Введение

В химии, силикат – это любой представитель семейства полиатомных анионов, состоящих из кремния и кислорода, обычно с общей формулой , где 0 ≤ x < 2. В это семейство входят ортосиликаты (SiO4, x = 0), метасиликаты (SiO3, x = 1) и пиросиликаты (Si2O7, x = 0,5). Это название также используется для любой соли, содержащей такие анионы, например, метасиликат натрия, или любого сложного эфира, содержащего соответствующую химическую группу, например, тетраметилортосиликат. Атомы кислорода, несущие частичный отрицательный заряд, соединяются с другими катионами (Mn+). Связь Si-O-M-O-Si прочная и жесткая, что обуславливает свойства, характерные для силикатных пород. Силикаты можно классифицировать по длине и степени сшивки силикатных анионов.

Изолированные силикаты

Изолированные ортосиликатные анионы имеют формулу SiO₄⁴⁻. Обычный минерал в этой группе — оливин (Mg,Fe)₂SiO₄. Два или более атомов кремния могут разделять атомы кислорода различными способами, образуя более сложные анионы, такие как пиросиликат.

Цепи

При наличии двух общих оксидов, связанных с каждым атомом кремния, могут образовываться циклические или полимерные структуры. Циклическое метасиликатное кольцо является гексамером SiO₃²⁻. Полимерные силикатные анионы также могут существовать в виде длинных цепей. В одноцепочечных силикатах, являющихся типом иносиликатов, тетраэдры соединяются, образуя цепь, посредством совместного использования двух атомов кислорода каждый. Распространенным минералом в этой группе является пироксен. Силикаты двойной цепи, другая категория иносиликатов, образуются, когда тетраэдры формируют двойную цепь (не всегда, но чаще всего) путем совместного использования двух или трех атомов кислорода каждый. Типичными минералами для этой группы являются амфиболы.

Листы

В этой группе, известной как филлосиликаты, каждый тетраэдр разделяет три атома кислорода с соседними тетраэдрами и, в свою очередь, соединяется с ними, образуя двухмерные слои. Такая структура обуславливает наличие у минералов этой группы одной плоскости совершенного спайности. Мики входят в эту группу. Как мусковит, так и биотит имеют очень слабые слои, которые можно отслаивать в виде листов.

Основные положения

В каркасном силикате, известном как тектосиликат, каждый тетраэдр разделяет все 4 атома кислорода со своими соседями, формируя трехмерную структуру. Кварц и полевые шпаты относятся к этой группе.

Силикаты с нететраэдрическим кремниевым элементом

Хотя тетраэдр является распространенной координационной геометрией для соединений кремния(IV), кремний также может встречаться с более высокими координационными числами. Например, в анионе гексафторсиликата SiF62− атом кремния окружен шестью атомами фтора в октаэдрической конфигурации. Эта структура также наблюдается в гексагидроксисиликатном анионе Si(OH)62−, который встречается в таумазите – минерале, редко встречающемся в природе, но иногда обнаруживаемом среди других гидратов силиката кальция, искусственно образующихся в цементе и бетонных конструкциях, подвергшихся сильной сульфатной коррозии в глинистых грунтах, содержащих окисленный пирит. При очень высоком давлении, характерном для большей части земной коры, даже SiO2 принимает шестикоординированную октаэдрическую геометрию в минерале стишовите – плотном полиморфе диоксида кремния, обнаруженном в нижней мантии Земли и также образующемся при ударном воздействии метеоритов.

Химические свойства

Силикаты с щелочными катионами и малыми или цепочечными анионами, такие как орто- и метасиликат натрия, достаточно растворимы в воде. При кристаллизации из раствора они образуют несколько твердых гидратов. Растворимые силикаты натрия и их смеси, известные как жидкое стекло, являются важными промышленными и бытовыми химикатами. Силикаты нещелочных катионов или с анионами слоистой и трехмерной полимерной структуры, как правило, практически нерастворимы в воде при обычных условиях.

Реакции

Силикаты обычно химически инертны. Поэтому они широко распространены в качестве минералов. Их упругость также делает их подходящими для использования в качестве строительных материалов. При взаимодействии с оксидами кальция и водой силикатные минералы образуют портландцемент. Изучение равновесий, связанных с гидролизом силикатных минералов, представляет собой сложную задачу. Основная проблема заключается в крайне низкой растворимости SiO44 и его различных протонированных форм. Эти равновесия важны для понимания процессов, протекающих в геологических временных масштабах. Некоторые растения выделяют лиганды, способствующие растворению силикатов, что является этапом биоминерализации.

Обнаружение

Силикатные анионы в растворе реагируют с молибдат-анионами, образуя жёлтые силикат-молибдатные комплексы. В типичном случае мономерный ортосиликат полностью прореагировал за 75 секунд, димерный пиросиликат – за 10 минут, а более высокие олигомеры – за значительно большее время. В частности, реакция не наблюдается с суспензиями коллоидного кремнезёма. Наряду с алюминат-анионами, растворимые силикатные анионы также играют важную роль в механизме полимеризации геополимеров. Геополимеры представляют собой аморфные алюмосиликаты, производство которых требует меньше энергии, чем производство обычного портландцемента. Следовательно, геополимерные цементы могут способствовать сокращению выбросов в атмосферу Земли и глобальному потеплению, вызванному этим парниковым газом.