Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki
bg‑violet

Charakterystyka związków krzemu

Krzem, czyli pierwiastek oznaczany symbolem Si, znajduje się w 14. grupie układu okresowego oraz 3. okresie, co z kolei oznacza, że zawiera 14 protonów i 14 elektronów.

Związki krzemu pełnią znaczącą funkcję w budowie geologicznej Ziemi. Ich zawartość w zewnętrznych strefachzewnętrzna warstwa globuzewnętrznych strefach powłoki ziemskiej wynosi ok. 27%. Krzem nie występuje jednak w postaci wolnej. W przyrodzie najczęściej spotykany jest w postaci związanej – krzemionki lub krzemianów i glinokrzemianów, czyli stanowi główny składnik skał tworzących skorupę ziemską. Krzemionka, występuje w kilku odmianach polimorficznychodmiana polimorficznaodmianach polimorficznych, takich jak kwarc, trylobit, krystobalit, opal czy chalcedon. Krzemiany stanowią najliczniejszą grupę minerałówminerałminerałów w przyrodzie, bo aż ok. 90% skał na Ziemi, w tym 60% z nich to grupa skaleni, 12% kwarc, 15% to oliwiny, pirokseny i amfibole, a 3% to miki i pozostali przedstawiciele tej grupy. W przyrodzie występuje ok. 500 znanych krzemianów, z których ok. 40 to minerały powszechnie spotykane.

Na podstawie badań rentgenostrukturalnych, określono, że podstawową jednostką strukturalną krzemianów jest tetraedr, zbudowany z jonów krzemu i tlenu. Wewnętrznie ułożony jon krzemu Si 4 + jest otoczony przez cztery duże jony tlenu O 2 ,znajdujące się na jego wierzchołkach.

R19wPzcXSMVba
Budowa SiO4
czerwone kulki – atomy tlenu, szara kulka – atom krzemu.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W utworzonym czworościanie  (SiO 4 ) 4 występują silne wiązania pomiędzy atomami krzemu i tlenu, dzięki którym jon ten charakteryzuje się dużą stabilnością.  Różnica elektroujemności pomiędzy tymi atomami wynosi 1,7, ale wiązanie rozpatruje się jako wiązanie pośrednie pomiędzy wiązaniem kowalencyjnym, a jonowym. Poprzez utworzenie wiązań jonowych z innymi pierwiastkami, dochodzi do neutralizacji ładunku elektrycznego.

R33iOGLHrGqMa
Przykład utworzenia wiązania dwóch cząstek SiO4 z atomem wapnia. Atom wapnia oznaczony jest jako fioletowa kulka.
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Glin ( Al ), charakteryzujący się zbliżonym promieniem jonowym w stosunku do krzemu, może tworzyć bardzo podobne układy, oparte na tożsamych strukturach. Zajmuje on miejsce w środku tetraedru lub, jak inne metale, może pełnić funkcje kationu i brać udział w tworzeniu wiązania między innymi czworościanami. W ten sposób tworzą się glinokrzemiany, które najczęściej występują w postaci skaleni.

Klasyfikacja krzemianów opiera się na różnych ustawieniach i łączeniach czworościanów.  Badania rentgenostrukturalne umożliwiły podzielenie ich na siedem typów.

