (18-20 GPa), breytist wadsleyite í ringwoodite, sem tekur upp kúbika spinelbyggingu. Í ringwoodite tekur allur kísill áttundarsvæði frekar en fjórþunga. Þessar fasaskipti valda skyndilegri þéttleikaaukningu sem jarðskjálftafræðingar greina sem ósamfellu í skjálftabylgjuhraða.

Þrýstingurinn sem þessi umskipti eiga sér stað er háð hitastigi og samsetningu. Járn-ríkt ólífín umbreytist við lægri þrýsting en magnesíum-ríkar tegundir. Við 800 gráður breytist hreint forsterít í wadsleyite við 11,8 GPa, en wadsleyite-í-ringwoodite umskipti eiga sér stað yfir 14 GPa. Járnendinn-fayalite sleppir alfarið wadsleyite uppbyggingunni og breytist beint í ahrensít (járn-berandi ringwoodite hliðstæðu) við lægri þrýsting.

olivine crystal structure

Ólívínbyggingin bregst anisotropically við beittum þrýstingi -mismunandi kristallastefnur þjappast á mismunandi hraða. M2 octahedron þjappast auðveldara saman en M1 octahedron yfir allar samsetningar frá forsterite til fayalite. Þessi mismunaþjöppun á sér stað vegna þess að M2 staðurinn hefur stærra upphafsrúmmál og meiri sveigjanleika í tengingaruppsetningu.

Einkristal röntgengeislabrotsrannsóknir allt að 8 GPa sýna að M2-O tengilengd styttist hraðar en M1-O tengi undir þrýstingi. M1 octahedron verður tiltölulega minna þjappað með auknu járninnihaldi, sem þversagnakennt veldur því að magnstuðullinn (heildarþol gegn þjöppun) eykst örlítið úr forsteríti í fayalite - upphaflega gagnsæ niðurstaða þar sem járn er þyngra en magnesíum.

Hitastig hefur mismunandi áhrif á uppbyggingu. Upphitun veldur því að einingafruman stækkar, þar sem b-ásinn sýnir mesta varmaþenslustuðulinn. Rannsóknir á háum-hita á forsteríti allt að 900 gráður sýna að M-O tengilengdirnar eykst kerfisbundið, en grunnbyggingin helst óbreytt þar til bræðsluhitastig nálgast.

SiO₄ fjórþunga reynist ótrúlega stíf samanborið við málm-súrefnis octahedra. Lengd Si-O-tengja breytast í lágmarki við annað hvort þrýsting eða hitastig vegna sterks samgilds eðlis Si-O-tengjanna. Mestur sveigjanleiki í byggingu kemur frá leiðréttingum á M-O tengilengdum og hornunum á milli margliða frekar en samþjöppun fjölhúðanna sjálfra.

Uppbyggingarramminn ólívíns nýtur mikilvægrar tæknilegrar beitingar ílitíum járnfosfat rafhlöður(LiFePO₄ eða LFP). Uppgötvað sem bakskautsefni árið 1996, litíumjárnfosfat tileinkar sér sömu grundvallargerð ólívínsbyggingar og steinefnið ólívín, þó með fosfathópum sem koma í stað einangraðra silíkatfetrahedra.

Í LiFePO₄ heldur uppbyggingin réttstöðusamhverfu (rýmishópur Pnma/Pbnm) með grindarbreytum a=6.008 Å, b=10.334 Å og c=4.693 Å. Járnfrumeindir hernema áttundarsvæði (mynda FeO₆ octahedra), en fosfóratóm sitja á fjórþættum stöðum (mynda PO₄ fjórþunga), hliðstætt því hvernig málm- og kísilatóm raðast í steinefni ólívíns.

Lykilmunurinn liggur í viðbótar litíum katjónum. Litíumjónir búa í áttundum rásum innan byggingarinnar, raðað í sikksakk mynstur. Við hleðslu og afhleðslu rafhlöðunnar er hægt að draga litíumjónir til baka úr og setja þær inn í þessar rásir án þess að hrynja grunn ólívín ramma. Járnið gengur í gegnum enduroxunarhringrás milli Fe²⁺ og Fe³⁺ til að viðhalda hleðslujafnvægi þegar litíum færist inn og út.

