Silicat
| Substància química | classe estructural d'entitats químiques  |
|---|
Un silicat és un compost químic que conté un silici en forma d'anió. La gran majoria dels silicats són òxids, però s'inclouen els hexafluorosilicats ([SiF₆]2−) i altres anions. Els silicats, incloent els minerals silicats, consten d'anions de silicats la càrrega dels quals s'equilibra per diveros cations.
Els minerals silicats són minerals formats essencialment per grups tetraèdrics d'oxigen, un àtom a cada un dels quatre vèrtexs del tetraedre, i silici, un àtom al mig de cada tetraedre, tots units entre ells directament o bé per cations d'altres elements. Així, tots els minerals d'aquest grup estan compostos de silici i oxigen. En realitat es tracta de silicats de silici, SiO₄. Constitueixen més del 75% de l'escorça terrestre i els components més importants de les roques. En formen moltes, com ara el basalt, el granit i les argiles. La suma dels silicats i el quars fan el 95% de la part coneguda de l'escorça terrestre.[1]
Alguns minerals del grup dels silicats són l'ortosa, el quars (SiO₂), la plagioclasa, la moscovita, la babingtonita, l'augita (CaMg[Si₂O₆]), el talc (Mg₃[(OH)₂ Si₄O10]), el feldespat (SiO₂ + Al₂O₃ + KNaO), l'actinolita o la danburita.
Principis estructurals
[modifica]Modelat com a tetraedre per a compartir cantonades
[modifica]En els silicats més comunament trobats, inclosos gairebé tots els minerals de silicat trobats en l'escorça terrestre, cada àtom de silici ocupa el centre d'un tetraedre idealitzat les cantonades del qual són quatre àtoms d'oxigen, connectats a ell per enllaços covalents únics d'acord amb la regla de l'octet.
Aquests tetraedres poden aparèixer com a anions d'ortosilicats aïllats SiO4−
4, però es poden unir dos o més àtoms de silici amb àtoms d'oxigen de diverses maneres, per a formar anions més complexos, com el pirosilicat Si
2O6−
7 o l'hexàmer d'anell de metasilicat Si
6O12−
18. Els anions de silicat polimèric de grandàries arbitràriament grans poden tenir cadenes, cadenes dobles, làmines o estructures tridimensionals.
Típicament, cada àtom d'oxigen que no aporta una càrrega negativa a l'anió és un pont entre dos àtoms de silici. L'estructura de tals anions es descriu i descriu comunament com a consistent en tetraedres centrats en silici connectats pels seus vèrtexs, de tal manera que cada vèrtex és compartit per com a màxim dos tetraedres.
Silicats amb silici no tetraèdric
[modifica]Encara que el tetraedre és la geometria de coordinació comuna per als compostos de silici, el silici també pot ocórrer amb nombres de coordinació més alts. Per exemple, en l'anió hexafluorosilicat SiF2−
6, l'àtom de silici està envoltat per sis àtoms de fluor en una disposició octaèdrica. Aquesta estructura també es veu en l'anió hexahidroxisilicat Si(OH)2−
6 que ocorre en la thaumasita, un mineral que rares vegades es troba en la naturalesa, però que a vegades s'observa entre altres hidrats de silicat de calci formats artificialment en ciment i concret sotmesos a un atac de sulfat greu. A una pressió molt alta, fins i tot el SiO2 adopta la geometria octaèdrica coordinada en sis en la mineral stishovita, un polimorf dens de sílice que es troba en el mantell inferior de la Terra i també es forma per xoc durant els impactes de meteorits.
Propietats químiques
[modifica]Els silicats sòlids són generalment estables i ben caracteritzats.
Els silicats amb cations alcalins i anions petits o anàlegs a cadenes, com l'orto i metasilicat de sodi, són bastant solubles en aigua. Formen diversos hidrats sòlids quan es cristal·litzen de la solució. Els silicats de sodi solubles i les seves mescles, són de fet importants químics industrials i domèstics. Els silicats de cations no alcalins, o amb anions polimèrics laminats i tridimensionals, generalment tenen una solubilitat insignificant en aigua en condicions normals.
Reaccions
[modifica]Els anions de silicat són formalment les bases conjugades dels àcids silícics. Per exemple, l'ortosilicat es pot veure com l'àcid ortosilícic desprotonat quàdruple Si(OH)
4. Els àcids silícics són generalment molt febles i no poden aïllar-se en forma pura. Existeixen en solució aquosa, com a mescles d'anions condensats i parcialment protonats, en un equilibri dinàmic.[2] Els processos generals en aquest equilibri són la hidròlisi/condensació.
- ≡Si–O–Si≡ + H
2O ↔ ≡Si–OH + HO–Si≡ - =Si=O + H
2O ↔ =Si(–OH)
2
i protonació/desprotonació
- ≡Si–OH ↔ ≡Si–O−
+ H+
.
