МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Доклад

По дисциплине: Содержательные особенности углубленного обучения в общем образовании

На тему: Силикаты

Выполнил: студентка группы 201123 – ДБ «БЖ-География»

Нефедьева Юлиана

Проверил: доцент кафедры динамической геологии, кандидат геолого-минералогических наук

Коваленко Сергей Николаевич

Иркутск 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение        3

Происхождение силикатов        4

Структура и разновидности        5

Островные силикаты        6

Поясные силикаты        7

Цепочные силикаты        8

Каркасные силикаты        9

Листовые силикаты        11

Химические свойства силикатов        12

Физические свойства силикатов        12

Применение и использование силикатов        13

Искусственное происхождение силикатов        16

Заключение        17

Список иллюстраций        19

Список литературы        20

ВВЕДЕНИЕ

Силикаты – это сложные вещества, которые широко распространены в пределах нашей планеты. Силикаты представляют собой разнообразные по внешнему виду и свойствам минералы, которые образованы соединениями кремнезема. На нашей планете они присутствуют преимущественно в земной коре, а также в верхней и нижней частях мантии. Термин silikat, значение которого с латинского языка переводится как «кремень», возник по аналогии с названием химического элемента Silicium (кремний), который обязательно присутствует в каждом силикате.  

Общее количество минеральных видов силикатов составляет около 800. По распространённости на их долю приходится более 90% минералов литосферы. Многие силикаты являются породообразующими минералами магматических и метаморфических пород. Они входят в состав осадочных пород, иногда являясь и для них породообразующими. Некоторые из силикатов используются в качестве драгоценных камней, служат рудой для извлечения металлов и представляют нерудные полезные ископаемые.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИЛИКАТОВ

Происхождение силикатов весьма разнообразно: они возникают при кристаллизации магмы, метаморфических и метасоматических процессах; реже силикаты образуются в гидротермальных жилах. Крупные кристаллы силикатов возникают в пегматитах Многие силикаты образуются главным образом в эндогенных условиях (оливин, роговая обманка, полевые шпаты и т. д.), другие же возникают при экзогенном минералообразования и являются продуктами изменения первичных (эндогенных) минералов — каолинит, глауконит, монтмориллонит и пр.

Физико-химические особенности образования силикатов в природных условиях определяются с помощью парагенетического анализа минеральных ассоциаций с учётом данных детально изученных диаграмм состояний силикатных систем. При выветривании происходит разрушение большинства силикатов с образованием осадочных горных пород, с выщелачиванием основных соединений, освобождением кремнезёма, возникновением за счёт алюмосиликатов водных силикатов алюминия, образованием глинистых минералов, нонтронита, гарниерита и др., а также окислов железа, карбонатов и др.
Силикаты (плагиоклазы, оливин, пироксены и др.) являются также главными минералами лунных пород, входят в состав метеоритов. Полагают, что оливин и плотная модификация шпинели составляют почти полностью мантию Земли.

СТРУКТУРА И РАЗНОВИДНОСТИ

Силикаты – это, как правило, твердые и тугоплавкие вещества. Чтобы расплавить, их нужно нагреть до температур от 1000 до 2000 градусов Цельсия. Они не разлагаются под действием кислот и обычно не растворяются в воде. Многие из них склонны к полиморфизму и образуют две или больше аллотропные модификации. 

Силикаты характеризуются сложным строением и химическим составом. Для структурной решетки минералов этого класса характерно наличие ионной четырехвалентной группировки SiO4, построенной в виде сдвоенного тетраэдра. 

Природные силикаты – минералы, такие как глина, асбест, слюда, титанит, турмалин, гранат. Наиболее распространенными являются кварц и группа полевых шпатов. Стекло, цемент, керамика, плавленые флюсы, кирпичи тоже являются силикатами, но они  характеризуются искусственным происхождением. Их изготавливают на основе глины, кварцевого песка, известняка, соды и других веществ, подвергая их различным способам обработки.

Для силикатных минералов нет общепринятой систематики (минералогической номенклатуры), их названия чаще всего происходят от внешнего вида кристаллов, их физических свойств, места нахождения или имени ученого, их открывшего. Например, плагиоклаз в переводе с греческого означает косо раскалывающийся, а пироксен – тугоплавкий, что отвечает свойствам этих минералов. Минералы кварца в зависимости от природы примесей имеют широкий спектр окраски, которая и определяет их названия: аметист – фиолетовый, цитрин – желтый, горный хрусталь – лед. Модификации кремнезема стишовита и коэсита и минерала биотита произошли от фамилий ученых, их открывших, С.М. Стишова, Л. Коэса и Ж.Б. Био, а минерал каолинит получил свое название от горы Каолинг в Китае, где издавна добывалась глина для производства фарфора.

