Силикат - Silicate

Структура ортосиликат анион SiO4−
4

В химия, а силикат любой член семьи анионы состоящий из кремний и кислород, обычно по общей формуле [SiO(4−2Икс)−
4−Икс]
п, куда 0 ≤ Икс < 2. В семью входят ортосиликат SiO4−
4 (Икс = 0), метасиликат SiO2−
3 (Икс = 1), и пиросиликат Si
2О6−
7 (Икс = 0.5, п = 2). Имя также используется для любых соль таких анионов, как метасиликат натрия; или любой сложный эфир содержащий соответствующие химическая группа, Такие как тетраметилортосиликат.[1]

Силикатные анионы часто бывают большими полимерный молекулы с широким разнообразием структур, включая цепи и кольца (как в полимерных метасиликат [SiO2−
3]
п), двойные цепочки (как в [Si
2О2−
5]
п, и листы (как в [Si
2О2−
5]
п.[1]

В геология и астрономия, период, термин силикат используется для обозначения силикатные минералы, ионные твердые вещества с силикатными анионами; а также камень типы, состоящие преимущественно из таких минералов. В этом контексте термин также включает не-ионный сложный диоксид кремния SiO
2 (кремнезем, кварц ), что соответствовало бы Икс = 2 в общей формуле. Термин также включает минералы, где алюминий или другой четырехвалентный атомы заменяют некоторые из атомов кремния, как в алюмосиликаты. Такие силикаты включают большую часть земной коры и мантия, а также другие планеты земной группы, скалистый луны, и астероиды.[нужна цитата ]

Силикаты - чрезвычайно важные материалы, как натуральные (например, гранит, гравий, и гранат ) и искусственные (например, портландцемент, керамика, стекло, и стакан воды ), 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 же гексафторсиликат [SiF
6]2−
.

Структурные принципы

Моделирование как тетраэдры с общими углами

В наиболее часто встречающихся силикатах, включая почти все силикатные минералы найдено в земной коры, каждый атом кремния занимает центр идеализированной тетраэдр в углах которого расположены четыре атома кислорода, соединенные с ним одной ковалентные связи согласно Правило октета.

Эти тетраэдры могут встречаться как изолированные ортосиликат анионы 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−
7 или метасиликат звенеть гексамер Si
6О12−
18. Полимерный силикатные анионы сколь угодно больших размеров могут иметь цепную, двухцепочечную, пластинчатую 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 разделяется не более чем двумя тетраэдрами.

Силикаты с нететраэдрическим кремнием

Хотя тетраэдр является общей координационной геометрией для соединений кремния, кремний также может встречаться с более высокими координационными числами. Например, в анионе гексафторсиликат SiF2−
6, атом кремния окружен шестью фтор атомы в восьмигранный расположение. Эта структура также наблюдается в гексагидроксисиликатном анионе Si (ОН)2−
6 что происходит в таумазит, минерал, который редко встречается в природе, но иногда встречается среди других гидраты силиката кальция искусственно сформированный в цемент и конкретный подвергся суровому сульфатная атака.[нужна цитата ]

При очень высоком давлении даже SiO2 принимает шестикоординированную октаэдрическую геометрию в минерале стишовит, плотный полиморф кремнезем найдено в нижняя мантия Земли, а также образованные ударом во время метеорит ударов.

Химические свойства

Твердые силикаты обычно стабильны и хорошо охарактеризованы.

Силикаты с щелочь катионы и небольшие или цепочечные анионы, такие как орто- и метасиликат, хорошо растворяются в воде. Они образуют несколько твердых гидраты при кристаллизации из раствора. Растворимый силикаты натрия и их смеси, известные как стакан воды на самом деле важны промышленная и бытовая химия. Силикаты нещелочных катионов или с листовыми и трехмерными полимерными анионами обычно имеют незначительную растворимость в воде при нормальных условиях.

Реакции

Силикатные анионы формально являются сопряженными основаниями кремниевые кислоты. Например, ортосиликат можно рассматривать как четырехслойный депротонированный ортокремниевая кислота Si (ОН)
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 следующие: гидролиз /конденсация

≡Si – O – Si≡ + ЧАС
2О ↔ ≡Si – OH + HO – Si≡
= Si = O + ЧАС
2О ↔ =Si (–OH)
2

и протонирование / депротонирование

≡Si – OH ↔ ≡Si–О−
 + ЧАС+
.

Равновесие может сместиться в сторону более крупных анионов за счет увеличения концентрации силиката и / или кислотность среды. Например, предполагается, что ортосиликатный анион является преобладающей формой кремнезем естественно растворяется в морская вода, концентрация которых ниже 100 частей на миллион; а также при растворении кремнезема в избытке оксид натрия при pH 12 и более.[2][3] В более высоких или низких концентрациях pH, преобладают полимерные анионы.

В пределе силикат-анионы сливаются в трехмерную сетку кремниевых тетраэдров, причем большинство атомов кислорода образуют ковалентные мостики; который представляет собой некоторую форму кремнезема, например силикагель, смешанный с водой.

Обнаружение

Силикатные анионы в растворе реагируют с молибдат анионы, дающие желтый цвет силикомолибдат комплексы. При типичном приготовлении мономерный ортосиликат полностью прореагировал за 75 секунд; димерный пиросиликат за 10 минут; и выше олигомеры значительно дольше. В частности, реакция не наблюдается с суспензиями коллоидный кремнезем.[3]

Образование цеолита

Природа растворимых силикатов важна для понимания биоминерализация и синтез алюмосиликатов, таких как промышленно важные катализаторы называется цеолиты.[2]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0-08-037941-8.
  2. ^ а б c Knight, Christopher T. G .; Balec, Raymond J .; Кинрейд, Стивен Д. (2007). «Структура силикатных анионов в водных щелочных растворах». Angewandte Chemie International Edition. 46: 8148–8152. Дои:10.1002 / anie.200702986.
  3. ^ а б Г. Б. Александер (1953): «Реакция низкомолекулярных кремниевых кислот с молибденовой кислотой». Журнал Американского химического общества, том 75, выпуск 22, страницы 5655–5657. Дои:10.1021 / ja01118a054