Silicato
En química, un silicato es cualquier miembro de una familia de aniones que consiste en silicio y oxígeno, generalmente con la fórmula general [SiO(4−2x)−
4−x]
n, donde 0 ≤ x < 2. La familia incluye ortosilicato SiO4−
4 (x = 0), metasilicato SiO2−
3 (x = 1), y pirosilicato Si
2O6−
7 (x = 0.5, n = 2). El nombre también se usa para cualquier sal de tales aniones, como el metasilicato de sodio; o cualquier éster que contenga el grupo químico correspondiente, como el ortosilicato de tetrametilo.
4
Los aniones de silicato son a menudo moléculas poliméricas grandes con una gran variedad de estructuras, incluidas cadenas y anillos (como en el metasilicato polimérico [SiO2−
3]
n), cadenas dobles (como en [Si
2O2−
5]
n), y hojas (como en [Si
2O2−
5]
n).
En geología y astronomía, el término silicato se usa para referirse a minerales de silicato, sólidos iónicos con aniones de silicato; así como los tipos de rocas que consisten predominantemente en tales minerales. En ese contexto, el término también incluye el compuesto no iónico dióxido de silicio SiO
2 (sílice, cuarzo), que correspondería a x = 2 en la fórmula general. El término también incluye minerales donde el aluminio u otros átomos tetravalentes reemplazan algunos de los átomos de silicio, como en los aluminosilicatos. Tales silicatos comprenden la mayor parte de la corteza terrestre y el manto, así como los otros planetas terrestres, lunas rocosas y asteroides. Los silicatos son materiales extremadamente importantes, se encuentran en materiales tanto naturales (rocas como el granito o minerales como el granate) como artificiales (como cemento Portland, cerámica, vidrio y cristal líquido), para todo tipo de actividades tecnológicas y artísticas.
El nombre "silicato" a veces se extiende a los aniones que contienen silicio, incluso si no se ajustan a la fórmula general o contienen otros átomos además del oxígeno; tales como el hexahidroxisilicato [Si(OH)
6]2−
o hexafluorosilicato [SiF
6]2−
.
Principios estructurales
Modelado como tetraedro para compartir esquinas
En los silicatos más comúnmente encontrados, incluidos casi todos los minerales de silicato encontrados en la corteza terrestre, cada átomo de silicio ocupa el centro de un tetraedro idealizado cuyas esquinas son cuatro átomos de oxígeno, conectados a él por enlaces covalentes únicos de acuerdo con la regla del octeto.
Estos tetraedros pueden aparecer como aniones de ortosilicatos aislados SiO4−
4, pero se pueden unir dos o más átomos de silicio con átomos de oxígeno de varias maneras, para formar aniones más complejos, como el pirosilicato Si
2O6−
7 o el hexámero de anillo de metasilicato Si
6O12−
18. Los aniones de silicato polimérico de tamaños arbitrariamente grandes pueden tener cadenas, cadenas dobles, láminas o estructuras tridimensionales.
Típicamente, cada átomo de oxígeno que no aporta una carga negativa al anión es un puente entre dos átomos de silicio. La estructura de tales aniones se describe y describe comúnmente como consistente en tetraedros centrados en silicio conectados por sus vértices, de tal manera que cada vértice es compartido por a lo sumo dos tetraedros.
Silicatos con silicio no tetraédrico
Aunque el tetraedro es la geometría de coordinación común para los compuestos de silicio, el silicio también puede ocurrir con números de coordinación más altos. Por ejemplo, en el anión hexafluorosilicato SiF2−
6, el átomo de silicio está rodeado por seis átomos de flúor en una disposición octaédrica. Esta estructura también se ve en el anión hexahidroxisilicato Si(OH)2−
6 que ocurre en la thaumasita, un mineral que rara vez se encuentra en la naturaleza pero que a veces se observa entre otros hidratos de silicato de calcio formados artificialmente en cemento y concreto sometidos a un ataque de sulfato severo. A una presión muy alta, incluso el SiO2 adopta la geometría octaédrica coordinada en seis en la mineral stishovita, un polimorfo denso de sílice que se encuentra en el manto inferior de la Tierra y también se forma por choque durante los impactos de meteoritos.
Propiedades químicas
Los silicatos sólidos son generalmente estables y bien caracterizados.
Los silicatos con cationes alcalinos y aniones pequeños o análogos a cadenas, como el orto y metailicato de sodio, son bastante solubles en agua. Forman varios hidratos sólidos cuando se cristalizan de la solución. Los silicatos de sodio solubles y sus mezclas, son de hecho importantes químicos industriales y domésticos. Los silicatos de cationes no alcalinos, o con aniones poliméricos laminados y tridimensionales, generalmente tienen una solubilidad insignificante en agua en condiciones normales.
Reacciones
Los aniones de silicato son formalmente las bases conjugadas de los ácidos silícicos. Por ejemplo, el ortosilicato se puede ver como el ácido ortosilícico desprotonado cuádruple Si(OH)
4. Los ácidos silícicos son generalmente muy débiles y no pueden aislarse en forma pura. Existen en solución acuosa, como mezclas de aniones condensados y parcialmente protonados, en un equilibrio dinámico.[1] Los procesos generales en este equilibrio son la hidrólisis/condensación.
- ≡Si–O–Si≡ + H
2O ↔ ≡Si–OH + HO–Si≡ - =Si=O + H
2O ↔ =Si(–OH)
2
y protonación/desprotonación
- ≡Si–OH ↔ ≡Si–O−
+ H+
.
El equilibrio puede desplazarse hacia aniones más grandes al aumentar la concentración de silicato y/o la acidez del medio. Se supone que el anión de ortosilicato, por ejemplo, es la forma predominante de sílice disuelta naturalmente en agua de mar, cuya concentración es inferior a 100 partes por millón; y también cuando la sílice se disuelve en un exceso de óxido de sodio a pH 12 o más.[1][2] En concentraciones más altas o pH bajo, predominan los aniones poliméricos.
En el límite, los aniones de silicato se fusionan en una red tridimensional de tetraedros de silicio, con la mayoría de los átomos de oxígeno como puentes covalentes; que es alguna forma de sílice, como el gel de sílice, mezclado con agua.
Detección
Los aniones de silicato en solución reaccionan con los aniones de molibdato produciendo complejos amarillos de silicomolibdato. En una preparación típica, se encontró que el ortosilicato monomérico reaccionaba completamente en 75 segundos; pirosilicato dimérico en 10 minutos; y oligómeros superiores en un tiempo considerablemente más largo. En particular, la reacción no se observa con suspensiones de sílice coloidal.[2]
Formación de zeolita
La naturaleza de los silicatos solubles es relevante para comprender la biomineralización y la síntesis de aluminosilicatos, como los catalizadores industrialmente importantes llamados zeolitas.[1]
Véase también
- Reacción álcali-sílice
- Ciclo del carbono
- Ciclo carbonato-silicato
- Acidificación oceánica
Referencias
- ↑ Knight, Christopher T. G.; Balec, Raymond J.; Kinrade, Stephen D. (2007). «The Structure of Silicate Anions in Aqueous Alkaline Solutions». Angewandte Chemie International Edition 46: 8148-8152. doi:10.1002/anie.200702986.
- ↑ 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