• View
• Edit
• History
• Print

Silicaten En Zeolieten

Door Arie Hamaker

Inleiding
Silicaten en zeolieten en de structuren daarvan behoren tot de leerstof voor het vwo examen scheikunde twee (domein B, onderwerpen 21 t/m 25). Veel leerboeken behandelen deze groep van stoffen nogal onduidelijk en soms foutief. Ook de illustraties blinken niet uit in informatieverstrekking.
Hieronder volgt een poging de structuren van deze stoffen te verduidelijken, waarbij gebruik gemaakt zal worden van tekeningen in het platte vlak. Deze tekeningen geven echter niet de juiste ruimtelijke rangschikking van de deelnemende deeltjes weer, maar verhelderen wel de onderlinge samenhang van deze deeltjes. Om een indruk te krijgen van de ruimtelijke rangschikking zijn ook foto’s van gebouwde modellen bijgevoegd.

1. Silicium en zuurstof
Silicaten en zeolieten bestaan voornamelijk uit silicium en zuurstof, twee niet-metalen. In het vervolg ga ik er daarom van uit dat atomen van deze elementen met (polaire) atoombinding aan elkaar gebonden zijn. Dit is niet voor 100% zo, de binding tussen silicium en zuurstof heeft gedeeltelijk ook een ionair karakter.
De covalentie van silicium is 4, net als van koolstof, beide elementen staan in groep 14 van het periodiek systeem. De covalentie van zuurstof is 2, groep 16 van het P.S.

Je zou verwachten dat naar analogie van het gas CO₂ er ook een gas SiO₂ zou bestaan. In de moleculen van dat gas zouden dan de zuurstofatomen met een dubbele atoombinding aan het siliciumatoom zijn gebonden. Het blijkt echter dat door de grotere afmeting van het siliciumatoom (t.o.v. het koolstofatoom) een dubbele binding tussen een zuurstofatoom en dat atoom niet stabiel is.
In de silicaten en de zeolieten zijn de siliciumatomen altijd omringd door vier zuurstofatomen, tetraedrisch gerangschikt rond het siliciumatoom. Elk zuurstofatoom is aan silicium gebonden met een enkelvoudige atoombinding. Dus heeft elk zuurstofatoom nog een atoombindingsmogelijkheid over. Daarmee zal het zuurstofatoom meestal aan een ander siliciumatoom gebonden zijn. Maar deze atoombindingsmogelijkheid wordt niet altijd gebruikt. Is dit niet het geval dan is dit zuurstofatoom enkelvoudig negatief geladen (lading 1-) en kan het metaalionen via ionbinding aan zich binden.

In de hierna volgende tekst wordt regelmatig verwezen naar foto’s. In deze foto’s zie je tetraederstructuren gebouwd met een chemische modellenbouwdoos en daarnaast de tetraedervoorstelling van het model. Wanneer je op het internet gaat zoeken naar structuurplaatjes van silicaten en zeolieten kom je vaak tetraedervoorstellingen tegen. Deze tekst en de foto’s helpen bij het begrip van zulk soort voorstellingen. In de gebouwde modellen stellen de zwarte bolletjes siliciumatomen (of aluminium-atomen) voor, de rode bolletjes zijn zuurstofatomen die aan twee siliciumatomen gebonden zijn, de oranje bolletjes zijn zuurstofatomen die aan een siliciumatoom gebonden zijn en dan een lading van 1- hebben.

2. Silicaten
a)Orthosilicaten
De eenvoudigste structuur is het orthosilicaation, SiO₄ ^4-:

De ruimtelijke rangschikking is tetraedrisch met de vier zuurstofatomen op de hoekpunten en het siliciumatoom in het “zwaartepunt” van de tetraeder, zie foto 1. De “eenheid” is hier SiO₄ ^4-, een Si atoom met vier zuurstofatomen. De negatieve lading van het ion wordt in het silicaat gecompenseerd door in het rooster aanwezige positieve metaalionen. Een voorbeeld van een silicaat met SiO₄ ^4- ionen is Willemiet, formule Zn₂SiO₄.

b)Disilicaten (pyrosilicaten)
Is één van de vier zuurstofatomen ook aan een ander siliciumatoom gebonden dan krijg je het disilicaation, Si₂O₇ ^6- (“eenheid” SiO_3½ ^3-, een Si atoom met drie hele en een half, want gedeeld, zuurstofatoom):