L'equilibri pot desplaçar-se cap a anions més grans en augmentar la concentració de silicat i/o l'acidesa del mitjà. Se suposa que l'anió d'ortosilicat, per exemple, és la forma predominant de sílice dissolta naturalment en aigua de mar, la concentració de la qual és inferior a 100 parts per milió; i també quan la sílice es dissol en un excés d'òxid de sodi a pH 12 o més.[2][3] En concentracions més altes o pH baix, predominen els anions polimèrics.
En el límit, els anions de silicat es fusionen en una xarxa tridimensional de tetraedres de silici, amb la majoria dels àtoms d'oxigen com a ponts covalents; que és alguna forma de sílice, com el gel de sílice, barrejat amb aigua.
Detecció
[modifica]Els anions de silicat en solució reaccionen amb els anions de molibdat produint complexos grocs de silicomolibdat. En una preparació típica, es va trobar que l'ortosilicat monomèric reaccionava completament en 75 segons; pirosilicat dimèric en 10 minuts; i oligòmers superiors en un temps considerablement més llarg. En particular, la reacció no s'observa amb suspensions de sílice col·loidal.[3]
Formació de zeolites i polimerització de geopolímers
[modifica]La naturalesa dels silicats solubles és rellevant per a comprendre la biomineralització i la síntesi d'aluminosilicats, com els catalitzadors industrialment importants anomenats zeolites.[2] Juntament amb l'anió aluminiat, els anions de silicat solubles també exerceixen un paper important en el mecanisme de polimerització dels geopolímers. Els geopolímers són aluminosilicats amorfs la producció del qual requereix menys energia que la del ciment Portland ordinari. Així doncs, els ciments geopolímers podrien contribuir a limitar les emissions d'en CO2 l'atmosfera terrestre i l'escalfament global causat per aquest gas d'efecte d'hivernacle.
Tipus de silicats
[modifica]Segons la seva estructura, els subgrups existents dins dels silicats són els ortosilicats o nesosilicats (que inclouen minerals com l'olivina o el topazi), els ciclosilicats, els fil·losilicats, els inosilicats, els sorosilicats i els tectosilicats. Alguns silicats, però, no entren a cap d'aquest cinc grups, és el cas, per exemple, de l'amiant i de l'esteatita.[1]
De vegades també es classifiquen els silicats segons els elements que contenen. Per exemple, els aluminosilicats són els silicats (nesosilicats, concretament) dobles d'alumini i d'un altre metall.
Les principals diferències entre la classificació topoquímica de Machatski-Bragg i la topològica de Zoltai es mostren en la següent taula.
| Mineral | Fórmula | Classificació topoquímica (Machatski-Bragg) |
Classificació topològica (Zoltai) |
Hetero-tetraèdre(s) |
|---|---|---|---|---|
| Petalita | [4]Li[4]Al[4]SiO4 | phyllo | tecto | Al, Li |
| α-eucriptita | [4]Li[4]Al[4]SiO4 | neso | tecto | Al, Li |
| Fenaquita | [4]Be2[4]SiO4 | neso | tecto | Be |
| Willemita | [4]Zn2[4]SiO4 | neso | tecto | Zn |
| Beril | [6]Al2[4]Be3[4]Si6O18 | cyclo | tecto | Be |
| Cordierita | [6]Mg2[4]Al3[4](AlSi5)O18 | cyclo | tecto | Al |
| Hemimorfita | [4]Zn4[4]Si2O7(OH)2 • H2O | soro | tecto | Zn |
| Melilita | [8]CaNa[4]Al[4]Si2O7 | soro | phyllo | Al |
| Sillimanita | [6]Al[4]Al[4]SiO5 | neso | soro | Al |
Formació
[modifica]Es troben, en gran part, com a constituents de les roques eruptives, formades a temperatura i pressió elevades, generalment amb amplis marges de variació d'ambdues variables, amb estructures denses i mancades d'aigua.[1]
A les condicions de formació de les roques metamòrfiques s'originen una sèrie de silicats, alguns d'ells amb estructures menys denses i amb hidroxils, com és el cas, per exemple, de les serpentines i el talc.[1]
En canvi, a les roques sedimentàries no hi ha formació de silicats, sinó que només hi ha fases, d'estructures generalment en capes, de la seva transformació. Generalment estan barrejats amb una gran quantitat d'aigua, com és típicament el cas de les argiles.[1]
Silicats en astronomia
[modifica]Certs estels envoltats de matèria circumestel·lar “freda”, per sota de la temperatura de sublimació de silicats, al voltant de 1.500 K, presenten grans de pols formats per silicats. La seva presència es revela per línies espectrals àmplies característiques dels silicats, en les bandes espectrals infraroges N i Q, amb longituds d'ona λ de 10 i 20 µm respectivament.[4]
El perfil espectral d'aquestes línies, que depèn del tipus de silicat, de la geometria dels grans de pols i de la presència addicional d'altres compostos (exemple: gel a menys de 300 K), dona informació sobre les condicions físicoquímiques dels ambients estudiats.
