Naon Struktur Kristal Olivine?

Struktur kristal olivin diwangun ku susunan ortorombik dimana silikon -oksigén tetrahedra (SiO₄) terasing disambungkeun ku kation logam anu ngeusian situs oktahedral. Struktur ieu bisa ditingali sabagé susunan atom oksigén -héksagonal deukeut, kalawan satengah rongga oktahedral dieusian ku ion magnésium atawa beusi jeung hiji-kadalapan rongga tétrahedral anu ditempatan ku silikon.

Gugus olivin ngakristal dina sistem kristal ortorombik dina grup ruang Pbnm (ogé ditunjuk salaku Pnma dina setélan alternatif). Simétri dasar ieu ngahartikeun kumaha atom ngatur diri dina kisi kristal sarta langsung mangaruhan sipat fisik mineral.

Sél unit ngandung opat unit rumus (Z=4) sareng nunjukkeun tilu sumbu anu henteu sami anu motong di sudut katuhu. Pikeun forsterite (Mg₂SiO₄), parameter kisi has kira-kira=4.75 Å, b=10.20 Å, jeung c=5.98 Å. Dina fayalit (Fe₂SiO₄), parameter ieu rada ngalegaan ka=4.82 Å, b=10.48 Å, jeung c=6.09 Å alatan radius ionik beusi nu leuwih gede dibandingkeun jeung magnesium.

The Pbnm designation group spasi nembongkeun rinci struktural penting. Grup spasi ieu ngandung planes eunteung jeung puseur inversion, nyieun konstrain simétri husus dina posisi atom. Tilu posisi oksigén kristalographically béda (O1, O2, O3) aya dina struktur, kalawan O1 jeung O2 bohong dina planes eunteung bari O3 nempatan posisi umum tanpa simétri husus.

Dina manah struktur olivin perenahna SiO₄⁴⁻ tetrahedron terasing, dimana atom silikon sentral ngabeungkeut kovalén ka opat atom oksigén sabudeureunana. Tétrahédra ieu sagemblengna mandiri-teu babagi atom oksigén jeung tetrahédra tatangga, ngagolongkeun olivin jadi nesosilikat atawa ortosilikat. Unggal beungkeut Si-O ukuranna kira-kira 1,63-1,66 Å sarta némbongkeun karakter kovalén anu kuat.

Tetrahedra silih ganti dina orientasi, nunjuk ka luhur jeung ka handap sapanjang baris sajajar jeung sumbu c{0}}kristalografi. Susunan bolak-balik ieu nyiptakeun saluran dina struktur dimana kation logam tiasa cicing. Ion silikon nempatan ngan hiji situs kristalographically béda nu diuk dina pesawat eunteung, hartina sakabéh atom silikon dina struktur nu patali jeung operasi simetri.

Kation logam (biasana Mg²⁺ atawa Fe²⁺) nempatan dua situs oktahedral béda anu dilabélan M1 jeung M2. Situs M1 linggih dina puseur inversion sarta ngabentuk octahedron leuwih menyimpang jeung genep atom oksigén sabudeureun. Logam -panjangna beungkeut oksigén dina M1 rentang ti kurang leuwih 2,07-2,13 Å pikeun magnésium. Situs M2 perenahna dina pesawat eunteung sareng nyiptakeun octahedron anu langkung ageung, langkung teratur kalayan jarak MO ngalangkungan 2.04-2.21 Å.

Bédana antara situs M1 sareng M2 gaduh implikasi anu signifikan pikeun kumaha bédana kation ngadistribusikaeun diri dina struktur. Dina séri solusi padet beusi-magnésium, Mg²⁺ sareng Fe²⁺ nunjukkeun sakedik preferensi situs-duanana ngeusian situs M1 sareng M2 tanpa selektivitas anu kuat. Tapi, dina kalsium -ngandung olivin kawas monticellite (CaMgSiO₄), ion Ca²⁺ nu leuwih gede leuwih milih asup kana situs M2 nu leuwih lega sedengkeun Mg²⁺ leuwih milih posisi M1 nu leuwih leutik.

olivine crystal structure

Cara alternatif pikeun ngajelaskeun struktur olivin nekenkeun sublattice oksigén. Anion oksigén ngabentuk kira-kira héksagonal -dipak (hcp) Array nu ditumpuk sapanjang sumbu -. Kerangka ieu nyayogikeun parancah tempat silikon sareng kation logam diposisikan sorangan.

