Silicat

Silicat (Lemike) là một hợp chất chứa anion silic. Phần lớn silicat là oxit, với hexafluorosilicat ([SiF₆]) và các anion khác cũng tồn tại. Chúng tập trung chủ yếu vào anion Si-O. Silicat là thành phần chủ yếu của vỏ Trái Đất, cũng như phần lớn các hành tinh và các Mặt Trăng. Cát, xi măng Portland và hàng ngàn khoáng vật khác đều thuộc nhóm silicat.

Các hợp chất silicat bao gồm các anion silicat được cân bằng điện tích bởi nhiều cation khác nhau. Có vô số ion silicat có thể tồn tại và tạo thành hợp chất với nhiều cation khác nhau. Do đó, nhóm hợp chất silicat rất đa dạng, bao gồm cả các khoáng vật tự nhiên và nhân tạo.

Khoáng vật silicat là nhóm khoáng vật lớn và quan trọng nhất trong các nhóm tạo đá, chiếm khoảng 90% vỏ Trái Đất. Đặc điểm của nhóm khoáng vật này là cấu trúc của gốc silicat. Tất cả các khoáng vật silicat đều chứa silic và oxy.

Các nguyên tắc cấu tạo

Trong hầu hết các silicat, bao gồm cả các khoáng vật silicat, silic chiếm vị trí trung tâm của tứ diện, được bao quanh bởi 4 nguyên tử oxy. Các liên kết hóa học với silic trong các cấu trúc này tuân theo nguyên tắc vững chắc. Tứ diện có thể tồn tại dưới dạng đơn giản như SiO₄, nhưng thường liên kết với nhau thành các cấu trúc phức tạp như cặp (Si₂O₇) và vòng (Si₆O₁₈). Các anion silicat thường hình thành chuỗi, chuỗi kép, dãi, và cả khung 3 chiều, và đều không hòa tan trong nước ở điều kiện yếu kiềm.

Xuất hiện trong dung dịch

Các silicat thường tồn tại dưới dạng rắn và hiếm khi hòa tan. Anion SiO₄

là sản phẩm từ axit silic, Si(OH)₄, và cả hai thường không thể tách rời nhau mà chỉ tồn tại như một chất trung gian. Thay vào đó, dung dịch silicat thường được quan sát dưới dạng hỗn hợp của các nhóm đặc lại và một phần dưới dạng proton. Sự hoà tan tự nhiên của silicat liên quan đến quá trình sinh hóa khoáng hóa và tổng hợp từ aluminosilicat, cũng như là chất xúc tác công nghiệp quan trọng được biết đến như zeolit.

Silicat không có cấu trúc tứ diện

Mặc dù cấu trúc tứ diện là phổ biến trong các hợp chất silicat, silic cũng có thể tạo ra liên kết ở các cấp độ cao hơn. Ví dụ, cấu trúc bát diện là đặc trưng của hexafluorosilicat (SiF₆), với 6 nguyên tử oxy bao quanh silic. Ở áp suất rất cao, SiO₂ có thể có cấu trúc này trong khoáng vật stishovit, một dạng khác của silica được tìm thấy ở lớp mặt nắng dưới đáy của Trái Đất. Cấu trúc bát diện Si cũng được quan sát trong hexahydroxysilicat ([Si(OH)₆]), một khoáng vật hiếm gọi là thaumasit.

Các khoáng vật silicat

Trong lĩnh vực địa chất học và thiên văn học, thuật ngữ silicat được sử dụng để chỉ các loại đá chủ yếu là khoáng vật silicat. Trên Trái Đất, có rất nhiều dạng khác nhau của khoáng vật silicat xuất hiện dưới dạng chuỗi khoáng vật, là kết quả của quá trình hình thành và tái hình thành vỏ Trái Đất. Những quá trình này bao gồm nóng chảy một phần, tái kết tinh, tinh thể hóa phân đoạn, biến chất, phong hóa và tạo thành đá. Các sinh vật cũng đóng góp vào chu kỳ này ở phần gần bề mặt Trái Đất. Một loại sinh vật phiên sinh được gọi là tảo cát hay diatom với cấu trúc khung xương là silica. Các thí nghiệm về tảo cát đã chết cho thấy chúng là thành phần chính của trầm tích biển sâu.

Silica (SiO₂) đôi khi được gọi là silicat, mặc dù nó không mang điện tích âm và không cần kết hợp với ion trái dấu. Silica được tìm thấy tự nhiên dưới dạng khoáng vật như thạch anh và các dạng đa hình của nó.

Khoáng vật học

Về mặt khoáng vật học, khoáng vật silicat được phân loại thành các nhóm dựa trên cấu trúc anion silicat của chúng gồm:

• Silicat đơn cửi (lone tetrahedron) - [SiO₄], như olivin.
• Silicat kép cửi (2 tứ diện) - [Si₂O₇], như epidot, nhóm melilit.
• Silicat vòng - [Si_nO_3n], như nhóm tourmalin.
• Silicat mạch đơn - [Si_nO_3n], như nhóm pyroxen.
• Silicat mạch kép - [Si_4nO_11n], như nhóm amphibol.
• Silicat lớp - [Si_2nO_5n], như nhóm mica và sét.
• Silicat khung - [Al_xSi_yO_2(x+y)], như thạch anh, fenspat, zeolit.

Silicat khung chỉ có thể thêm vào các cation nếu một vài vị trí silic bị thay thế bởi các cation mang ít điện tích hơn như nhôm. Thay thế Al bằng Si là trường hợp phổ biến.