Silikat - Silicate
Inom kemi är ett silikat varje medlem i en familj av anjoner som består av kisel och syre , vanligtvis med den allmänna formeln [ SiO(4−2 x ) -
4− x]
n, där 0 ≤ x <2 . Familjen inkluderar ortosilikat SiO4−
4( x = 0 ), metasilikat SiO2−
3( x = 1 ) och pyrosilikat Si
2O6−
7( x = 0,5 , n = 2 ). Namnet används också för salt av sådana anjoner, såsom natriummetasilikat ; eller någon ester innehållande motsvarande kemisk grupp , såsom tetrametylortosilikat .
Silikatanjoner är ofta stora polymermolekyler med en mängd olika strukturer, inklusive kedjor och ringar (som i polymer metasilikat [ SiO2−
3]
n), dubbla kedjor (som i [ Si
2O2−
5]
noch ark (som i [ Si
2O2−
5]
n.
Inom geologi och astronomi används termen silikat för att betyda silikatmineraler , joniska fasta ämnen med silikatanjoner; liksom bergarter som övervägande består av sådana mineraler. I det sammanhanget inkluderar termen också den nonjoniska föreningen kiseldioxid SiO
2( kiseldioxid , kvarts ), vilket skulle motsvara x = 2 i den allmänna formeln. Termen inkluderar också mineraler där aluminium eller andra tetravalenta atomer ersätter några av kiselatomerna, som i aluminiumsilikaterna . Sådana silikater omfattar det mesta av jordskorpan och manteln , liksom de andra markplaneterna , steniga månar och asteroider .
För olika tillverknings-, tekniska och konstnärliga behov är silikater mångsidiga material, både naturliga (t.ex. granit , grus och granat ) och konstgjorda (som Portlandcement , keramik , glas och vattenglas ).
Namnet "silikat" utvidgas ibland till alla anjoner som innehåller kisel, även om de inte passar den allmänna formeln eller innehåller andra atomer förutom syre; såsom hexafluorosilikat [SiF
6]2−
.
Strukturella principer
| Del av en serie relaterad till |
| Biomineralisering |
|---|
 |
Modellering som hörndelande tetraeder
I de vanligaste silikaterna, inklusive nästan alla silikatmineraler , upptar varje kiselatom mitten av en idealiserad tetraeder, vars hörn är fyra syreatomer, anslutna till den med enstaka kovalenta bindningar enligt oktettregeln . Detta strukturbindande scenario beskriver inte arten av silikatmineraler under höga tryck, vilket är situationen för de flesta markbundna silikatmineraler.
Dessa tetrae kan förekomma som isolerade ortosilikat anjoner SiOa4−
4, men två eller flera kiselatomer kan förenas med syreatomer på olika sätt för att bilda mer komplexa anjoner, såsom pyrosilikat Si
2O6−
7eller metasilikat ring hexameren Si
6O12-
18. Polymeriska silikatanjoner av godtyckligt stora storlekar kan ha kedja, dubbelkedja, ark eller tredimensionella strukturer.
Normalt är varje syreatom som inte bidrar med en negativ laddning till anjonen en brygga mellan två kiselatomer. Strukturen hos sådana anjoner beskrivs och avbildas vanligen bestående av kiselcentrerade tetraeder som är förbundna med deras hörn på ett sådant sätt att varje hörn delas av högst två tetraeder.
Silikater med icke-tetrahedralt kisel
Även om tetraeder är den vanliga koordinationsgeometrin för kiselföreningar, kan kisel också förekomma med högre koordinationsnummer. Till exempel i anjonen hexafluorosilikat SiF2−
6, är kiselatomen omgiven av sex fluoratomer i ett oktaedrisk arrangemang. Denna struktur ses också i hexahydroxysilikatanjonen Si (OH)2−
6som förekommer i thaumasite , ett mineral som finns sällan i naturen men ibland observeras bland andra kalciumsilikathydrater artificiellt bildade i cement och betong utsatt för en allvarlig sulfatattack .
Vid mycket högt tryck antar till och med SiO 2 den sexkoordinerade oktaedriska geometrin i mineralet stishovit , en tät polymorf av kiseldioxid som finns i jordens nedre mantel och också bildas av chock under meteoritpåverkan .
Kemiska egenskaper
Fasta silikater är i allmänhet stabila och väl karakteriserade.
Silikater med alkalikatjoner och små eller kedjeliknande anjoner, såsom natriumorto- och metasilikat , är ganska lösliga i vatten. De bildar flera fasta hydrater när de kristalliseras ur lösning. Lösliga natriumsilikater och blandningar därav, kända som vattenglas, är i själva verket viktiga industri- och hushållskemikalier. Silikater av icke-alkalikatjoner, eller med ark- och tredimensionella polymera anjoner, har i allmänhet försumbar löslighet i vatten vid normala förhållanden.
Reaktioner
Silikatanjoner är formellt konjugerade baser av kiselsyror , dvs föreningar med Si-OH-funktionell grupp. Till exempel kan ortosilikat ses som den fyrfaldiga deprotoniserade ortosilicinsyran Si (OH)
4. Kiselsyror är i allmänhet svaga syror. De kan isoleras. De existerar i vattenlösning som blandningar av kondenserade och delvis protonerade anjoner, i en dynamisk jämvikt. De allmänna processerna i denna jämvikt är hydrolys / kondens
- ≡Si – O – Si≡ + H
2O ⇌ ≡Si – OH + HO – Si≡
och protonation /deprotonering
- ≡Si – OH ⇌ ≡Si– O-
+ H+
.
Jämvikten kan förskjutas mot större anjoner genom att öka silikatkoncentrationen och/eller surheten i mediet. Ortosilikatanjonen antas till exempel vara den dominerande formen av kiseldioxid som naturligt är upplöst i havsvatten , vars koncentration är under 100 delar per miljon; och även när kiseldioxid är upplöst i ett överskott av natriumoxid vid pH 12 eller mer. I högre koncentrationer eller lågt pH dominerar polymera anjoner.
I gränsen, de silikatanjoner konvertera till kiselsyror, som kondenserar i ett tredimensionellt nätverk bestående av SiO 4 tetraesammankopplade av SiO-Si-bindningar. En relaterad kondensationsprocess ses vid sol-gel-bearbetning av tetraetylsilikat .
Upptäckt
Silikatanjoner i lösning reagerar med molybdatanjoner som ger gula silikomolybdatkomplex . I en typisk beredning befanns monomert ortosilikat reagera fullständigt på 75 sekunder; dimeriskt pyrosilikat på 10 minuter; och högre oligomerer på avsevärt längre tid. I synnerhet observeras inte reaktionen med suspensioner av kolloidal kiseldioxid .
Zeolitbildning
Lösliga silikaters natur är relevant för att förstå biomineralisering och syntesen av aluminiumsilikater, såsom de industriellt viktiga katalysatorerna som kallas zeoliter .