וולאסטוניט

ווֹלַסְטוֹנִיט – מינרל שהוא מלח סידני של חומצה צורנית ונוסחתו הכימית CaSiO3, או ליתר דיוק [Ca3[Si3O9, ולכן שייך לקבוצת המינרלים סיליקטיים. הגביש שלו בנוי משרשרות של SiO3)-2) המקושרים אל קטיוני הסידן וביניהם. על אף שייכותו של הוולאסטוניט לקבוצת המשנה של המינרלים האינוסיליקטיים (סיליקטים במבנה בצורת שרשרות) בעלי שרשרת בודדת, הוא אינו שייך לקבוצת הפירוקסן שלעיתים קרובות משמשת בטעות כשם נרדף לכל המינרלים הסיליקטיים בעלי שרשרת בודדת. הוולאסטוניט שייך לקבוצת הפירוקסנואידים שבה שרשרות ה-SiO3)-2) יוצרות קשר נוסף. הוולאסטוניט הוא בדרך כלל לבן או חסר צבע, והוא נוצר בהתמרה של מגע של אבן גיר או דולומיט שאינם טהורים שתוצאתה היא למשל סלע הסקארן. השם וולאסטוניט מופיע לראשונה ב-1818 בספרו של ז'. לימן (J. Léman‏) " Nouveau dictionnaire d’histoire naturelle appliquée aux arts à l’agriculture " בחלק המתאר סלעים, ליתר דיוק בתיאור סלעי סקרן מאזור דוגניצה (Dognecea) שבחבל באנאט שברומניה. אבל לא היה זה הזיהוי הראשון של המינרל. התיאור הראשון של המינרל מופיע בספרו של המינרלוג האוסטרי א. שטוּץ (A. Stütz) בספרו "Neue Einrichtung der k.-k. Naturalien-Sammlung zu Wien" ובו מכונה המינרל בשם טפלשפאט (Tafelspath). דגימות של מינרל זה מחבל באנאט (אם כי לא מדוגניצה) שרדו עד היום. עם זאת נחשבת דוגניצה כיום כמקום הראשון בו אותר הטפלשפאט/וולאסטוניט. שינוי שם המינרל מטפלשפאט לוולאסטוניט נעשה על ידי לימן כהוקרה לתגליות המדעיות של הכימאי והמינרלוג האנגלי ויליאם הייד וולאסטון (1828-1766). ב-1958 הוקמה האגודה הבינלאומית למינרלוגיה (או בראשי תיבות שמה באנגלית ה-IMA) שעיקר פעילותה הוא בתיאום הקצאת השמות למינרלים חדשים, בבחינה מחדש של שמות קיימים ובביטול שמות שגויים. האגודה קבעה כי השם וולאסטוניט הוא השם הרשמי היחיד למינרל CaSiO3 הנוצר באופן טבעי. וולאסטוניט קיים בכמה צורות שלכולן אותה נוסחה כימית, אבל מבנה גבישי שונה, תופעה המכונה פולימורפיזם. כל אחת מהצורות מכונה פולימורף. בטבע קיימים שני פולימורפים של וולאסטוניט, אבל במעבדה הצליחו ליצור פולימורפים נוספים. השם וולאסטוניט ללא ציון הסוג מתאר את הסוג הנפוץ ביותר, הוולאסטוניט המתגבש במערכת הטריקלינית, "וולאסטוניט-T1‏" (1 מציין את מספרו הסידורי של הפולימורף ו-T מציין כי הוא מתגבש במערכת הטריקלינית), הקרוי לעיתים "וולאסטוניט-1A‏" או α-CaSiO3. בספרות באנגלית נהוג לכנותו גם "וולאסטוניט-Tc" (הסימון Tc לציון היותו טריקליני). הפולימורף השני הקיים באופן טבעי הוא ה"וולאסטוניט-M2‏" (2 מציין את מספרו הסידורי של הפולימורף ו-M מציין כי הוא מתגבש במערכת המונוקלינית) והוא נדיר הרבה יותר מ"וולאסטוניט-T1‏". "פאראוולאסטוניט" הוא כינוי מקובל נוסף ל"וולאסטוניט-M2‏". גם פולימורף זה