Silicat

Silicat

Estructura del anión ortosilicato SiO4−
4

En química, un silicat és qualsevol membre d'una família d'aniones que consistix en silici i oxigen, generalment en la fòrmula general [SiO]
n, a on 0 ≤ x < 2. La família inclou ortosilicato SiO4−
4 (x = 0), metasilicato SiO2−
3 (x = 1), i pirosilicato Si
2O6−
7 (x = 0.5, n = 2). El nom també s'usa per a qualsevol sal de tals aniones, com el metasilicato de sodi; o qualsevol éster que continga el grup químic corresponent, com l'ortosilicato de tetrametilo. Els aniones de silicat són a sovint molècules polimèriques grans en una gran varietat d'estructures, incloses cadenes i anells (com en el metasilicato polimèric [SiO]
n), cadenes dobles (com en [Si]
n), i fulls (com en [Si]
n). En geologia i astronomia, el terme silicat s'usa per a referir-se a minerals de silicat, sòlits iònics en aniones de silicat; aixina com els tipos de rocas que consistixen predominantment en tals minerals. En eixe context, el terme també inclou el compost no iònic diòxit de silici SiO
2 (sílice, cuarzo), que correspondria a x = 2 en la fòrmula general. El terme també inclou minerals a on l'alumini o atres àtoms tetravalents reemplacen alguns dels àtoms de silici, com en els aluminosilicatos. Tals silicat comprenen la major part de la corfa i el mant, aixina com els atres planetes terrestres, Satèlit naturallunes rocoses i asteroides. Els silicat són materials extremadament importants, es troben en materials tant naturals (roques com el granit o minerals com el granate) com a artificials (com ciment Portland, ceràmica, vidre i cristalíquit), per a tot tipo d'activitats tecnològiques i artístiques. El nom "silicat" a voltes s'estén als aniones que contenen silici, inclús si no s'ajusten a la fòrmula general o contenen atres àtoms ademés de l'oxigen; tals com l'hexahidroxisilicato [Si(OH)
6]2−
o hexafluorosilicato [SiF
6]2−
.

Principis estructurals

Modelació com a tetraedre per a compartir cantons

En els silicat més comunament trobats, inclosos casi tots els minerals de silicat trobats en la corfa terrestre, cada àtom de silici ocupa el centre d'un tetraedre idealizado els cantons del qual són quatre àtoms d'oxigen, conectats a ell per enllaços covalente únics d'acort en la regla de l'octet. Estos tetraedres poden aparéixer com aniones d'ortosilicatos aïllats SiO4−
4, pero es poden unir dos o més àtoms de silici en àtoms d'oxigen de vàries maneres, per a formar aniones més complexos, com el pirosilicato Si
2O6−
7 o l'hexámero d'anell de metasilicato Si
6O12−
18. Els aniones de silicat polimèric de tamanys arbitrariamente grans poden tindre cadenes, cadenes dobles, làmines o estructures tridimensionals. Típicament, cada àtom d'oxigen que no aporta una càrrega negativa al anión és un pont entre dos àtoms de silici. L'estructura de tals aniones es descriu i descriu comunament com a consistent en tetraedres centrats en silici conectats pels seus vèrtiços, de tal manera que cada vèrtiç és compartit per com a molt dos tetraedres.

Silicat en silici no tetraèdric

Encara que el tetraedre és la geometria de coordinació comuna per als composts de silici, el silici també pot ocórrer en número més alts. Per eixemple, en el anión hexafluorosilicato SiF2−
6, l'àtom de silici està rodejat per sis àtoms de flúor en una disposició octaèdrica. Esta estructura també es veu en el anión hexahidroxisilicato Si(OH)2−
6 que ocorre en la thaumasita, un mineral que rara volta es troba en la naturalea pero que a voltes s'observa entre uns atres hidrats de silicat de calcio formats artificialment en ciment i concret somesos a un atac de sulfat sever. A una pressió molt alta, inclús el SiO₂ adopta la geometria octaèdrica coordinada en sis en la mineral stishovita, un polimorfo dens de sílice que es troba en el mant inferior de la Terra i també es forma per choc durant els impactes de meteorits.

Propietats químiques

Els silicat sòlits són generalment estables i ben caracterisats. Els silicat en cationes alcalinos i aniones chicotets o anàlecs a cadenes, com l'orto i metailicato de sodi, són prou solubles en aigua. Formen varis hidrats sòlits quan es cristalizan de la solució. Els silicat de sodi solubles i les seues mescles, són de fet importants químics industrials i domèstics. Els silicat de cationes no alcalinos, o en aniones polimèrics laminados i tridimensionals, generalment tenen una solubilidad insignificant en aigua en condicions normals.