Природные силикаты обладают сложным строением, в основе которого лежат разнообразные вариации связей кремния и кислорода, к которым присоединяются и другие элементы, например, Mg, Ca, Al, Fe2+, Mn, K, Na, Li, B, Zr, F, H. Их кристаллические решетки состоят из тетраэдров, где на один атом Si приходится четыре атома O, в зависимости от того, как они комбинируются между собой, выделяют такие виды силикатов:

• островные;
• поясные;
• цепочные;
• каркасные;
• листовые.

Островные силикаты

Островными называются такие силикаты, в кристаллической решетке которых присутствуют разобщенные «островки» — кремнекислородные тетраэдры, одиночные или спаренные.

Рис. 1.Кремнекислородный тетраэдр

В подкласс островных силикатов включаются ортосиликаты, содержащие изолированные тетраэдры [SiO4]4-; диортосиликаты, содержащие сдвоенные тетраэдры состава [Si2O7]6-, а также ортодиортосиликаты, в которых присутствуют одновременно и одиночные, и сдвоенные кремнекислородные тетраэдры.

Для островных силикатов характерны: часто изометрические формы кристаллов, высокая твердость, сравнительно большой удельный вес.

Окраска их обусловлена присутствием ионов-хромофоров — Fe2+, Fe3+, Со2+, Ni2+, Mn2+, Cr3+, Ti4+; если такие ионы отсутствуют, минералы бесцветны или окрашены в белый цвет, иногда со слабым цветным оттенком. Ведущую роль в окраске ортосиликатов играет взаимное замещение Mg и Fe. При разложении в кислотах островные силикаты дают студенистый гель (коллоид) кремнезема.

Для силикатов со сдвоенными тетраэдрами [Si2O7]6- характерны более удлиненные (столбчатые и шестоватые) призматические, а также уплощенные и таблитчатые кристаллы.

Представители данного вида: оливины, гранаты, циркон, титанит, топаз, андалузит, ставролит, каламин, эпидот, родонит, берилл, турмалин и др.

Поясные силикаты

Поясные (ленточные) силикаты – это силикаты с непрерывными обособленными лентами или поясами из кремнекислородных тетраэдров. Они имеют вид сдвоенных, несвязанных друг с другом цепочек, лент и поясов. Радикал структуры [Si4O11]6-.

Наиболее распространенными представителями этого подкласса силикатов являются многочисленные минералы, которые в современной классификации объединяются в надгруппу амфиболов. По распространенности в земной коре амфиболы уступают только полевым шпатам и кварцу и совсем несущественно — пироксенам и слюдам.

Название поясных силикатов происходит от греч. amphibolos — неясный, сомнительный, так как их часто принимали за другие минералы, и из-за схожести с другими темноцветными минералами, особенно с пироксенами. Состав амфиболов разнообразен, сложен и непостоянен.

Представителями данных видов силикатов являются тремолит, актинолит, жадеит и роговая обманка.

Рис. 2. Схема поясных силикатов

                                     Рис. 3. Роговая обманка                                                            Рис. 3.1. Тремолит

Цепочные силикаты

Цепочные (цепочечные) силикаты – это силикаты, силикаты с непрерывными цепочками из кремнекислородных тетраэдров. Тетраэдры сочленяются в виде непрерывных обособленных цепочек. Их радикалы [Si2O6]4- и [Si3O9]6-.     

Данный вид силикатов  характеризуется средней плотностью и твердостью и совершенной спайностью по граням призмы. Встречаются в магматических и метаморфических горных породах.

Для цепочечных и ленточных силикатов характерно сходство структур, физических свойств и химических особенностей. В минералах обеих групп цепочки ориентированы вдоль удлинения кристаллов, а смежные цепочки соединяются с помощью катионов, расположенными между ними.

