Реферат: Силикаты
<span Courier New"">МосковскийГосударственный Горный Университет.
<span Courier New"">Факультет ГЭМ.
<span Courier New"">Группа ГМО-4-93.
<span Courier New"">Орлов Александр.
<span Courier New"">1994 г.
<span Courier New"">
<span Courier New""> РЕФЕРАТ ПО ХИМИИ.
<span Courier New""> ТЕМА «СИЛИКАТЫ»
<span Courier New"">
<span Courier New"">Природные силикаты образовались в основном из расплавленной
<span Courier New"">магмы. Предпологается, что при затвердевании магмы из нее
<span Courier New"">сначалавыкристаллизовывались силикаты, более бедные кремнеземом
<span Courier New"">-ортосиликаты, затем после израсходования катионов выделялись
<span Courier New"">силикаты свысоким содержанием кремнезема — полевые шпаты, слюды
<span Courier New"">и, наконец,чистый кремнезем.
<span Courier New"">Силикаты — сложные кремнекислородные соединения в виде минералов
<span Courier New"">и горных пород, занимают определяющее место в составе земной
<span Courier New"">коры (80% поВ.И.Вернадскому). А если добавитьприродный оксид
<span Courier New"">кремния — кварц,то кремнекислородные соединения образуют более
<span Courier New"">90% массы земной коры и практически полностью слагают объем
<span Courier New"">Земли. Силикатные минералы являются породообразующими: такие
<span Courier New"">горные породы,как гранит, базальт, кварцит, песчаник, полевой
<span Courier New"">шрат, глина, слюда и другие, сложены силикатными и алюмо-
<span Courier New"">силикатными минералами. Абсолютное большинство силикатных
<span Courier New"">минераловявляется твердыми кристаллическими телами, и только
<span Courier New"">незначительное количество минералов находится в аморфном
<span Courier New"">состоянии(халцедон, опал, агат и др.)или в коллоидно-дисперсном
<span Courier New"">состоянии: глины,цеолиты, палыгорскит и др.
<span Courier New"">Каждый минерал,как извесно, обладает совокупностью физических и
<span Courier New"">химических свойств, которые всецело определяются его
<span Courier New"">кристаллическойструктурой и химическим составом.
<span Courier New""> Кристаллические структуры силикатовмногообразны, но основу
<span Courier New"">их составляюткомбинации атомов самых распространенных элементов
<span Courier New"">- Si (кремния) иO (кислорода).
<span Courier New""> Координатное число кремния 4. Таким образом, каждый атом
<span Courier New"">кремния находится в окружении четырех атомов кислорода. Если
<span Courier New"">соединить центрыатомов кислорода, то образуется пространствен-
<span Courier New"">ная кристалическая структура - тетраэдр, в центре которого
<span Courier New"">находится атомкремния, соединенный с четырьмя атомами кислорода
<span Courier New"">в вершинах. Такая группировка называется кремнекислородным
<span Courier New"">радикалом[SiO ] . Химическая связь Si — O — Si называется
<span Courier New"">силоксановой,природа связи — ковалентная, энергия связи Si - O
<span Courier New"">очень высока иравняется 445 кДж/моль.
<span Courier New""> Поскольку устойчивое координатное число кремния равно 4,
<span Courier New"">силикатные структуры полимерны. Они представлены различными
<span Courier New"">типами структур — островной, кольцевой, цепочечной или слоистой,
<span Courier New"">каркасной.