Dina susunan oksigén hcp ieu, kation logam ngeusian satengah tina rongga octahedral nu sadia, sedengkeun atom silikon nempatan hiji-kadalapan rongga tétrahedral. Pangeusian situs selektif ieu nyiptakeun stoichiometry olivine karakteristik M₂SiO₄, dimana M ngagambarkeun kation logam divalen.

Unggal atom oksigén ngabeungkeut hiji silikon jeung tilu atom logam, nyieun kerangka tilu diménsi -padet. Atom oksigén henteu sarimbag-tilu posisi oksigén anu béda (O1, O2, O3) gaduh lingkungan beungkeutan anu rada béda sareng jarakna ka atom tatangga. Variasi dina situs oksigén ieu nyumbang kana pajeulitna struktur sakabéh sareng mangaruhan sipat sapertos ékspansi termal sareng kompresibilitas.

Lapisan tepi -octahedra babagi sajajar jeung (100) bidang, cross-dihubungkeun ku SiO₄ tetrahedra terasing. Karakteristik berlapis ieu janten penting pisan dina kaayaan stres anu diterapkeun, sabab nyiptakeun poténsi pesawat slip anu mangaruhan sipat mékanis sareng seismik olivin dina mantel Bumi.

Struktur kristal Olivine nampung solusi padet kontinyu antara tungtung magnésium -anggota forsterite (Mg₂SiO₄) jeung tungtung beusi -anggota fayalit (Fe₂SiO₄). Kasabaran lengkep ieu aya sabab Mg²⁺ (radius ionik ~0,72 Å) sareng Fe²⁺ (radius ionik ~0,77 Å) béda dina ukuranna ngan sakitar 7%, sahingga aranjeunna tiasa ngagentos sacara bébas tanpa ngarobih struktur kristal sacara signifikan.

Komposisi sacara konvensional dikedalkeun salaku persentase molar, sapertos Fo₇₀Fa₃₀ (atanapi ngan saukur Fo₇₀), nunjukkeun 70% forsterite sareng 30% fayalite. Olivin alami tina batuan mafik biasana dibasajankeun Fo₅₀ nepi ka Fo₉₀, sedengkeun olivin mantel umumna leuwih magnésian, kalayan komposisi sabudeureun Fo₈₈ nepi ka Fo₉₂.

Parameter kisi ningkat ampir linear kalawan eusi beusi. Salaku Fe²⁺ ngagantikeun Mg²⁺, sél unit ngalegaan sabab ukuran beusi nu leuwih gede ngadorong atom rada leuwih jauh. Hubungan ieu bisa diprediksi sahingga dimensi sél unit bisa dipaké pikeun nangtukeun komposisi olivin kalawan akurasi lumrah.

Salian ti substitusi Mg-Fe utama, struktur olivin bisa ngasupkeun sajumlah leutik kation séjén. Kalsium asup kana struktur dina jumlah kawates, langkung milih situs M2. Mangan (dina tephroite, Mn₂SiO₄) sagemblengna bisa ngaganti magnésium atawa beusi. Jumlah renik nikel, kromium, komo beusi ferric (Fe³⁺) bisa ngagantikeun kana situs octahedral, sanajan dina babandingan nu leuwih leutik.

Struktur olivine tetep stabil ngan dina kaayaan tekanan sareng suhu anu khusus. Nalika jerona ningkat dina Bumi, susunan olivin janten teu nguntungkeun sacara energetik sareng janten polimorf anu langkung padet kalayan struktur kristal anu béda.

Dina jerona kira-kira 410 km (saluyu jeung tekanan sabudeureun 14 GPa), olivin ngalaman transisi fase exothermic kana wadsleyite. Transformasi ieu ngalibatkeun penyusunan ulang struktur anu signifikan dimana sublattice oksigén ngageser tina bungkus tutup héksagonal-ka arah susunan anu leuwih kubik. Wadsleyite nahan simétri orthorhombic tapi ngadopsi struktur spinel -dimodifikasi jeung sababaraha atom silikon dina koordinasi octahedral.