Вследствие цепочечной структуры минералы этого подкласса обычно призматические, игольчатые или волокнистые. Форма кристаллов и характер спайности, являются диагностическими признаками для минералов обеих групп, по которым можно визуально отличить пироксены от амфиболов. Угол между направлениями спайности у амфиболов равен примерно 1240, а у пироксенов около 870. Поэтому поперечные сечения кристаллов пироксена имеют очертания почти квадратных призм по спайности, в то время как для кристаллов амфиболов характерны призматические сечения в форме ромба.

Рис. 4.Схема цепочечных силикатов

Представителями данной  разновидности являются  пироксены ромбические (энстатит, гиперстен) и моноклинные (диопсид, салит, геденбергит, авгит, эгирин, сподумен, волластонит, силлиманит).

Каркасные силикаты

Каркасные силикаты – соединения катионов с анионной группой в виде трехмерного каркаса кремнекислородных и алюмокислородных тетраэдров [SinO2n], [Alx Sin-x O2n]x- с дополнительными анионами ОН-, Cl -, F-, SO42-, CO32- и молекулами Н2О. Практически все каркасные силикаты являются алюмосиликатами, так как часть атомов Si4+ в кремнекислородных тетраэдрах замещается атомами Al3+. Отрицательный заряд структурных единиц [Alx Sin-x O2n]x– компенсируется катионами щелочных металлов с координационным числом 8 и выше. Поэтому главными катионами алюмосиликатов являются Na, K, Ca и Ва.

Подкласс каркасных силикатов (алюмосиликатов) включает серию очень распространенных (преимущественно породообразующих) минералов. Все они построены из алюмо- и кремнекислородных тетраэдров [А104], и [Si04], образующих трехмерный каркас. В полостях каркаса располагаются щелочные или щелочноземельные металлы.

Минералы  этого подкласса обладают светлой окраской, относительно высокой твердостью, небольшой плотностью, преимущественно изометричными формами выделений.

Структуры каркасных силикатов сложные и многообразные, что обусловлено большим количеством вариаций сочленения тетраэдров в пространстве. В полевом шпате тетраэдры группируются по восемь и четыре, образуя каркас с тремя типами полостей, в которых часто располагаются катионы. В нефелине все полости одинаковые и заняты катионами. В цеолитах эти полости «открыты» и настолько велики, что в них могут размещаться целые группы и комплексы ионов и молекул, иногда свободно обменивающиеся с окружающей кристалл средой без деформации структуры кристалла.

                                   Рис. 5.Один из типов трехмерного кремнекислородного каркаса (ультрамарин)

Физические свойства каркасных силикатов характеризуются общими чертами. Окраска большинства минералов этого подкласса светлая, за счет отсутствия минералов-хромофоров с шестерной координацией (Fe, Mg Cr, Mn). Низкие значения плотности (~ 2,5 г/см3) обусловлены большими молекулярными объемами кристаллических решеток, в то время как по твердости (5,0 – 6,0), каркасные силикаты уступают лишь островным. Спайность часто наблюдается средняя и даже совершенная по нескольким направлениям, что обусловлено более тесной упаковкой тетраэдров в определенных направлениях.

Представителями данного класса силикатов являются: санидин, ортоклаз, микроклин, нефелин, шабазит, анальцим, натролит, гейландит.

Листовые силикаты

Листовые (слоистые) силикаты  это силикаты с непрерывными слоями кремнекислородных тетраэдров. В основе кристаллической структуры листовых силикатов находятся плоские двумерные кремнекислородные сетки (листы, слои), которые состоят из шестерных колец кремнекислородных тетраэдров. Между собой сетки соединяются преимущественно катионами алюминия, магния, железа, кальция и калия в пакеты состава [Si4O10]4-.

К листовым силикатам и алюмосиликатам относится большое количество минералов, многие из них являются породообразующими магматических, осадочных глинистых и особенно метаморфических горных пород. Наиболее важное значение среди листовых алюмосиликатов имеют слюды (биотит, мусковит), гидрослюды (глауконит), а также хлориты, среди листовых силикатов — каолинит, тальк и серпентины.

Представители листовых силикатов :  тальк, серпентин, палыгорскит, слюды и гидрослюды, хлориты, минералы глин, мурманит.

