SILICAŢII

Silicaţii reprezintă o clasă de substanţe cu largă răspândire în scoarţa terestră, în tabelul 1 se prezintă date cu privire la compoziţia scoarţei Pământului

Tabelul 1 Compoziţia chimică a scoarţei terestre

Compo nentu l % masă

Feldspaţii de calciu şi sodiu

44,5

Cuarţul 15

Feldspaţii de potasiu 14Silicaţii de fier şi 13,9Mica 10,2Minereurile de fier 1,7Celelalte minerale 0,7

Formarea silicaţilor

Silicaţii provin în cea mai mare parte din magma topită. La solidificarea magmei s-au separat:

1.silicaţii mai săraci în dioxid de siliciu; 2.silicaţi cu un conţinut mai mare de dioxid de siliciu (feldspaţi, mică);3.cuarţ (dioxid de siliciu curat).Silicaţii se separă adesea din magmă sub formă de agregate sau roci, cum sunt granitul,

bazaltul gabro.Alţi silicaţi provin din rocile eruptive ca urmare a degradării lor mecanice şi chimice sub

acţiunea apei şi a dioxidului de carbon. Din această clasă fac parte caolinul, argilele, ale căror componente principale sunt silicaţii, de multe ori amorfi, proveniţi din silicaţii naturali degradaţi şi amestecaţi cu oxizi de fier şi cu substanţe organice.

Clasificarea silicaţilor

După structura anionilor silicaţii naturali pot fi clasificaţi în şase clase, fiecare din aceasta cuprinzând mai multe grupe.

1. Ortosilicaţii sunt cei care conţin anionul SiO44- şi cuprind 7 grupe. Re

prezentativ pentru această clasă este topazul, cu formula chimică A12[F2 (SiO4)], în care F poate fi înlocuit parţial cu gruparea HO.

2. Silicaţii cu anioni Si2O76-

3. Silicaţii cu anioni ciclici (SiO3)nn-. Cel mai cunoscut silicat din a-

ceastă clasă este smaragdul, cu formula chimică Be3Al2Si6Oi8, piatrăpreţioasă de culoare verde, cu o varietate albastră: acvamarin.

4. Silicaţii fibroşi sunt macroanioni catenari compuşi din lanţuri deSiC4, azbestul fiind cel mai cunoscut silicat din această clasă:Mg6[(HO)6(Si4O„)].H2O.

5. Silicaţii stratificaţi sunt macroanioni bidimensionali compuşi din straturi de SiO4. Un mare număr de tetraedre SiO4 se pot uni între ele prin câte treicolţuri formând anioni macromoleculari bidimensionali, corespunzândformulei empirice (Si2O5)n

2n~. Tetraedrele pot fi unite între ele după un modelpătratic-octogonal sau unul hexagonal. Reprezentativi pentru această clasăsunt talcul Mg3(H0)2(Si205)2 şi montmorilonitul Al2(HO)2(Si2O5)2.H2O, încare Al este parţial înlocuit cu Mg. Montmorilonitul face parte din grupabentonitelor, caracterizate printr-o mare putere de adsorbţie a apei şi a altor

solvenţi, având pentru acest motiv numeroase aplicaţii industriale. Tot dinaceastă clasă face parte şî mica, cunoscându-se peste 100 de varietăţi din acestsilicat natural, în care cea. lA din atomii de Si sunt înlocuiţi cu cei de Al.

6. Silicaţii cu anioni tridimensionali au formula empirică (SiAl)O2, clasăce conţine numeroase grupe de silicaţi naturali de importanţă industrială: feîd-spaţii, zeoliţii, această ultimă grupă de silicaţi având o importanţă cu totuldeosebită, fiind folosiţi într-o mare varietate de aplicaţii.

