РефератыГеографияСиСиликаты

Силикаты

Московский Государственный Горный Университет.


Факультет ГЭМ.


Группа ГМО-4-93.


Орлов Александр.


1994 г.


РЕФЕРАТ ПО ХИМИИ.


ТЕМА "СИЛИКАТЫ"


Природные силикаты образовались в основном из расплавленной


магмы. Предпологается, что при затвердевании магмы из нее


сначала выкристаллизовывались силикаты, более бедные кремнеземом


-ортосиликаты,затем после израсходования катионов выделялись


силикаты с высоким содержанием кремнезема - полевые шпаты, слюды


и, наконец, чистый кремнезем.


Силикаты - сложные кремнекислородные соединения в виде минералов


и горных пород, занимают определяющее место в составе земной


коры (80% по В.И.Вернадскому). А если добавить природный оксид


кремния - кварц, то кремнекислородные соединения образуют более


90% массы земной коры и практически полностью слагают объем


Земли. Силикатные минералы являются породообразующими: такие


горные породы, как гранит, базальт, кварцит, песчаник, полевой


шрат, глина, слюда и другие, сложены силикатными и алюмо-


силикатными минералами. Абсолютное большинство силикатных


минералов является твердыми кристаллическими телами, и только


незначительное количество минералов находится в аморфном


состоянии (халцедон, опал, агат и др.)или в коллоидно-дисперсном


состоянии: глины, цеолиты, палыгорскит и др.


Каждый минерал, как извесно, обладает совокупностью физических и


химических свойств, которые всецело определяются его


кристаллической структурой и химическим составом.


Кристаллические структуры силикатов многообразны, но основу


их составляют комбинации атомов самых распространенных элементов


- Si (кремния) и O (кислорода).


Координатное число кремния 4. Таким образом, каждый атом


кремния находится в окружении четырех атомов кислорода. Если


соединить центры атомов кислорода, то образуется пространствен-


ная кристалическая структура - тетраэдр, в центре которого


находится атом кремния, соединенный с четырьмя атомами кислорода


в вершинах. Такая группировка называется кремнекислородным


радикалом [SiO ] . Химическая связь Si - O - Si называется


силоксановой, природа связи - ковалентная, энергия связи Si - O


очень высока и равняется 445 кДж/моль.


Поскольку устойчивое координатное число кремния равно 4,


силикатные структуры полимерны. Они представлены различными


типами структур - островной, кольцевой, цепочечной или слоистой,


каркасной.


Состав и строение главных породообразующих минералов определяют


их свойства, а следовательно, и поведение в массивах горных


пород при различных механических, физических и физико-химческих


воздействиях в естественных условиях залегания и при проведении


горных работ. Таким образом, химия силикатов является одним из


главных моментов при проектировании и технологии проведения


горных работ. Кроме того, многочисленные силикатные минералы и


порды широко используются как сырьевые материалы в различных


технологических производствах, например, в высокотемпературных


процессах (обжиг, спекание, плавление)


при производстве:


1) цемента (глины, карбонаты, мергели);


2) глазурий, стекол (полевые шпаты, пегматиты, нефелины, и другие


щелочные, в том цисле литиевые алюмосиликаты,


циркон);


3) легких заполнителей и (вспучивающиеся при


термоизоляционных порошков обжиге вермикулиты,


перлиты и т.д.);


4) огнеупоров, керамических изделий (глины, каолины, силлиманиты,


циркон);


5) форстеритовых огнеупоров (дуниты, оливиновые минералы, тальк,


асбестовые отходы);


6) фарфора (глины, каолины и др.);


7) изоляторов (тальк);


8) каменных материалов (глины).


Группа силикатов используется без обжига в качестве:


1) адсорбентов для очистки газов и вод (бентонитовые глины, цеолиты);


2) компонента буровых растворов (бентонитовые высокодисперсные глины);


3) наполнителя при производстве бумаги, резины (каолины, тальк);


4) драгоценных камней (изумруд, топаз, цветные турмалины, хризотил,


голубые аквамарины и др.).


Силикатные руды и минералы используют для добычи металлов, их оксидов


и солей, а также для извлецения Zi (лепидолит, сподумен),


CS (поллуцит), Be (берилл) и получения Ni (ревдинкит, гарниерит и др.)