Reaccions

Els aniones de silicat són formalment les bases conjugades dels àcits silícicos. Per eixemple, el ortosilicato es pot vore com l'àcit ortosilícico desprotonado cuádruple Si(OH)
4. Els àcit silícicos són generalment molt dèbils i no poden aïllar-se en forma pura. Existixen en solució acuosa, com a mescles d'aniones condensados i parcialment protonados, en un equilibri dinàmic. Els processos generals en este equilibri són l'hidrólisis/condensació.

≡Si–O–Si≡ + H
2O ↔ ≡Si–OH + HO–Si≡

=Si=O + H
2O ↔ =Si(–OH)
2

i protonación/desprotonación

≡Si–OH ↔ ≡Si–O−
+ H+
. L'equilibri pot desplaçar-se cap a aniones més grans en aumentar la concentració de silicat i/o l'acidea del mig. Se supon que el anión d'ortosilicato, per eixemple, és la forma predominant de sílice dissolta naturalment en aigua de mar, la concentració de la qual és inferior a 100 parts per milló; i també quan la sílice es dissol en un excés d'òxit de sodi a pH 12 o més. En concentracions més altes o pH baix, predominen els aniones polimèrics. En ellímit, els aniones de silicat es fusionen en una ret tridimensional de tetraedres de silici, en la majoria dels àtoms d'oxigen com a ponts covalente; que és alguna forma de sílice, com el gel de sílice, mesclat en aigua.

Detecció

Els aniones de silicat en solució reaccionen en els aniones de molibdato produint complexos grocs de silicomolibdato. En una preparació típica, es va trobar que el ortosilicato monomérico reaccionava completament en 75 segons; pirosilicato dimérico en 10 minuts; i oligómeros superiors en un temps considerablement més llarc. En particular, la reacció no s'observa en suspensions de sílice coloidal.

Formació de zeolita i polimerisació de geopolímers

La naturalea dels silicat solubles és rellevant per a comprendre la biomineralización i la síntesis d'aluminosilicatos, com els catalisadors industrialmente importants cridats zeolitas. Junt en l'anión aluminato, els aniones de silicat solubles també eixerciten un paper important en el mecanisme de polimerisació dels geopolímers. Els geopolímers són aluminosilicatos amorfos la producció de la qual requerix menys energia que la del ciment Portland ordinari. Aixina que, els ciment geopolímers podrien contribuir a llimitar les emissions de CO₂ en l'atmòsfera terrestre i el calfament global causat per este gas d'efecte hivernàcul.

Classificació mineralògica i estructural

Els geólogos han considerat durant molt temps que els silicat de la Terra eren sals d'àcit silícico produïdes per la dissolució de diòxit de silici. Ara els veuen com les estructures químiques resultants de la combinació d'oxigen i silici (o inclús alumini en el cas dels aluminosilicatos), formant tetraedres (Si,Al) O₄ units entre sí per un o varis àtoms d'oxigen o per catións (estos, com a Mg, Fe, A l'es troben en els centres d'octaedres cuasi-regulars).

Els silicat poden classificar-se segons varis criteris, pero les dos classificacions més utilisades en mineralogia es basen en la seqüència de tetraedres:

• la classificació topoquímica (classificació de Machatski-Bragg) es basa en la seqüència de tetraedres, en la que el silici i l'alumini poden donar lloc a isomorfo substitució; els tetraedres en els que només està present l'alumini es denominen heterotetraedros;
• la classificació topològica (classificació de Zoltai) es basa en la seqüència de tetraedres centrats en qualsevol catión. Les subcategoría definides per estos dos criteris són les mateixes i, en la majoria dels casos, el resultat final també ho és. No obstant, en el cas dels aluminosilicatos l'estructura dels quals inclou tetraedres centrats en cationes distints del silici i l'alumini, les dos classificacions divergixen. Els principals grups d'aluminosilicatos són:
• Nesosilicatos (o ortosilicatos): els tetraedres no tenen cap vèrtiç comú, sino només en atres poliedres; els aniones pertanyen tots als tetraedres. Eixemples: circón, olivinos, granates ;
  • Nesosubsilicatos: com en els nesosilicatos, els tetraedres no tenen un vèrtiç comú, pero ací l'estructura també inclou aniones que no pertanyen als tetraedres. Eixemples: cianita, andalucita, sillimanita, estaurotida, topacio, titanita (esfeno) ;
• Sorosilicatos: dos tetraedres compartixen un vèrtiç i formen un grup [Si₂ O₇]^6-. Eixemples: epidotas, melita, thortveitita, hemimorfita ;
• Ciclosilicatos: l'estructura es compon d'anells aïllats de 3, 4 o 6 tetraedres. Eixemples: turmalina, berilo, cordierita, dioptasa;
• Inosilicatos: els tetraedres estan associats en cadenes o cintes. Eixemples: piroxenos, anfíbols, piroxenoides, anfiboloides.
• Filosilicatos: els tetraedres compartixen tres vèrtiços de quatre i formen una làmina bidimensional. Eixemples: grup de la clorita, micas, talc, pirofilita, serpentina, caolinita;
• Tectosilicatos: els tetraedres tenen tots els seus vèrtiços en comú. Eixemples: cuarzo, tridimita, cristobalita, feldespats, feldespatoides, zeolitas, escapolitas. Les principals diferències entre la classificació topoquímica de Machatski-Bragg i la topològica de Zoltai es mostren en la següent taula.

