Krzemian

Krzemiany lub krzemiany są w zasadzie solami kwasu ortokrzemowego. Kwasy krzemowe są kwasami tlenowymi krzemu, kwas ortokrzemowy jest najprostszym kwasem (kwas monokrzemowy). Wiele kwasów krzemowych występujących w przyrodzie, np. w muszlach okrzemek, ma wzór chemiczny SiO2 (dwutlenek krzemu) i powstaje w wyniku reakcji kwasu monokrzemowego (kwasu ortokrzemowego).

Bardzo dobrze znanym krzemianem jest na przykład skaleń. Ogólnie rzecz biorąc, krzemiany odgrywają bardzo ważną rolę w mineralogii, wiele ważnych minerałów skałotwórczych jest chemicznie krzemianami. Krzemiany stanowią około 90% skorupy ziemskiej i jeszcze większą część płaszcza. Oprócz skalenia, który stanowi ponad połowę wszystkich krzemianów występujących w skorupie ziemskiej, występują również inne ważne krzemiany:

• Mica
• Amfibol
• Piroksen
• Minerały ilaste
• Olivin
• Garnet
• Minerały ilaste

Również kwarc (wyraźnie rozpoznawalny dzięki wzorowi chemicznemu SiO2) jest w rzeczywistości krzemianem, ale ze względu na swój wzór sumaryczny może być teoretycznie zaliczany do tlenków. Nauki geologiczne różnie sobie z tym radzą w zależności od kraju.

Z chemicznego punktu widzenia estry kwasu krzemowego i skondensowane sole kwasu krzemowego są również zaliczane do krzemianów.

Budowa chemiczna krzemianów

Struktura każdego krzemianu jest określona przez tetrahedry SiO4. Te tetraedryczne warstwy tworzą podstawowy szkielet związku, ale poszczególne tetraedry mogą być połączone na różne sposoby.

Jeżeli poszczególne miejsca czworościanów pozostają niepołączone, to w celu kompensacji w tych miejscach znajdują się kationy metali, a czasami także jony wodorotlenkowe (OH-). Pojedyncze tetrahedra w strukturach krzemianowych mogą być również całkowicie zastąpione fluorem, możliwe jest również włączenie wody do złożonej struktury sieciowej, jak również włączenie fluoru i jonów wodorotlenkowych do istniejących wnęk w krzemianach wstęgowych.

Klasyfikacja krzemianów

Podstawowym budulcem każdego krzemianu jest, jak już wspomniano, czworościan SiO4. W tej strukturze czworościanu każdy atom krzemu jest otoczony przez cztery atomy tlenu. Te atomy tlenu pozwalają również różne tetrahedra do wiązania się ze sobą, jak pojedynczy atom tlenu może być łatwo dzielone przez dwa tetrahedra, które są następnie połączone razem.

Ten rodzaj wiązania pozwala na zbudowanie z krzemianów nie tylko pojedynczych i podwójnych łańcuchów (krzemiany łańcuchowe), ale także bardziej złożonych struktur szkieletowych i warstwowych (krzemiany szkieletowe lub krzemiany warstwowe), a nawet struktur pierścieniowych (krzemiany pierścieniowe), w których każdy czworościan dzieli dwa jony tlenu z dwoma sąsiadami. Tetraedry leżące w izolacji nazywamy izokrzemianami lub nesokrzemianami.

Nie tylko atomy tlenu, ale także atomy krzemu można w razie potrzeby zastąpić innymi atomami, w szczególności aluminium, które zachowuje się bardzo podobnie. Jeśli tak jest w przypadku poszczególnych tetrahedrów (nie jest to możliwe dla wszystkich), powstałe krzemiany nazywane są “glinokrzemianami”. Przykładem tego jest kaolinit.