La presència de silicats es testifica amb freqüència al voltant de les estrelles joves i de les estrelles evolucionades, especialment en els discos d'acreció i els embolcalls circumestel·lars. En particular, els silicats són els principals constituents dels planetes tel·lúrics del Sistema Solar: Venus, la Terra, Mart i, en alguna menor mesura, Mercuri.[4]
Importància biogeoquímica i modelització
[modifica]Sabem que el clima actua sobre l'erosió de les roques, i que també existeixen bucles de retroalimentació que provoquen que els compostos de l'erosió modifiquin el cicle del CO2 (diòxid de carboni) i el carboni en l'oceà, i en conseqüència l'evolució del clima.[5][6]
La lixiviació de roques riques en silicats ha augmentat considerablement a causa de les pràctiques humanes d'agricultura, silvicultura i ordenació del territori, incendis/cremes i, més en general, la transformació ecològica dels paisatges. La pluja àcida i l'acidificació d'aigües dolces localment exacerben la dissolució de roques i sòls. Aquests fenòmens contribueixen a la degradació dels sòls aigües amunt, però també contribueixen aigües avall a la formació de roques carbonatades en els oceans, i per tant a la transferència de CO2 de l'atmosfera a la litosfera (“embornal de carboni” en aquest cas). L'erosió de les roques contribueix al cicle del carboni[7][8][9][10][6] en el context del canvi climàtic va justificar l'elaboració d'un mapa litològic mundial per a 6 grans tipus de roques per latitud, continent i conca de drenatge oceànic, i per a 49 grans conques fluvials terrestres. Aquest treball cartogràfic es va combinar amb els models disponibles del cicle del per CO2 a avaluar la quantitat d'atmosfèric CO2 «consumit» per les roques durant el seu procés de meteorització i avaluar l'alcalinitat aportada pels rius a l'oceà. S'ha demostrat que la meteorització de les roques ha variat considerablement en el passat en funció de les fases glacials e interglacials dels paleoclimes.[11] Les roques de silicat inclouen pissarres i basalts[12] semblen tenir una gran influència en la quantitat de CO2 bombada pel procés de meteorització del llit rocós.[5]
Referències
[modifica]- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 «Silicat». Gran Enciclopèdia Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 Knight, Christopher T. G.; Balec, Raymond J.; Kinrade, Stephen D. «The Structure of Silicate Anions in Aqueous Alkaline Solutions». Angewandte Chemie International Edition, vol. 46, 43, 2007, pàg. 8148-8152. DOI: 10.1002/anie.200702986. PMID: 17886822.
- ↑ 3,0 3,1 G. B. Alexander (1953): "The Reaction of Low Molecular Weight Silicic Acids with Molybdic Acid". Journal of the American Chemical Society, volume 75, issue 22, pages 5655–5657. doi:10.1021/ja01118a054
- ↑ 4,0 4,1 McDonough, W.F., Yoshizaki, T. Terrestrial planet compositions controlled by accretion disk magnetic field. Prog Earth Planet Sci 8, 39 (2021). [1]
- ↑ 5,0 5,1 P. Amiotte Suchet, J. L. Probst, W. Ludwig «Distribución mundial de la litología de las rocas continentales: Implicaciones para la captación de CO2 atmosférico/suelo por la meteorización continental y el transporte fluvial de alcalinidad a los océanos». Global Biogeochemical Cycles, vol. 17(2), 2003.
- ↑ 6,0 6,1 P. Amiotte Suchet, J. L. Probst «A global model for present day atmospheric/soil CO2 consumption by chemical erosion of continental rocks (GEM-CO2». Tellus, Ser. B, 47, 1995, p.273–280.
- ↑ Berner, R. A., A. C. Lasaga y R. M. Garrels, El ciclo geoquímico del carbonato-silicato y su efecto sobre el dióxido de carbono atmosférico durante los últimos 100 millones de años, Am J. Sci, 283. 641–683, 1983.
- ↑ Meybeck, M., Meteorización química global de rocas superficiales estimada a partir de cargas disueltas en ríos, Am J. Sci., 287, 401–428, 1987.
- ↑ P. Amiotte Suchet, J. L. Probst «Flux de CO2 atmosphérique consommé par altération chimique continentale: Influence de la nature de la roche». C. R. Acad. Sci., Ser. II 317, 1993, p.615–622..
- ↑ P. Amiotte Suchet, J. L. Probst «Modelling of atmospheric CO2 consumption by chemical weathering of rocks: Application to the Garonne, Congo and Amazon basins». Chem. Geol., 107, 1993, p.205–210.
- ↑ P. Amiotte Suchet, J. L. Probst «Aumento de la meteorización química de las rocas durante el Último Máximo Glacial: Un sumidero de CO2 atmosférico». Chem. Geol., 1999, p.147-151.
- ↑ Dessert, C., Dupré, B., Gaillardet, J., François, L. M., & Allegre, C. J. (2003). Leyes de meteorización del basalto e impacto de la meteorización del basalto en el ciclo global del carbono. Chemical Geology, 202(3), 257-273.
Vegeu també
[modifica]