Leuwih jero dina mantel Bumi, dina kasarna 520 km jero (18-20 GPa), wadsleyite robah jadi ringwoodite, nu adopts struktur spinel kubik. Dina ringwoodite, sadaya silikon nempatan situs octahedral tinimbang posisi tétrahedral. Transisi fase ieu nyababkeun kanaékan dénsitas ngadadak anu dideteksi ku seismologists salaku diskontinuitas dina laju gelombang seismik.

Tekanan di mana transisi ieu lumangsung gumantung kana suhu jeung komposisi. Besi-olivin anu beunghar robah dina tekenan anu langkung handap tibatan variétas anu beunghar magnesium-. Dina 800 derajat, forsterite murni ngarobah kana wadsleyite dina 11,8 GPa, sedengkeun transisi wadsleyite -ka-ringwoodite lumangsung di luhur 14 GPa. Anggota fayalite -tungtung beusi ngalewatan struktur wadsleyite sagemblengna tur robah langsung jadi ahrensite (beusi-analog ringwoodite) dina tekenan nu leuwih handap.

olivine crystal structure

Struktur olivin ngaréspon sacara anisotropik kana tekanan anu diterapkeun-arah kristalografi béda dikomprés dina laju anu béda. M2 octahedron compresses leuwih gampang ti M1 octahedron sakuliah sakabéh komposisi ti forsterite mun fayalite. Komprési diferensial ieu lumangsung alatan situs M2 ngabogaan volume awal nu leuwih gede jeung leuwih kalenturan dina konfigurasi beungkeutan na.

Studi difraksi sinar -kristal X-tunggal nepi ka 8 GPa nembongkeun yen panjang beungkeut M2-O leuwih pondok leuwih gancang batan beungkeut M1-O dina tekenan. The M1 octahedron janten rélatif kirang compressible kalawan ngaronjatna eusi beusi, nu paradoxically ngabalukarkeun modulus bulk (sakabéh résistansi kana komprési) rada ningkat tina forsterite mun fayalite-hiji hasil mimitina counterintuitive saprak beusi leuwih beurat ti magnésium.

Suhu mangaruhan struktur béda. Pemanasan nyababkeun sél unit ngalegaan, kalayan sumbu -na nunjukkeun koefisien ékspansi termal pangageungna. Ulikan suhu -luhur dina forsterite nepi ka 900 derajat nunjukkeun yén panjang beungkeut M-O ningkat sacara sistematis, tapi topologi struktural dasarna tetep teu robah nepi ka suhu lebur ngadeukeutan.

SiO₄ tetrahedra kabuktian kaku pisan dibandingkeun jeung logam -oksigén oktahédra. Panjang beungkeut Si-O robah minimal ku tekanan atawa suhu kusabab karakter kovalén kuat beungkeut Si-O. Paling kalenturan struktur asalna tina pangaluyuan dina M-O panjang beungkeut jeung sudut antara polyhedra tinimbang komprési polyhedra sorangan.

Kerangka struktural olivine mendakan aplikasi téknologi penting dinabatré litium beusi fosfat(LiFePO₄ atanapi LFP). Kapanggih salaku bahan katoda dina taun 1996, litium beusi fosfat ngadopsi tipe struktur olivin dasar anu sami sareng mineral olivin, sanaos sareng gugus fosfat ngagentos tetrahedra silikat anu terasing.

Dina LiFePO₄, strukturna ngajaga simétri ortorombik (kelompok spasi Pnma/Pbnm) kalayan parameter kisi a=6.008 Å, b=10.334 Å, jeung c=4.693 Å. Atom beusi nempatan situs octahedral (ngabentuk FeO₆ octahedra), sedengkeun atom fosfor diuk dina situs tétrahedral (ngabentuk PO₄ tetrahedral), analog jeung kumaha atom logam jeung silikon disusun dina mineral olivin.