O altă sistematizare a silicaţilor se realizează luând în considerare modul în care se leagă tetraedrii SiO4 între ei:

a. nezosilicaţi — formaţi din tetraedrii de SiO4 legaţi între ei prin cationi,tetraedrii nevenind în contact direct, din acest motiv ei se mai numesc şisiîicaţi insulari şi au formula 2 MeO.SiO2, unde Me = Mg, Ca, Fe.

b. sorosiîicaţii - în care tetraedrii de SiO4 se leagă între ei prin intermediul unuia sau a mai multor oxigeni comuni.

c. inosilicaţii - unde tetraedrii de SiO4 se cuplează prin intermediu! oxi-genilor comuni într-o singură direcţie, formând grupări tetraedrice infiniteunidimensionale de teraedri, în structură tip lanţ sau bandă.

d. filosilicaţii - tetraedrii de S1O4 se unesc prin intermediul oxigeni-lor comuni în două direcţii, formând grupări infinite, bidirecţionale,constituindu-se astfel o structură stratificată, lamelară.

e. tectosilicaţii — în care tetraedrii de SiO4 sunt cuplaţi tridimensional prinintermediul vârfurilor de oxigen.

Compoziţia chimică a silicaţilor

Analiza chimică a silicaţilor naturali indică prezenţa elementelor Si,O, Al, Mg, Fe, Ca, Na, K etc, dintre acestea primele două sunt totdeauna prezente în componenţa silicaţilor, iar Al destul de frecvent. Silicaţii se caracterizează prin existenţa unor reţele complicate. Analiza prin difracţie cu raze X a silicaţilor a evidenţiat existenţa în reţelele solide ale acestora a anionilor şi cationilor. în cele mai multe cazuri anionii au structuri complicate, macromoleculare. în siîicaţi atomii de Si sunt înconjuraţi de patru atomi de oxigen, între aceste elemente realizându-se legături covalente tari, atomii de oxigen formând un tetraedru în jurul atomului de siliciu.

Zeoliţi

Zeoliţii sunt alumino-silicaţi hidrataţi cu structură cristalină care aii-proprk etatea de a pierde reversibil apa fără a se produce distrugerea sau modificarea dimensională a carcasei. Denumirea lor derivă din cuvintele zein şi lithos, care desemnează "piatra care fierbe", pentru că prin încălzire zeoliţii pierd apa de constituţie. Primul zeolit natural descoperit a fost stilbitul, în 1756, pentru ca în 1925 să se pună în evidenţă proprietatea lor de sită moleculară. In 1948 a fost construită prima instalaţie pentru separarea hidrocarburilor cu ajutorul sitelor moleculare de tip zeolit şi tot în acel an s-au fabricat pentru prima dată zeoliţi sintetici, pentru ca începând cu anul 1960 sa fie folosiţi drept catalizatori sau componente ale acestora în industria de prelucrare a produselor petroliere.

Zeoliţii prezintă o structură internă sub forma unor canale cu diametrul de 2,2 - 9 Angstromi realizată prin unirea unor tetraedri care au în vârfurile lor atomi de oxigen, iar în interior atomi de siliciu şi aluminiu. Din punct de vedere mineralogic zeoliţii sunt minerale din clasa tectosilicaţilor, formaţi din reţele tridimensionale continue de tetraedre [SiO]4- şi [A1O4]5- care alcătuiesc un schelet rigid, deschis incluzând în general cationii care neutralizează sarcina negativă excedentară a tetraedrelor de aluminiu şi molecule de apă. Cavităţile interne sunt ocupate de ioni şi molecule de apă care se mişcă liber, permiţând schimbul ionic şi deshidratarea în trepte, reversibilă.

În tabelul 2 se prezintă compoziţia chimică a unor zeoliţi dintr-un zăcământ românesc,

de tip clinoptilolit.

