В химии , A силикат является любым членом семейства анионов , состоящих из кремния и кислорода , как правило , с общей формулой [ SiO(4−2 x ) -
4− x]
п, где 0 ≤ x <2 . Семейство включает ортосиликат SiO4-
4( x = 0 ), метасиликат SiO2-
3( x = 1 ) и пиросиликат Si
2О6-
7( х = 0,5 , п = 2 ). Это название также используется для любой соли таких анионов, такой как метасиликат натрия ; или любой сложный эфир, содержащий соответствующую химическую группу , такой как тетраметилортосиликат . [1]
Силикатные анионы часто представляют собой большие полимерные молекулы с широким разнообразием структур, включая цепи и кольца (как в полимерном метасиликате [ SiO2-
3]
п), двойные цепочки (как в [ Si
2О2-
5]
п, и листы (как в [ Si
2О2-
5]
п. [1]
В геологии и астрономии термин силикат используется для обозначения силикатных минералов , ионных твердых частиц с силикатными анионами; а также типы пород , состоящие преимущественно из таких минералов. В этом контексте термин также включает неионное соединение диоксид кремния SiO
2( кремнезем , кварц ), что соответствует x = 2 в общей формуле. Термин также включает минералы, в которых атомы алюминия или других четырехвалентных атомов замещают некоторые атомы кремния, как в алюмосиликатах . Такие силикаты составляют большую часть земной коры и мантии , а также других планет земной группы , каменистых лун и астероидов . [ необходима цитата ]
Силикаты - чрезвычайно важные материалы, как природные (такие как гранит , гравий и гранат ), так и искусственные (например, портландцемент , керамика , стекло и жидкое стекло ) для всех видов технологической и художественной деятельности.
Название «силикат» иногда распространяется на любые анионы, содержащие кремний, даже если они не соответствуют общей формуле или содержат другие атомы, кроме кислорода; такой как гексагидроксисиликат [Si (OH)
6]2−
или гексафторсиликат [SiF
6]2−
.
Структурные принципы [ править ]
Моделирование как тетраэдры с общими углами [ править ]
В наиболее часто встречающихся силикатах, включая почти все силикатные минералы, обнаруженные в земной коре , каждый атом кремния занимает центр идеализированного тетраэдра , в углах которого находятся четыре атома кислорода, связанных с ним одинарными ковалентными связями в соответствии с правилом октетов .
Эти тетраэдры могут встречаться в виде изолированных ортосиликатных анионов SiO4-
4, но два или более атома кремния могут быть соединены с атомами кислорода различными способами с образованием более сложных анионов, таких как пиросиликат Si
2О6-
7или гексамер метасиликатного кольца Si
6О12-
18. Полимерные силикатные анионы произвольно больших размеров могут иметь цепную, двухцепочечную, листовую или трехмерную структуру.
Обычно каждый атом кислорода, который не вносит отрицательный заряд в анион, является мостиком между двумя атомами кремния. Структура таких анионов обычно описывается и изображается как состоящая из кремнийцентрированных тетраэдров, соединенных своими вершинами таким образом, что каждая вершина является общей не более чем для двух тетраэдров.
Силикаты с нететраэдрическим кремнием [ править ]
Хотя тетраэдр является общей координационной геометрией для соединений кремния, кремний также может встречаться с более высокими координационными числами. Например, в анионе гексафторсиликата SiF2-
6атом кремния окружен шестью атомами фтора в октаэдрическом расположении. Эта структура также видна в гексагидроксисиликатном анионе Si (OH)2-
6который встречается в таумазите , минерале, который редко встречается в природе, но иногда наблюдается среди других гидратов силиката кальция, искусственно образованных в цементе и бетоне, подвергающемся сильной сульфатной атаке . [ необходима цитата ]
При очень высоком давлении даже SiO 2 принимает шестикоординированную октаэдрическую геометрию в минерале стишовите , плотном полиморфе кремнезема, обнаруженном в нижней мантии Земли и также образованном ударом во время ударов метеорита .
Химические свойства [ править ]
Твердые силикаты обычно стабильны и хорошо охарактеризованы.
Силикаты с катионами щелочных металлов и небольшими или цепочечными анионами, такие как 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 продуктами промышленной и бытовой химии. Силикаты нещелочных катионов или с листовыми и трехмерными полимерными анионами обычно имеют незначительную растворимость в воде при нормальных условиях.
Реакции [ править ]
Силикатные анионы формально являются сопряженными основаниями кремниевых кислот . Например, ортосиликат можно рассматривать как четырехкратно депротонированную ортокремниевую кислоту Si (OH)
4. Кремниевые кислоты обычно очень слабые и не могут быть выделены в чистом виде. Они существуют в водном растворе в виде смесей конденсированных и частично протонированных анионов в динамическом равновесии. [2] Общие процессы в этом равновесии - гидролиз / конденсация.
- ≡Si – O – Si≡ + H
2O ↔ ≡Si – OH + HO – Si≡ - = Si = O + H
2O ↔ = Si (–OH)
2
и протонирование / депротонирование
- ≡Si – OH ↔ ≡Si– O-
+ H+
.
Равновесие можно сместить в сторону более крупных анионов за счет увеличения концентрации силиката и / или кислотности среды. Ортосиликатный анион, например, считается преобладающей формой диоксида кремния, естественно растворенного в морской воде , концентрация которого составляет менее 100 частей на миллион; а также когда диоксид кремния растворен в избытке оксида натрия при pH 12 или более. [2] [3] При более высоких концентрациях или низком pH преобладают полимерные анионы.
В пределе силикатные анионы сливаются в трехмерную сетку кремниевых тетраэдров, причем большинство атомов кислорода образуют ковалентные мостики; который представляет собой некоторую форму диоксида кремния, такую как силикагель , смешанный с водой.
Обнаружение [ править ]
Силикатные анионы в растворе реагируют с молибдат- анионами с образованием желтых силикомолибдатных комплексов. Было обнаружено, что в типичном препарате 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 . [3]
Образование цеолита [ править ]
Природа растворимых силикатов имеет отношение к пониманию биоминерализации и синтеза алюмосиликатов, таких как промышленно важные катализаторы, называемые цеолитами . [2]
См. Также [ править ]
- Щелочно-кремнеземная реакция
- Цикл углерода
- Карбонатно-силикатный цикл
- Закисление океана
Ссылки [ править ]
- ^ a b Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
- ^ a b c Рыцарь, Кристофер Т. Г.; Balec, Raymond J .; Кинрейд, Стивен Д. (2007). «Структура силикатных анионов в водных щелочных растворах». Angewandte Chemie International Edition . 46 : 8148–8152. DOI : 10.1002 / anie.200702986 .
- ^ a b Г. Б. Александер (1953): "Реакция низкомолекулярных кремниевых кислот с молибденовой кислотой". Журнал Американского химического общества, том 75, выпуск 22, страницы 5655–5657. DOI : 10.1021 / ja01118a054