Þessi burðarstöðugleiki-sem er arfur frá sterkum ólívínarkitektúr-veitir LiFePO₄ rafhlöðum einstaka öryggiseiginleika og langan endingartíma. Sterku P-O samgildu tengslin í fosfatfjórþjöppunum standast súrefnislosun og koma í veg fyrir hitauppstreymishvörf sem herja á sumum öðrum litíum-jónarafhlöðum. LFP rafhlöður í atvinnuskyni geta náð yfir 3.000 hleðslu-hleðslulotum á meðan þær halda getu.

Ólívínbyggingin setur eina takmörkun: litíumjónir verða að dreifast í gegnum einvíddar rásir meðfram kristallaásunum frekar en að hreyfast óhindrað í þrívídd. Þetta takmarkar jónaleiðni og hraðagetu. Vísindamenn takast á við þetta með nanóbyggingu (minnka kornastærð til að stytta dreifingarleiðir) og kolefnishúð (bæta rafeindaleiðni). Breyttar útgáfur eins og litíum mangan járnfosfat (LMFP) viðhalda ólívínbyggingu en setja mangan í staðinn fyrir sumt járn til að auka rekstrarspennu.

Nútímaskilningur á byggingu ólívíns kemur fyrst og fremst frá röntgengeislabeygjutækni. William Lawrence Bragg og GB Brown ákváðu fyrst kristalbyggingu forsteríts árið 1926 með því að nota snemma röntgenkristöllunaraðferðir. Verk þeirra staðfestu að ólívín er samsett úr einangruðum SiO₄ tetrahedra- grunninnsýn fyrir silíkat steinefnafræði.

Einkristal röntgengeislabrot- er áfram gulls ígildi fyrir nákvæma burðarákvörðun. Lítill ólívínkristall (venjulega 0,1-0,5 mm) er festur á snúningsmæli og snúið í gegnum röntgengeisla. Dreifingarmynstrið sem myndast inniheldur þúsundir einstakra endurkasta, sem hver táknar mismunandi mengi kristallaflana. Háþróaður hugbúnaður fínpússar atómstöður, hitauppstreymi og notkun á staðnum til að passa við dreifingarstyrkinn sem sést.

Nifteindadreifing veitir viðbótarupplýsingar, sérstaklega mikilvægar til að staðsetja vetnisatóm (í vatnsfösum) og greina á milli frumefna með svipaða rafeindafjölda eins og magnesíum og ál. Nifteindatilraunir krefjast stærri kristalla og sérhæfðrar aðstöðu með nifteindagjafa, en þær bjóða upp á yfirburða nákvæmni til að ákvarða segulmagnaðir mannvirki og staðsetningar ljósþátta.

Sendingarrafeindasmásjárskoðun (TEM) skoðar uppbyggingu ólívíns á nanóskala, sýnir galla, landamæri léna og staðbundin afbrigði sem eru ósýnileg fyrir sveifluaðferðir. Há-upplausn TEM getur myndað einstaka atómsúlur, beint sjónrænt fyrirkomulag atóma. Þetta verður sérstaklega öflugt þegar rannsakað er aflöguð sýni eða fasaskipti þar sem uppbyggingin er breytileg yfir litlar vegalengdir.

Raman og innrauð litrófsspeglun rannsaka uppbyggingu ólívíns með titringshamum. SiO₄ fjórðungurinn hefur fjóra grundvallar titringshami og tíðni þeirra er háð styrk Si-O bindisins og umhverfinu í kring. Samsetning hefur áhrif á þessar titringstíðni á fyrirsjáanlegan hátt-forsterít sýnir aðra litrófstoppa en fayalit vegna þess að Fe-O tengi eru veikari en Mg-O tengi. Þessar litrófstækni virka ekki-eyðandi og geta einkennt örsmá sýni eða innfellingar.

Kristallfræðilega fyrirkomulagið stjórnar beint sjáanlegum eiginleikum ólífíns. Steinefnið virðist venjulega ólífu-grænt vegna þess að Fe²⁺ jónir í áttundarsamhæfingu gleypa ljós á tilteknum bylgjulengdum og senda grænt. Hreint forsterít er litlaus til fölgult-grænt en járn-ríkar samsetningar virðast dökkgrænar til brúnleitar-svartar.

