Πυριτικά

Ένα πυριτικό (silicate) είναι οποιοδήποτε μέλος μιας οικογένειας πολυατομικών ανιόντων που αποτελείται από πυρίτιο και οξυγόνο, συνήθως με τον γενικό τύπο , όπου . Η οικογένεια περιλαμβάνει τα ορθοπυριτικά  (), τα μεταπυριτικά  () και πυροπυριτικά  (, ). Το όνομα χρησιμοποιείται επίσης για οποιοδήποτε άλας τέτοιων ανιόντων, όπως μεταπυριτικό νάτριο, ή οποιοσδήποτε εστέρας που περιέχει την αντίστοιχη χημική ομάδα, όπως τετραμεθυλορθοπυριτικό. Η ονομασία πυριτικό επεκτείνεται μερικές φορές σε οποιαδήποτε ανιόντα που περιέχουν πυρίτιο, ακόμη και αν δεν ταιριάζουν στον γενικό τύπο ή περιέχουν άλλα άτομα εκτός από οξυγόνο, όπως το εξαφθοροπυριτικό . Συνηθέστερα, τα πυριτικά άλατα συναντώνται ως πυριτικά ορυκτά.

Για ποικίλες κατασκευαστικές, τεχνολογικές και καλλιτεχνικές ανάγκες, τα πυριτικά είναι ευέλικτα υλικά, τόσο φυσικά (όπως γρανίτης, χαλίκι και γρανάτης) όσο και τεχνητά (όπως τσιμέντο Πόρτλαντ, κεραμικά, γυαλί και υδρύαλος (waterglass)).

 Δομικές αρχές 
Στα περισσότερα πυριτικά, ένα άτομο πυριτίου καταλαμβάνει το κέντρο ενός ιδανικού τετραέδρου του οποίου οι γωνίες είναι τέσσερα άτομα οξυγόνου, συνδεδεμένα με αυτό με απλούς ομοιοπολικούς δεσμούς σύμφωνα με τον κανόνα της οκτάδας. Τα άτομα οξυγόνου, τα οποία φέρουν κάποιο αρνητικό φορτίο, συνδέονται με άλλα κατιόντα (Mn+). Αυτός ο δεσμός Si-O-M-O-Si είναι ισχυρός και άκαμπτος, ιδιότητες που εκδηλώνονται στα πετρωματοειδή πυριτικά άλατα. Τα πυριτικά μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με το μήκος και τη διασύνδεση των πυριτικών ανιόντων.

 Απομονωμένα πυριτικά 
Τα απομονωμένα ορθοπυριτικά ανιόντα έχουν τον τύπο . Ένα κοινό ορυκτό σε αυτήν την ομάδα είναι ο ολιβίνης ().

Δύο ή περισσότερα άτομα πυριτίου μπορούν να μοιράζονται άτομα οξυγόνου με διάφορους τρόπους, σχηματίζοντας πιο σύνθετα ανιόντα, όπως πυροπυριτικά .

Αλυσίδες
Με δύο κοινά οξείδια συνδεδεμένα με κάθε πυρίτιο, μπορούν να προκύψουν κυκλικές ή πολυμερικές δομές. Ο κυκλικός μεταπυριτικός δακτύλιος  είναι ένα εξαμερές του SiO32-. Τα πολυμερή πυριτικά ανιόντα μπορούν να υπάρχουν και ως μακριές αλυσίδες.

Στα πυριτικά άλατα μονής αλυσίδας, τα οποία είναι ένας τύπος ινοπυριτικών (inosilicate), τα τετράεδρα συνδέονται για να σχηματίσουν μια αλυσίδα μοιράζοντας δύο άτομα οξυγόνου το καθένα. Ένα κοινό ορυκτό σε αυτήν την ομάδα είναι το πυροξένιο (pyroxene).