מכונה α-CaSiO3. הכינוי α-CaSiO3 משמש הן "וולאסטוניט-T1‏ " והן "וולאסטוניט-M2‏" מכיוון ששניהם הם פולימורפים בטמפרטורות נמוכות. "וולאסטוניט-M2‏" אינו מתגבש יחד עם "וולאסטוניט-T1‏" אלא כלול בסלעים מותמרים שהתפתחו כתוצאה מלחץ חלש יחסית במהלך ההתמרה. הפולימורף שנוצר בטמפרטורות גבוהות הוא "פסאודו־וולאסטוניט" (המכונה גם "וולאסטוניט-A4‏") או β-CaSiO3 והוא יציב רק בטמפרטורות שמעל ל-1120°C. גם "פסאודו־וולאסטוניט" מתגבש במערכת המונוקלינית אבל משום שזווית β של תא היחידה שלו קרובה מאוד ל-90° המבנה שלו הוא פסאודו-אורותורומבי. בעוד ש"וולאסטוניט-T1‏" ו"וולאסטוניט-M2‏" יוצרים מבנה של שרשרת בודדה (אינוסיליקטים) הסיליקטים ב"פסאודו־וולאסטוניט" יוצרים מבנה של טבעת ולכן שייכים לקבוצת המשנה של המינרלים הציקלוסיליקטיים, סידור הטטרהדרונים של ה-SiO4 דומה למדי לסידורם במינרל בניטואיט ([BaTi[Si3O9). פולימורפים נוספים של וולאסטוניט נוצרו מ"וולאסטוניט-T1‏" במעבדה תוך שימוש בלחץ גבוה והם מתגבשים במערכת הטריקלינית, אך קיימים הבדלים במבנה הגביש ביניהם. בין הפולימורפים של לחץ גבוה קיימים "וולאסטוניט-T3‏", "וולאסטוניט-T4‏", "וולאסטוניט-T5‏" ו"וולאסטוניט-T7‏". וולאסטוניט מופיע לעיתים קרובות בסלעים מותמרים שנוצרו מסלעי משקע פחמתיים והוא מינרל בונה סלעים בסלעי הסקרן. הוא נוצר כשעל אבן גיר או דולומיט שאינם טהורים מופעלים לחץ וטמפרטורה גבוהים על ידי מגמה המכילה חומצה צורנית. בטמפרטורות גבוהות מ-600°C מתחוללת התגובה הכימית המכונה "ריאקצית וולאסטוניט" הבאה: C a C O 3 + S i O 2 ⟵ → C a S i O 3 + C O 2 ↑ {\displaystyle \mathrm {CaCO_{3}+SiO_{2}\;{\overrightarrow {\longleftarrow }}\;CaSiO_{3}+CO_{2}\uparrow } } פחמן דו-חמצני + וולאסטוניט ⟵ → {\displaystyle {\overrightarrow {\longleftarrow }}} קוורץ + קלציט מכיוון שאחד התוצרים בתגובה הכימית, הגז פחמן דו-חמצני, מתנדף, שיווי המשקל הכימי על פי עקרון לה שטליה נוטה לכיוון התוצרים של התגובה, כלומר התגובה נמשכת עד סיומה ואינה הפיכה מטבעה. "ריאקצית וולאסטוניט" היא לכן דוגמה קלאסית של מטאסומטיזם. למינרלים הנוצרים בהתמרה רגילה יש בדרך כלל אותו הרכב כימי כשל המינרלים בסלע המקורי ורק המבנה הפנימי משתנה. במטאסומטיזם, כמו במקרה של "ריאקצית וולאסטוניט", גם הכימיה של הסלע משתנה. וולאסטוניט יכול להכיל כמויות קטנות של קטיונים דו־ערכיים של ברזל או מנגן במקום קטיוני ה-Ca+2 בסריג הגביש. כשצופים בדגימות של פרוסות דקות של המינרל (בעובי של כ־0.03 מ"מ) הנבדקות תחת מיקרוסקופ פטרוגרפי שבו האור מקוטב ניכרת תכולת מנגן או ברזל גבוהה יחסית בשל מקדם השבירה הגבוה יותר מהמקובל למינרל. קטיונים נוספים המופיעים לעיתים נדירות בוולאסטוניט במקום קטיוני הסידן כוללים מגנזיום (Mg+2), אלומיניום (Al+3), או נתרן (+Na) ואשלגן (+K). כשתכולת הברזל גבוהה מ-10% (Ca0,9Fe0,1SiO3) ו/או כשתכולת המנגן גדולה מ-25% (Ca0,75Mn0,25SiO3) מתגבש הוולאסטוניט במבנה של המינרל בוסטמיט ([(Mn,Ca,Fe)[SiO3). מינרלים נוספים במבנה הוולאסטוניט מלבד הבוסטמיט כוללים את הפקולית ([NaCa2[Si3O8(OH)) והסרנדיט ([(Mg,Ca)2[Si3O8(OH)). מינרלים נלווים נפוצים לוולאסטוניט כוללים את הדיופסיד, סוגים שונים של גארנט (גרוסולאר ואנדראיט), טרמוליט, וזוביאניט, מיקרוקלין וקלציט. בטבע מופיע הוולאסטוניט בדרך כלל כ"וולאסטוניט-T1". "וולאסטוניט-T1" מתגבש במערכת הגבישית הטריקלינית בחבורה הנקודתית 1 ¯ {\displaystyle {\bar {1}}} ו/או בחבורה המרחבית P 1 ¯ {\displaystyle P{\bar {1}}} יחד עם שש יחידות נוסחה בתא היחידה. אלמנט הסימטריה היחיד במבנה הגבישי הוא מרכז ההיפוך, המאפשרת העתקה של האטומים על ידי שיקוף. מרכזי ההיפוך הם בקודקודים, במרכז הפאות כמו גם במרכז תא היחידה. המבנה הגבישי מכיל שלושה אטומים של סידן ושלושה אטומי צורן שניתן באופן קריסטלוגרפי להבדיל ביניהם, כמו גם תשעה אטומי חמצן שונים מבחינה קריסטלוגרפית. המונח שונים מבחינה קריסטלוגרפית פירושו שלא ניתן להעתיק אטומים באמצעות אלמנטי הסימטריה הקיימים (במקרה זה מרכז ההיפוך). שלושת אטומי הסידן והצורן כמו גם תשעת אטומי החמצן מוכפלים על ידי מרכז ההיפוך, כך שיחד שש יחידות הנוסחה שהוזכרו לעיל (6 x CaSiO3 = „Ca6Si6O18“) הם בתא היחידה. הטבלה הבאה מתארת את התכונות הקריסטלוגרפיות של "וולאסטוניט-T1" בהשוואה לשני הפולימורפים האחרים כמו בכל הסיליקטים מוקף אטום הצורן בארבעה אטומי חמצן בצורת טטרהדרון. אבל במבנה הגבישי של הוולאסטוניט טטרהדרון ה-SiO4 אינו מבודד אלא מחובר בשרשרות (ראו הפסקה הבאה). המרחקים בין אטומי החמצן ואטום הסיליקון נעים בין 157 ל-166 פיקומטר (pm) שהוא המרחק הרגיל בסיליקטים. אטומי הסידן מוקפים על ידי שישה אטומי חמצן בצורה של אוקטהדרון מעוות. המרחקים בין אטומי הסידן לאטומי החמצן נעים בין 227 ל-255 פיקומטר. על אף שייכותו של הוולאסטוניט לקבוצת המשנה של המינרלים האינוסיליקטיים בעלי שרשרת בודדת הקשר בין הטטרהדרונים של ה-SiO4 בשרשרת הסיליקטים שונה מצורת הקישור של קבוצת המינרלים הנפוצה יותר, הפירוקסן. ניתן להבחין בהבדל אם משווים את הוולאסטוניט עם האנסטטיט (MgSiO3). הקשר בין הטטרהדרונים של ה-SiO4 נעשה בכל שרשרות הסיליקטים בעזרת קודקודי טטרהדרון משותפים, כלומר על ידי אטומי חמצן משותפים. כך שכשהשרשרת מתפתחת, כל אטום צורן משתף שניים מתוך אטומי החמצן בטטרהדרון עם אטומי צורן שבטטרהדרונים הסמוכים, ולכן בעצם לכל אטום צורן "שייכים" רק שני חצאי אטומי חמצן ומכאן נובע היחס של 1:3 בין אטומי החמצן והצורן בשרשרת. דבר זה בא לידי ביטוי בנוסחה הכימית של האינוסיליקטים (וולאסטוניט: CaSiO3, אנסטטיט: MgSiO3). מכיוון ששרשרות אלו