Silikat

Tetraedrični silikatni anion

Kondenzirani dvojni tetraeder

Silikati so soli in estri ortosilicijeve kisline H₄SiO₄ (SiO₂•2H₂O) in njenih kondenzatov. Vse soli so zgrajene iz tetraedrov (SiO₄)^4-, ki so med seboj povezani na različne načine. Na prosta mesta tetraedrov se lahko vežejo kovinski kationi ali hidroksilni OH^- ioni. Silikati z izjemo alkalnih silikatov so netopni v vodi in drugih topilih.

Naravni silikati igrajo v mineralogiji pomembno vlogo, saj mednje spada veliko število mineralov. Zemeljska skorja vsebuje več kot 90 odstotkov silikatov, plašč pa je skoraj v celoti sestavljen iz silikatov. Najpogostejši silikati v zemeljski skorji so glinenci z udeležbo 50-60 volumskih odstotkov. Drugi pomembni minerali so sljude, gline, amfiboli, pirokseni, granati in olivini.

Kremen (SiO₂) se v nemški strokovni literaturi prišteva med okside, v anglo-ameriški literaturi pa med silikate.

Struktura

Vsi silikatni minerali so zgrajeni na enakem principu, tako da jih je mogoče razmeroma enostavno sistematično urediti. Osnovni gradniki vseh silikatov so tetraedri (SiO₄)^4-. V ogliščih tetraedra so ioni kisika, ki se zaradi svoje velikosti med seboj dotikajo, v sredini pa je dovolj prostora (tetraedrska vrzel) za relativno majhen ion silicija.

Druga značilnost silikatov je sposobnost kisikovih atomov, da se lahko kompleksno vežejo s sosednjimi tetredri, tako da nastanejo različne linearne, ciklične, plastne in prostorske strukture.

Silicij je lahko delno zamenjan s kemično podobnim aluminijem. Takšna zamenjava se imenuje izomorfna zamenjava, spojine pa alumosilikati. Zaradi zamenjave Si⁴⁺ z Al³⁺ morajo razliko v naboju nadomestiti drugi pozitivno nabiti ioni (kationi), pri čemer razmerje Al:Si ne sme preseči vrednosti 1. Čistih aluminatov v naravi ni.

Sistematika silikatnih mineralov

Silikati v že omenjenih oblikah tvorijo obsežno družino mimeralov. Med njimi so velike razlike v kemijski sestavi, kristalni simetriji ter načinu vezave in strukturi osnovnih gradnikov. Sistemizacija silikatov temelji na stopnjo polimerizacije tetraedrov (SiO₄)^4-.

Pisanje kemijskih formul

Poenostavljena splošna formula silikatov je:

$\mathrm {M_{n}\left[\left(Si_{x}O_{y}\right)^{4x-2y}\right]}$.

Kompleks silicija in kisika lahko zamenjata hidroksilni (OH^-) ali fluoridnim ion (F^-). Položaj "M" lahko zasede eden ali več kovinskih kationov, tako da je molekula navzven električno nevtralna. V kristalno rešetko s posebno velikimi zankami se lahko vgradi tudi voda.

Če je v nekem mineralu kompleks Si_xO_y- zamenjan s fluoridnimi ali hidroksidnimi ioni, se to v formuli zapiše s pokončno črtico, na primer

$\mathrm {Al_{2}\left[Si_{2}O_{5}|(OH)_{4}\right]}$, kaolinit.

Kristalno vezana voda se zapiše s piko, na primer

$\mathrm {Na[AlSi_{2}O_{6}]\cdot H_{2}O}$, analcim.

Klasificiranje po stopnji polimerizacije tetraedrov (SiO₄)^4-

Otočni silikati (nezosilikati)

V otočnih silikatih so tetraedri (SiO₄)^4- posamični. Takšni so na primer

• olivin (Mg,Fe)₂[SiO₄],
• cirkon Zr[SiO₄] in
• granati X²⁺₃Y³⁺₂[SiO₄]₃.

Skupinski silikati (sorosilikati)

V strukturi sta po dva tetraedra (SiO₄)^4-, ki si delita kisikov ion, tako da nastane skupina (Si₂O₇)^6-. Takšna silikata sta na primer

• hemimorfit Zn₄[Si₂O₇](OH)₂•H₂O in
• epidot Ca₂(Fe³⁺,Al)Al₂O[SiO₄][Si₂O₇]OH.

