stringtranslate.com

Силикат

Структура ортосиликатного аниона SiO4−
4

В химии силикат — это любой член семейства многоатомных анионов , состоящих из кремния и кислорода , обычно с общей формулой [SiO(4-2 х )−
4− х
]
н
, где 0 ≤ x < 2 . Семейство включает ортосиликат SiO.4-4( x = 0 ), метасиликат SiO2-3( x = 1 ) и пиросиликат Si 2 O6-7( Икс знак равно 0,5 , п знак равно 2 ). Это название также используется для любой соли таких анионов, например метасиликата натрия ; или любой сложный эфир , содержащий соответствующую химическую группу , например тетраметилортосиликат . [1] Название «силикат» иногда распространяется на любые анионы, содержащие кремний, даже если они не соответствуют общей формуле или содержат другие атомы, кроме кислорода; такие как гексафторосиликат [SiF 6 ] 2- . Чаще всего силикаты встречаются в виде силикатных минералов .

Для разнообразных производственных, технологических и художественных нужд силикаты являются универсальными материалами, как природными (такими как гранит , гравий и гранат ), так и искусственными (такими как портландцемент , керамика , стекло и жидкое стекло ).

Структурные принципы

В большинстве силикатов атом кремния занимает центр идеализированного тетраэдра , углами которого являются четыре атома кислорода, связанные с ним одинарными ковалентными связями по правилу октетов . [1] Атомы кислорода, несущие отрицательный заряд, связываются с другими катионами (M n+ ). Эта связь Si-OMO-Si является прочной и жесткой, свойства которой проявляются в камнеподобных силикатах. Силикаты можно классифицировать по длине и сшиванию силикатных анионов.

Изолированные силикаты

Изолированные ортосиликатные анионы имеют формулу SiO.4−
4
. Распространенным минералом этой группы является оливин ( ( Mg ,Fe) 2SiO4 ).

Два или более атома кремния могут по-разному разделять атомы кислорода, образуя более сложные анионы, такие как пиросиликат Si .
2
О6−
7
.

Цепи

Изображение метасиликатной цепи с акцентом на тетраэдрические силикатные субъединицы.
Альтернативное изображение метасиликатной цепи с акцентом на связи Si-O.

Если два общих оксида связаны с каждым кремнием, могут возникнуть циклические или полимерные структуры. Циклическое метасиликатное кольцо Si
6
О12−
18
представляет собой гексамер SiO 3 2- . Полимерные силикатные анионы могут существовать и в виде длинных цепочек.

В одноцепочечных силикатах, которые представляют собой разновидность иносиликата , тетраэдры соединяются в цепь, разделяя по два атома кислорода каждый. Распространенным минералом этой группы является пироксен .

Двойные цепочки тетраэдров.
Двойные цепочки тетраэдров.

Двухцепочечные силикаты, другая категория иносиликатов, возникают, когда тетраэдры образуют двойную цепь (не всегда, но в большинстве случаев), разделяя по два или три атома кислорода каждый. Обычными минералами этой группы являются амфиболы .

Листы

Листовые силикаты.
Листовые силикаты.

В этой группе, известной как слоистые силикаты , тетраэдры имеют по три атома кислорода каждый и, в свою очередь, соединяются, образуя двумерные листы. Эта структура действительно приводит к тому, что минералы этой группы имеют одну сильную плоскость спайности. Слюды попадают в эту группу. И мусковит , и биотит имеют очень слабые слои, которые можно отслаивать пластинками.

Рамки

В каркасном силикате, известном как тектосиликат , каждый тетраэдр разделяет все 4 атома кислорода со своими соседями, образуя трехмерную структуру. К этой группе относятся кварц и полевые шпаты .

Силикаты с нететраэдрическим кремнием

Хотя тетраэдр является обычной координационной геометрией для соединений кремния (IV), кремний также может встречаться с более высокими координационными числами. Например, в анионном гексафторосиликате SiF2−
6
Атом кремния окружен шестью атомами фтора в октаэдрическом расположении. Эта структура также наблюдается в гексагидроксисиликатном анионе Si (OH)2−
6
Это происходит в таумазите , минерале, редко встречающемся в природе, но иногда наблюдаемом среди других гидратов силиката кальция, искусственно образованных в цементных и бетонных конструкциях, подвергающихся сильному сульфатному воздействию в глинистых грунтах, содержащих окисленный пирит . [2] [3] [4] [5] [6]

При очень высоком давлении, которое существует в большей части земной коры, даже SiO 2 принимает шестикоординированную октаэдрическую геометрию в минерале стишовите , плотной полиморфной модификации кремнезема , обнаруженной в нижней мантии Земли и также образовавшейся в результате ударной волны во время удары метеорита .

