Silikát - Silicate
V chemii je křemičitan jakýkoli člen rodiny aniontů sestávající z křemíku a kyslíku , obvykle s obecným vzorcem [ SiO(4−2 x ) -
4− x]
n, kde 0 ≤ x <2 . Rodina zahrnuje ortosilikát SiO4-
4( x = 0 ), metakřemičitan SiO2-
3( x = 1 ) a pyrosilikát Si
2Ó6-
7( x = 0,5 , n = 2 ). Název se také používá pro jakoukoli sůl takových aniontů, jako je metakřemičitan sodný ; nebo jakýkoli ester obsahující odpovídající chemickou skupinu , jako je tetramethyl orthosilikát .
Silikátové anionty jsou často velké polymerní molekuly s rozsáhlou strukturou, včetně řetězců a prstenců (jako u polymerního metakřemičitanu [ SiO2-
3]
n), dvojité řetězce (jako v [ Si
2Ó2-
5]
n, a listy (jako v [ Si
2Ó2-
5]
n.
V geologii a astronomii se termínem silikát používá silikátové minerály , iontové pevné látky se silikátovými anionty; stejně jako typy hornin, které sestávají převážně z těchto minerálů. V tomto kontextu termín také zahrnuje neiontovou sloučeninu oxidu křemičitého SiO
2( oxid křemičitý , křemen ), což by v obecném vzorci odpovídalo x = 2 . Termín také zahrnuje minerály, kde hliník nebo jiné čtyřmocné atomy nahrazují některé z atomů křemíku, jako u hlinitokřemičitanů . Takové křemičitany obsahují většinu zemské kůry a pláště , stejně jako ostatní pozemské planety , skalnaté měsíce a asteroidy .
Pro různé výrobní, technologické a umělecké potřeby jsou křemičitany všestranné materiály, přírodní (například žula , štěrk a granát ) i umělé (například portlandský cement , keramika , sklo a vodní sklo ).
Název „křemičitan“ je někdy rozšířen na jakékoli anionty obsahující křemík, i když neodpovídají obecnému vzorci nebo obsahují jiné atomy kromě kyslíku; jako je hexafluorokřemičitan [SiF
6]2−
.
Strukturální principy
Část série související s |
Biomineralizace |
---|
Modelování jako čtyřstěn s rohovým sdílením
Ve většině běžně se vyskytujících křemičitanů, včetně téměř všech silikátových minerálů , zaujímá každý atom křemíku střed idealizovaného čtyřstěnu, jehož rohy jsou čtyři atomy kyslíku, k němu připojené jednoduchými kovalentními vazbami podle oktetového pravidla . Tento scénář vazby struktury nepopisuje povahu silikátových minerálů pod vysokými tlaky, což je situace pro většinu suchozemských silikátových minerálů.
Tyto čtyřstěny se mohou vyskytovat jako izolované orthosilikátové anionty SiO4-
4, ale dva nebo více atomů křemíku lze různými způsoby spojit s atomy kyslíku za vzniku složitějších aniontů, jako je pyrosilikát Si
2Ó6-
7nebo hexamer Si metasilikátového kruhu
6Ó12-
18. Polymerní silikátové anionty libovolně velkých velikostí mohou mít řetězové, dvouřetězcové, listové nebo trojrozměrné struktury.
Typicky je každý atom kyslíku, který nepřispívá k aniontu záporným nábojem, mostem mezi dvěma atomy křemíku. Struktura takových aniontů je běžně popisována a zobrazována jako skládající se ze čtyřstěnů se středem křemíku spojených jejich vrcholy takovým způsobem, že každý vrchol je sdílen nejvýše dvěma čtyřstěny.
Silikáty s netetrahedrálním křemíkem
Ačkoli je tetraedr společnou koordinační geometrií pro sloučeniny křemíku, může se křemík vyskytovat i s vyššími koordinačními čísly. Například v aniont hexafluorokřemičitanu SiF2-
6je atom křemíku obklopen šesti atomy fluoru v oktaedrickém uspořádání. Tato struktura je také vidět v hexahydroxysilikátovém aniontu Si (OH)2-
6který se vyskytuje v thaumasitu , minerálu, který se v přírodě vyskytuje jen zřídka, ale někdy je pozorován mezi jinými hydráty křemičitanu vápenatého uměle vytvořenými v cementu a betonu, vystavených silnému napadení sírany .
Při velmi vysokém tlaku dokonce SiO 2 přejímá šesti koordinovanou oktaedrickou geometrii v minerálním stishovitu , hustém polymorfním oxidu křemičitém, který se nachází v dolním plášti Země a také vzniká šokem při nárazech meteoritů .
Chemické vlastnosti
Pevné křemičitany jsou obecně stabilní a dobře charakterizované.
Silikáty s alkalickými kationty a malými nebo řetězcovými anionty, jako je orto- a metakřemičitan sodný , jsou ve vodě poměrně dobře rozpustné. Při krystalizaci z roztoku vytvářejí několik pevných hydrátů . Rozpustné křemičitany sodné a jejich směsi, známé jako vodní sklo, jsou ve skutečnosti důležité průmyslové a domácí chemikálie. Silikáty nealkalických kationtů nebo s plošnými a trojrozměrnými polymerními anionty mají obecně za normálních podmínek zanedbatelnou rozpustnost ve vodě.
Reakce
Silikátové anionty jsou formálně konjugované báze kyselin křemičitých , tj. Sloučeniny s funkční skupinou Si-OH. Například na ortokřemičitan lze pohlížet jako na čtyřnásobně deprotonovanou kyselinu ortokřemičitou Si (OH)
4. Kyseliny křemičité jsou obecně slabé kyseliny. Lze je izolovat. Existují ve vodném roztoku jako směsi kondenzovaných a částečně protonovaných aniontů, v dynamické rovnováze. Obecnými procesy v této rovnováze jsou hydrolýza / kondenzace
- ISi – O – Si≡ + H
2O ⇌ ≡Si – OH + HO – Si≡
a protonace /deprotonace
- ISi – OH ⇌ ≡Si– O-
+ H+
.
Rovnováha se může posunout směrem k větším aniontům zvýšením koncentrace křemičitanu a/nebo kyselosti média. Orthosilikátový anion je například považován za převládající formu oxidu křemičitého přirozeně rozpuštěného v mořské vodě , jehož koncentrace je nižší než 100 ppm. a také když je oxid křemičitý rozpuštěn v přebytku oxidu sodného při pH 12 nebo vyšším. Ve vyšších koncentracích nebo nízkém pH převažují polymerní anionty.
V mezích se silikátové anionty přeměňují na kyseliny křemičité, které kondenzují do trojrozměrné sítě skládající se ze čtyřstěnů SiO 4 propojených vazbami Si-O-Si. Příbuzný kondenzační proces je vidět na zpracování sol-gel z tetraethylsilicate .
Detekce
Silikátové anionty v roztoku reagují s anionty molybdenanu za vzniku žlutých komplexů silikomolybdenanu . V typickém přípravku bylo zjištěno , že monomerní ortosilikát zcela reaguje za 75 sekund; dimerní pyrosilikát za 10 minut; a vyšší oligomery v podstatně delší době. Zejména není reakce pozorována u suspenzí koloidního oxidu křemičitého .
Tvorba zeolitu
Povaha rozpustných silikátů je relevantní pro pochopení biomineralizace a syntézy hlinitokřemičitanů, jako jsou průmyslově důležité katalyzátory zvané zeolity .