Obročasti silikati (ciklosilikati)

Tetraedri (SiO₄)^4- si delijo kisikove ione v ogliščih, tako da oblikujejo tri, štiri ali šest členske obroče s splošno formulo (Si_xO_3x). Primeri:

• bentonit BaTi[Si₃O₉] - tričlenski obroči,
• aksinit Ca₃Al₂(BO)₃[Si₄O₁₂]OH - štiričlenski obroči in
• turmalin NaMg₃Al₆(BO₃)₃[Si₆O₁₈](OH)₄ - šestčlenski obroči.

Enojne niti (inosilikati)

Enojna nit

Dvojna nit

Vsak tetraeder (SiO₄)^4- deli kisikove ione z dvema sosednjima tetraedroma tako, da oblikujejo verigo ali nit (SiO₃)^2-. V strukturi mineralov so niti vzporedne. Primer:

• pirokseni X²⁺[SiO₃] ali W⁺Y³⁺[SiO₃]₂.

Dvojne niti (inosilikati)

Dvojne niti so sestavljene iz enakega števila tetraedrov, razporejenih v dve vrsti. Tetraedri si delijo oglišča z dvema sosednjima tetraedroma ali s tremi sosednjimi tetraedri, kar ustreza skupini (Si₄O₁₁)^6-. Kisikove ione sosednjih niti povezujejo kationi. Naravni silikati z dvojnimi nitmi v svojo strukturo vključujejo OH^- skupino. Primeri:

• amfiboli, pri katerih so dvojne niti vzporedne kristalografski osi c,
• tremolit Ca₂Mg₂[Si₈O₂₂](OH)₂ in
• feroaktinolit Ca₂Fe₅[Si₈O₂₂](OH)₂.

Plastnati silikati (filosilikati)

Plastnati silikat

Osnovni element strukture plastnatih silikatov so plasti (Z₄O₁₀), v katerih je Z lahko Si⁴⁺ ali Al³⁺ ion, tetraedrično koordiniran z O^2- ioni. Vsak tetraeder deli tri oglišča s sosednjimi tetraedri, eno oglišče (apikalno) pa ostaja prosto. Primeri:

• glineni minerali in sljude,
• lojevec Mg₃[Si₄O₁₀](OH)₂,
• pirofilit Al₂[Si₄O₁₀](OH)₂ in
• muskovit KAl₂[AlSi₃O₁₀](OH)₂.

Paličasti silikati (tektosilikati)

Paličasti silikat β-kremen

V strukturi paličastih silikatov vsak tetraeder (SiO₄)^4- deli svoja oglišča s štirimi sosedi. Tetraedri se povezujejo v vseh smereh v prostoru in oblikujejo paličje. Splošna formula paličastih silikatov je ZO₂, kjer Z predstavlja ione, tetraedrično koordinirane s kisikom. Primeri paličastih silikatov so glinenci

• albit Na[AlSi₃O₈] (25% tetraedrov zaseda Al³⁺),
• anortit Ca[Al₂Si₂O₈] (50% tetraedrov zaseda Al³⁺) in
• ortoklaz K[AlSi₃O₈].

Amorfni silikati

Amorfni silikat z neurejeno strukturo

Opal je amorfen silicijev dioksid z vgrajeno kristalno vodo (SiO₂•nH₂O), zato ga nekateri avtorji uvrščajo med oksidne minerale. Iz amorfnega silicijevega dioksida so zgrajene tudi zelo strukturirane lupine kremenastih alg (diatomej) in radiolarij.

Klasifikacija po Kostovu

Klasifikacija po Kostovu temelji predvsem na kemijski sestavi silikata in kristalni strukturi.

Tehnični silikati

• Veliko silikatov se proizvaja industrijsko. Najpomembnejša proizvoda sta steklo in steklena keramika. Surovina zanju je kremenčev pesek (SiO₂) in kovinski oksidi.

• Vodotopno steklo, poznano kot vodno steklo, je proizvedeno iz kremenčevega peska in kovinskih karbonatov, na primer natrijevega karbonata (Na₂CO₃, soda), v steklarski peči. Uporablja se kot lepilo, polnilo v papirni industriji, za impregnacijo vlažnih zidov in izdelavo fasadnih malt. Iz vodnega stekla se z reakcijami s kislinami proizvajajo geli, na primer silikagel, silicijeva kislina, silikati in zeoliti.

• Smukec je uprašen lojevec, ki se uporablja v industriji barvnih premazov, steklarski industriji, kot mazivo, pa tudi kot dodatek v kozmetičnih preparatih.

