Кіріспе
Кез келген кремний және оттегін қамтитын полиатомдық анион.
Химияда силикат – кремний мен оттегіден тұратын полиатомдық аниондар отбасының кез келген мүшесі, әдетте жалпы формуласы , мұнда 0 ≤ x < 2. Отбасыға ортосиликаттар: SiO4 (x=0), метасиликаттар: SiO3 (x=1) және пиросиликаттар: Si2O7 (x=0.5, n=2) жатады. Бұл атау сондай-ақ мұндай аниондардың тұздарына, мысалы, натрий метасиликатына; немесе тиісті химиялық топты қамтитын кез келген эфирге, мысалы, тетраметил ортосиликатына қолданылады. Теріс зарядталған оттегі атомдары басқа катиондармен (Mn+) байланысады. Бұл Si-O-M-O-Si байланысы берік және қатаң, және осы қасиеттер тас силикаттарында көрінеді. Силикаттарды силикат аниондарының ұзындығы мен байланыс түріне қарай жіктеуге болады.
Оқшауланған силикаттар
Оқшауланған ортосиликат аниондарының формуласы SiO44−. Бұл топтағы кең таралған минерал – оливин (|(Mg,Fe)2SiO4). Екі немесе одан көп кремний атомдары әртүрлі тәсілдермен оттегі атомдарын ортақ пайдаланып, пиросиликат сияқты күрделірек аниондарды құрай алады.
Тізбектер
Әр кремнийге екі ортақ оксид байланысса, циклдік немесе полимерлік құрылымдар пайда болуы мүмкін. Циклді метасиликат сақинасы – SiO32 тетраэдрлерінің гексамері. Полимерлік силикат аниондары да ұзын тізбектер түрінде кездесе алады. Бір тізбекті силикаттарда, иносиликаттардың бір түрінде, тетраэдрлер әрқайсысы екі оттегі атомын бөлісіп тізбек құрайды. Бұл топтағы кең таралған минерал – пироксен. Екі тізбекті силикаттар, иносиликаттардың екінші санаты, тетраэдрлер әрқайсысы екі немесе үш оттегі атомын бөлісіп қос тізбек құрағанда (әрқашан емес, бірақ көбінесе) пайда болады. Бұл топқа жататын кең таралған минералдар – амфиболдар.
Беттер
Филосиликаттар деп аталатын бұл топтағы тетраэдрлердің бәрі үш оттегі атомын ортақ пайдаланады және олар бірігіп екі өлшемді жапырақтарды құрайды. Осы құрылымның нәтижесінде, осы топқа жататын минералдардың біреуі анық бөліну жазықтығы болады. Микалар осы топқа кіреді. Мусковит пен биотиттің екеуінің де өте жұқа қабаттары бар, оларды жапырақтар түрінде айыруға болады.
Негізгі ережелер
Тектосиликат деп аталатын каркастық силикатта әр тетраэдр көршілерімен барлық 4 оттегі атомын бөлісіп, 3D құрылымды қалыптастырады. Кварц және фельдспаттар осы топқа жатады.
Кремнийді тетраэдрлі емес силикаттар
Тетраэдр кремнийдің (IV) қосылыстары үшін кең таралған координациялық геометрия болғанымен, кремний жоғары координациялық сандармен де кездесе алады. Мысалы, гексафторсиликат анионы SiF62−-де кремний атомы алты фтор атомымен октаэдрлік құрылымда қоршалған. Бұл құрылым таумасит минералында кездесетін гексагидроксисиликат анионында да байқалады. Таумасит – табиғатта сирек кездесетін, бірақ кейде цемент және бетон конструкцияларында, сазды топырақта тотыққан пириттері бар жерлерде күшті сульфаттық әсерге ұшыраған жағдайда пайда болатын басқа кальций силикат гидраттарының арасында кездеседі. Жер қыртысының көп бөлігіндегідей өте жоғары қысымда, SiO2 тіпті стишовит минералында алты координациялық октаэдрлік геометрияны қабылдайды. Стишовит – Жердің төменгі мантиясында табылған және метеориттердің соқтығысы кезінде түзілген кремнийдің тығыз полиморфы.
Химиялық қасиеттері
Сілті металл катиондары және кішкентай немесе тізбектей аниондары бар силикаттар, мысалы натрий орто және метасиликаты, суда жақсы ериді. Олар ерітіндіден кристалданып, бірнеше қатты гидраттар түзеді. Сулы шыны деп белгілі, ерітілетін натрий силикаттары мен олардың қоспалары маңызды өнеркәсіптік және тұрмыстық химиялық заттар болып табылады. Сілті емес катиондары бар немесе жапырақша тәрізді және үш өлшемді полимерлік аниондары бар силикаттар, қалыпты жағдайда суда көбінесе еритін болмайды.
Реакциялар
Силикаттар көбінесе химиялық жағынан белсенді емес. Сондықтан олар көп кездесетін минералдар. Олардың серпімділігі де оларды құрылыс материалдары ретінде қолдануға ыңғайлы. Егер кальций оксидтері мен сумен өңделсе, силикат минералдары Портланд цементін құрайды. Силикат минералдарының гидролизіне қатысты тепе-теңдіктерді зерттеу қиын. Басты мәселе – SiO44 және оның түрлі протонталған формаларының өте төмен ерігіштігі. Мұндай тепе-теңдіктер геологиялық мерзімдерде жүретін процестерге қатысты. Кейбір өсімдіктер силикаттарды ерітетін лигандтар бөліп шығарады, бұл биоминералдану процесінің бір кезеңі.
Анықтау
Ерітіндідегі силикат аниондары молибдат аниондарымен әрекеттесіп, сары түсті силикомолибдат кешендерін түзетін болады. Типтік дайындамада мономерлік ортосиликат 75 секунд ішінде, димерлік пиросиликат 10 минут ішінде, ал жоғары олигомерлер анағұрлым ұзақ уақытта толыққанды түрде реакцияға түсетіні анықталды. Атап айтқанда, бұл реакция коллоидты кремнийдің суспензиясында байқалмайды. Алюминат аниондарымен қатар, ерітілген силикат аниондары да геополимерлердің полимерлену механизмінде маңызды рөл атқарады. Геополимерлер – аморфты алюминосиликаттар, оларды өндіру үшін қарапайым Портленд цементіне қарағанда аз энергия жұмсалады. Осылайша, геополимерлік цементтер Жер атмосферасына зиянды газдар шығарылуын және осы парниктік газдардың салдарынан туындайтын жаһандық жылынуды шектеуге көмектесе алады.