и Zr (циркон).


--T-------------T-------------T-------------------------------T-------------¬


¦ ¦ Tип ¦Силикатные ¦ Минералы ¦ ¦


¦N¦структуры ¦ группы +-------------------T-----------+ Свойства ¦


¦ ¦ ¦(радикалы) ¦ Формула ¦ Название ¦ ¦


+-+-------------+-------------+-------------------+-----------+-------------+


¦1¦Островной ¦[SiO ] ¦ Be [SiO ] ¦Фенакит ¦Характерны ¦


¦ ¦(ортосиликат)¦ ¦ Mg [SiO ] ¦Форстерит ¦высокие ¦


¦ ¦ ¦ ¦(Mg,Fe) [SiO ] ¦Оливин ¦температуры ¦


¦ ¦ ¦ ¦ Zr[SiO ] ¦Циркон ¦плавления, ¦


¦ ¦ +-------------+-------------------+-----------+значительная ¦


¦ ¦ ¦[SiO ] - ¦Al O[SiO ] ¦Дистен ¦плотность ¦


¦ ¦ ¦анионы (F ,O ¦CaTiO[SiO ] ¦Титанит ¦(выше3,2г/см)¦


¦ ¦ ¦OH )наряду ¦Al (OH,F )[SiO ] ¦Топаз ¦и частота, ¦


¦ ¦ ¦с катионами ¦3Mg [SiO ]Mg(OH,F) ¦Гумит ¦интенсивная ¦


¦ ¦ ¦металлов ¦ ¦ ¦окраска. ¦


+-+-------------+-------------+-------------------+-----------+-------------+


¦2¦Кольцеоб - ¦[Si O ] ¦Na Ca [Si O ] ¦ --- ¦Те же, что и ¦


¦ ¦разный ¦ ¦Ca (OH) [Si O ] ¦ --- ¦для островных¦


¦ ¦а)2 тетраэдра¦ ¦Sc [Si O ] ¦Тройтветит ¦структур ¦


¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦


¦ ¦ +-------------+-------------------+-----------+ ¦


¦ ¦б)3 тетраэдра¦[Si O ] ¦Сa [Si O ] ¦Волластонит¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦BaTi[Si O ] ¦Бенитоит ¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦K Z [Si O ] ¦Вадеит ¦ ¦


¦ ¦ +-------------+-------------------+-----------+ ¦


¦ ¦в)4 тетраэдра¦[Si O ] ¦Ba (Ti,Nb)[Si O ] ¦Баотит ¦ ¦


¦ ¦ +-------------+-------------------+-----------+ ¦


¦ ¦г)6 тетраэдра¦[Si O ] ¦Al Be [Si O ] ¦Берилл ¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦Cr [Si O ] 6H O ¦Диоптаз ¦ ¦


+-+-------------+-------------+-------------------+-----------+-------------+


¦3¦Листовой ¦[Si O ] ¦Mg [Si O ](OH) ¦Тальк ¦Малопрочные ¦


¦ ¦(слоистая ¦ ¦ L-¬ ¦хорошо рас- ¦


¦ ¦ решетка) ¦[Si O ] ¦Mg [Si O ](OH) Mg(OH)¦Антигорит¦щепляющиеся ¦


¦ ¦ ¦ ¦ --- ¦структуры с ¦


¦ ¦ ¦ ¦Al (OH) [Si O ] ¦Каолинит ¦совершенной ¦


¦ ¦ ¦ ¦KAl [AlSi O ](OH) ¦Мусковит ¦спайностью ¦


L-+-------------+-------------+-------------------+-----------+--------------


--T-------------T-------------T-------------------T-----------T-------------¬


¦4¦Цепочечный ¦[Si O ] ¦Mg [Si O ] ¦Энстатит ¦Невысокая t C¦


¦ ¦или ленточный¦(пироксены) ¦Ca(Mg,Fe,Al)[Si O ]¦Авгит ¦плавления, ¦


¦ ¦(бесконечные,¦ ¦Ca(Mg)[Si O ] ¦Диопсид ¦плотность ¦


¦ ¦одномерные ¦ ¦Li Al[Si O ] ¦Сподумен ¦(2,7 г/см ), ¦


¦ ¦или двухмер- ¦ ¦Na Al[Si O ] ¦Жадеит ¦низкая ¦


¦ ¦ные радикалы)+-------------+-------------------+-----------+твердость. ¦


¦ ¦ ¦[Si O ] ¦Ca Mg [Si O ] ¦Тремолит ¦ ¦


¦ ¦ ¦(амфиболы) ¦NaCa [Si O ] ¦Роговая ¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦

¦обманка ¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦Mg [Si O ] 3Mg(OH) ¦Хризотил ¦ ¦


¦ ¦ +-------------+-------------------+-----------+-------------+


¦ ¦Цепочечные ¦[SiO ] ¦Ca,Mg[SiO ] ¦ --- ¦породо - ¦


¦ ¦метасиликаты ¦ ¦Mg[SiO ] ¦ --- ¦образующие ¦


¦ ¦ ¦ ¦LiAl[SiO ] ¦ --- ¦минералы ¦


+-+-------------+-------------+-------------------+-----------+-------------+


¦5¦Простран- ¦Бесконечные ¦SiO ¦ ¦Характерны ¦


¦ ¦ственный, ¦трехмерные ¦ ¦-кварц ¦небольшая ¦


¦ ¦каркасный ¦радикалы ¦ ¦ ¦плотность ¦


¦ ¦ ¦[SiO ] или ¦ ¦-тридимит, ¦и твердость, ¦


¦ ¦ ¦[Si O ] , ¦ ¦кристобалит¦светлая ¦


¦ ¦ ¦в том числе ¦Na[AlSiO ] ¦нефелин ¦окраска, ¦


¦ ¦ ¦ со +-------------------+-----------+сравнительно ¦


¦ ¦ ¦значительмым ¦К ркасные алюмо- ¦полевые ¦невысокие ¦


¦ ¦ ¦замещением ¦ силикаты ¦шпаты ¦температуры ¦


¦ ¦ ¦Si на Al ¦(K,Na)[AlSi O ] ¦ ¦плавления ¦


¦ ¦ ¦ +-------------------+-----------+(1100-1700 С)¦


¦ ¦ ¦[(Si,Al)O ] ¦Каркасные алюмоси- ¦Цеолиты- ¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦ликаты в виде фо- ¦молекуляр- ¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦нарей с центральной¦ные сита ¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦плотностью, чаще ¦ ¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦из 24 тетраэдров ¦ ¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦[(Si,Al)O ]: ¦ ¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦Na [Al Si O ]2NaOH ¦ L¬ ¦


¦ ¦ ¦ ¦H O ¦Гидросодалит¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦Na Ca [Al Si O ] ¦ -- ¦


¦ ¦ ¦ ¦ 30H O ¦Фожазит ¦ ¦


¦ ¦ ¦ ¦Na [Al Si O ] 12H O¦Шабазит ¦ ¦


L-+-------------+-------------+-------------------+-----------+--------------


Многообразие структурных типов силикатных соединений определяется


важнейшим законом кристаллохимии силикатов: кремнекислородные


тетраэдры, входящие в состав сложных силикатных радикалов, объединяются


друг с другом только общими вершинами (а не ребрами или гранями)


и сохраняют свой состав и строение. Это объясняют сильным взаимным


сталкиванием между многозарядными атомами (ионами) кремния, занимающими


центральное положение в каждом соседнем тетраэдре. Так, например,


в кристаллах кварца (SiO ) каждый кремнекислородный тетраэдр дает


на образование силоксановых связей четыре вершины:


¦


O


¦


--- O ---Si--- O ---


¦


O


¦


Образуется сплошной трехмерный каркас (каркасный тип структуры).


В кристалах более сложных силикатов тетраэдры [SiO ] могут давать


на связь Si - O - Si одну, две или три вершины.


Тетраэдры внутри сложных радикалов чаще не самостоятельных:


атомы кислорода, через который осуществляется силоксановая


связь, принадлежат одновременно каждой из объединившийхся


структурных единиц. Такие атомы кислорода называются поделен-


ными. Например, шесть кремнекислородных групп тетраэдров,


имеющих по два общих атома кислорода, могут соединяться в


замкнутое кольцо.