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New"">Состав и строениеглавных породообразующих минералов определяют
<span Courier New"">их свойства, а следовательно, и поведение в массивах горных
<span Courier New"">пород приразличных механических, физических и физико-химческих
<span Courier New"">воздействиях вестественных условиях залегания и при проведении
<span Courier New"">горных работ.Таким образом, химия силикатов являетсяодним из
<span Courier New"">главных моментов при проектировании и технологии проведения
<span Courier New"">горных работ.Кроме того, многочисленныесиликатные минералы и
<span Courier New"">порды широкоиспользуются как сырьевые материалы в различных
<span Courier New"">технологическихпроизводствах, например, в высокотемпературных
<span Courier New"">процессах (обжиг,спекание, плавление)
<span Courier New"">при производстве:
<span Courier New"">1) цемента(глины, карбонаты, мергели);
<span Courier New"">2) глазурий,стекол (полевые шпаты, пегматиты, нефелины, и другие
<span Courier New""> щелочные, в том цислелитиевые алюмосиликаты,
<span Courier New""> циркон);
<span Courier New"">3) легкихзаполнителей и (вспучивающиеся при
<span Courier New""> термоизоляционных порошков обжиге вермикулиты,
<span Courier New""> перлиты и т.д.);
<span Courier New"">4) огнеупоров,керамических изделий (глины, каолины, силлиманиты,
<span Courier New""> циркон);
<span Courier New"">5) форстеритовыхогнеупоров (дуниты, оливиновые минералы,тальк,
<span Courier New""> асбестовыеотходы);
<span Courier New"">6) фарфора(глины, каолины и др.);
<span Courier New"">7) изоляторов(тальк);
<span Courier New"">8) каменныхматериалов (глины).
<span Courier New"">
<span Courier New"">Группа силикатовиспользуется без обжига в качестве:
<span Courier New"">1) адсорбентовдля очистки газов и вод (бентонитовые глины, цеолиты);
<span Courier New"">2) компонентабуровых растворов (бентонитовые высокодисперсные глины);
<span Courier New"">3) наполнителяпри производстве бумаги, резины (каолины, тальк);
<span Courier New"">4) драгоценныхкамней (изумруд, топаз, цветные турмалины, хризотил,
<span Courier New""> голубые аквамарины идр.).
<span Courier New"">Силикатные руды иминералы используют для добычи металлов, их оксидов
<span Courier New"">и солей, а такжедля извлецения Zi (лепидолит, сподумен),
<span Courier New"">CS (поллуцит), Be(берилл) и получения Ni (ревдинкит, гарниерит и др.)
<span Courier New"">и Zr (циркон).
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New"">┌─┬─────────────┬─────────────┬───────────────────────────────┬─────────────┐
<span Courier New"">││ Tип │Силикатные │ Минералы │ │
<span Courier New"">│N│структуры │ группы ├───────────────────┬───────────┤ Свойства │
<span Courier New"">││ │(радикалы) │ Формула │ Название │ │
<span Courier New"">├─┼─────────────┼─────────────┼───────────────────┼───────────┼─────────────┤
<span Courier New"">│1│Островной │[SiO ] │ Be [SiO ] │Фенакит │Характерны │
<span Courier New"">││(ортосиликат)│ │ Mg [SiO ] │Форстерит │высокие │
<span Courier New"">││ │ │(Mg,Fe) [SiO ] │Оливин │температуры │
<span Courier New"">││ │ │ Zr[SiO ] │Циркон │плавления, │
<span Courier New"">││ ├─────────────┼───────────────────┼───────────┤значительная│
<span Courier New"">││ │[SiO ] - │Al O[SiO ] │Дистен │плотность │
<span Courier New"">│ │ │анионы (F ,O│CaTiO[SiO ] │Титанит │(выше3,2г/см)│
<span Courier New"">││ │OH)наряду │Al (OH,F )[SiO ] │Топаз │и частота, │
<span Courier New"">││ │скатионами │3Mg [SiO ]Mg(OH,F)│Гумит │интенсивная │
<span Courier New"">││ │металлов │ │ │окраска. │
<span Courier New"">├─┼─────────────┼─────────────┼───────────────────┼───────────┼─────────────┤
<span Courier New"">│2│Кольцеоб- │[Si O ] │Na Ca [Si O ] │ --- │Те же, что и│