De twee tetraeders zijn met een hoekpunt (gemeenschappelijk zuurstotatoom) verbonden en de basisvlakken liggen in een vlak, zie foto2.
Ook hier zijn weer positieve metaalionen in het rooster opgenomen. Een voorbeeld van een silicaat met Si₂O₇ ^6- ionen is Thortveïtiet, formule Sc₂Si₂O₇.

c)Metasilicaten
Wanneer twee van de vier zuurstofatomen, die elk siliciumatoom omringen, ook aan een ander siliciumatoom zijn gebonden kunnen ringstructuren of ketens ontstaan:

of

In de ringstructuur zijn de drie tetraeders met een hoekpunt aan elkaar gebonden en liggen de drie basisvlakken weer in een vlak, zie foto3. Het is een ion met de formule Si₃O₉ ^6- (“eenheid” SiO₃ ^2-, een Si atoom met twee hele en twee halve, want gedeelde, zuurstofatomen). Ook ringstructuren met zes tetraeders komen voor (Si₆O₁₈ ^12-).
Voorbeeld van een silicaat met metaalionen en Si₃O₉ ^6- ionen: Benitoïet, formule BaTiSi₃O₉ (met het Ti⁴⁺ ion). In de ketenstructuur zijn de tetraeders ook met een hoekpunt aan elkaar gebonden.
De keten is een zigzaggende rij tetraeders met alle basisvlakken in het grondvlak, zie foto4. Ook in de ketens is de “eenheid” SiO₃ ^2-. Vaak hebben deze mineralen een vezelachtig voorkomen.
Voorbeeld van een silicaat met zulk soort ketens (en pos. metaalionen): Enstatiet, formule MgSiO₃, dit is wel een verhoudingsformule, eigenlijk zou het Mg_n(SiO₃)_n moeten zijn.

Overigens kunnen twee tetraeders nooit meer dan één hoekpunt (zuurstofatoom) gemeen hebben (regels van Pauling). Zo is de constructie hieronder niet stabiel:

In deze constructie hebben de twee tetraeders twee hoekpunten gemeen (de middelste twee zuurstofatomen zonder lading).

d)Fyllosilicaten
Wanneer drie van de vier zuurstofatomen die elk siliciumatoom omringen ook aan een ander siliciumatoom gebonden zijn, ontstaat een vlak netwerk (fyllos is oudgrieks voor blad) met ringen van zes siliciumatomen en zes zuurstofatomen. Hieronder zie je een tekening in het platte vlak. In de ruimtelijke structuur liggen alle getekende zuurstofatomen in een vlak. De siliciumatomen liggen in een vlak dat daar net boven ligt, zodat het rijtje atomen Si-O-Si niet een rechte lijn vormt, maar een hoek maakt. Recht boven elk siliciumatoom bevindt zich nog een, hier niet getekend, enkelvoudig gebonden zuurstofatoom met een lading 1-.

Duidelijker zijn misschien foto 5A en 5B. De “eenheid” is nu SiO_2½ ^1- (een Si-atoom met een heel en drie halve, want gedeelde, zuurstofatomen), in de formule van zo’n silicaat verschijnt dan Si₂O₅ ^2-. Voorbeeld van zo’n silicaat: Kaolien, formule Al₂(OH)₄Si₂O₅.

e)Siliciumdioxide
Maximaal kunnen alle vier de zuurstofatomen rond een siliciumatoom ook gebonden zijn aan een tweede siliciumatoom. Je hebt dan te maken met een ruimtelijke structuur, waarin geen metaalionen meer voorkomen. In de ruimtelijke structuur zijn weer de met een hoekpunt aan elkaar gekoppelde tetraeders te herkennen. Nu zijn alle hoekpunten van een tetraeder gekoppeld, maar elk hoekpunt aan een andere tetraeder! Tekenen is nu onbegonnen werk en je zult het met foto’s moeten doen.

