Силикаты и алюмосиликаты
Тетраэдры и их сочетания
| Тип | Анион | Пример |
|---|---|---|
| островной | \(\ce{SiO4^4-}\) | оливин \(\ce{(Mg,Fe)2SiO4}\), гранаты |
| диортосиликат | \(\ce{Si2O7^6-}\) | тортвейтит |
| кольцевой | \(\ce{Si6O18^12-}\) | берилл \(\ce{Be3Al2Si6O18}\) (изумруд) |
| цепочечный | \(\ce{(SiO3)_n^{2n-}}\) | пироксены, \(\ce{CaMgSi2O6}\) |
| ленточный | \(\ce{(Si4O11)_n^{6n-}}\) | амфиболы, асбест |
| слоистый | \(\ce{(Si2O5)_n^{2n-}}\) | тальк, слюда, каолинит |
| каркасный | \(\ce{SiO2}\) | кварц; с Al — полевые шпаты, цеолиты |
boltСчитаем заряд
Каждый тетраэдр \(\ce{SiO4}\) — заряд \(-4\); каждый мостиковый атом кислорода, общий для двух тетраэдров, уменьшает суммарный заряд по модулю на 2 (как у фосфатов, урок 139). Цепь из \(n\) тетраэдров: \(-4n + 2(n - 1) = -(2n + 2)\); кольцо или бесконечная цепь: \(-2n\).
auto_awesomeАсбест
Волокнистые силикаты (хризотил, амфиболовые асбесты) не горят и прочны — их применяли в изоляции, тормозах, шифере. Но тонкие волокна, попадая в лёгкие, вызывают рак (мезотелиому). Во многих странах асбест запрещён; правильно утилизировать старые асбестовые материалы — важная экологическая задача.
scienceСиликаты в реакциях
- \(\ce{Na2SiO3 + 2HCl -> 2NaCl + H2SiO3 v}\) — выпадает гель кремниевой кислоты; высушенный — силикагель.
- \(\ce{Na2SiO3 + CO2 + H2O -> Na2CO3 + H2SiO3 v}\) — «жидкое стекло» затвердевает на воздухе.
- \(\ce{Mg2SiO4 + 4HCl -> 2MgCl2 + H4SiO4}\) — островные силикаты разлагаются кислотами.
Алюмосиликаты
Алюминий может заменить кремний в тетраэдре. Тогда каркас получает лишний отрицательный заряд, который компенсируют катионы в пустотах.
edit_noteПолевой шпат
Кварц \(\ce{SiO2}\) = \(\ce{Si4O8}\); замена одного Si на Al даёт \(\ce{[AlSi3O8]-}\) — ортоклаз \(\ce{KAlSi3O8}\). В «оксидной» записи: \(\ce{K2O*Al2O3*6SiO2}\) (удвоенная формула). Полевые шпаты — около 60 % земной коры.
Цеолиты — каркасные алюмосиликаты с каналами и полостями молекулярного размера. Катионы в них легко обмениваются (умягчение воды — цеолиты заменили фосфаты в стиральных порошках), а поры пропускают лишь молекулы определённого размера — «молекулярные сита» для осушки газов и катализа (крекинг нефти).
Глины — продукт выветривания полевых шпатов: \(\ce{2KAlSi3O8 + CO2 + 2H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 4SiO2 + K2CO3}\) — каолинит; калий уходит в раствор (отсюда калий в почвах).
boltОксидная форма
Формулу силиката удобно записать как сумму оксидов: \(\ce{KAlSi3O8 -> K2O*Al2O3*6SiO2}\) (удвоить, чтобы получить целые коэффициенты). Проверка: сумма зарядов катионов = удвоенное число атомов кислорода.
Стекло и цемент
Стекло — аморфный (некристаллический) силикат. Оконное стекло ≈ \(\ce{Na2O*CaO*6SiO2}\): песок + сода + известняк при 1500 °C. \(\ce{Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 ->[t] Na2O*CaO*6SiO2 + 2CO2}\). Боросиликатное стекло (с \(\ce{B2O3}\)) выдерживает перепады температуры (лабораторная посуда); свинцовое (хрусталь) сильно преломляет свет; добавки металлов окрашивают стекло: кобальт — синий, хром — зелёный, золото — рубиновый.
Портландцемент — обожжённая при 1450 °C смесь известняка и глины (клинкер): силикаты кальция \(\ce{Ca3SiO5}\), \(\ce{Ca2SiO4}\), алюминат \(\ce{Ca3Al2O6}\). С водой они медленно гидратируются, образуя переплетённые кристаллы гидросиликатов кальция — камень. Упрощённо: \(\ce{2Ca3SiO5 + 6H2O -> 3CaO*2SiO2*3H2O + 3Ca(OH)2}\).
history_eduРимский бетон
Римляне строили из смеси извести с вулканическим пеплом (пуццоланой) — бетон Пантеона стоит почти 1900 лет. Секрет долговечности, как выяснили в 2023 году, — комочки непрореагировавшей извести: при появлении трещин вода растворяет их, и кальцит «заращивает» трещину. Самовосстанавливающийся бетон древности!
auto_awesomeСтекло — жидкость?
Популярный миф: старинные витражи толще внизу, потому что стекло «стекает» за века. На самом деле так их вставляли мастера (стекло тогда было неравномерной толщины). Вязкость стекла при комнатной температуре так велика, что за возраст Вселенной оно не сдвинулось бы заметно.
push_pinГлавное
Основной мотив силикатов — тетраэдр \(\ce{SiO4^4-}\). Соединение вершинами даёт: островные (\(\ce{SiO4^4-}\), оливин), диортосиликаты (\(\ce{Si2O7^6-}\)), кольца и цепи (\(\ce{(SiO3)_n^{2n-}}\), пироксены), ленты (амфиболы, асбест), слои (\(\ce{(Si2O5)_n^{2n-}}\), слюда, тальк, глины), каркасы (\(\ce{SiO2}\), полевые шпаты, цеолиты). Замена \(\ce{Si^4+}\) на \(\ce{Al^3+}\) в каркасе даёт отрицательный заряд, компенсируемый катионами (\(\ce{KAlSi3O8}\)). Оксидная форма записи: \(\ce{K2O*Al2O3*6SiO2}\). Стекло — аморфный силикат; цемент — силикаты и алюминаты кальция, твердеющие при гидратации.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.