Beda konci aya dina kation litium tambahan. Ion litium cicing dina saluran oktahedral dina struktur, disusun dina pola zigzag. Salila ngecas batré jeung discharging, ion litium bisa malik sasari tina jeung diselapkeun kana saluran ieu tanpa ambruk kerangka dasar olivine. Beusi ngalaman siklus rédoks antara Fe²⁺ jeung Fe³⁺ pikeun ngajaga kasaimbangan muatan nalika litium asup jeung kaluar.

Stabilitas struktural ieu-diwariskeun tina arsitektur olivine anu kuat-masihan batré LiFePO₄ ciri kaamanan anu luar biasa sareng umur siklus anu panjang. Beungkeut kovalén P-O kuat dina tetrahédra fosfat nolak sékrési oksigén, nyegah réaksi runaway termal nu ngaganggu sababaraha kimia batré litium-lian. Batré LFP komérsial bisa ngahontal leuwih 3.000-siklus muatan bari ngajaga kapasitas.

Struktur olivin maksakeun hiji watesan: ion litium kudu diffuse ngaliwatan hiji-saluran diménsi sapanjang sumbu kristalografi tinimbang gerak bébas dina tilu diménsi. Ieu ngabatesan konduktivitas ionik sareng kamampuan laju. Panalungtik alamat ieu ngaliwatan nanostructuring (ngurangan ukuran partikel pikeun shorten jalur difusi) jeung palapis karbon (ningkatkeun konduktivitas éléktronik). Versi anu dirobih sapertos litium mangan fosfat beusi (LMFP) ngajaga struktur olivin bari ngagentos mangan pikeun sababaraha beusi pikeun ningkatkeun tegangan operasi.

Pamahaman modern ngeunaan struktur olivin utamana asalna tina téhnik difraksi sinar X-. William Lawrence Bragg jeung GB Brown mimiti nangtukeun struktur kristal forsterite taun 1926 ngagunakeun métode kristalografi sinar X-awal. Karyana ngadegkeun olivin nu diwangun ku SiO₄ tetrahedra -teras dasar pikeun mineralogi silikat.

Difraksi sinar -kristal X-tunggal tetep jadi standar emas pikeun determinasi struktur anu tepat. Kristal olivin leutik (biasana 0,1-0,5 mm) dipasang dina goniometer sarta diputer ngaliwatan sinar-X. Pola difraksi anu dihasilkeun ngandung rébuan pantulan individu, masing-masing ngawakilan sakumpulan pesawat kristalografi anu béda. Parangkat lunak canggih nyaring posisi atom, parameter termal, sareng pangeusi situs pikeun cocog sareng inténsitas difraksi anu dititénan.

Difraksi neutron nyadiakeun émbaran pelengkap, utamana berharga pikeun lokasi atom hidrogén (dina fase hydrous) jeung ngabedakeun antara elemen kalawan jumlah éléktron sarupa kawas magnésium jeung aluminium. Percobaan neutron merlukeun kristal badag sarta fasilitas husus kalawan sumber neutron, tapi aranjeunna nawiskeun precision unggulan pikeun nangtukeun struktur magnét sarta sababaraha posisi unsur lampu.

Transmission electron microscopy (TEM) nalungtik struktur olivine dina skala nano, ngungkabkeun cacad, wates domain, sareng variasi lokal anu teu katingali ku metode difraksi. Résolusi luhur-TEM tiasa ngagambar kolom atom individu, langsung ngagambarkeun susunan atom. Ieu janten utamana kuat nalika diajar sampel cacad atawa transisi fase dimana strukturna beda-beda dina jarak leutik.

Raman jeung spéktroskopi infra red usik struktur olivine ngaliwatan mode vibrational. Tetrahedron SiO₄ boga opat modeu geter dasar, sarta frékuénsina gumantung kana kakuatan beungkeut Si-O jeung lingkungan struktur sabudeureunana. Komposisi mangaruhan frékuénsi geter ieu ku cara anu bisa diprediksi-forsterite nembongkeun puncak spéktral anu béda ti fayalite sabab beungkeut Fe-O leuwih lemah batan beungkeut Mg-O. Téhnik spéktroskopi ieu henteu jalanna -ngancurkeun sarta bisa ngacirian sampel leutik atawa inklusi.

