• View
• Edit
• History
• Print

Natuurlijke Silicaten

Over de chemische structuur van minerale silicaten

(B.G. Dijkhuis, Da Vinci College, 1996)

1. Het orthosilicaat-ion
Silicium vormt een zeer groot aantal typen anionen dat van groot belang is voor de opbouw van een diversiteit van mineralen, die zijn beurt een bijdrage levert van 75% van de aardkorst in de vorm van gesteenten.
De basis van deze mineralen (in feite zijn het zouten), wordt gevormd door het orthosilicaation:

SiO₄^4-

Dit ion komt, in deze enkelvoudige vorm, slechts beperkt voor in mineralen die in de mineralogie nesosilicaten worden genoemd:

1. Olivijn: (Mg,Fe)₂SiO₄. Olivijn is een belangrijk bestanddeel van basalt. Dit gesteente wordt gevormd door uittredend magma tijdens vulkanische aktiviteit.
2. Fenaciet: Be₂SiO₄
3. Willemiet: Zn₂SiO₄
4. Zirkoon: ZrSiO₄
5. Granaat, een klasse van mineralen met de algemene formule:
   

Het orthosilicaat-ion heeft een tetraederstructuur, waarbij de zuurstofatomen zich in de hoekpunten bevinden (afbeelding 1).

Afbeelding 1. Het orthosilicaat-anion

2. Disilicaten
Het disilicaat-ion (of pyrosilicaat-ion) Si₂O₇ ^6- (afbeelding 2) wordt gevormd door een gemeenschappelijk zuurstofatoom van twee orthosilicaattetraeders. Feitelijk is dit te beschouwen als een dimeer van het SiO₄^4--ion. Er zijn weinig van dit soort mineralen, die in de mineralogie ook wel sorosilicaten worden genoemd, bekend:

1. Thortveïtiet: Sc₂Si₂O₇;
2. Hemimorfiet (een zinkerts): Zn₄(OH)₂Si₂O₇;
3. Vesuvianiet en Epidoot bevatten zowel orthosilicaat-ionen als disilicaat ionen.
   Dit zijn resp. Ca₁₀ (Mg,Fe)₂ Al₄ (Si₂O₇)₂ (SiO₄)₅ (OH,F)₄ en Ca₂Fe(III)Al₂Si₃O₁₂(OH)

3. Metasilicaten: cyclosilicaten, de pyroxeen- en amfiboolgroep
De volgende orde van silicaten wordt gevormd de aanwezigheid van twee gemeenschappelijke zuurstofatomen. Dit ion (metasilicaat-kation) heeft de algemene formule: (SiO₃)_n^2n-

Vanaf n=3 bestaan er cyclische structuren (cyclosilicaten, afbeelding 2B). Voorbeelden hiervan zijn:

1. Benitoïet: BaTiSi₃O₉ (n=3)
2. Catapleïet: Na₂ZrSi₃O₉.2H₂O (n=3)
3. Dioptaas: Cu₆Si₆O₁₈.6H₂O (n=6)
4. Beryl: Be₃Al₂Si₆O₁₈ (n=6) (afbeelding 3)

Afbeelding 2. Enkele structuren van di- en metasilicaten

Afbeelding 3. De structuur van beryl.

Polymere metasilicaatketens (afbeelding 2C) met de (verhoudings)formule (SiO₃)_n^2n- worden gevonden in mineralen die die behoren tot de pyroxeengroep:
Deze vormen onder andere een klasse van mineralen, die in een aantal gevallen een vezelig voorkomen heeft:

1. Enstatiet MgSiO₃
2. Diopsiet CaMg(SiO₃)₂ of CaMgSi₂O₆
3. Topaas Al₂SiO₃(OH,F)₂
4. Spodumeen (een lithiumerts): LiAl(SiO₃)₂ of LiAlSi₂O₆
5. Chrysocolla CuSiO₃.2H₂O
6. Jadeïet NaAlSi₂O₆ (“jade”)

Bij een derde gemeenschappelijk zuurstofatoom onstaan dubbele ketens (afbeelding 4) of banden. Deze mineralen vormen de amfiboolgroep. Deze groep bevat naast de repeterende Si₄O₁₁^6- -eenheid, zowel metaalionen als hydroxideionen. Ook van de groep kent men een aantal vezelige mineralen

Voorbeelden uit de amfiboolgroep zijn:

1. Tremoliet: Ca₂Mg₅(OH)₂(Si₄O₁₁)₂(OH,F)₂
2. Riebeckiet: Na₂Fe₃ ²⁺Fe₂ ³⁺(Si₄O₁₁)₂(OH,F)₂
3. Actinoliet: Ca₂(Mg,Fe)₅(Si₄O₁₁)2(OH,F)₂
4. Krocidoliet: (asbest)
5. Chrysotiel: (asbest)

Afbeelding 4. De basisstructuur voor de amfiboolgroep.