Ólivín sýnir beinbrot frekar en klofning vegna þess að þrívíddar ramma einangraðra fjórþunga sem eru tengdar áttundum myndar jafn sterk tengsl í allar áttir. Engin veikleikaflöt eru til í uppbyggingunni sem er sambærileg við plötubyggingar í gljásteinum eða lagsílíkötum. Þegar ólívín brotnar brotnar það óreglulega þvert yfir bygginguna frekar en að klofna eftir sérstökum kristallaflötum.

Staðbundin samhverfa skapar anísótrópíska eiginleika-eðliseiginleika eru breytilegir eftir kristöllunarstefnu. Skjálftabylgjuhraði er mismunandi eftir útbreiðslustefnu miðað við kristalásana. Hraðhraðastefnan samsvarar a-ásnum, meðalhraði c-ásnum og hægur hraði b-ásnum. Þessi jarðskjálftafræðilega anisotropy í möttulólívíni hjálpar jarðeðlisfræðingum að túlka stefnu og stærð möttulstreymis.

Hörku (6,5-7 á Mohs mælikvarða) og þéttleiki (3,27-3,37 g/cm³ fyrir forsterite, 4,39 g/cm³ fyrir fayalite) tengjast bæði þéttri pakkningu uppbyggingarinnar og styrk málm-súrefnistengja. Þéttari súrefnisgrind og styttri málmsúrefnisfjarlægðir í ólífínbyggingunni skapa hart, þétt steinefni sem er ónæmt fyrir efnaveðrun við djúpar aðstæður á jörðu niðri.

olivine crystal structure

Raunverulegir ólívínkristallar innihalda ófullkomleika í byggingu sem hafa veruleg áhrif á hegðun þeirra. Punktgallar fela í sér lausar stöður (atóm sem vantar), millivef (aukaatóm sem eru kreist inn í venjulega óupptekna stöðu) og staðgöngugalla (röng frumeindir á venjulegum stöðum). Þessir gallar, þó þeir séu sjaldgæfir, stjórna dreifingarhraða og rafleiðni með því að búa til brautir fyrir hreyfingu jóna.

Skiptingar-línugallar þar sem venjulegt kristallafyrirkomulag brotnar niður-ráða yfir vélrænni eiginleika ólífíns. Tilfærsla skrið (hreyfing þessara línugalla í gegnum kristal) táknar stóran aflögunarbúnað í möttulólívíni samkvæmt jarðfræðilegum tímakvarða. Sérstök rennikerfi (kristöllunarplan og stefnur um hreyfingar tilfærslu) ákvarða hvernig ólívínkorn afmyndast og þróa æskilegar kristallófræðilegar stefnur.

Langdrægir gallar eins og kornamörk og tvíburamörk skapa viðmót þar sem kristalbyggingin breytist frá einni stefnu til annarrar. Þessi mörk hafa áhrif á vélrænan styrk og veita hraðar dreifingarleiðir fyrir efnabreytingar. Undirkornamörk-lág-hornamörk sem samanstanda af fylkingum tilfærslna-þróast í vansköpuðu ólívíni og skrá aflögunarsögu.

Á yfirborði jarðar veður ólívín hratt þrátt fyrir sterka uppbyggingu. Vatnssameindir geta komist í gegnum galla og kornamörk og brugðist við ólívín ramma. Algengasta breytingaefnið er serpentín, sem myndast þegar vatnssameindir setjast inn í bygginguna: 2Mg₂SiO₄ + 3H₂O → Mg₃Si₂O₅(OH)₄ + Mg(OH)₂. Þetta hvarf stækkar upprunalega rúmmálið um 30-40% og eyðileggur upprunalegu ólífínbygginguna og kemur í staðinn fyrir silíkatplötur.

Aðrar breytingarvörur eru meðal annars iddingsite (fín-korna blanda af járnoxíðum og leirsteinefnum) og keilugít (vatnað járn-sem inniheldur silíköt). Þessir breytingaferli ganga hraðast meðfram sprungum og kristalbrúnum þar sem vatn kemst auðveldlega að uppbyggingunni. Algjör gerviformuð skipting getur átt sér stað, þar sem breytt efni heldur ytri kristalforminu á meðan innri uppbyggingin breytist alfarið í aukasteinefni.