Susunan crystallographic langsung ngadalikeun sipat observasi olivine urang. Mineral ieu biasana katingalina héjo zaitun-kumargi ion Fe²⁺ dina koordinasi oktahédral nyerep cahaya dina panjang gelombang anu spesifik, anu ngirimkeun warna héjo. Forsterite murni teu warnaan nepi ka konéng bulak-héjo, sedengkeun zat beusi-komposisi kaciri héjo poék nepi ka coklat-hideung.

Olivine némbongkeun narekahan conchoidal tinimbang beulahan sabab kerangka tilu diménsi tetrahedra terasing kabeungkeut octahedra nyieun beungkeut sarua kuat dina sagala arah. Taya planes of kalemahan aya dina struktur comparable kana struktur lambar dina mika atawa silikat lapisan. Nalika olivine ngarecah, éta fractures irregularly sakuliah struktur tinimbang bengkahna sapanjang planes crystallographic husus.

Simétri ortorombik nyiptakeun sipat anisotropik-ciri fisik béda-béda jeung arah kristalografi. Laju gelombang seismik béda-béda gumantung kana arah rambatan relatif ka sumbu kristal. Arah laju gancang pakait jeung sumbu a-, laju sedeng jeung sumbu c-, jeung laju lalaunan jeung sumbu b-. Anisotropi seismik dina mantel olivine mantuan geophysicists napsirkeun arah jeung gedena aliran mantel.

Teu karasa (6,5{3}}7 dina skala Mohs) jeung dénsitas (3,27-3,37 g/cm³ pikeun forsterite, 4,39 g/cm³ pikeun fayalite) duanana patali jeung packing ketat struktur jeung kakuatan beungkeut logam-oksigén. Kerangka oksigén anu langkung padet sareng jarak logam-oksigén anu langkung pondok dina struktur olivin nyiptakeun mineral anu keras sareng padet tahan kana pelapukan kimia dina kaayaan Bumi jero.

olivine crystal structure

kristal olivine nyata ngandung imperfections struktural nu nyata dampak kabiasaan maranéhanana. Cacat titik ngawengku lowongan (atom leungit), interstitials (atom tambahan squeezed kana posisi normal unoccupied), sarta defects substitutional (atom salah dina situs normal). Cacat ieu, sanajan jarang, ngadalikeun laju difusi jeung konduktivitas listrik ku cara nyieun jalur pikeun gerakan ionik.

Dislokasi-cacat garis dimana susunan kristalografi biasa ngarecah-ngadominasi sipat mékanis olivine. Ngarayap dislokasi (gerakan cacad garis ieu ngaliwatan kristal) ngagambarkeun mékanisme deformasi utama dina mantel olivine dina skala waktu géologis. Sistem slip husus (pesawat kristalografi jeung arah gerak dislokasi) nangtukeun kumaha séréal olivin deform sarta ngamekarkeun orientasi kristalografi pikaresep.

Cacad ngalegaan sapertos wates sisikian sareng wates kembar nyiptakeun antarmuka dimana struktur kristal transisi tina hiji orientasi ka anu sanés. Wates ieu mangaruhan kakuatan mékanis sareng nyayogikeun jalur difusi gancang pikeun parobahan kimiawi. Wates-wates subgrain-rendah-wates sudut diwangun ku susunan dislokasi-ngembang dina olivin cacad sarta ngarékam sajarah deformasi.

Di permukaan bumi, olivin cuaca gancang sanajan strukturna kuat. Molekul cai bisa nembus sapanjang defects jeung wates sisikian, ngaréaksikeun jeung kerangka olivine. Produk alterasi anu paling umum nyaéta serpentine, kabentuk nalika molekul cai asup kana struktur: 2Mg₂SiO₄ + 3H₂O → Mg₃Si₂O₅(OH)₄ + Mg(OH)₂. Réaksi ieu ngalegaan volume aslina ku 30-40% sareng ngancurkeun struktur olivin asli, ngagentos ku lapisan silikat lambar.

