Силикаты

Природные силикаты образовались в основном из расплавленной магмы. Предполагается, 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 шпат, глина, слюда и другие, сложены силикатными и алюмосиликатными 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 известно, 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 пространственная кристаллическая 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-химических 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 породы 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 числе 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 извлечения 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. ¦