Silicato

En química, un silicato es cualquier miembro de una familia de aniones que consta de silicio y oxígeno, generalmente con la fórmula general [SiO^(4−2x)−_4−x]_n. El nombre también se usa para cualquier sal de dichos aniones, como el metasilicato de sodio; o cualquier éster que contenga el grupo químico correspondiente, como el ortosilicato de tetrametilo.

Los aniones de silicato suelen ser moléculas poliméricas grandes con una gran variedad de estructuras, incluidas cadenas y anillos (como en el metasilicato polimérico.

En geología y astronomía, el término silicato se usa para referirse a minerales de silicato, sólidos iónicos con aniones de silicato; así como tipos de rocas que consisten predominantemente en dichos minerales. En ese contexto, el término también incluye el compuesto no iónico dióxido de silicio SiO₂(sílice, cuarzo), que correspondería a x = 2 en la fórmula general. El término también incluye minerales en los que el aluminio u otros átomos tetravalentes reemplazan a algunos de los átomos de silicio, como en los aluminosilicatos. Tales silicatos comprenden la mayor parte de la corteza y el manto de la Tierra, así como los otros planetas terrestres, lunas rocosas y asteroides.

Para diversas necesidades de fabricación, tecnológicas y artísticas, los silicatos son materiales versátiles, tanto naturales (como el granito, la grava y el granate) como artificiales (como el cemento Portland, la cerámica, el vidrio y el vidrio soluble).

El nombre "silicato" a veces se extiende a cualquier anión que contenga silicio, incluso si no se ajusta a la fórmula general o contiene otros átomos además del oxígeno; como hexafluorosilicato [SiF₆].

Principios estructurales

Modelado como tetraedros que comparten esquinas

En los silicatos más comunes, incluidos casi todos los minerales de silicato, cada átomo de silicio ocupa el centro de un tetraedro idealizado cuyas esquinas son cuatro átomos de oxígeno, conectados a él por enlaces covalentes simples de acuerdo con la regla del octeto. Este escenario de unión de estructuras no describe la naturaleza de los minerales de silicato bajo altas presiones, que es la situación de la mayoría de los minerales de silicato terrestres.

Estos tetraedros pueden presentarse como aniones de ortosilicato aislados SiO₄, pero dos o más átomos de silicio se pueden unir con átomos de oxígeno de varias maneras, para formar aniones más complejos, como el pirosilicato Si₂O₇o el hexámero de anillo de metasilicato Si₆O₁₈. Los aniones de silicato poliméricos de tamaños arbitrariamente grandes pueden tener estructuras de cadena, de doble cadena, de lámina o tridimensionales.

Normalmente, cada átomo de oxígeno que no aporta una carga negativa al anión es un puente entre dos átomos de silicio. La estructura de tales aniones se describe y representa comúnmente como tetraedros centrados en silicio conectados por sus vértices, de tal manera que cada vértice es compartido por dos tetraedros como máximo.

Silicatos con silicio no tetraédrico

Aunque el tetraedro es la geometría de coordinación común para los compuestos de silicio, el silicio también puede presentarse con números de coordinación más altos. Por ejemplo, en el anión hexafluorosilicato SiF₆, el átomo de silicio está rodeado por seis átomos de flúor en una disposición octaédrica. Esta estructura también se ve en el anión hexahidroxisilicato Si(OH)₆que ocurre en la taumasita, un mineral que rara vez se encuentra en la naturaleza pero que a veces se observa entre otros hidratos de silicato de calcio formados artificialmente en el cemento y el hormigón sometidos a un fuerte ataque de sulfatos.

A presiones muy altas, incluso el SiO ₂ adopta la geometría octaédrica de seis coordenadas en el mineral stishovita, un polimorfo denso de sílice que se encuentra en el manto inferior de la Tierra y también se forma por impactos de meteoritos.

Propiedades químicas

Los silicatos sólidos son generalmente estables y bien caracterizados.

Los silicatos con cationes alcalinos y aniones pequeños o en forma de cadena, como el ortosilicato y el metasilicato de sodio, son bastante solubles en agua. Forman varios hidratos sólidos cuando cristalizan de la solución. Los silicatos de sodio solubles y sus mezclas, conocidos como vidrio soluble, son de hecho importantes productos químicos industriales y domésticos. Los silicatos de cationes no alcalinos, o con aniones poliméricos laminares y tridimensionales, generalmente tienen una solubilidad en agua despreciable en condiciones normales.

Reacciones

Los aniones de silicato son formalmente las bases conjugadas de los ácidos silícicos, es decir, compuestos con el grupo funcional Si-OH. Por ejemplo, el ortosilicato puede verse como el ácido ortosilícico Si(OH) desprotonado cuatro veces.₄. Los ácidos silícicos son generalmente ácidos débiles. Se pueden aislar. Existen en solución acuosa como mezclas de aniones condensados ​​y parcialmente protonados, en equilibrio dinámico. Los procesos generales en este equilibrio son hidrólisis/condensación≡Si–O–Si≡ + H₂O ⇌ ≡Si–OH + HO–Si≡

y protonación/desprotonación≡Si–OH ⇌ ≡Si– O+ H.

El equilibrio puede desplazarse hacia aniones más grandes aumentando la concentración de silicato y/o la acidez del medio. Se supone que el anión ortosilicato, por ejemplo, es la forma predominante de sílice disuelta naturalmente en el agua de mar, cuya concentración es inferior a 100 partes por millón; y también cuando la sílice se disuelve en un exceso de óxido de sodio a pH 12 o más. En concentraciones más altas o pH bajo, predominan los aniones poliméricos.

En el límite, los aniones de silicato se convierten en ácidos silícicos, que se condensan en una red tridimensional que consta de tetraedros de SiO ₄ interconectados por enlaces Si-O-Si. Un proceso de condensación relacionado se ve en el procesamiento sol-gel de tetraetilsilicato.

Detección

Los aniones de silicato en solución reaccionan con los aniones de molibdato produciendo complejos de silicomolibdato amarillos. En una preparación típica, se encontró que el ortosilicato monomérico reaccionaba completamente en 75 segundos; pirosilicato dimérico en 10 minutos; y oligómeros superiores en un tiempo considerablemente más largo. En particular, la reacción no se observa con suspensiones de sílice coloidal.

Formación de zeolita

La naturaleza de los silicatos solubles es relevante para comprender la biomineralización y la síntesis de aluminosilicatos, como los catalizadores de importancia industrial llamados zeolitas.