Рис. 6. Структура листовых силикатов

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛИКАТОВ

1. Силикаты в водных растворах сильно гидролизованы (среда щелочная):

K2SiO3 + H2O ↔ KНSiO3 + KOH

SiO32- + H2O ↔ НSiO3 + OH-

2. Взаимодействие с растворимыми солями:

Na2SiO3+ MgCl2 =MgSiO3↓ + 2NaCl

3. При пропускании СО2 через растворы силикатов происходит выпадение гелеобразного осадка кремневой кислоты:

Na2SiO3 + CO2 + H2O = H2SiO3↓ + Na2CO3

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛИКАТОВ

Сложный химический состав и разнообразие кристаллической структуры дают большой разброс показателей физических свойств:

• Твёрдость: от 1 до 9
• Спайность: от весьма совершенной до несовершенной
• Окраска: широчайший спектр цветов и оттенков
• Внутри каждой структурной группы свойства близки, имеется один или два признака, по которым можно определить минерал. Например, слюды определяют по спайности и низкой твердости
• Часто силикаты группируются по окраске - темноокрашенные, светлоокрашенные (особенно это относится к породообразующим силикатам)
• Образуются, в основном, при формировании магматических и метаморфических пород в эндогенных процессах. Большая группа глинистых минералов (каолин и др.) образуется в экзогенных условиях при выветривании силикатных горных пород.

ПРИМЕНЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИЛИКАТОВ

Применение силикатов в различных отраслях промышленности настолько многообразно, что настоящий обзор не в состоянии охватить все области их использования. Без силикатных материалов – различных видов цемента, бетона, шлакобетона, керамики, стекла, покрытий в виде эмалей и глазурей уже невозможно представить себе нашу повседневную жизнь. Масштабы производства силикатных материалов представляются внушительными цифрами.

Широкие возможности применения силикатов обусловливаются их свойствами, которые сохраняются даже при высоком давлении и температуре до 200оС. Это позволило разработать и внедрить с их использованием способы селективного ограничения водопритоков из глубокозалегающих высокотемпературных коллекторов. В этих условиях большинство полимерных и кремнийорганических составов малоэффективны.

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

Наиболее древними силикатными материалами являются керамические, получаемые из глин и их смесей с различными минеральными добавками, обожженными до камневидного состояния. В древнем мире керамические изделия были распространены по всей территории Земли. Со второй половины XIX века и до настоящего времени индустриальная керамическая промышленность неизмеримо расширила выпуск и ассортимент керамики. Универсальную классификацию керамик создать трудно, но можно выделить следующие типы.

1. Благодаря экономичности производства, высоким физико-механическим и художественно-декоративным качествам, керамические материалы широко используются как строительные и декоративные. Это кирпич, пустотелые блоки для стен, перегородок, перекрытий, облицовочные плитки, изразцы, терракотовые и майоликовые детали в архитектуре, канализационные и дренажные трубы.

2. Огнеупорная керамика используется в производстве металлов, цемента, стекла, для кладки высокотемпературных печей, футеровки их внутренних поверхностей.

3. Химически стойкие керамики заменяют или защищают металлы в производствах, связанных с агрессивными средами, например в химической промышленности.

4. Тонкая керамика включает в себя изделия из фарфора и фаянса. К ним относятся бытовая и химическая посуда, художественные изделия, изоляторы разных типов.

Рис. 7. Продукция силикатной промышленности

Процессы производства керамики многообразны и в общих чертах сводятся к:

1) обработке сырья;

2) приготовлению керамической массы;

3) формованию и сушке массы;

4) обжигу;

5) отделке изделий.

В современном производстве эти операции обеспечиваются специальным оборудованием, порой очень сложным, а сами процессы проводятся в оптимальных технологических режимах, разработанных на серьезной научной основе учеными различных профилей.

Следует подчеркнуть, что растворы силикатов, взаимодействуя с металлом относительно слабо, защищают его от гораздо более сильного окислителя - кислорода воздуха. На этом основано применение силикатов в качестве защитных флюсов, смазок и покрытий. 

Применение силикатов в недостаточном количестве может вызвать развитие язвенной коррозии (это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия). Особенно вредное влияние на формирование ферросиликатной защитной пленки оказывают хлориды.

ИСКУССТВЕННОЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ СИЛИКАТОВ

Примером искусственного силикатного материала является портландцемент, один из наиболее распространенных видов минеральных вяжущих веществ. Цемент используется для связывания строительных деталей при получении массивных строительных блоков, плит, труб и кирпича. Цемент является основой таких широко применяемых строительных материалов, как бетон, железобетон и шлакобетон. Строительство любого масштаба не может существовать без цемента.

