Language
Country/Area
No result found
Секрет силикатов: почему соединение кремния и кислорода настолько прочное?
Силикаты — важные химические соединения, в основном состоящие из кремния и кислорода, и соединения этих двух элементов широко распространены на Земле. Они не только существуют в природе в виде минералов, но и широко используются в промышленности и повседневной жизни. Таким образом, более глубокое понимание структуры и химии силикатов может помочь нам понять их потенциальное применение и то, почему эти соединения могут выдерживать экстремальные условия.
Структура силикатов основана на идеализированном тетраэдре с атомом кремния в центре и четырьмя атомами кислорода по углам, соединенными одинарными ковалентными связями.
Структурные принципы
В большинстве силикатов атом кремния образует прочные, стабильные связи с четырьмя атомами кислорода. Эта структура производит очень прочные материалы, которые с геологической точки зрения ведут себя как горные породы. Классификация силикатов зависит главным образом от длины и сшивки силикатных анионов. Вот некоторые из основных типов силикатов:
Изолированные силикаты
Изолированный тетраэдрический силикатный анион имеет химическую формулу SiO4−4 и встречается в таких минералах, как оливин ((Mg,Fe)2 sub>SiO4). В этой группе два или более атома кремния могут совместно использовать атомы кислорода, образуя более сложные анионы, такие как пиросиликат Si2O6−7.
Цепочечные силикаты представляют собой структуры, в которых каждый атом кремния делит два атома кислорода, что приводит к образованию прямой цепочечной или кольцевой структуры. Например, распространенным минералом в одноцепочечных силикатах является пироксен, а представителем двухцепочечных силикатов является роговая обманка.
В листовых силикатах каждый атом кремния делит три атома кислорода, образуя двумерную структуру. Такая структура обеспечивает им прочную плоскость спайности. Например, к этой категории относятся такие слюды, как мусковит и биотит.
В каркасных силикатах (т. е. структурных силикатах) каждый тетраэдр делит свои четыре атома кислорода, образуя трехмерную структуру. К этому типу относятся кварц и полевой шпат.
Хотя тетраэдрическая геометрия является обычной координационной геометрией для соединений кремния (IV), кремний может существовать и в более высоких координационных числах. Например, в гексафторосиликате SiF6−2 атом кремния окружен шестью атомами фтора в октаэдрическом расположении.
При чрезвычайно высоком давлении геометрия кремния изменяется, и даже диоксид кремния в некоторых минералах высокого давления, таких как гранат, принимает шестикоординированную октаэдрическую геометрию.
Силикаты химически инертны, что делает их относительно стабильными в качестве распространенных минералов. В некоторых промышленных применениях силикаты реагируют с другими оксидами металлов и водой, образуя конструкционные материалы, такие как цемент. С другой стороны, растворимость силикатов варьируется в зависимости от природы аниона, а некоторые типы силикатов растворимы в воде и в дальнейшем используются в различных областях применения жидкой химии.
Реакции силикатов, как правило, стабильны и могут использоваться для обнаружения их форм в растворе. При взаимодействии с молибдат-анионами образуются желтые кремнемолибдатные комплексы. Это дает метод изучения роли силикатов в природе, причем скорости реакций силикатов с различной степенью полимеризации различаются.
Растворимость силикатов имеет решающее значение для понимания биоминерализации и синтеза промышленно важных катализаторов, таких как цеолиты. В геологии силикаты могут предоставить ключевую информацию для различных конкретных сред и продемонстрировать потенциал в снижении выбросов CO2 в промышленных применениях, таких как производство цемента и бетона.
По мере того, как мы лучше изучаем силикаты, мы можем эффективнее использовать эти распространенные и важные материалы в природе. Однако это также поднимает вопрос: как мы можем более эффективно использовать силикаты для содействия устойчивому развитию в условиях глобальных экологических проблем?
Цепной силикат
Листовой силикат
Каркасный силикат
Нететраэдрический силикат
Химические свойства
Реакция и обнаружение
Геологическое и промышленное значение
Заключение