Produk alterasi séjén kaasup iddingsite (campuran -butiran halus tina oksida beusi jeung mineral liat) jeung bowlingite (beusi terhidrasi -silikat anu ngandung silikat). Prosés alterasi ieu lumangsung panggancangna sapanjang retakan sarta tepi kristal dimana cai bisa ngakses struktur paling gampang. Ngagantian pseudomorphic lengkep bisa lumangsung, dimana bahan dirobah nahan bentuk kristal éksternal bari struktur internal ngarobah sagemblengna kana mineral sekundér.

Naon ngajadikeun struktur olivin béda ti mineral silikat séjén?

Olivine ngandung SiO₄ tetrahedra terasing nu teu babagi atom oksigén saling, nangtukeun eta salaku nesosilicate a. Ieu kontras jeung silikat ranté (kawas piroksin), silikat lambar (kawas mika), jeung silikat kerangka (kawas kuarsa) dimana tetrahedra babagi oksigén pikeun ngabentuk struktur nambahan. Tetrahedra anu terisolasi nyiptakeun jaringan tilu diménsi -padet anu dihijikeun ku logam-beungkeut oksigén.

Naha olivine gaduh dua situs logam anu béda (M1 sareng M2)?

Simétri ortorombik jeung susunan packing husus atom oksigén nyieun dua posisi octahedral kristalografi béda jeung ukuran jeung distorsi rada béda. M1 linggih dina puseur inversion sarta leuwih leutik sarta leuwih menyimpang, bari M2 perenahna dina pesawat eunteung sarta leuwih badag sarta leuwih biasa. Bédana ieu mangaruhan kation mana anu langkung milih situs mana sareng ngadalikeun sipat fisik bahan.

Kumaha komposisi mangaruhan struktur kristal olivine?

Salaku substitusi beusi pikeun magnésium dina séri forsterite -fayalite, sél unit ngalegaan saragam sabab Fe²⁺ leuwih badag batan Mg²⁺. Topologi struktural dasar tetep teu robih-kelompok rohangan anu sami, posisi atom anu sami, lingkungan koordinasi anu sami. Panjang beungkeut nambahan rada, tapi susunan atom tetep dasarna sarupa. Hal ieu ngamungkinkeun solusi padet lengkep antara anggota ahir-.

Tiasa olivine struktur nampung cai atawa volatiles séjén?

Struktur olivin standar henteu ngandung gugus hidroksil atanapi cai molekular. Tapi, sajumlah renik hidrogén bisa diasupkeun salaku cacad titik-biasana salaku gugus OH ngagantikeun atom oksigén atawa cicing di tempat nu biasana kosong. Ieu eusi "cai" tetep handap pisan (biasana<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.

Struktur kristal olivine nunjukkeun ciri dasar ieu:

Sistim Kristal: Orthorhombic kalawan grup spasi Pbnm (atawa Pnma dina setting alternatif)

Parameter kisi:

Forsterite: 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

Blok wangunan: Isolated SiO₄ tetrahedra disambungkeun ngaliwatan logam -oksigén octahédra (MO₆)

Loka logam: Dua situs octahedral béda (M1 jeung M2) kalawan ukuran béda jeung distorsi

Posisi Oksigén: Tilu situs oksigén kristalografi béda dina unit asimétri

Tipe Struktural: Heksagonal nutup-asép Sunandar Sunarya oksigén nu dipak kalawan kation dina rongga tetrahedral jeung octahedral

Klasifikasi: Nesosilikat (orthosilicate) alatan hijian tetrahedral terasing

Koordinasi: Si dina 4-koordinasi (tetrahedral), M kation dina 6-koordinasi (octahedral)

Kerangka struktural ieu ngabuktikeun kuat pisan, ngajaga stabilitas dina rentang komposisi anu lega dina lingkungan géologis bari ogé nyayogikeun pondasi pikeun bahan batré canggih dina aplikasi téknologi. Kombinasi struktur olivin tina beungkeut Si{1}}O kovalén kuat sareng koordinasi oksigén logam -fleksibel ngajadikeun eta salah sahiji struktur mineral anu paling penting sareng serbaguna di Bumi.