Aby móc sobie nieco lepiej wyobrazić przyporządkowanie do poszczególnych rodzajów krzemianów, poniżej lista z przykładami:

• Krzemiany łańcuchowe lub pasmowe (inokrzemiany): np. pirokseny i amfibole
• krzemian ramowy (tektokrzemian): np. skaleń i wszystkie reprezentacje skalenia (foids), ale także zeolity (jako minerały wodne) oraz specjalne rodzaje kwarcu (?-quartz)
• Filokrzemiany: np. mika, talk (steatyt), muskowit, minerały ilaste, serpentynit
• Krzemian pierścieniowy (cyklosilikat): np. minerały turmalinu, beryl
• Krzemian wyspowy (nesokrzemian): np. oliwin, cyrkon

W bardziej precyzyjnych klasyfikacjach rozróżnia się również grupy krzemianów (sorosilikaty), które w każdym przypadku tworzą grupy po dwa z czworościanów krzemianowych. Struktury te są raczej rzadkie, przykładem może być gehlenit.

Amorficzny krzemian jest również często spotykany w przyrodzie, na przykład w muszlach okrzemek lub niektórych pierwotniaków (radiolarii). Wiązania są tu rozmieszczone niesystematycznie pomiędzy tetraedrami, a także włączona jest woda. Przykładem z mineralogii takiej struktury jest opal.

Występowanie i zastosowanie

Ze względu na obfitość występowania w skorupie ziemskiej i płaszczu, krzemian występuje również bardzo często w wielu miejscach w przyrodzie. Krzemiany występują nie tylko jako minerały w skałach, ale także praktycznie w całej wodzie (w formie rozpuszczonej). Wiele zwierząt buduje z krzemianów również szkielety, muszle, a nawet struktury szkieletowe (jak u gąbek).

Sztucznie wytworzone krzemiany mają obecnie duże znaczenie techniczne; są one stosowane w wielu różnych formach, na przykład jako szkło, które otrzymuje się z piasku kwarcowego. Produkowane są również szkła borokrzemianowe i glinokrzemianowe. Dobrze znana szklanka do wody jest również sztucznie stworzonym krzemianem, a żel krzemionkowy znany z opakowań produktów jest oczywiście również krzemianem. W postaci talku (zmielony, czysty steatyt) i w postaci azbestu, krzemian był i jest również używany.

Syntetycznie produkowane zeolity (głównie zeolit A) odgrywają główną rolę jako tzw. wymieniacze jonowe w zmiękczaniu wody (np. w detergentach i środkach płuczących). Krzemiany są również stosowane w uzdatnianiu wody pitnej.

Wiele minerałów krzemianowych (odmiany kwarcu, skalenie takie jak labdradoryt czy sodalit, odmiany berylu takie jak szmaragdy i akwamaryny, a także granaty, oliwiny, topazy i cyrkony) są również przedmiotem handlu jako kamienie szlachetne i mają tam stosunkowo duże znaczenie.

Czy krzemiany są niebezpieczne w wodzie pitnej?

Ze względu na częste występowanie krzemianów w przyrodzie, znajdują się one praktycznie we wszystkich wodach – również w wodzie pitnej. Zawartość może wynosić 30 mg/l i więcej. Jest to całkowicie nieszkodliwe dla ludzi, a także dla wielu organizmów wodnych w wodach naturalnych.

Tylko w akwarium wysokie ilości krzemianów mają pewien potencjał problemowy: od ilości powyżej 0,2 mg/l nie tylko okrzemki rosną coraz bardziej, ale także sinice (niebiesko-zielone algi), które następnie pokrywają wszystko jako mulisty film i mogą szybko zabić rośliny w akwarium. Jeśli krzemiany zostaną usunięte z wody akwariowej, wzrost jest zakończony. Istnieją specjalne filtry do tego celu, a systemy odwróconej osmozy mogą być oczywiście również wykorzystywane do usuwania krzemianów.

Wniosek

Materia żywa (organiczna) składa się z węgla, materia skalna składa się z krzemianów, które również tworzą szkielety i struktury. Teoretycznie mogłoby być też odwrotnie, obie substancje miałyby potencjał. Decyzja o zastosowaniu węgla była po prostu wybrykiem natury. Krzemiany są spotykane w przyrodzie na każdym kroku – dosłownie, ponieważ stąpamy po skorupie ziemskiej, która składa się w ponad 90% z krzemianów, takich jak skalenie, kwarc, mika i wiele innych minerałów opartych na solach kwasu krzemowego. Rozpuszczone krzemiany są również zawsze obecne w każdej wodzie, co jest nieszkodliwe dla ludzi (nawet pożyteczne, ponieważ chronią rury przed korozją), ale może czasami powodować problemy w akwariach.