Силикаты и алюмосиликаты
Тетраэдры и их сочетания
В основе строения силикатов лежит кремнекислородный тетраэдр \(\ce{SiO4^4-}\): атом кремния окружён четырьмя атомами кислорода. Тетраэдры могут оставаться обособленными или соединяться общими атомами кислорода. От способа их соединения зависит состав аниона и строение силиката.
Если тетраэдры не имеют общих атомов кислорода, образуется островная структура. Два соединённых тетраэдра образуют диортосиликатный анион. При дальнейшем соединении возникают кольца, цепи, ленты, слои и пространственные каркасы. Примеры этих структур приведены в таблице.
| Тип строения | Анион или состав каркаса | Пример |
|---|---|---|
| Островные силикаты | Обособленный тетраэдр \(\ce{SiO4^4-}\). | К ним относятся оливин \(\ce{(Mg,Fe)2SiO4}\) и гранаты. |
| Диортосиликаты | Два соединённых тетраэдра образуют \(\ce{Si2O7^6-}\). | К ним относится тортвейтит. |
| Кольцевые силикаты | Тетраэдры образуют кольцо \(\ce{Si6O18^12-}\). | Берилл \(\ce{Be3Al2Si6O18}\) имеет разновидность, которую называют изумрудом. |
| Цепочечные силикаты | Повторяющееся звено цепи записывают как \(\ce{(SiO3)_n^{2n-}}\). | К ним относятся пироксены, например \(\ce{CaMgSi2O6}\). |
| Ленточные силикаты | Состав ленты выражает формула \(\ce{(Si4O11)_n^{6n-}}\). | К ним относятся амфиболы, в том числе амфиболовые асбесты. |
| Слоистые силикаты | Состав слоя выражает формула \(\ce{(Si2O5)_n^{2n-}}\). | Такое строение имеют тальк, слюда и каолинит. |
| Каркасные соединения | Кремниевый каркас имеет состав \(\ce{SiO2}\). | Кварц имеет кремниевый каркас; полевые шпаты и цеолиты содержат также алюминий. |
boltКак рассчитать заряд
Изолированный тетраэдр \(\ce{SiO4}\) имеет заряд \(-4\). Когда два тетраэдра соединяются, один атом кислорода становится для них общим. Поэтому каждый такой мостиковый атом кислорода уменьшает модуль суммарного заряда на 2, как и при соединении фосфатных тетраэдров (урок 139). В цепи из \(n\) тетраэдров имеется \(n - 1\) общих атомов кислорода, поэтому её заряд равен \(-4n + 2(n - 1) = -(2n + 2)\). В кольце или бесконечной цепи число общих атомов кислорода равно числу тетраэдров, поэтому заряд соответствующего фрагмента равен \(-2n\).
auto_awesomeАсбест
Асбестом называют волокнистые силикаты. Хризотил имеет слоистое строение, а амфиболовые асбесты имеют ленточное строение. Эти материалы прочны и не горят, поэтому их применяли в изоляции, тормозах и шифере. Однако тонкие волокна при попадании в лёгкие могут вызывать рак, в том числе мезотелиому. Во многих странах асбест запрещён; правильная утилизация старых асбестовых материалов остаётся важной экологической задачей.
Строение силиката помогает понять не только его формулу, но и поведение в реакциях. Например, при действии кислот на силикаты может образоваться кремниевая кислота.
scienceСиликаты в реакциях
- \(\ce{Na2SiO3 + 2HCl -> 2NaCl + H2SiO3 v}\) — при действии соляной кислоты образуется гель кремниевой кислоты; после высушивания геля получают силикагель.
- \(\ce{Na2SiO3 + CO2 + H2O -> Na2CO3 + H2SiO3 v}\) — углекислый газ воздуха реагирует с силикатом натрия, поэтому «жидкое стекло» затвердевает.
- \(\ce{Mg2SiO4 + 4HCl -> 2MgCl2 + H4SiO4}\) — при действии соляной кислоты островной силикат разлагается с образованием кремниевой кислоты.
Алюмосиликаты
В некоторых силикатах часть атомов кремния в тетраэдрах замещена атомами алюминия. Так образуются алюмосиликаты. Поскольку алюминий имеет меньший положительный заряд, чем кремний, при таком замещении каркас приобретает отрицательный заряд. Его компенсируют катионы, расположенные в пустотах каркаса.
edit_noteСостав полевого шпата
Состав кварца \(\ce{SiO2}\) можно записать для четырёх атомов кремния как \(\ce{Si4O8}\). Если один атом кремния в таком каркасе заместить атомом алюминия, получится фрагмент \(\ce{[AlSi3O8]-}\). Его отрицательный заряд компенсирует катион калия: таков состав ортоклаза \(\ce{KAlSi3O8}\). После удвоения формулы состав ортоклаза можно выразить через оксиды: \(\ce{K2O*Al2O3*6SiO2}\). Полевые шпаты составляют около 60 % земной коры.