Hvað gerir ólífín uppbyggingu frábrugðin öðrum silíkat steinefnum?

Ólivín inniheldur einangruð SiO₄ fjórþunga sem deila ekki súrefnisatómum sín á milli og skilgreinir það sem nesílíkat. Þetta er andstætt keðjusílíkötum (eins og gjósku), laksílíkötum (eins og gljásteinum) og rammasílíkötum (eins og kvars) þar sem tetrahedra deila súrefni til að mynda útbreidda mannvirki. Einangruðu fjórþungarnir búa til þétt þrívíddarnet sem haldið er saman af málm-súrefnistengjum.

Af hverju hefur ólífín tvo mismunandi málmstað (M1 og M2)?

Orthorhombic samhverfa og sérstakt pökkunarfyrirkomulag súrefnisatóma skapar tvær kristallafræðilega aðskildar áttundarstöður með aðeins mismunandi stærðum og bjögun. M1 situr á snúningsmiðstöð og er minni og brenglaðari en M2 liggur á spegilplani og er stærri og reglulegri. Þessi aðgreining hefur áhrif á hvaða katjónir kjósa hvaða staði og stjórnar eðliseiginleikum efnisins.

Hvernig hefur samsetning áhrif á byggingu ólífínkristalla?

Þar sem járn kemur í stað magnesíums í forsterít-fayalítröðinni stækkar einingarfruman jafnt vegna þess að Fe²⁺ er stærri en Mg²⁺. Grunnbyggingarsvæðifræðin helst óbreytt-sami geimhópur, sömu atómstöður, sama samhæfingarumhverfi. Tengilengd eykst lítillega, en uppröðun atóma helst í grundvallaratriðum svipuð. Þetta gerir fullkomna trausta lausn á milli-endameðlima.

Getur ólívínbygging tekið við vatni eða öðrum rokgjörnum efnum?

Hefðbundin ólívínbygging inniheldur enga hýdroxýlhópa eða sameindavatn. Hins vegar getur snefilmagn af vetni innifalið sem punktgalla-venjulega sem OH hópar sem koma í stað súrefnisatóma eða búa á venjulega lausum stöðum. Þetta "vatns" innihald helst mjög lágt (venjulega<50 ppm by weight), but even trace hydrogen significantly affects electrical conductivity and diffusion rates. Water content increases with pressure, making transition zone olivine polymorphs potentially important water reservoirs in Earth's deep interior.

Ólívín kristalbyggingin sýnir eftirfarandi grundvallareiginleika:

Kristalkerfi: Orthorhombic með geimhópi Pbnm (eða Pnma í annarri stillingu)

Grindbreytur:

Forsterít: a ≈ 4,75 Å, b ≈ 10,20 Å, c ≈ 5,98 Å

Fayalite: a ≈ 4,82 Å, b ≈ 10,48 Å, c ≈ 6,09 Å

Byggingablokkir: Einangruð SiO₄ fjórþunga tengd í gegnum málm-súrefnis octahedra (MO₆)

Málmsíður: Tveir aðgreindir áttundir staðir (M1 og M2) með mismunandi stærðum og bjögun

Súrefnisstöður: Þrír kristallafræðilega aðgreindir súrefnisstaðir í ósamhverfu einingunni

Byggingargerð: Sexhyrnt -pakkað súrefnisflokkur með katjónum í fjór- og áttundarholum

Flokkun: Nesosilíkat (orthosilicate) vegna einangraðra tetrahedral einingar

Samhæfing: Si í 4-samhæfingu (fjötrahedral), M katjónir í 6-samhæfingu (octahedral)

Þessi burðargrind reynist ótrúlega sterk, viðheldur stöðugleika á breitt svið samsetningar í jarðfræðilegu umhverfi á sama tíma og hún leggur grunninn að háþróuðum rafhlöðuefnum í tæknilegum notkunum. Samsetning ólívínbyggingarinnar af sterkum samgildum Si-O tengjum og sveigjanlegri málm-súrefnissamhæfingu gerir hana að einni mikilvægustu og fjölhæfustu steinefnabyggingu jarðar.