<span Courier New"">││разный │ │Ca (OH) [Si O ] │ --- │дляостровных│
<span Courier New"">││а)2 тетраэдра│ │Sc [Si O ] │Тройтветит │структур │
<span Courier New"">││ │ │ │ │ │
<span Courier New"">││ ├─────────────┼───────────────────┼───────────┤ │
<span Courier New"">││б)3 тетраэдра│[Si O ] │Сa [Si O ] │Волластонит│ │
<span Courier New"">││ │ │BaTi[Si O ] │Бенитоит │ │
<span Courier New"">││ │ │K Z [Si O ] │Вадеит │ │
<span Courier New"">││ ├─────────────┼───────────────────┼───────────┤ │
<span Courier New"">││в)4 тетраэдра│[Si O ] │Ba (Ti,Nb)[Si O ] │Баотит │ │
<span Courier New"">││ ├─────────────┼───────────────────┼───────────┤ │
<span Courier New"">││г)6 тетраэдра│[Si O ] │Al Be [Si O ] │Берилл │ │
<span Courier New"">││ │ │Cr [Si O ] 6H O │Диоптаз │ │
<span Courier New"">├─┼─────────────┼─────────────┼───────────────────┼───────────┼─────────────┤
<span Courier New"">│3│Листовой │[Si O ] │Mg [Si O ](OH) │Тальк │Малопрочные │
<span Courier New"">││(слоистая │ │ └─┐ │хорошо рас- │
<span Courier New"">│ │решетка) │[Si O ] │Mg [Si O ](OH) Mg(OH)│Антигорит│щепляющиеся │
<span Courier New"">││ │ │ ┌─┘ │структуры с │
<span Courier New"">││ │ │Al (OH) [Si O ] │Каолинит │совершенной │
<span Courier New"">││ │ │KAl [AlSi O ](OH) │Мусковит │спайностью │
<span Courier New"">└─┴─────────────┴─────────────┴───────────────────┴───────────┴─────────────┘
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New"">┌─┬─────────────┬─────────────┬───────────────────┬───────────┬─────────────┐
<span Courier New"">│4│Цепочечный │[Si O ] │Mg [Si O ] │Энстатит │Невысокая t C│
<span Courier New"">││или ленточный│(пироксены) │Ca(Mg,Fe,Al)[Si O ]│Авгит │плавления, │
<span Courier New"">││(бесконечные,│ │Ca(Mg)[Si O ] │Диопсид │плотность │
<span Courier New"">││одномерные │ │Li Al[Si O ] │Сподумен │(2,7 г/см ), │
<span Courier New"">││или двухмер- │ │Na Al[Si O ] │Жадеит │низкая │
<span Courier New"">││ныерадикалы)├─────────────┼───────────────────┼───────────┤твердость. │
<span Courier New"">││ │[Si O ] │Ca Mg [Si O ] │Тремолит │ │
<span Courier New"">││ │(амфиболы) │NaCa[Si O ] │Роговая │ │
<span Courier New"">││ │ │ │обманка │ │
<span Courier New"">││ │ │Mg [Si O ] 3Mg(OH)│Хризотил │ │
<span Courier New"">││ ├─────────────┼───────────────────┼───────────┼─────────────┤
<span Courier New"">││Цепочечные │[SiO ] │Ca,Mg[SiO ] │ --- │породо - │
<span Courier New"">││метасиликаты │ │Mg[SiO ] │ --- │образующие │
<span Courier New"">││ │ │LiAl[SiO ] │ --- │минералы │
<span Courier New"">├─┼─────────────┼─────────────┼───────────────────┼───────────┼─────────────┤
<span Courier New"">│5│Простран- │Бесконечные │SiO │ │Характерны │
<span Courier New"">││ственный, │трехмерные │ │-кварц │небольшая │
<span Courier New"">││каркасный │радикалы │ │ │плотность │
<span Courier New"">││ │[SiO ] или │ │-тридимит, │и твердость, │
<span Courier New"">││ │[Si O ] , │ │кристобалит│светлая │
<span Courier New"">││ │в томчисле │Na[AlSiO ] │нефелин │окраска, │
<span Courier New"">││ │ со ├───────────────────┼───────────┤сравнительно│
<span Courier New"">││ │значительмым│К ркасные алюмо- │полевые │невысокие │
<span Courier New"">││ │замещением │ силикаты │шпаты │температуры │
<span Courier New"">││ │Si на Al │(K,Na)[AlSi O ] │ │плавления │
<span Courier New"">││ │ ├───────────────────┼───────────┤(1100-1700С)│
<span Courier New"">││ │[(Si,Al)O] │Каркасные алюмоси-│Цеолиты- │ │
<span Courier New"">││ │ │ликаты в виде фо- │молекуляр- │ │
<span Courier New"">││ │ │нарей сцентральной│ные сита │ │
<span Courier New"">││ │ │плотностью, чаще │ │ │
<span Courier New"">││ │ │из 24 тетраэдров │ │ │
<span Courier New"">││ │ │[(Si,Al)O ]: │ │ │
<span Courier New"">││ │ │Na [Al Si O ]2NaOH│ └┐ │