К каркасным алюмосиликатам относятся и цеолиты. Их каркасы содержат каналы и полости молекулярного размера. Катионы в цеолитах легко обмениваются, поэтому цеолиты применяют для умягчения воды; в стиральных порошках они заменили фосфаты. Поры цеолитов пропускают молекулы определённого размера. Благодаря этому цеолиты служат молекулярными ситами при осушке газов, а также применяются в катализе при крекинге нефти.
При выветривании полевых шпатов образуются глинистые минералы. Например, образование каолинита описывает уравнение \(\ce{2KAlSi3O8 + CO2 + 2H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 4SiO2 + K2CO3}\). Калий при этом переходит в раствор; так он попадает в почвы. Каолинит относится к минералам, составляющим глины.
boltОксидная форма записи
Состав силиката удобно выражать через оксиды. Для ортоклаза такую запись получают после удвоения числа атомов в формуле: \(\ce{KAlSi3O8 -> K2O*Al2O3*6SiO2}\). Стрелка здесь обозначает пересчёт формулы, а не химическую реакцию. Правильность записи проверяют по условию электрической нейтральности: сумма положительных зарядов катионов должна равняться удвоенному числу атомов кислорода.
Стекло и цемент
Силикаты входят в состав не только минералов, но и материалов, которые человек получает из природного сырья. Стекло представляет собой аморфный, то есть некристаллический, силикат. Оконное стекло имеет приблизительный состав \(\ce{Na2O*CaO*6SiO2}\). Его получают из песка, соды и известняка при 1500 °C; суммарный процесс выражает уравнение \(\ce{Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 ->[t] Na2O*CaO*6SiO2 + 2CO2}\).
Состав стекла можно изменять в зависимости от его назначения. Боросиликатное стекло с \(\ce{B2O3}\) выдерживает перепады температуры, поэтому из него делают лабораторную посуду. Свинцовое стекло, или хрусталь, сильно преломляет свет. Добавки металлов придают стеклу окраску: кобальт — синюю, хром — зелёную, золото — рубиновую.
Другой важный материал на основе силикатов — портландцемент. Его получают из измельчённого клинкера, который образуется при обжиге смеси известняка и глины при 1450 °C. Клинкер содержит силикаты кальция \(\ce{Ca3SiO5}\) и \(\ce{Ca2SiO4}\), а также алюминат \(\ce{Ca3Al2O6}\). При смешивании цемента с водой эти вещества медленно гидратируются. Образующиеся гидросиликаты кальция связывают частицы материала, и он твердеет. Один из процессов гидратации упрощённо выражает уравнение \(\ce{2Ca3SiO5 + 6H2O -> 3CaO*2SiO2*3H2O + 3Ca(OH)2}\).
history_eduРимский бетон
Римляне строили из смеси извести с вулканическим пеплом — пуццоланой. Бетон Пантеона сохраняется почти 1900 лет. В исследовании 2023 года предложено одно из объяснений его долговечности: в бетоне остаются включения непрореагировавшей извести. Когда в трещину попадает вода, она взаимодействует с этими включениями, а образующийся кальцит заполняет трещину. Так проявляется способность бетона к самовосстановлению.
auto_awesomeСтекло — жидкость?
Иногда утверждают, что старинные витражи толще внизу потому, что за века стекло якобы медленно перетекло вниз. Это миф: стекло тогда получалось неравномерной толщины, и мастера вставляли более толстый край вниз. При комнатной температуре вязкость стекла настолько велика, что даже за возраст Вселенной оно не сместилось бы заметно.
push_pinГлавное
Основу строения силикатов составляет тетраэдр \(\ce{SiO4^4-}\). Обособленные тетраэдры образуют островные силикаты, например оливин; соединение двух тетраэдров приводит к диортосиликатам \(\ce{Si2O7^6-}\). Тетраэдры могут также образовывать кольца и цепи \(\ce{(SiO3)_n^{2n-}}\), характерные, в частности, для пироксенов, ленты амфиболов и асбестов, слои \(\ce{(Si2O5)_n^{2n-}}\) в слюде, тальке и глинах и каркасы \(\ce{SiO2}\). При замещении \(\ce{Si^4+}\) на \(\ce{Al^3+}\) каркас получает отрицательный заряд, который компенсируют катионы; так устроены полевые шпаты, например \(\ce{KAlSi3O8}\), и цеолиты. Состав полевого шпата можно выразить оксидной формой \(\ce{K2O*Al2O3*6SiO2}\). Стекло представляет собой аморфный силикат, а цемент содержит силикаты и алюминаты кальция, которые при гидратации обеспечивают его твердение.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.