הן למעשה אינסופיות הן מוגבלות רק בגודל הגביש ומתוארות על ידי הנוסחה: ( S i O 3 2 − ) ∞ {\displaystyle \mathrm {(SiO_{3}^{2-})_{\infty }} } ניתן להבחין בין השרשרות על יד כיוון הטטרהדרון של ה-SiO4. בעוד שבאנסטטיט ובמינרלים אחרים מקבוצת הפירוקסן אותו מוטיב מבני בשרשרת חוזר אחרי כל זוג טטרהדרונים, בוולאסטוניט כל מוטיב מבני הוא בן שלושה טטרהדרונים. בפשטות ניתן לתאר את כיוון הטטרהדרונים באנסטיט משמאל לימין כ"למעלה" ו"למטה" בעוד שבוולאסטוניט כיוון הטטרהדרונים משמאל לימין הוא "למטה" ואז פעמיים "למעלה". משום כך נוהגים לתאר את הפירוקסן כשרשרת בת שתי יחידות בעוד שהוולאסטוניט בנוי משרשרת של שלוש יחידות. מכיוון שהוולאסטוניט בנוי שרשרות של שלושה טטרהדרונים נוהגים לעיתים קרובות גם לשלש את הנוסחה הכימית שלו בצורה [Ca3[Si3O9. השרשרת האינסופית של SiO3)-2) משתרעת בוולאסטוניט בכיוון [010], כלומר כלפי ציר הקריסטלוגרפיה b. אורך שלושת הטטרהדרונים הוא 732 פיקומטר, המקביל במדויק לפאת תא היחידה בכיוון ציר b. הסידור המסובך יותר של הטטרהדרונים בוולאסטוניט מתרחש משום שנפח קטיון הסידן (Ca+2) גדול יותר מנפח קטיון המגנזיום (Mg+2) או הברזל (Fe+2) הנפוצים בפירוקסן. גם האוקטהדרונים של ה-[CaO6] יוצרים שרשרות כלפי ציר ה-b. שרשרות האוקטהדרונים מקושרים דרך אטומי חמצן משותפים עם שרשרות הסיליקטים שתוארו לעיל כלפי צירי ה-a וה-c וכך נוצרת הצורה התלת־ממדית. על בסיס מבנה הגביש ניתן להסביר כמה מהמאפיינים המקרוסקופיים של הוולאסטוניט. לגבישים בודדים של וולאסטוניט יש צורה מחטית עד סיבית מכיוון שהגבישים גדלים כלפי ציר הקריסטלוגרפיה b, המקביל לכיוון של שרשרות הסיליקטים במבנה הגביש. אם שוברים מחט של וולאסטוניט במרכזה נוצרים משטחי שבירה בלתי אחידים כיוון שמשמעות הפעולה היא שבירת שרשרות הסיליקטים. לעומת זאת יש פצילות מצוינת בכיוון {100} וטובה בכיוון {001} ובכיוון {102} שאותם ניתן להסביר שבניגוד לקשרים הקוולנטיים שבין הצורן לחמצן, הקשרים היוניים שבין הסידן לחמצן מבוססים על מטענים חשמליים מנוגדים והם לכן חלשים יותר. קיימים מספר שימושים בוולאסטוניט בשל צורת הגבישים המחטית/סיבית ונקודת ההתכה הגבוהה שלו. הוולאסטוניט מיוצר גם בצורה מלאכותית בתגובה בין תחמוצת סידן (CaO, סיד חי) וצורן דו-חמצני (סיליקה). C a O + S i O 2 ⟶ C a S i O 3 {\displaystyle \mathrm {CaO+SiO_{2}\longrightarrow CaSiO_{3}} } חלק מתכונות הוולאסטוניט – הלובן הזוהר, אחוז הלחות הנמוך ויכולת ספיגת שמן הופכים אותו למינרל שימושי אם כי השימוש בו נמצא במגמת ירידה. השימוש העיקרי בוולאסטוניט הוא בתעשיית הקרמיקה כשהוא משפר את העמידות המכנית של מוצרי הקרמיקה הלבנים. בשל נקודת ההתכה הגבוהה שלו משתמשים בו כתחליף לסיבי אזבסט. באלקטרודות לריתוך, בחומרי בידוד, בבגדים חסיני אש, בבלמים