Τα πυριτικά διπλής αλυσίδας, η άλλη κατηγορία των ινοπυριτικών, εμφανίζονται όταν τα τετράεδρα σχηματίζουν μια διπλή αλυσίδα (όχι πάντα αλλά κυρίως) μοιράζοντας δύο ή τρία άτομα οξυγόνου το καθένα. Κοινά ορυκτά για αυτήν την ομάδα είναι οι αμφιβόλοι (amphiboles).

 Φύλλα 
Σε αυτήν την ομάδα, γνωστή ως φυλλοπυριτικά (phyllosilicates), τα τετράεδρα μοιράζονται τρία άτομα οξυγόνου το καθένα και με τη σειρά τους συνδέονται για να σχηματίσουν δισδιάστατα φύλλα. Αυτή η δομή οδηγεί σε ορυκτά σε αυτήν την ομάδα που έχουν ένα ισχυρό επίπεδο διάσπασης. Οι μαρμαρυγίες εμπίπτουν σε αυτήν την ομάδα. Τόσο ο μοσχοβίτης όσο και ο βιοτίτης έχουν πολύ αδύναμα στρώματα που μπορούν να αποκολληθούν σε φύλλα.

 Σκελετός 

Σε ένα πυριτικό σκελετό, γνωστό ως τεκτοπυριτικό (tectosilicate), κάθε τετράεδρο μοιράζεται και τα 4 άτομα οξυγόνου με τους γείτονές του, σχηματίζοντας μια τρισδιάστατη δομή. Ο χαλαζίας και οι άστριοι βρίσκονται σε αυτήν την ομάδα.

 Πυριτικά με μη τετραεδρικό πυρίτιο 
Αν και το τετράεδρο είναι μια κοινή γεωμετρία συναρμογής για τις ενώσεις πυριτίου(IV), το πυρίτιο μπορεί επίσης να εμφανιστεί με υψηλότερους αριθμούς συναρμογής. Για παράδειγμα, στο εξαφθοροπυριτικό ανιόν , το άτομο πυριτίου περιβάλλεται από έξι άτομα φθορίου σε μια οκταεδρική διάταξη. Αυτή η δομή παρατηρείται επίσης στο εξαϋδροξυπυριτικό ανιόν  που εμφανίζεται στον θαυμασίτη (thaumasite), ένα ορυκτό που βρίσκεται σπάνια στη φύση, αλλά μερικές φορές παρατηρείται μεταξύ άλλων ένυδρων πυριτικών ασβεστίων που σχηματίζονται τεχνητά σε κατασκευές τσιμέντου και σκυροδέματος που υποβάλλονται σε σοβαρή θειική προσβολή (sulfate attack) σε αργιλώδη εδάφη που περιέχουν οξειδωμένο πυρίτη.

Σε πολύ υψηλή πίεση, όπως αυτή που υπάρχει στην πλειονότητα των πετρωμάτων της Γης, ακόμη και το SiO2 υιοθετεί την εξασυναρμοσμένη (six-coordinated) οκταεδρική γεωμετρία στο ορυκτό στισοβίτης (stishovite), ένα πυκνό πολύμορφο  διοξειδίου του πυριτίου που βρίσκεται στον κατώτερο μανδύα της Γης και σχηματίζεται επίσης από κραδασμούς κατά τη διάρκεια συγκρούσεων μετεωριτών.

 Χημικές ιδιότητες 

Τα πυριτικά άλατα με αλκαλικά κατιόντα και μικρά ή αλυσιδωτά ανιόντα, όπως ορθο-νάτριο και μεταπυριτικά, είναι αρκετά διαλυτά στο νερό. Σχηματίζουν αρκετά ένυδρα στερεά όταν κρυσταλλώνονται από το διάλυμα. Τα διαλυτά πυριτικά νάτρια και τα μείγματά τους, γνωστά ως υδρύαλοι, είναι σημαντικά βιομηχανικά και οικιακά χημικά. Τα πυριτικά άλατα μη αλκαλικών κατιόντων ή με φύλλα και τρισδιάστατα πολυμερή ανιόντα, έχουν γενικά αμελητέα διαλυτότητα στο νερό υπό κανονικές συνθήκες.

