Polysilikate
Das Orthosilikat-Ion, SiO44-
Das Orthosilikat-Ion ist in einer Vielzahl von Mineralien nicht vorhanden. Es ist eine sehr starke Base, die in wässriger Lösung nicht bestehen bleibt. In der Natur kommt es in Kombination mit sauren Kationen in unlöslichen Salzen vor.
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| phenacit | Be2SiO4 |   |
| willemit | Zn2SiO4 | &nbs |
| zirkon | ZrSiO4 |   |
| granat | (M2+)3(M3+)2(SiO4)3 | M2+ = Ca, Mg, Fe M3+ = Al, Cr, Fe |
Oligomere Polysilikate
Polymere Silikatstrukturen erfordern verbrückende (2-koordinierte) Sauerstoffverbindungen. Um Platz für einen überbrückenden Sauerstoff zu schaffen, muss aus dem „aufnehmenden“ Silizium ein Oxid entfernt werden.
Das Disilikat-Ion ist in der Natur ungewöhnlich. Es kommt nur im seltenen Mineral Thortveitit, Sc2Si2O7, vor. Größere Strukturen wie Trisilikat und Tetrasilikat sind äußerst selten.
Cyclische oligomere Polysilikate
Anstatt lange offene Kettenstrukturen zu bilden, verbinden sich die Enden der Ketten unter Eliminierung von Oxidionen.
Das Metasilikat-Ion ist ein Oligomer des unbekannten SiO32-Ions. In diesen Strukturen besitzt jedes Silizium zwei verbrückende und zwei terminale Sauerstoffatome. Es gibt eine Ladungsdichte von -2 pro Siliziumatom. Die gebräuchlichsten cyclischen Polysilicate sind die cyclischen Trimere (SiO 3)36- und die cyclischen Hexamere (SiO 3)612-.
Das cyclische Trimer findet sich im Mineral Benitoit, BaTi (Si3O9.
Kettenpolysilikate
Lineare (1-D) Polymere der Formel (SiO3)n2n- können über verbrückende Sauerstoffverbindungen gebildet werden. In diesen Strukturen gibt es eine Ladung von -2 pro Siliziumatom. Eine Gruppe von Mineralien, die Pyroxenmineralien genannt werden, haben diese Art von Struktur.
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| enstatit | MgSiO3 |
| diopsit | CaMgSi2O6 |
| spodimen | LiAlSi2O6 |
| pollucit | CsAlSi2O6 |
Lineare Ketten können nebeneinander verknüpft werden, wenn ein Oxidion durch ein anderes verbrückendes Sauerstoffatom ersetzt wird. Tritt diese Verknüpfung an alternierenden SiO3-Gruppen in jeder Kette auf, ergibt sich eine Doppelkettenstruktur (Si4O11)n6n-. In solchen Strukturen kommt es zu einer Verringerung der Ladung und der Anzahl der Sauerstoffatome pro Siliziumatom.
Crocidolith, ein Asbestmineral der Formel Na2Fe5(OH)22, ist ein Beispiel. Dieses Mineral ist faseriger Natur und hat feuer- und hitzebeständige Eigenschaften, die auf die langkettige Struktur des Anions zurückzuführen sind.
Blattpolysilikate
Wenn die seitliche Verknüpfung von Ketten unbegrenzt fortgesetzt wird, werden mehr Oxide eliminiert und es entsteht ein 2-D-Polymer. Diese 2D-Polymere werden Schichtsilikate genannt und enthalten das n4n-Anion. Mineralien, die diese Struktur enthalten, werden leicht in dünne Schichten gespalten.
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| glimmer | Muskovit und Biotit |
| tonmineralien | Montmorillonit, Kaolinit, Porzellanerde und Vermiculit |
| talkum |   |
| speckstein |   |
| chrysotilasbest |   |
3- D Polymere Silikate
Blätter werden zu einem 3D-Polymer verknüpft, wenn alle Oxidionen eliminiert sind (alle sauerstoffstoffe in der Struktur überbrücken). Diese Struktur enthält ungeladene Oxidkieselsäure n, die nicht mehr basisch, sondern ein saures Oxid ist. Viele gängige Mineralien enthalten diese Struktur: Quarz, Feuerstein, Jaspis, Onyx, Amethyst, Citrin, Achat und Chalcedon.
Aufeinanderfolgende Polymerisationsschritte:
- Führen zu einer sukzessiven Reduktion des O / Si-Atomverhältnisses
- 4:1 in Orthosilikat
- 2:1 in Siliciumdioxid
Platzieren Sie die folgenden Mineralien in der Reihenfolge des ansteigenden Polymerisationsgrades. Berechnen Sie dazu das O / Si-Verhältnis (je niedriger das Verhältnis, desto stärker polymerisiert die Struktur.
- Pyrophyllit, Al2Si4O10(OH)2
- Grunerit, Fe7Si8O22(OH)2
- Spessartit, Mn3Al2Si3O12
- Bustamit, CaMn(SiO3)2
Glas
Wenn saures Siliciumdioxid mit basischen Oxiden bei sehr hohen Temperaturen (~ 1700 0C) reagiert und dann zu schnell abgekühlt wird, damit sich die Polysilikationen der in Mineralien gefundenen geordneten Polysilikationen bilden können. Das Ergebnis ist die Bildung eines amorphen Feststoffs oder Glases. Gläser zeichnen sich dadurch aus, dass sie keinen bestimmten Gefrierpunkt haben.