ובמצמדים. בניגוד לאזבסט שהוא חומר מסרטן אין סיכונים בריאותיים בשימוש בוולאסטוניט, כיוון שסיביו מתמוסס בתקופה שנעה בין ימים לשבועות אם הוא נבלע באורגניזם. כמו כן משתמשים בוולאסטוניט בעיבוד מתכות, בצבעים ובפלסטיקה. הוולאסטוניט משפר את הקשיחות ואת ההתנגדות לכיפוף של פוליאסטר ופוליפרופילן. את הוולאסטוניט נוהגים למכור תחת כמה שמות מסחריים, ביניהם: Kemolit, Hycon ו-Tremin יצרניות הוולאסטוניט העיקריות הן: סין (לפחות 50% מהתוצר העולמי בשנת 2005) הודו גרמניה - אזור סקסוניה רומניה - חבל באנאט, המקום בו נתגלה המינרל לראשונה. איטליה - הווזוב והלוע העתיק בו מצוי הווזוב, ההר מונטה סומה (Monte Somma) מקסיקו - במדינת צ'יאפס ארצות הברית - אזור העיירה וילסבורו (Willsboro) שבמדינת ניו יורק ואזור העיירה פרנקלין (Franklin) שבניו ג'רזי. פינלנד יוון וולאסטוניט שנכרה בפרנקלין (ניו ג'רזי) מתאפיין לעיתים קרובות בקרינה פלואורסצנטית בגוונים של כחול ולבן בהשפעת אור על-סגול. תופעה זו נגרמת בדומה לאותה תופעה במינרל פלואוריט בשל נוכחות של כמויות זעירות של קטיוני אירופיום (Eu+2) במקום קטיוני הסידן בסריג הגביש. בישראל ניתן למצוא וולאסטוניט יחד עם פאראוולסטוניט בתצורת חתרורים במדבר יהודה. בחצי האי סיני בחלקו הדרום-מרכזי והדרום-מערבי (ואדיות סולף, כיד ועוד) ניתן למצוא וולאסטוניט סלעים מתקופת הפרקמבריום. N. L. Bowen, J. F. Schairer, E. Posnjak (1933): The system CaO-FeO-SiO2. American Journal of Science, Series 5, 26, 193-283. (englisch) M. J. Buerger, C. T. Prewitt (1961): The crystal structures of wollastonite and pectolite. Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A., 47, 1884–1888. (englisch) W. A. Deer, R. A. Howie, J. Zussman: An Introduction to the Rock Forming Minerals. Prentice Hall, Harlow 1992, ISBN 0582300940(englisch) R. I. Harker, O. F. Tuttle (1956): Experimental data on the P(CO2)-T curve for the reaction: calcite + quartz ↔ wollastonite + carbon dioxide. American Journal of Science, 254, 239-256. (englisch) U. Müller: Anorganische Strukturchemie. Teubner, Stuttgart 2004, ISBN 3519335123 Y. Ohashi (1984): Polysynthetically-twinned structures of enstatite and wollastonite. Physics and Chemistry of Minerals, 10, 217-229. (englisch) M. Okrusch, S. Matthes: Mineralogie. Springer, Berlin 2005, ISBN 3540238123 H.-X. Yang, C. T. Prewitt (1999): On the crystal structure of pseudowollastonite (CaSiO3). American Mineralogists, 84, 929-932. (englisch) וולאסטוניט באתר Mindat וולאסטוניט באתר Webmineral וולאסטוניט באתר Mineral galleries וולאסטוניט, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)