Silikat

Silikat er i kjemien ethvert medlem av en familie av anioner som består av silisium og oksygen, vanligvis med den generelle formelen [SiO^(4−2x)−_4−x]_n, hvor 0 ≤ x <2. Familien inkluderer ortosilikat SiO⁴⁻₄ (x = 0), metasilikere SiO²⁻₃ (x = 1), og pyrosilikat Si₂O⁶⁻₇ (x = 0,5, n = 2). Navnet brukes også til salt av slike anioner, for eksempel natriummetasilikat; eller hvilken som helst ester som inneholder den tilsvarende kjemiske gruppen, så som tetrametylortosilikat.

Silikatanioner er ofte store polymere molekyler med en lang rekke strukturer, inkludert kjeder og ringer, doble kjeder og ark.

I geologi og astronomi brukes uttrykket silikat for å bety silikatmineraler, ioniske faste stoffer med silikatanioner; samt bergarter som hovedsakelig består av slike mineraler. I den sammenheng inkluderer begrepet også den ikke-ioniske forbindelsen silisiumdioksid (SiO₂; silika, kvarts), som vil tilsvare x = 2 i den generelle formelen. Begrepet inkluderer også mineraler der aluminium eller andre tetravalente atomer erstatter noen av silisiumatomene, som i aluminiumsilikatene. Slike silikater omfatter det meste av jordskorpen og mantelen, så vel som de andre landplaneter, steinete måner og asteroider.

Silikater er ekstremt viktige materialer, både naturlige (som granitt, grus og granat) og kunstige (som portlandsement, keramikk, glass og vannglass), for alle slags teknologiske og kunstneriske aktiviteter.

Navnet "silikat" blir noen ganger utvidet til alle anioner som inneholder silisium, selv om de ikke passer til den generelle formelen eller inneholder andre atomer foruten oksygen; slik som heksahydroksysilikat [Si(OH)₆]²⁻ eller heksafluorsilikat [SiF₆]²⁻.

Strukturelle prinsipper

Modellerer som tetraeder med hjørnedeling

I silikater som oftest forekommer, inkludert nesten alle silikatmineraler som finnes i jordskorpen, opptar hvert silisiumatom sentrum av et idealisert tetraeder hvor hjørnene er fire oksygenatomer, koblet til den av enkle kovalente bindinger i henhold til oktettregelen.

Disse tetraedrene kan forekomme som isolerte ortosilikat-anioner SiO⁴⁻₄, men to eller flere silisiumatomer kan forbindes med oksygenatomer på forskjellige måter for å danne mer komplekse anioner, for eksempel pyrosilikat Si₂O⁶⁻₇ eller metasilikatringen heksamer Si₆O¹²⁻₁₈. Polymer silikatanioner av vilkårlige store størrelser kan ha kjede-, dobbeltkjede-, ark- eller tredimensjonale strukturer.

Typisk er hvert oksygenatom som ikke bidrar med en negativ ladning til anionen, en bro mellom to silisiumatomer. Strukturen til slike anioner er ofte beskrevet og avbildet som bestående av silisiumsentrert tetraedra koblet sammen med hjørnene på en slik måte at hvert toppunkt deles av høyst to tetraedre.

Silikater med ikke-tetraedrisk silisium

Selv om tetrahedronen er den vanlige koordineringsgeometrien for silisiumforbindelser, kan silisium også forekomme med høyere koordinasjonsnummer. For eksempel i anionen hexafluorosilicate SiF²⁻₆, er silisiumatom omgitt av seks fluoratomer i en oktaedrisk ordning. Denne strukturen sees også i hexahydroxysilicate anion Si(OH)²⁻₆ som forekommer i thaumasitt, et mineral som sjelden finnes i naturen, men noen ganger observeres blant andre kalsiumsilikathydrater kunstig dannet i sement og betong underlagt et alvorlig sulfatangrep.

Ved veldig høyt trykk vedtar til og med SiO₂ den seks-koordinerte oktaedriske geometrien i mineralet stishovite, en tett polymorf silika funnet i jordens nedre mantel og også dannet av sjokk under meteorittpåvirkning.

Kjemiske egenskaper

Faste silikater er generelt stabile og godt karakteriserte.

Silikater med alkalikationer og små eller kjedelignende anioner, for eksempel natriumorto- og metasilikat, er ganske løselig i vann. De danner flere faste hydrater når de krystalliseres fra oppløsningen. Oppløselige natriumsilikater og blandinger derav, kjent som vannglass, er faktisk viktige industrielle og husholdningskjemikalier. Silikater av ikke-alkaliske kationer, eller med ark og tridimensjonale polymere anioner, har generelt ubetydelig løselighet i vann ved normale forhold.

Reaksjoner

Silikatanioner er formelt de konjugerte basene av kiselsyrer. For eksempel kan ortosilikat sees på som den firedoblet avprotonerte ortosilinsyren Si(OH)₄. Kiselsyrer er generelt veldig svake og kan ikke isoleres i ren form. De finnes i vannløsning, som blandinger av kondenserte og delvis pioner, i en dynamisk likevekt. De generelle prosessene i denne likevekten er hydrolyse / kondensasjon

≡Si–O–Si≡ + H₂O ≡Si–OH + HO–Si≡

og protonering / avprotonering

≡Si–OH ≡Si–O⁻ + H⁺.