Einfaches Glas wird durch Schmelzen (Verschmelzen) von Sand mit Natriumbicarbonat und Kalkstein (Quellen der basischen Oxide Na2O und CaO) hergestellt. Während dieses Prozesses werden Silizium-Sauerstoff-Brücken gebrochen.
Spezialgläser werden hergestellt, indem die Zusammensetzung von sauren und basischen Oxiden im Glas verändert wird.
- Pyrex ™ glas ist ungewöhnlich beständig gegen thermische schock. Um es zu machen, wird 10-25% B2O3, ein saures Oxid, in die Struktur eingebaut.
- Farbige Gläser enthalten D-Block-Metalloxide als Teil der basischen Oxidkomponente
- Der Einbau von Strontiumoxid ergibt ein Glas, das die von Farbfernsehgeräten emittierten Röntgenstrahlen absorbiert
- Die feinen optischen Eigenschaften, die in Kameraobjektiven benötigt werden, können durch den Einbau von La2O3 erhalten werden
Erfahren Sie mehr über Gläser hier und auf der Glass Resource Site des Corning Museums.
Bodenchemie
Die Tatsache, dass zunehmend polymerisierte Polysilikationen abnehmende Ladungen pro Silizium aufweisen, was zu einer verringerten Basizität führt, hat wichtige Konsequenzen in der Bodenchemie.
Je basischer das Polysilikatanion eines Minerals ist, desto leichter reagiert es mit schwachen Säuren und verwittert.
Regenwasser ist durch gelöstes CO2 auch in Abwesenheit von Schwefel und Stickoxiden etwas sauer.
Im Laufe der Zeit reagiert Regenwasser mit den weniger polymerisierten Silikatanionen, um Oxidionen durch überbrückenden Sauerstoff zu ersetzen, was zu einem stärker polymerisierten Silikat führt. Die Oxide werden als Wassermoleküle entfernt.
Die Zwischenstufe der Bewitterung enthält große Mengen an Schichtsilikaten wie Ton sowie etwas Quarz. Diese Böden neigen, in den gemäßigten Regionen unter einer Abdeckung des Grases oder der Bäume gefunden zu werden. Solche Böden sind aufgrund des Verlustes des nicht sauren Pflanzennährstoffs K + weniger fruchtbar als neu bewässerte Wüstenböden. Schichtsilikate, die in Zwischenböden vorhanden sind, können immer noch Kationen auf ihren negativ geladenen Oberflächen halten, die freigesetzt werden können, wenn Pflanzen sie benötigen. Diese Böden befinden sich in den noch recht fruchtbaren Mais- und Weizengürteln.
Isomorphe Substitution
Polysilikationen haben negative Ladungen, die durch entsprechende Kationen ausgeglichen werden müssen. Die terminalen Sauerstoffstoffe besitzen negativ geladene Oberflächen, die sich dicht gepackten Oberflächen negativer Ladung annähern. Die Kationen, die benötigt werden, um die negative Ladung des Polysilicats zu neutralisieren, befinden sich in den Schichten zwischen den Ketten oder Schichten oder in den tetraedrischen oder oktaedrischen Löchern, die im 3D-Gitter vorhanden sind.
Die Arten von Kationen, die in einer bestimmten Form von Polysilikat gefunden werden, hängen ab von“
- die Größe der Kationen
- die Ladung der Kationen
Da einige Sätze von Ionen existieren, die die gleiche Ladung und sehr ähnliche Radien haben, gibt es wenig Grund dafür, dass eine dieser übereinstimmenden Arten von Ionen einer anderen vorgezogen wird, wenn ein Mineral beim Abkühlen von geschmolzenem Magma gebildet wird.
Zum Beispiel kann Olivin, das eine ideale Zusammensetzung von Mg2SiO4 aufweist, unterschiedliche Prozentsätze isomorpher Verdünnung von Fe2 + (Radius 92 pm) anstelle einer gleichen Anzahl von Mg2 + -Ionen (Radius 86 pm) enthalten.
Erstes Prinzip der isomorphen Substitution
Zweites Prinzip der isomorphen Substitution
Isomorphe Substitution erhöht die Anzahl möglicher Substitutionen in Silikaten.
Beispiele
- K+kann durch die seltenen Rb + – und Tl+ -Ionen sowie die üblichen Ba2+ ersetzt werden
- Ca2+kann durch Sr2+(132 pm), Na+(116 pm), Y3+(104 pm), La3+ (117 pm) und die f-Block-Ionen der sechsten Periode (100-117 pm) ersetzt werden
- Si4 + kann durch das gemeinsame Al3 + -Ion (67 pm) ersetzt werden
Die Kationen in den meisten Silikatmineralien sind weitgehend substituiert, was für die meisten Elemente nicht wirtschaftliche Erze darstellt. Es gibt diagonale Beziehungen von Elementen (insbesondere in der zweiten Periode) zu den Elementen eine Gruppe rechts und eine Periode unten auf der Tabelle.
Welche der folgenden Mineralien könnten durch isomorphe Substitutionsprozesse in Leucit, K(AlSi2O6) entstehen?
- K(YSi2O6)
- Rb(AlSi2O6)
- Ba(BeSi2O6)
- Ba(AlSi2O6)
HINWEIS: Es gibt zwei grundlegende Prinzipien ionischer Verbindungen, die bei der isomorphen Substitution beachtet werden müssen:
- Die Gesamtladung aller Kationen muss der Gesamtladung aller Anionen entsprechen.
- Damit die Substitution isomorph ist, muss die Gesamtzahl der eintretenden Kationen ungefähr gleich der Gesamtladung aller zu ersetzenden Kationen sein.