<span Courier New"">││ │ │H O │Гидросодалит│ │
<span Courier New"">││ │ │Na Ca [Al Si O ] │ ┌┘ │
<span Courier New"">││ │ │ 30H O │Фожазит │ │
<span Courier New"">││ │ │Na [Al Si O ] 12HO│Шабазит │ │
<span Courier New"">└─┴─────────────┴─────────────┴───────────────────┴───────────┴─────────────┘
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New"">Многообразиеструктурных типов силикатных соединений определяется
<span Courier New"">важнейшим закономкристаллохимии силикатов: кремнекислородные
<span Courier New"">тетраэдры,входящие в состав сложных силикатных радикалов, объединяются
<span Courier New"">друг с другомтолько общими вершинами (а не ребрами или гранями)
<span Courier New"">и сохраняют свойсостав и строение. Это объясняют сильным взаимным
<span Courier New"">сталкиваниеммежду многозарядными атомами (ионами) кремния, занимающими
<span Courier New"">центральноеположение в каждом соседнем тетраэдре. Так, например,
<span Courier New"">в кристаллах кварца(SiO ) каждый кремнекислородный тетраэдр дает
<span Courier New"">на образованиесилоксановых связей четыре вершины:
<span Courier New"">
<span Courier New""> │
<span Courier New""> O
<span Courier New""> │
<span Courier New""> ─── O ───Si─── O───
<span Courier New""> │
<span Courier New""> O
<span Courier New""> │
<span Courier New"">
<span Courier New"">Образуетсясплошной трехмерный каркас (каркасный тип структуры).
<span Courier New"">В кристалах болеесложных силикатов тетраэдры [SiO ] могут давать
<span Courier New"">на связь Si — O — Si одну, две или три вершины.
<span Courier New"">Тетраэдры внутрисложных радикалов чаще не самостоятельных:
<span Courier New"">атомы кислорода,через который осуществляется силоксановая
<span Courier New"">связь,принадлежат одновременно каждой из объединившийхся
<span Courier New"">структурныхединиц. Такие атомы кислорода называются поделен-
<span Courier New"">ными. Например,шесть кремнекислородных групп тетраэдров,
<span Courier New"">имеющих по дваобщих атома кислорода, могут соединяться в
<span Courier New"">замкнутое кольцо.
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New"">Так возникаеткольцевой тип структуры, которым, в частности,
<span Courier New"">обладает минералберилл. Во многих силекатах кремнекислородные
<span Courier New"">тетраэдры связаныв бесконечно протяжные цепочечные структуры.
<span Courier New"">Цепочки могутбыть толщиной в один тетраэдр, и тогда в них
<span Courier New"">соотношениекремния и кислорода равно 1:3, в сдвоенных цепочках
<span Courier New"">(лентах) — 4:11.Одинарные и сдвоенные цепочки соединяются между
<span Courier New"">собой катионами.Силикаты, структура которых образована одинар-
<span Courier New"">ными цепочкамикремнекислордных тетраэдров, называются
<span Courier New"">пироксенами.Более сложная формула силикатов со сдвоенными
<span Courier New"">цепочкамипредставлена амфиболами.
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">При соединениикремнекислородных тетраэдров тремя вершинами
<span Courier New"">образуютсяплоские слои тетраэдров, у которых свободна только
<span Courier New"">одна вершина. Этослоистый тип структуры. Слои могут по-разному
<span Courier New"">связываться междусобой. В структуре слюд два таких слоя,
<span Courier New"">обращенные друг кдругу свободными атомами кислорода, соединя-
<span Courier New"">ются катеонами.
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">Как видно изрисунка, в каждом плоском слое кремнекислородных
<span Courier New"">тетраэдров на дваатома Si приходится по три атома кислорда,
<span Courier New"">общих длясоседних тетраэдров, и два свободных кислорода в
<span Courier New"">вершинахтетраэдров. Таким образом, состав слоя отвечает
<span Courier New"">формуле Si O, асостав двух — [Si O ] .