Αντιδράσεις
Τα πυριτικά είναι γενικά αδρανή χημικά. Ως εκ τούτου, είναι κοινά ορυκτά. Η ανθεκτικότητά τους συνιστά επίσης τη χρήση τους ως δομικά υλικά.

Όταν επεξεργάζονται με οξείδια του ασβεστίου και νερό, τα πυριτικά ορυκτά σχηματίζουν τσιμέντο Πόρτλαντ.

Οι ισορροπίες που περιλαμβάνουν την υδρόλυση πυριτικών ορυκτών είναι δύσκολο να μελετηθούν. Η κύρια πρόκληση είναι η πολύ χαμηλή διαλυτότητα του SiO44- και των διαφόρων πρωτονιωμένων μορφών του. Τέτοιες ισορροπίες είναι σχετικές με τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε γεωλογικές χρονικές κλίμακες.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.  Ορισμένα φυτά εκκρίνουν προσδέματα που διαλύουν πυριτικά, ένα βήμα στη βιοανοργανοποίηση.

Οι κατεχόλες μπορούν να αποπολυμερίσουν το SiO₂—ένα συστατικό των πυριτικών αλάτων με ιοντικές δομές όπως ορθοπυριτικό (SiO₄⁴⁻), μεταπυριτικό (SiO₂³⁻) και πυροπυριτικό (Si₂O₆⁷⁻)—σχηματίζοντας δι- και τρις(κατεχολικά)πυριτικά διανιόντα μέσω συναρμογής. Αυτά τα σύμπλοκα μπορούν να επικαλυφθούν περαιτέρω με διάφορα υποστρώματα για εφαρμογές όπως συστήματα χορήγησης φαρμάκων, αντιβακτηριακές και αντιρρυπαντικές εφαρμογές.

Ανίχνευση
Πυριτικά ανιόντα σε διάλυμα αντιδρούν με μολυβδαινικά ανιόντα παράγοντας κίτρινα πυριτομολυβδαινικά σύμπλοκα. Σε μια τυπική παρασκευή, βρέθηκε ότι το μονομερές ορθοπυριτικό αντιδρά πλήρως σε 75 δευτερόλεπτα. το διμερές πυροπυριτικό σε 10 λεπτά. και τα υψηλότερα ολιγομερή σε σημαντικά μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Συγκεκριμένα, η αντίδραση δεν παρατηρείται με εναιωρήματα κολλοειδούς διοξειδίου του πυριτίου.

 Σχηματισμός ζεόλιθου και πολυμερισμός γεωπολυμερών 
Η φύση των διαλυτών πυριτικών είναι σημαντική για την κατανόηση της βιοανοργανοποίησης και της σύνθεσης αργιλοπυριτικών, όπως οι βιομηχανικά σημαντικοί καταλύτες που ονομάζονται ζεόλιθοι. Μαζί με τα αργιλικά ανιόντα, τα διαλυτά πυριτικά ανιόντα παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στον μηχανισμό πολυμερισμού των γεωπολυμερών (geopolymers). Τα γεωπολυμερή είναι άμορφα αργιλοπυριτικά άλατα των οποίων η παραγωγή απαιτεί λιγότερη ενέργεια από αυτή του συνηθισμένου τσιμέντου Πόρτλαντ. Έτσι, τα γεωπολυμερικά τσιμέντα θα μπορούσαν να συμβάλουν στον περιορισμό των εκπομπών  στην ατμόσφαιρα της Γης και στην υπερθέρμανση του πλανήτη που προκαλείται από αυτό το αέριο του θερμοκηπίου.

Παραπομπές

Κατηγορία:Πυριτικά
Κατηγορία:Oξυανιόντα πυριτίου