Krzemian: sole kwasu krzemowego w minerałach i technice

Za krzemiany uznaje się zasadniczo sole kwasu ortokrzemowego. Do kwasów tlenowych krzemu należą kwasy krzemowe, a najprostszą budowę ma wśród nich kwas ortokrzemowy (kwas monokrzemowy). Wiele kwasów krzemowych występujących w przyrodzie, na przykład pancerze okrzemek, opisuje wzór sumaryczny SiO2 (dwutlenek krzemu). Powstało więc wiele z nich w wyniku reakcji kwasu monokrzemowego (kwasu ortokrzemowego).

Jako przykład bardzo znanego krzemianu można wskazać skaleń. W mineralogii krzemiany odgrywają ogólnie bardzo ważną rolę, ponieważ pod względem chemicznym zalicza się do nich wiele ważnych minerałów skałotwórczych. Ilościowo stanowią około 90 % skorupy ziemskiej oraz jeszcze większą część płaszcza Ziemi. Poza skaleniem, którego udział przekracza połowę wszystkich krzemianów w skorupie ziemskiej, bardzo często występują również inne ważne krzemiany:

• Mika
• Amfibole
• Pirokseny
• Minerały ilaste
• Oliwin
• Granat
• Minerały ilaste

Również kwarc, wyraźnie rozpoznawalny po wzorze chemicznym SiO2, jest właściwie krzemianem. Jego wzór sumaryczny pozwala jednak teoretycznie zaliczyć go do tlenków. W zależności od kraju nauki geologiczne różnie traktują tę kwestię.

Z chemicznego punktu widzenia do grupy krzemianów należą ponadto estry kwasu krzemowego oraz jego skondensowane sole.

Jak już wspomniano, tetraedr SiO4 stanowi podstawowy element budulcowy każdego krzemianu. Każdy atom krzemu w tej strukturze tetraedrycznej jest otoczony czterema atomami tlenu. Atomy tlenu umożliwiają również wzajemne łączenie różnych tetraedrów, ponieważ pojedynczy atom tlenu może po prostu należeć wspólnie do dwóch tetraedrów. W ten sposób zostają one ze sobą połączone.

Ten rodzaj wiązania pozwala tworzyć z krzemianów pojedyncze i podwójne łańcuchy (krzemiany łańcuchowe), a również bardziej złożone struktury szkieletowe i warstwowe (tektokrzemiany lub krzemiany warstwowe). Umożliwia nawet powstawanie struktur pierścieniowych (krzemiany pierścieniowe), gdzie każdy tetraedr współdzieli dwa jony tlenu z dwoma sąsiadami. Dla tetraedrów pozostających w izolacji stosuje się nazwy krzemiany wyspowe lub nezokrzemiany.

W razie potrzeby innymi atomami mogą zostać zastąpione zarówno atomy tlenu, jak i krzemu, zwłaszcza glinem, który zachowuje się bardzo podobnie. Gdy taka zamiana obejmuje pojedyncze tetraedry, co nie jest możliwe we wszystkich, powstałe krzemiany określa się „glinokrzemianami”. Za przykład służy kaolinit.

Poniższa lista przykładów pozwala łatwiej wyobrazić sobie przyporządkowanie krzemianów do ich poszczególnych rodzajów:

• Przykłady typu określanego jako krzemian łańcuchowy lub wstęgowy (inokrzemian): pirokseny i amfibole
• Do typu określanego jako krzemian szkieletowy (tektokrzemian) należą np. skaleń i wszyscy przedstawiciele skaleni (feldspatoidy), również zeolity (minerały zawierające wodę), a ponadto szczególne odmiany kwarcu (?-kwarc).
• Przykłady krzemianu warstwowego (fyllokrzemianu): mika, talk (steatyt), muskowit, minerały ilaste, serpentyn
• Krzemian pierścieniowy, czyli cyklokrzemian: przykładowo minerały turmalinu oraz beryl
• Krzemian wyspowy, czyli nezokrzemian: przykładowo oliwin i cyrkon

Dokładniejsze podziały wyróżniają ponadto krzemiany grupowe (sorokrzemiany), tworzące każdorazowo grupy złożone z dwóch tetraedrów krzemianowych. Struktury te występują dość rzadko, a ich przykładem może być gehlenit.

Amorficzny krzemian również często występuje w przyrodzie, na przykład w skorupkach okrzemek czy niektórych pierwotniaków (promienice). Między tetraedrami występują w nim nieuporządkowane wiązania, a dodatkowo jest wbudowana woda. W mineralogii przykładem takiej struktury pozostaje opal.

Częste występowanie krzemianu w przyrodzie sprawia, że znajduje się on w praktycznie każdej wodzie, również pitnej. Jego zawartość może sięgać 30 mg/l i więcej. Jest to całkowicie nieszkodliwe dla człowieka, podobnie jak dla bardzo wielu organizmów wodnych żyjących w naturalnych wodach.

Tylko w akwarium duże ilości krzemianu niosą pewien potencjał problemów: przy ilości większej niż 0,2 mg/l nasila się wzrost zarówno okrzemek, jak i sinic. Jako śluzowata warstwa pokrywają one wszystko i mogą szybko zabić rośliny w akwarium. Wzrost zatrzymuje się, jeśli odbierze się wodzie akwariowej krzemiany. Służą temu specjalne filtry. Do usuwania krzemianów można oczywiście stosować również instalacje odwróconej osmozy.

Do krzemianów zalicza się bardzo wiele minerałów skałotwórczych. Wśród najbardziej znanych minerałów tej grupy z pewnością znajdują się skalenie. Należą do niej również miki, pirokseny, amfibole oraz oliwin. Kwarc także można zaliczyć do krzemianów, choć często klasyfikuje się go jednocześnie jako jeden z tlenków.

Krzemiany stanowią około 90 % skorupy ziemskiej oraz jeszcze większą część płaszcza Ziemi. Taki udział krzemianów podkreśla znaczenie tej grupy dla mineralogii.

Ściśle rzecz ujmując, je również zalicza się do typu krzemianów, ponieważ są wytwarzane sztucznie, zamiast występować naturalnie. Do sztucznie wytworzonych krzemianów należy wiele szkieł, na przykład szkło borokrzemowe czy szkło glinokrzemianowe.

Do krzemianów technicznych należy także szkło wodne, powszechnie dziś stosowane, podobnie jak pakowany w saszetki żel krzemionkowy, który chyba każdy zna.

W naszej codzienności krzemiany odgrywają istotną rolę również jako syntetyczne zeolity (istnieją też zeolity naturalne, należące do krzemianów szkieletowych). Służą jako wymieniacze jonowe, na przykład w proszku do prania.