<span Courier New""> Островной тип структуры. В этом случаекремнекислордные
<span Courier New"">тетраэдры несоединяются друг с другом через вершины, как в
<span Courier New"">другихструктурах, а изолированы, разобщены и связываются в
<span Courier New"">единую структурудвухвалентными катионами магния и железа, у
<span Courier New"">которых близкийразмер радиуса.
<span Courier New";mso-fareast-font-family: Calibri;mso-fareast-theme-font:minor-latin;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: EN-US;mso-bidi-language:AR-SA"><span Courier New"">
<span Courier New"">Поэтому составминералов с такой структурой можно выразить
<span Courier New"">формулой (Mg,Fe)[SiO ]. Это формула минерала оливина.
<span Courier New""> Все структуры характеризуются общимисвойствами и прежде
<span Courier New"">всегообъемностью, непрерывностью по всем трем измерениям
<span Courier New"">пространства.Изолированныекремне- и алюмокислородные тетраэдры
<span Courier New"">их кольца, цепи,ленты, листы и каркасы соединены катеомами с
<span Courier New"">относительнобольшими радиусами в бесконечно большие конструк-
<span Courier New"">ции.Структураминералов основывается на ионной связи, молекуляр-
<span Courier New"">ные силыотсутствуют.
<span Courier New""> Изучение структур силикатов позволилосовсем недавно правиль-
<span Courier New"">но установить иххимические формулы, отвечающие составу в тех
<span Courier New"">случаях, когдаправильная формула нарушилась колебаниями в сос-
<span Courier New"">таве вследствиеизоморфныхзамещений. Однако оно раскрыло прежде
<span Courier New"">всего важныесвязи между кристалическими структурами и физически-
<span Courier New"">ми химическимисвойствами силикатов. Такие свойства, как твер-
<span Courier New"">дость, плотность,расщепляемость, термическая устойчивость, незна-
<span Courier New"">чительнаярастворимость, определенным образом связаны с внутрен-
<span Courier New"">ним строениемсиликатов.
<span Courier New"">Для силикатныхминералов как природных, так и искуственных харак-
<span Courier New"">терны изоморфныезамещения (изоморфизм) — взаимное замещение
<span Courier New"">ионов вкристалической структуре без нарушения ее строения. Сос-
<span Courier New"">тав природныххимических соединений меняется не случайно, а за-
<span Courier New"">кономерно — взависимости от величины радиусов инонов и координа-
<span Courier New"">ционногочисла.Если существует определенная структура, в нее
<span Courier New"">могут войти(путем замещения или внедрения) не любые химические
<span Courier New"">элементы, а лиште, размер ионов которых будет отвечать данной
<span Courier New"">структуре.
<span Courier New"">Минералы группыоливина представляют собой непрерывный изоморф-
<span Courier New"">ный ряд отжелезистого до магнитного представителя. Такой изо-
<span Courier New"">морфизмназывается изовалентным. Ниболее распространен другой
<span Courier New"">тип изоморфизма — гетеровалентный, тпри которм взаимозамещаются
<span Courier New"">ионы различнойвалетнтности, но замещение происходит с компен-
<span Courier New"">сацией зарядов,т.е. при сохранении электростатического баланса
<span Courier New"">кристалическойрешетки. Вывод о том, что этот тип изоморфизма
<span Courier New"">(диагональный)обусловлен близостью размеров (радиусов, оъбемов)
<span Courier New"">у соседних атомовпо диагонали в периодической системе элементов,
<span Courier New"">был сделанД.И.Менделеевым и развит А.Е.Ферсманом.
<span Courier New"">Пригетеровалентном изоморфизме чаще возникает необходимость
<span Courier New"">зарядовой компенсации.В структуре при этом образуются вакансии.
<span Courier New"">Для компенсациизаряда внедряются дополнительные атомы.
<span Courier New""> Изоморфные замещения влияют на дефектностьструктур минира-
<span Courier New"">лов, которая, какизвестно, является одним из существенных
<span Courier New"">факторов,приводящих к изменению физических, химических и тех
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">
<span Courier New"">