Химические свойства

Силикаты с катионами щелочных металлов и небольшими или цепочечными анионами, например орто- и метасиликат натрия , хорошо растворимы в воде. При кристаллизации из раствора они образуют несколько твердых гидратов . Растворимые силикаты натрия и их смеси, известные как жидкое стекло , на самом деле являются важными промышленными и бытовыми химикатами. Силикаты нещелочных катионов или с пластинчатыми и трехмерными полимерными анионами обычно имеют незначительную растворимость в воде при нормальных условиях.

Реакции

Силикаты обычно химически инертны. Следовательно, они являются обычными минералами. Их устойчивость также позволяет использовать их в качестве строительных материалов.

При обработке оксидами кальция и водой силикатные минералы образуют портландцемент .

Равновесия, связанные с гидролизом силикатных минералов, трудно изучать. Главной проблемой является очень низкая растворимость SiO 4 4- и его различных протонированных форм. Такие равновесия имеют отношение к процессам, происходящим в геологических масштабах времени. [7] [8] Некоторые растения выделяют лиганды, которые растворяют силикаты, что является этапом биоминерализации .

Обнаружение

Силикат-анионы в растворе реагируют с молибдат- анионами с образованием желтых силикомолибдатных комплексов. Было обнаружено , что при типичном приготовлении мономерный ортосиликат полностью реагирует за 75 секунд; димерный пиросиликат за 10 минут; и высшие олигомеры за значительно более длительное время. В частности, реакция не наблюдается с суспензиями коллоидного кремнезема . [8]

Образование цеолита и полимеризация геополимеров

Природа растворимых силикатов важна для понимания биоминерализации и синтеза алюмосиликатов , таких как промышленно важные катализаторы , называемые цеолитами . [7] Наряду с алюминат- анионами , растворимые силикат-анионы также играют важную роль в механизме полимеризации геополимеров . Геополимеры — аморфные алюмосиликаты, для производства которых требуется меньше энергии, чем для производства обычного портландцемента . Таким образом, геополимерные цементы могут способствовать ограничению выбросов CO 2 в атмосферу Земли и глобального потепления, вызванного этим парниковым газом .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  2. ^ Краммонд, Нью-Джерси; Холливелл, Массачусетс (1995). «Таумаситовая форма сульфатной атаки в бетонах, содержащих источник карбонатных ионов - обзор микроструктуры». Американский институт бетона. дои : 10.14359/963. ISBN 978-0-87031-652-4.
  3. ^ Краммонд, Нора (1 июня 2002 г.). «Присутствие таумазита в современном строительстве – обзор». Цемент и бетонные композиты . 24 (3): 393–402. дои : 10.1016/S0958-9465(01)00092-0. ISSN  0958-9465.
  4. ^ Краммонд, Нью-Джерси (1 декабря 2003 г.). «Таумазитовая форма сульфатной атаки в Великобритании». Цемент и бетонные композиты . Таумазит в цементных материалах. 25 (8): 809–818. дои : 10.1016/S0958-9465(03)00106-9. ISSN  0958-9465.
  5. ^ Лонгворт, TI (1 декабря 2003 г.). «Вклад строительной деятельности в агрессивные грунтовые условия, вызывающие сульфатную атаку таумазита на бетон в пиритном грунте». Цемент и бетонные композиты . Таумазит в цементных материалах. 25 (8): 1005–1013. дои : 10.1016/S0958-9465(03)00124-0. ISSN  0958-9465.
  6. ^ Симс, Ян; Хантли (урожденная Хартшорн), Сара А. (01 октября 2004 г.). «Таумазитовая форма сульфатной атаки нарушает правила». Цемент и бетонные композиты . 26 (7): 837–844. doi : 10.1016/j.cemconcomp.2004.01.002. ISSN  0958-9465.
  7. ^ аб Найт, Кристофер Т.Г.; Балец, Раймонд Дж.; Кинраде, Стивен Д. (2007). «Строение силикат-анионов в водных щелочных растворах». Angewandte Chemie, международное издание . 46 (43): 8148–8152. дои : 10.1002/anie.200702986. ПМИД  17886822.
  8. ^ ab GB Александр (1953): «Реакция низкомолекулярных кремниевых кислот с молибденовой кислотой». Журнал Американского химического общества, том 75, выпуск 22, страницы 5655–5657. дои : 10.1021/ja01118a054