Реферат: Силикаты
Название: Силикаты Раздел: Рефераты по географии Тип: реферат |
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 |