Так возникает кольцевой тип структуры, которым, в частности,


обладает минерал берилл. Во многих силекатах кремнекислородные


тетраэдры связаны в бесконечно протяжные цепочечные структуры.


Цепочки могут быть толщиной в один тетраэдр, и тогда в них


соотношение кремния и кислорода равно 1:3, в сдвоенных цепочках


(лентах) - 4:11. Одинарные и сдвоенные цепочки соединяются между


собой катионами. Силикаты, структура которых образована одинар-


ными цепочками кремнекислордных тетраэдров, называются


пироксенами. Более сложная формула силикатов со сдвоенными


цепочками представлена амфиболами.


При соединении кремнекислородных тетраэдров тремя вершинами


образуются плоские слои тетраэдров, у которых свободна только


одна вершина. Это слоистый тип структуры. Слои могут по-разному


связываться между собой. В структуре слюд два таких слоя,


обращенные друг к другу свободными атомами кислорода, соединя-


ются катеонами.


Как видно из рисунка,в каждом плоском слое кремнекислородных


тетраэдров на два атома Si приходится по три атома кислорда,


общих для соседних тетраэдров, и два свободных кислорода в


вершинах тетраэдров. Таким образом, состав слоя отвечает


формуле Si O , а состав двух - [Si O ] .


Островной тип структуры. В этом случае кремнекислордные


тетраэдры не соединяются друг с другом через вершины, как в


других структурах, а изолированы, разобщены и связываются в


единую структуру двухвалентными катионами магния и железа, у


которых близкий размер радиуса.


Поэтому состав минералов с такой структурой можно выразить


формулой (Mg,Fe) [SiO ]. Это формула минерала оливина.


Все структуры характеризуются общими свойствами и прежде


всего объемностью, непрерывностью по всем трем измерениям


пространства.Изолированные кремне- и алюмокислородные тетраэдры


их кольца, цепи, ленты, листы и каркасы соединены катеомами с


относительно большими радиусами в бесконечно большие конструк-


ции.Структура минералов основывается на ионной связи, молекуляр-


ные силы отсутствуют.


Изучение структур силикатов позволило совсем недавно правиль-


но установить их химические формулы, отвечающие составу в тех


случаях, когда правильная формула нарушилась колебаниями в сос-


таве вследствие изоморфныхзамещений. Однако оно раскрыло прежде


всего важные связи между кристалическими структурами и физически-


ми химическими свойствами силикатов. Такие свойства, как твер-


дость, плотность, расщепляемость, термическая устойчивость, незна-


чительная растворимость, определенным образом связаны с внутрен-


ним строением силикатов.


Для силикатных минералов как природных, так и искуственных харак-


терны изоморфные замещения (изоморфизм) - взаимное замещение


ионов в кристалической структуре без нарушения ее строения. Сос-


тав природных химических соединений меняется не случайно, а за-


кономерно - в зависимости от величины радиусов инонов и координа-


ционного числа.Если существует определенная структура, в нее


могут войти (путем замещения или внедрения) не любые химические


элементы, а лиш те, размер ионов которых будет отвечать данной


структуре.


Минералы группы оливина представляют собой непрерывный изоморф-


ный ряд от железистого до магнитного представителя. Такой изо-


морфизм называется изовалентным. Ниболее распространен другой


тип изоморфизма - гетеровалентный,тпри которм взаимозамещаются


ионы различной валетнтности, но замещение происходит с компен-


сацией зарядов, т.е. при сохранении электростатического баланса


кристалической решетки. Вывод о том, что этот тип изоморфизма


(диагональный) обусловлен близостью размеров (радиусов, оъбемов)


у соседних атомов по диагонали в периодической системе элементов,


был сделан Д.И.Менделеевым и развит А.Е.Ферсманом.


При гетеровалентном изоморфизме чаще возникает необходимость


зарядовой компенсации. В структуре при этом образуются вакансии.


Для компенсации заряда внедряются дополнительные атомы.


Изоморфные замещения влияют на дефектность структур минира-


лов, которая, как известно, является одним из существенных


факторов, приводящих к изменению физических,химических и тех

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Силикаты

Слов:1827
Символов:16283
Размер:31.80 Кб.