硅酸盐的性质与结构

硅酸盐的性质与结构

硅酸盐是地壳中分布最广的一类化合物，由硅、氧与其他化学元素（如铝、铁、钙、镁等）结合而成。它们不仅是构成多数岩石和土壤的主要成分，还在工业和日常生活中有着广泛的应用。本文将从硅酸盐的定义、表示方法、溶解性到其复杂的结构特点，为您全面解析这一重要化合物家族。

硅酸盐的定义与分布

硅酸盐指的是硅、氧与其它化学元素（主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等）结合而成的化合物的总称。它在地壳中分布极广，是构成多数岩石（如花岗岩）和土壤的主要成分。自然界存在的各种天然硅酸盐矿物约占地壳质量的90%以上。

硅酸盐的表示方法

硅酸盐的成分大多比较复杂，通常写成氧化物的形式。氧化物的顺序为：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。氧化物前系数的确定遵循除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒的原则。几种天然硅酸盐的化学式如下：

• 高岭土：Al2O3·2SiO2·2H2O
• 白云母：K2O·3Al2O3·6SiO2
• 石棉：CaO·3MgO·4SiO2
• 正长石：K2O·Al2O3·6SiO2

硅酸盐的溶解性

在硅酸盐中，仅碱金属盐能溶于水。将Na2CO3与SiO2共熔可制得硅酸钠，其透明的浆状溶液称作“水玻璃”，俗称“泡花碱”。水玻璃中Na2CO3和SiO2的物质的量不是固定的，工业上把水玻璃中SiO2和Na2O的摩尔比称作水玻璃的“模数”。水玻璃是纺织、造纸、制皂、铸造等行业的重要原料。除碱金属硅酸盐外，其他的硅酸盐均不溶于水。

硅酸盐结构的特点

硅酸盐结构具有以下特点：

• 结构中Si4+间没有直接的键，它们是通过O2-连接起来的；
• 结构是以硅氧四面体为结构基础；
• 每一个O2-只能连接2个硅氧四面体；
• 硅氧四面体只能共顶连接，而不能共棱和共面连接。

硅酸盐的结构类型

单聚硅酸根

单个的硅氧四面体，其中Si：O=1:4。例如自然界中存在的橄榄石Mg2SiO4就是这种正硅酸盐。

二聚硅酸根

两个硅氧四面体通过共用一个氧原子连结起来，其中Si：O=2:7（1:3.5）。例如自然界中的钪硅石Sc2Si2O7，异极矿Zn4Si2O7(OH)2·H2O。

链聚硅酸根

常见有单链和双链两种，具有纤维状结构。单链由硅氧四面体连结成无限长的链，相邻两个硅氧四面体共用1个氧原子。在无限长的链聚硅酸根中Si：O=1:3。通式为SinO3n+1,带2n+2个负电荷。

双链犹如两个单链相互联结而成。其中Si：O=4:11。阴离子硅酸根链之间分布着带正电的金属离子，靠静电引力使链结合在一起。

片状聚硅酸根

每一个硅氧四面体通过共用3个氧原子分别与邻近3个硅氧四面体连结，形成片层状结构，片层之间靠金属离子的静电引力结合在一起，如云母。

网络状聚硅酸根

网络状聚硅酸根：硅氧四面休间通过共用4个氧原子而组成各种三维网络结构。如果在某个硅氧四面体中有铝原子代替了硅原子，形成的铝硅酸根网络骨架中就带了负电荷，因此在骨架的空隙中必须有平衡骨架负电荷的阳离子存在。如用作催化剂或催化剂载体的沸石分子筛。

特殊硅酸盐实例

石棉

石棉又称“石绵”，指具有高抗张强度、高挠性、耐化学和热侵蚀、电绝缘和具有可纺性的硅酸盐类矿物产品。它是天然的纤维状的硅酸盐类类矿物质的总称。石棉由纤维束组成，而纤维束又由很长很细的能相互分离的纤维组成。石棉具有高度耐火性、电绝缘性和绝热性，是重要的防火、绝缘和保温材料。不同种类的石棉，物理机械性质和化学性质也都不同。石棉纤维长度一般为3～50毫米，也有较长的。中国发现最长的石棉纤维达2.18米，是目前世界上最长的。

分子筛——合成铝硅酸盐

自然界中存在的某些硅酸盐和铝硅酸盐具有笼形三维结构，可以有选择地吸附一定大小的分子，这种作用叫做分子筛作用。通常把这样的天然硅酸盐和硅铝酸盐叫做沸石分子筛称为沸石分子筛。例如八面沸石、丝光沸石等。分子筛具有筛分不同大小分子的功能。与普通筛子不同，普通筛子是小于孔径的物资可以通过筛子，大于筛孔的物质筛不过去。分子筛却相反，小于分子筛筛孔的分子进入分子筛后易被吸附于孔穴中，大于分子筛孔径的分子则难以进入孔穴中而从分子筛小晶粒空隙之间通过。优点：分子筛是一种新型的高效能、高选择性、机械强度大、热稳定性好、成本低廉的吸附剂、干燥剂、分离剂和催化剂，在化工、冶金、石油、电子、医药等工业中得到广泛的应用。分子筛的选择性