Afbeelding 5. De basisstructuur van phyllosilicaten.

4. Fyllosilicaten
Een “plaat”-structuur ontstaat als de bandstructuur twee-dimensionaal wordt uitgebreid (afbeelding 5). Deze zgn. fyllosilicaten leveren de empirische (verhoudings)formule: (Si₂O₅)_n ^2n- op.

Enkele voorbeelden van fyllosilicaten zijn mineralen die tot o.a. tot de “kleien” behoren:

1. Koalien: Al₂(OH)₄Si₂O₅ (porseleinaarde)
2. Talk: Mg₃(OH)2Si₄O₁₀

Maar ook de mica’s (glimmergroep):

1. Muscoviet: KAl₃Si₃O₁₀(OH,F)₂ (Mica)
2. Biotiet: K(Mg,Fe)₃AlSi₃O₁₀(OH,F)₂ (Zwarte mica)
3. Lepidoliet: K₂(Li,Al)₆AlSi₆O₂₀(OH,F)₄ (Lithiumglimmer)
4. Fuchsiet: (Chroomglimmer)

De laatste groep (3 t/m 6) vertoont het fenomeen dat een aantal siliciumatomen vervangen kan worden door aluminiumatomen.

5. Maximale crosslinking: silica
Een maximale netwerkstructuur (crosslinking) wordt verkregen als alle zuurstofatomen van de tetraederstructuur van de SiO₄^4- een gemeenschappelijke binding aangaan. Hierdoor ontstaat een 3-dimensionaal netwerk, met de netto-formule (SiO₂)_n of siliciumdioxide (of silica). Er zijn drie hoofdvormen van siliciumdioxide bekend:

1. Kwarts (afbeelding 6)
2. Tridymiet
3. Cristobaliet

(In alle drie de gevallen is er een volledig netwerkstructuur. Slechts de oriëntatie en plaats van de tetreaders zijn anders.)

Afbeelding 6. De netwerk-structuur van kwarts.

Amorf silica onstaat als de repeterende structuur van de tetrahedravormen verdwijnt, hierbij onstaat een glasachtige vorm: opaal: SiO₂.nH₂O (ook agaat, jaspis)

Omdat siliciumdioxide chemisch gezien geen silicaat is wordt zij ook in de mineralogie tot de klassen van oxiden gerekend.

6. Tektosilicaten. Veldspaten, zeolieten, ultramarijnen
Eerder is opgemerkt dat siliciumatomen vervangen kunnen worden door aluminiumatomen. Dit is mogelijk omdat de ionstralen tussen Al³⁺-ionen en O^2--ionen erg gunstig is, waardoor een tetraederstructuur in de vorm van het anion AlO₄ ^5- ongeveer dezelfde afmetingen heeft als de tetraederstructuur van het SiO₄ ^4--anion.

Afbeelding 7. De opbouw van SiO₄ ^4--tetraeders in veldspaat met een open structuur.

De enige voorwaarde is dan natuurlijk wel, dat de gehele structuur van het ionrooster electrisch neutraal is. Dit wordt bewerkstelligt door aanwezigheid van metaal-kationen. Deze kationen bevinden zich in de “holtes“ van het (3-dimensionale) tetraeder-netwerk.
Deze klasse van silicaten wordt in de mineralogie: tektosilicaten genoemd

Er bestaan drie klassen van mineralen met een aluminium-silcaatnetwerk:

1. De veldspaten (algemene formule: M(Al,Si)₄O₈
   • Orthoklaas: KAlSi₃O₈
   • Celciaan: BaAl₂Si₂O₈
2. De plagioklaasgroep:
   • Albiet: NaAlSi₃O₈
   • Anorthiet: CaAl₂Si₂O8
3. De zeolieten met algemene formule:

M_x/nⁿ⁺[Al_xSi_yO_2(x+y)]^-x.zH₂O

Waaronder:

• Natroliet: Na₂Al₂Si₃O₁₀.2H₂O
• Mesoliet: Na₂Ca₂(Al₂Si₃O₁₀).8H₂O
• Scoleciet: CaAl₂Si₃O₁₀.3H₂O
• Stilbiet: (Ca,Na₂K₂)Al₂Si₇O₁₈.7H₂O
• Thomasoniet: NaCa₂([Al,Si]₅O₁₀)2.6H₂O

7. Literatuur

• Diverse werken over mineralogie.
• Inorganic Chemistry; Huheey; Harper & Row, New York; 1983; p.685–689
• Inorganic Chemistry; Heslop/Robinson; Elsevier, Amsterdam; 1963; p. 153–156, 294–295
• Megapoeder Zeolieten; Weckhuysen/Schoonheydt; Natuur en Techniek; 1997, nr.1, p. 64–75.

8. Verwante onderwerpen

• Silicaten en Zeolieten
• Waterglas, silica en de chemische tuin
• Glas