Tabelul 2 Compoziţia chimică a zeoliţilor

Componentul % masă

SiO2 54

- 70

Ai2O3 9 - 15

Fe2O3 0,7

- 2,2

CaO 1,8

- 3,8MgO 0,

4- 1,2

K2O 1,6

- 4,2Na2O 0,

4- 3,9

TiO2 0,1

- 0,2

Prezenţa oxizilor de fier conferă un aspect colorat zeoliţilor. Densitatea zeoliţilor este de ordinul 2-2,3 g/cm3. Diversele sorturi de zeoliţi se deosebesc între ele prin conţinutul de cationi şi raportul molarSiO2/Al2O3. In golurile reţelei cristaline sunt plasaţi ioni cu raze mari: Na+, Ca2+, K+ etc. Moleculele de apă se comportă în structura internă a zeoliţilor ca într-o soluţie vâscoasă, schimbându-şi locul cu o frecvenţă mare, motiv pentru care poate fi îndepărtată cu uşurinţă. Zeoliţii participă la schimbul ionic în care cationii proprii sunt înlocuiţi cu alţii din soluţie.

Formula generală a unui zeolit este: ( R+, 1,5 2).(AlxSixO2(K+y)).zH2O unde: x < y, R+ = Na+, K\ Li+ etc., R+2 = Ca2+, Ba2+; Mg2+, Sr2+ etc.

Aluminiul din complexul anionic poate fi substituit, în cantitate redusă, cu Fe trivalent şi, uneori, cu Be şi Ga. Siliciul poate fi şi el substituit parţial cu P, Ge, dar numai în compuşi sintetici.

Cantitatea de apă zeolitică este variabilă, numărul de molecule de apă nedepăşind jumătate din cel al ionilor de oxigen din complexul anionic.

Zeoliţii îşi găsesc o mare gamă de întrebuinţări în cele mai diverse domenii: epurarea apelor reziduale, purificarea gazelor, dedurizarea apei, uscarea gazelor, hrana animalelor, industria hârtiei, condiţionarea şi fertilizarea solului, industria materialelor de construcţie.

Silicagelul

Din punct de vedere chimic silicagelul este SiO2 de mare puritate obţinut pe cale artificială, folosind ca materie primă silicatul de sodiu, care prin tratare acidă (cu acid sulfuric) formează acidul silicic (H2OSiO2), iar acesta prin deshidratare formează silicagelul.

Silicagelul prezintă o reţea capilară internă cu pori uitramicroscopiri, prezentându-se sub forma unor granule cu aspect variat, transparent sau opac. Structura capilară microscopică de dimensiuni variate, în funcţie de calitatea gerurilor, conferă produsului proprietăţi adsorbante remarcabile. Volumul total al porilor reprezintă cea. 40 % din volumul total al granulelor, iar suprafaţa unui gram de gel este evaluată la cea 300 - 600 m2.

Fabricarea silicagelului prin tratarea acidă a silicatului de sodiu prezintă dezavantajul că produsul este impurificat cu săruri minerale, care se găsesc fin dispersate în porii interni ai acestuia, eliminarea lor necesitând spălări repetate, dificil de realizat şi cu mare consum de timp. Prin acest procedeu este dificil de obţinut silicagel de înaltă puritate, astfel încât activitatea lui este mai redusă, iar costurile de fabricaţie sunt mai mari.

S-a pus la punct un alt procedeu care are la bază fenomenul de schimb ionic dintre soluţiile apoase de silicaţi alcalini cu substanţe ce au această proprietate, de tip wolfatit. Ca materie primă se foloseşte soluţie de silicat de sodiu, cu densitatea 1,357 - 1,383 g/cm3 şi

raportul molar SiO2/Na2O = 3.Se fabrică doua sorturi de silicagel: microporos şi macroporos, fiecare în patru tipuri.

Printre principalele caracteristici ale acestui produs menţionăm:

- aspectul granule de formă neregulată, sticloase, transparente sau mate;

- mărimea granulelor 0,2 — 7 mm;- rezistenţa mecanică minim 60 - 92 %- densitatea în vrac 400 - 670 g/l- higroscopicitatea la 100°Ci minim 3 5 - 7 0 %