Silikaatti (yhdiste)

Silikaatti (< lat. silicium = pii) on kemiallinen yhdiste, joka koostuu piistä ja hapesta (SixOy), yhdestä tai useammasta metallista sekä mahdollisesta vedystä. Yksinkertaisimmat silikaatit voidaan käsittää piihappojen suoloiksi. Laajemmassa mielessä silikaatteihin luetaan myös piihapot itse sekä piidioksidi eli kvartsi (SiO2), joka on maankuoren yleisin mineraali maasälvän ohella. Silikaatit muodostavat silikaattimineraaleja ja edelleen silikaattikivilajeja. Maankuori koostuu yli 90-prosenttisesti silikaateista.

Silikaatti-ioneja tunnetaan useita. Yksinkertaisin on metasilikaatti-ioni SiO32-.  Muita eri mineraaleissa esiintyviä ovat esimerkiksi:

Näissä kemiallisissa kaavoissa parametrit n, x ja y voivat saada eri kokonaislukuarvoja. Tektosilikaatti-ionit itsessäänkin sisältävät usein myös alumiinia. Näiden negatiivisten ionien lisäksi silikaattimineraalit luonnollisesti sisältävät myös positiivisia kationeja niin, ettei niillä ole nettosähkövarausta. Kvartsikidettä eli piidioksidia voidaan kuitenkin pitää tektosilikaatti-ionin erikoistapauksena, SiyO2y, jossa parametri x on nolla eikä alumiinia ole ja jonka varaus on kaavan mukaisesti myös nolla. 

Alkalimetallien silikaatit kuten natriumsilikaatti Na4SiO4 liukenevat veteen. Natriumsilikaatin liuos tunnetaan vesilasina. Muut silikaatit ovat yleensä erittäin niukkaliukoisia. Käytännöllisesti katsoen liukenemattomia ovat myös piihapot, joita ovat esimerkiksi metapiihappo H2SiO3 ja ortopiihappo H4SiO4, joita syntyy vesilasiliuoksen reagoidessa vahvojen happojen kanssa.

Lasia valmistetaan kuumentamalla silikaatteja sulamispisteeseen saakka ja antamalla niiden jälleen jähmettyä.

Rakenne 

Silikaattien rakenne on 1930-luvulta lähtien pystytty pitkälti selvittämään röntgensäteilyn avulla. Niille on tyypillistä, että jokaista piiatomia ympäröi neljä happiatomia, jotka sijaitsevat sen ympärillä tetraedrin kärjissä, kun taas piiatomi on tetraedrin keskipisteessä. Jokainen piiatomi on siis oktettisäännön mukaisesti sitoututunut kovalenttisesti neljään happiatomiin. Sama happiatomi sen sijaan saattaa kuulua kahteenkin tällaiseen tetraedriin.

Ortosilikaatti-ionin (SiO44-) muodostaa vain yksi tällainen tetraedri. Muissa silikaatti-ioneissa ainakin osa happiatomeista sijaitsee kahden tetraedrin yhteisessä kärjessä, jolloin ne yhdistävät tetraedrit toisiinsa muodostaen monimutkaisempia anioneja. Esimerkiksi disilikaatti- eli pyrosilikaatti-ionin (Si2O76-) muodostaa kaksi tetraedriä, joilla on yksi yhteinen kärki. Monet silikaatti-ionit ovat polymeerisiä eli niissä on hyvin suuri määrä SiO4 -tetraedrejä, jotka voivat muodostaa ketjun, kaksoisketjun, verkon tai kolmiulotteisen rakenteen. Vaikka metasilikaatti-ionin kaava usein esitetään yksinkertaisesti muodossa SiO3-, todellisuudessa sekin esiintyy tetraedreistä koostuvana polymeerinä, jonka kaava tulisi esittää muodossa (SiO3-)n. Myöskään piidioksidi (SiO2) ei kiteisenä koostu pienistä yhden pii- ja kahden happiatomin muodostamista molekyyleistä vaan suuresta joukosta toisiinsa yhteisen happiatomin välityksellä sitoutuneista SiO4-tetraedreista siten, että niiden muodostamassa kolmiulotteisessa makromolekyylissa on happiatomeja kaksi kertaa niin monta kuin piiatomeja.

Silikaatti-ionin varaus voidaan laskea olettamalla, että jokaisella piiatomilla olisi varaus +4 ja jokaisella happiatomilla -2, paitsi kahden tetraedrin yhteisellä happiatomilla, joka ei tuo osuuttaan ionin varaukseen.

Aikaisemmin silikaatit pyrittiin selittämään hypoteettisten piihappojen suoloiksi. Esimerkiksi ortosilikaatteja pidettiin ortopiihapon (H4SiO4) ja metasilikaatteja metapiihapon (H2SiO3 suoloina. Monimutkaisempien silikaattien osalta tällaiset selitykset joutuivat kuitenkin suuriin vaikeuksiin, kunnes niiden rakenne saatiin selvitetyksi.

Lähteet

Aiheesta muualla