Силикаты — класс неорганических соединений¶
Силикаты — это класс неорганических соединений, содержащих в своей структуре анионы силициевой кислоты (H₄SiO₄) или их производные, в которых кремний связан с кислородом в тетраэдрической координации. В узком смысле силикатами называют соли кремниевых кислот, а в широком — все соединения, включающие каркас из кремнекислородных тетраэдров (SiO₄)⁴⁻. Силикаты составляют основу большинства горных пород и минералов земной коры — на них приходится свыше 90 % массы литосферы.
¶Строение и классификация
Основа любой силикатной структуры — тетраэдр (SiO₄)⁴⁻: атом кремния в центре, четыре атома кислорода в углах. Тетраэдры могут объединяться между собой, разделяя вершины (кислородные атомы), и образовывать цепи, слои или трёхмерные каркасы. По характеру полимеризации силикаты делятся на группы:
| Группа | Структура | Примеры |
|---|---|---|
| Несиликаты (ортосиликаты) | Изолированные тетраэдры | Оливин (Mg,Fe)₂SiO₄, циркон ZrSiO₄ |
| Сортосиликаты | Двойные тетраэдры (Si₂O₇)⁶⁻ | Эпидот, лоусонит |
| Циклосиликаты | Замкнутые кольца | Берилл Be₃Al₂Si₆O₁₈, турмалин |
| Иносиликаты одиночные | Непрерывные цепи | Пироксены (энстатит, диопсид) |
| Иносиликаты двойные | Двойные цепи | Амфиболы (роговая обманка, актинолит) |
| Филлосиликаты | Непрерывные слои | Слюды, каолинит, тальк, монтмориллонит |
| Тектосиликаты | Трёхмерный каркас | Полевые шпаты, кварц, цеолиты |
Тектосиликаты — самая многочисленная группа. В их каркасе часть кремния может замещаться на алюминий (алюмосиликаты), что приводит к возникновению заряда и необходимости введения катионов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺). Полевые шпаты — калиевые (ортоклаз KAlSi₃O₈), натриевые (альбит NaAlSi₃O₈) и кальциевые (лабрадор (Ca,Na)(Al,Si)₄O₈) — составляют около 60 % земной коры.
¶Физические свойства
Силикаты обладают разнообразными свойствами в зависимости от типа структуры. Твёрдость по шкале Мооса у большинства минералов этой группы составляет 5–7 (кварц — 7, оливин — 6,5–7, тальк — 1). Плотность колеблется от 2,2 г/см³ (цеолиты) до 4,5 г/см³ (оливин). Большинство силикатов плавятся при высоких температурах (1200–1700 °C), что определяет их огнестойкость. Слюды и некоторые цеолиты обладают слоистой или пористой структурой, что обуславливает их способность к ионному обмену и набуханию.
¶Природные силикаты
В природе силикаты образуются в основном магматическим, осадочным и метаморфическим путём. При кристаллизации магмы первыми выпадают высокотемпературные минералы (оливин, пироксены), затем — амфиболы, слюды и полевые шпаты (правило Боуэна). При выветривании силикаты разрушаются с образованием глинистых минералов — филлосиликатов (каолинит, монтмориллонит, иллит). Цеолиты формируются при гидротермальной обработке вулканических пород и осадочных отложений.
¶Промышленное применение
Силикаты имеют широчайшее хозяйственное значение:
- Стекольная промышленность — основной потребитель природных силикатов. Стекло получают сплавлением кварцевого песка (SiO₂) с содой (Na₂CO₃) и известняком (CaCO₃) при 1500–1600 °C. В России крупнейшие предприятия отрасли — «Газпром стекло», «Борский стекольный завод», «Саратовстекло».
- Цемент и керамика — клинкер, из которого производят портландцемент, содержит силикаты кальция (алит C₃S и белит C₂S). Керамические изделия (кирпич, фарфор, фаянс) изготавливаются из глинистых силикатов.
- Металлургия — флюсы на основе силикатов применяются в сталеплавильном производстве; огнеупорные изделия (шамотный кирпич, динас) состоят преимущественно из силикатов.
- Сорбенты и катализаторы — цеолиты используются в нефтепереработке (крекинг), для очистки воды и газов.
- Полимеры и строительство — силикатный кирпич получают автоклавным твердением смеси извести и песка; силикатные краски и герметики производятся на основе силикатов натрия и калия.
¶Силикаты в России
Россия обладает значительными запасами силикатного сырья. Крупнейшие месторождения полевых шпатов расположены в Карелии (Лепикорвское), Мурманской области и на Урале. Месторождения цеолитов разрабатываются в Забайкалье (Кыштымское, Хадынское), на Дальнем Востоке (Таджикское) и в Западной Сибири. Каолин добывается в Калужской области (Полоцко-Приазовское месторождение), Приморском крае и на Урале. Огнеупорные глины сосредоточены в основном в Свердловской, Челябинской областях и в Бурятии.
¶Интересные факты
Кремнезём (SiO₂) — простейший «силикат» по составу, но формально относится к оксидам. Кварц, его кристаллическая полиморфная модификация, пьезоэлектричен: под давлением он генерирует электрический заряд, что используется в часах, генераторах и датчиках. Цеолиты способны обратимо поглощать и отдавать молекулы воды, не изменяя кристаллической структуры — это свойство лежит в основе их применения в адсорбции.
Источники:
- Геологический словарь / под ред. О. А. Билибина. — М.: Недра, 1978.
- Минералогия / Г. Ф. Лацаренков, В. Б. Соколов. — М.: Недра, 1984.
- Справочник по петрографии / под ред. Н. А. Спиренкова. — М.: Недра, 1984.
- Химическая энциклопедия / под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1990.
- Физические свойства минералов / Д. Б. Минster. — Л.: Недра, 1984.