Eixemples de diferències entre les dos classificacions d'aluminosilicatos. ^[4], ^[6] i ^[8] indiquen el número de cationes.

Mineral	Fòrmula	Classificació topoquímica (Machatski-Bragg)	Classificació topològica (Zoltai)	Hetero-tetraédro(s)
Petalita	[4]Li[4]A el[4]SiO4	phyllo	tecto	Al, Li
α-eucriptita	[4]Li[4]A el[4]SiO4	neso	tecto	Al, Li
Fenaquita	[4]Be2[4]SiO4	neso	tecto	Be
Willemita	[4]Zn2[4]SiO4	neso	tecto	Zn
Berilo	[6]A el2[4]Be3[4]Si6O18	cyclo	tecto	Be
Cordierita	[6]Mg2[4]A el3[4](AlSi5)O18	cyclo	tecto	A el
Hemimorfita	[4]Zn4[4]Si2O7(OH)2 • H2O	soro	tecto	Zn
Melita	[8]Cana[4]A el[4]Si2O7	soro	phyllo	A el
Sillimanita	[6]A el[4]A el[4]SiO5	neso	soro	A el

Silicat en astronomia

Certes estrelas rodejades de matèria circunestelar “freda”, per baix de la temperatura de sublimació de silicat, al voltant de 1500 K, presenten grans de pols formats formada per silicat. La seua presència es revela per llínees espectrals àmplies característiques dels silicat, en les bandes espectrals infrarrojas N i Q, en llongituts d'ona λ de 10 i 20 µm respectivament.

El perfil espectral d'estes llínees, que depén del tipo de silicat, de la geometria dels grans de pols i de la presència adicional d'atres composts (eixemple: gèl a menys de 300 K), dona informació sobre les condicions físic-químiques dels ambients estudiats. La presència de silicat s'atesta en freqüència al voltant de les estreles jóvens i de les estreles evolucionades, especialment en els discs d'acreció i les envoltura circunestelares. En particular, els silicat són els principals constituents dels planetes telúrics del sistema solar: Venus, la Terra, Mart i, en alguna menor mida, Mercurio.

Importància biogeoquímica i modelización

Sabem que el clima actua sobre l'erosió de les roques, i que també existixen bucles de retroalimentación que provoquen que els composts de l'erosió modifiquen el cicle del CO₂ (diòxit de carbono) i el carbono en l'oceà, i en conseqüència l'evolució del clima. La lixiviación de roques riques en silicat ha aumentat considerablement per les pràctiques humanes d'agricultura, silvicultura i ordenació del territori, incendis/cremes i, més en general, la transformació ecològica dels paisages. La pluja àcida i l'acidificació d'aigües dolces localment exacerban la dissolució de roques i sols. Estos fenomens contribuïxen a la degradació dels sols aigües dalt, pero també contribuïxen aigües avall a la formació de roques carbonatades en els oceans, i per tant a la transferència de CO₂ de l'atmòsfera a la litosfera (“sumidero de carbono” en este cas). L'erosió de les roques contribuïx al cicle del carbono en el context del canvi climàtic va justificar l'elaboració d'un mapa litològic mundial per a 6 grans tipos de roques per latitut, continent i conca de drenage oceànic, i per a 49 grans conques fluvials terrestres. Este treball cartogràfic es va combinar en els models disponibles del cicle del CO₂ per a evaluar la cantitat de CO₂ atmosfèric «consumit» per les roques durant el seu procés de meteorización i evaluar la alcalinidad aportada pels rius a l'oceà. S'ha demostrat que la meteorización de les roques ha variat considerablement en el passat en funció de les fases glaciars i interglaciars dels paleoclimas. Les roques de silicat inclouen pissarres i basalts semblen tindre una gran influència en la cantitat de CO₂ bombejada pel procés de meteorización dellit rocós.

Vore també

• Reacció álcali-sílice
• Cicle del carbono
• Cicle carbonat-silicat
• Acidificació de l'oceà