Zeolit ZSM 5

• Azbest (krizotil) je bil zaradi odpornosti proti ognju in majhne toplotne prevodnosti pomemben izolacijski material, ki se je uporabljal zlasti v gradbeništvu. Zaradi škodljivih stranskih učinkov je v EU od leta 2005 prepovedan. Za proizvodnjo ognjevzdržnih materialov, odpornih proti koroziji, se uporabljajo tudi cirkon, muskovit, andaluzit, silimanit in kianit.

• Kaolinit je pomembna surovina za keramično industrijo, na primer za proizvodnjo porcelana, talilnih loncev ter ognjevzdržne in strešne opeke.

• Zeoliti, zlasti sintetični zeolit A, se uporabljajo kot ionski izmenjevalci, tako imenovana molekularna sita, sredstva za mehčanje vode, ki predvsem v detergentih nadomeščajo fosfate, in sredstva za odstranjevanje amonijevih spojin, ki v ribnikih pospešujejo rast alg. Podobne lastnosti imajo tudi sintetični plastnati silikati.

• Nanosilikati so zaradi svoje velike specifične površine dobri adsorbenti in nosilni materiali za katalizatorje in medicinske učinkovine. Njihova industrijska proizvodnja je še vedno v razvoju.

• V obdelavi pitne vode se silikati uporabljajo kot inhibitor korozije. Uporabljajo se skupaj s fosfati ali brez njih in v zmesi z aktiviranimi karbonati.

Nahajališča

Iz silikatov je zgrajen velik del zemeljskih planetov, v majhnih koncentracijah pa so prisotni tudi v vseh vodah. Silikati tvorijo skelete mnogih organizmov, na primer diatomej in radiolarij in nekaterih spužv.

Uporaba

Okrasni in dragi kamni

Otočni silikati granat, olivin, topaz in cirkon v čisti obliki so cenjeni dragi kamni. Nekatere vrste kremena, na pimer ametist, aventurin, kalcedon, citrin in ahat so priljubljeni okrasni kamni. Okrasni kamni so tudi nekateri glinenci, na primer amazonit, aventurin, labradorit in sodalit. Posebno cenjen drag kamen je smaragd, ki je različek berila.

Drugo

Silikati so surovina za proizvodnjo stekla, keramike in pralnih sredstev.

Viri

• W. L. Bragg (1930): The structure of silicates. Z. Kristallogr., 74: str. 237-305.
• W. A. Deer, W. A. Howie und J. Zussman (1982): Rock-Forming Minerals, Volume 1A: Orthosilicates. Longman, London, 2. izdaja.
• I. Kostov (1975): Crystal chemistry and classification of silikate minerals. Geokhimiya, Mineralogiya i Petrologiya. 1: str. 5-41.
• F. Liebau (1962): Die Systematik der Silicate. Naturwissenschaften. 49: str 481-491.
• F. Liebau (1985): Structural Chemistry of Silicates. Springer-Verlag, Berlin.
• S. Matthes (1993): Mineralogie. Springer-Verlag, Berlin, 4. Auflage.
• S. Na’ray-Szabo (1930): Ein auf der Kristallstruktur basierendes Silicatsystem. Z. Physik. Chem. Abt.. B9: str. 356-377.
• H. Pichler in C. Schmitt-Riegraf (1987): Gesteinsbildende Minerale im Dünnschliff. Enke Verlag.
• P. H. Ribbe (1982): Reviews in mineralogy Volume 5: Orthosilicates. Mineralogical Society of America, Washington, 2. izdaja.
• J. V. Smith in W. L. Brown (1988): Feldspar Minerals, Volume 1. Springer-Verlag, Berlin, 2. izdaja.
• N. Strunz; E.H. Nickel (2001). Strunz Mineralogical Tables (9 izd.). Stuttgart : Schweizerbart, cop. COBISS 464222. ISBN 3-510-65188-X.
• W. E. Tröger (1952): Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale, Teil 1: Bestimmungstabellen. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, 4. izdaja.
• W. E. Tröger (1967): Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale, Teil 2: Textband. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart.
• T. Zoltai (1960): Classifikation of silicates and other minerals with tetrahedral structures. American mineralogist. 45: str. 960-973

Zunanje povezave

• Mineralienatlas:Silikat (Wiki)
• Komplette Vorlesung über Silikate von ruby.chemie.uni-freiburg.de
• Mineralogie-web.de Arhivirano 2005-12-17 na Wayback Machine.