De “eenheid” is nu SiO₂ (een Si atoom met vier halve, want gedeelde, zuurstofatomen). Geladen zuurstofatomen zijn er nu ook niet meer, dus is de formule van dit soort silicaten SiO₂ en er zijn drie (hoofd)vormen met de namen kwarts, crystobaliet en tridymiet. De getoonde afbeelding komt van Starck en is β-kwarts.
Je ziet alleen tetraeders en hun rangschikking in het kristal. De holtes erin zijn duidelijk te zien. De dichtheden van kwarts, crystobaliet en tridymiet zijn respectievelijk 2,65 g per cm³, 2,3 g per cm³ en 2,2 g per cm³. Dat betekent dat de ruimtelijke structuur nogal verschilt. In crystobaliet en tridymiet zijn er meer holtes of zijn de holtes groter dan in kwarts. Zulk soort holtes, maar dan nog groter, zijn ook aanwezig in de hierna te behandelen zeolieten. Voor mooie plaatjes van de structuur van de kwartsvorm van SiO₂ tik je op de Engelse Google “quartz structure” en dan “pictures” of “afbeeldingen” in. Hieronder een voorbeeld:

3.Zeolieten
Zeolieten (“schuimende stenen”) behoren tot de groep van de aluminiumsilicaten. Dit zijn ook ruimtelijke structuren met silicium- en zuurstofatomen in de verhouding 1:2, maar dat klopt niet helemaal, omdat een gedeelte van de siliciumatomen is vervangen door aluminiumatomen. Dus aantal Si- + Al-atomen samen staat tot aantal zuurstofatomen, (Al+Si):O, = 1:2.
Het blijkt dat aluminiumionen (Al³⁺) met vier zuurstofionen tetraeders vormen die practisch even groot zijn als de SiO₄-tetraeders. Dus passen de “Al”-tetraeders prima in de “Si”-tetraederstructuur. Het gevolg is wel dat er ter plaatse van zo’n “Al”-tetraeder een minlading in de structuur aanwezig is. Dit ligt aan het feit dat de vier zuurstofionen rond het aluminiumion een lading van 1- hebben, ze zijn immers ook nog met een atoombinding gebonden aan een siliciumatoom. Het zijn dus eigenlijk vastgeketende “ionen”. Vier minladingen tegenover Al³⁺: restlading 1-. In de holtes van zo’n structuur bevinden zich dus nog positieve ionen en omdat deze positieve ionen verwisselbaar zijn, is zeoliet een ionenwisselaar.
Onder normale omstandigheden bevindt zich ook water in de holtes van een zeoliet en als je de zeoliet verhit, gaat de steen schuimen: het water kookt eruit.
Het driedimensionale netwerk van tetraeders heeft als grotere eenheid de zogenaamde sodalietkooi, zie CHEMIE 6V § 23.4, blz 160. De hoeken van deze kooi zijn silicium(of aluminium)atomen en de lijnen tussen deze hoeken zijn gewoon getekende lijnen. De binding Si-O-Si van het ene naar het andere Si-atoom maakt een hoek en is geen rechte lijn! Zie de afbeelding hieronder van een stukje sodaliet.

Tekening van de sodalietkooi

De sodalietkooi in tetraeders.

Als je alleen naar de bollen van de zeolietstructuur kijkt, zie je de sodalietkooi erin. Deze sodalietkooien zijn via het vierkant of de zeshoek aan elkaar gekoppeld, waardoor een poreuze constructie ontstaat met ook tussen de sodalietkooien holtes, zie de afbeelding van zo’n constructie.

Sodalietkooien in verschillende stapelingen.

Sodalietkooien in een zeolietstructuur (Faujasiet, Zeoliet Y).

Deze holtes in zeolieten geven ze ook de eigenschap dat ze gebruikt kunnen worden als molecuulzeven (vaak zegt men moleculaire zeven): sommige moleculen kunnen wel door de holtes bewegen, andere moleculen worden vastgehouden. Dit is de basis voor weer een scheidingstechniek.
Zeolieten worden eveneens veel als katalysatoren gebruikt. Eigenlijk zijn het “co-katalysatoren”. De echte katalysator is in de zeoliet opgenomen en de ruimtelijke structuur van zeoliet zorgt voor andere randvoorwaarden, die het proces goed doen verlopen (Chemie 6V paragraaf 23.3).
Ook van zeolieten zijn op het internet mooie plaatjes te vinden, zoek met “structure of sodalite cages” op de Engelse Google.