Прежде всего цементным клинкером называется продукт обжига смеси глины и известняка, а цементом – мелкоизмельченный клинкер с минеральными добавками, регулирующими его свойства. Цемент применяется в смеси с песком и водой. Его вяжущие свойства обусловлены способностью цементных минералов взаимодействовать с H2O и SiO2 и при этом затвердевать, образуя прочную камневидную структуру. При схватывании цемента происходят сложные процессы: гидратация минералов с образованием гидросиликатов и гидроалюминатов, образование коллоидных растворов и их кристаллизация, а также гидролиз.  Исследования процессов твердения цементного раствора и минералов цементного клинкера сыграли большую роль в становлении науки о силикатах и их технологии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Чтобы понять роль силикатов в жизни человека, рассмотрим строение земного шара. По современным представлениям земной шар состоит из ряда оболочек. Наружная оболочка Земли, земная кора, или литосфера, образована гранитной и базальтовой оболочками и тонким осадочным слоем. Гранитная оболочка в основном состоит из гранита – плотных сростков из полевых шпатов, слюды, амфиболов и пироксенов, а базальтовая – из таких гранитоподобных, но более тяжелых силикатных пород, как габбро, диабазы и базальты. Осадочные горные породы образуются при разрушении других пород под влиянием условий, характерных для поверхности Земли. Составной частью осадочного слоя являются, в частности, глины, основа которых – силикатный минерал каолинит. Литосфера на 95% образована силикатами. Ее средняя мощность в области материков составляет 30–40 км. Затем располагается симатическая оболочка, или верхняя мантия, среди минералов которой, вероятно, преобладают силикаты железа и магния. Эта оболочка охватывает земной шар сплошь и распространяется до глубины 1200 км. Далее от 1200 до 2900 км располагается промежуточная оболочка. Ее состав спорен, но и в ней предполагается существование силикатов. Под этой оболочкой на глубине от 2900 до 6370 км находится ядро.

В последнее время появилось предположение, что ядро имеет также силикатный состав. При движении от поверхности Земли к ее центру возрастают плотность и основность слагающих пород (увеличивается соотношение между содержанием оксидов металлов и кремнезема), давление и температура.

Природные силикаты играют важную роль в качестве сырья и конечных продуктов в промышленных процессах. Алюмосиликаты – плагиоклазы, калиевый полевой шпат и кремнезем используются как сырье в керамической, стекольной и цементной промышленности. Для изготовления несгораемых и обладающих электроизоляционными свойствами текстильных изделий широко используются асбесты, относящиеся к гидросиликатам – амфиболам. Некоторые виды асбестов обладают высокой кислотостойкостью и применяются в химической промышленности. Биотиты, представители группы слюд, используются как электро- и теплоизоляционные материалы в строительстве и приборостроении. Пироксены применяются в металлургии и каменно-литейном производстве, а пироксен LiAl[Si2O6] – для получения металлического лития. Пироксены являются составной частью доменных шлаков и шлаков цветной металлургии, которые, в свою очередь, также используются в народном хозяйстве. Такие горные породы, как граниты, базальты, габбро, диабазы, являются прекрасными строительными материалами.

Список иллюстраций

Рис. 1.Кремнекислородный тетраэдр        6

Рис. 2. Схема поясных силикатов        8

Рис. 3. Роговая обманка             Рис. 3.1. Тремолит        8

Рис. 4.Схема цепочечных силикатов        9

Рис. 5.Один из типов трехмерного кремнекислородного каркаса (ультрамарин)        10

Рис. 6. Структура листовых силикатов        11

Рис. 7. Продукция силикатной промышленности        14

Список литературы

1. Барзаковский В.П., Добротин Р.Б. Труды Д.И. Менделеева в области химии силикатов и стеклообразного состояния. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1960. 217 с.
2. Миловский А.В. Минералогия и петрография. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр, 1958.  83-88 с.
3. Смолеговский А.М. Развитие представлений о структуре силикатов. М.: Наука, 1979. 231 с.
4. Торопов Н.А., Булак Л.Н. Кристаллография и минералогия. Л.: Изд-во лит. по строительству, 1972. 503 с.
5.  Статья «Основы геологии», авторы: Н.В. Короновский, А.Ф. Якушова, МГУ геологический факультет.
6.  Статья «Силикаты в природе и практике человека», М.М. Шульц, Санкт-Петербургский государственный университет.

14.10.2021г.                                                                      _____________________