bg‑violet

Przykłady krzemianów

R1DNTaQKh7F7Y1
Mapa myśli. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: KRZEMIANY
    • Elementy należące do kategorii KRZEMIANY
    • Nazwa kategorii: krzemiany wyspowe
      • Elementy należące do kategorii krzemiany wyspowe
      • Nazwa kategorii: willemit
      • Nazwa kategorii: oliwiny
      • Nazwa kategorii: granat
      • Nazwa kategorii: cyrkon
      • Nazwa kategorii: andaluzyt
      • Nazwa kategorii: sylimanit
      • Nazwa kategorii: dysten = kyanit
      • Nazwa kategorii: topaz
      • Nazwa kategorii: staurolit
      • Nazwa kategorii: sfen
      • Koniec elementów należących do kategorii krzemiany wyspowe
    • Nazwa kategorii: krzemiany grupowe
      • Elementy należące do kategorii krzemiany grupowe
      • Nazwa kategorii: hemimorfit
      • Nazwa kategorii: zoisyt
      • Nazwa kategorii: epidot
      • Nazwa kategorii: wezuwian
      • Nazwa kategorii: prehnit
      • Koniec elementów należących do kategorii krzemiany grupowe
    • Nazwa kategorii: krzemiany pierścieniowe
      • Elementy należące do kategorii krzemiany pierścieniowe
      • Nazwa kategorii: aksynit
      • Nazwa kategorii: beryl
      • Nazwa kategorii: turmalin
      • Nazwa kategorii: dioptaz
      • Koniec elementów należących do kategorii krzemiany pierścieniowe
    • Nazwa kategorii: krzemiany łańcuchowe
      • Elementy należące do kategorii krzemiany łańcuchowe
      • Nazwa kategorii: enstaty
      • Nazwa kategorii: diopsyd
      • Nazwa kategorii: spodumen
      • Nazwa kategorii: rodonit
      • Nazwa kategorii: wollastonit
      • Koniec elementów należących do kategorii krzemiany łańcuchowe
    • Nazwa kategorii: krzemiany wstęgowe
      • Elementy należące do kategorii krzemiany wstęgowe
      • Nazwa kategorii: antofyllit
      • Nazwa kategorii: tremolit
      • Nazwa kategorii: hornblenda
      • Koniec elementów należących do kategorii krzemiany wstęgowe
    • Nazwa kategorii: krzemiany warstwowe
      • Elementy należące do kategorii krzemiany warstwowe
      • Nazwa kategorii: serpentyn
      • Nazwa kategorii: talk
      • Nazwa kategorii: muskowit
      • Nazwa kategorii: biotyt
      • Nazwa kategorii: kaolinit
      • Nazwa kategorii: illit
      • Nazwa kategorii: montmorillonit
      • Koniec elementów należących do kategorii krzemiany warstwowe
    • Nazwa kategorii: krzemiany szkieletowe
      • Elementy należące do kategorii krzemiany szkieletowe
      • Nazwa kategorii: kwarc
      • Nazwa kategorii: opal
      • Nazwa kategorii: skalenie
      • Nazwa kategorii: ortoklaz
      • Nazwa kategorii: plagioklazy
      • Nazwa kategorii: skaleniowce
      • Nazwa kategorii: nefelin
      • Nazwa kategorii: leucyt
      • Nazwa kategorii: lazuryt
      • Nazwa kategorii: zeolity
      • Nazwa kategorii: natrolit
      • Nazwa kategorii: heulandyt
      • Koniec elementów należących do kategorii krzemiany szkieletowe
      Koniec elementów należących do kategorii KRZEMIANY
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RdOy6MutEbPGt
1. KRZEMIANY WYSPOWE. Stosunek ilości atomów tlenu do krzemu to O:Si = 4:1. Główny motyw strukturalny, czyli czworościan wynika z wiązania tlen – kation krzemu – tlen. Jest to najmniej skomplikowany schemat budowy, w którym struktury minerałów tworzą się z izolowanych, niepołączonych ze sobą czworościanów. Zazwyczaj tworzą się w bardzo wysokich temperaturach. Wykazują takie właściwości jak duża twardość, stosunkowo duża gęstość i wysoki współczynnik załamania światła. Ilustracja przedstawia model cząsteczki krzemianu wyspowego. Fioletowa kulka łączy się wiązaniami z czterema czerwonymi kulkami., 2. KRZEMIANY GRUPOWE. Stosunek ilości atomów tlenu do krzemu to O:Si = 3,5:1. Minerały charakteryzujące tę grupę zbudowane są z dwóch czworościanów stykających się ze sobą wierzchołkiem, ale mające wspólny atom tlenu. Pozostałe wiążą kationy. Na ilustracji jest model cząsteczki krzemianu grupowego. Model tworzą dwie fioletowe kulki. Każda z nich za pośrednictwem wiązań łączy się z trzema czerwonymi kulkami. Fioletowe kulki znajdują się jedna nad druga. Łączą się za pomocą jednej czerwonej kulki., 3. KRZEMIANY PIERŚCIENIOWE. Stosunek ilości atomów tlenu do krzemu to O:Si = 2,75:1. Połączenie czworościanów poprzez atomy tlenu umożliwia ułożenie pierścieni składających się z trzech, czterech, sześciu a nawet dziewięciu elementów. Pierścienie te ułożone są względem siebie tworząc równoległe warstwy. Ich silne połączenie wynika z uwspólnienia jonów metali występujących w takich minerałach. Na ilustracji jest model cząsteczki krzemianu pierścieniowego. Cząsteczka jest zbudowana z połączonych ze sobą czworościanów zbudowanych z fioletowej kulki i czterech czerwonych kulek. Czworościany łączą się za pomocą czerwonej kulki., 4. KRZEMIANY ŁAŃCUCHOWE. Stosunek ilości atomów tlenu do krzemu to O:Si = 3:1. Czworościany budulcowe łączą się ze sobą i tworzą wydłużone struktury liniowe przypominające motyw łańcucha. Każdy z czworościanów łączy się z sąsiednimi poprzez dwa wierzchołki. Tak utworzone łańcuchy mogą rozbudowywać się czasami w kierunkach bocznych poprzez uwspólnione atomy tlenu tworząc podwójne łańcuchy. Minerały należące do tej grupy, oparte na pojedynczych łańcuchach to pirokseny. Są przedstawicielami wielu minerałów skałotwórczych. Zaliczane są do następujących układów krystalograficznych - rombowego i jednoskośnego. Kationami występującymi najczęściej w składzie piroksenów są: wapń, magnez i żelazo, rzadziej spotykane to mangan, sód, lit, a także glin. Wyróżniają się bardzo dobrą dwukierunkową łupliwością wg ścian słupa. Płaszczyzny łupliwości przecinają się pod kątem zbliżonym do prostego (87°). Obecne są zazwyczaj w zasadowych i obojętnych skałach magmowych oraz w skałach metamorficznych, które tworzą się w wysokich temperaturach i pod wpływem wysokiego ciśnienia. Na ilustracji jest model cząsteczki krzemianu łańcuchowego. Model to długi łańcuch utworzony przez połączone ze sobą czworościany zbudowane z jednej fioletowej kulki i czterech czerwonych. Czworościany łączą się za pośrednictwem czerwonych kulek., 5. KRZEMIANY WSTĘGOWE. Stosunek ilości atomów tlenu do krzemu to O:Si = 2,75:1. Powstają podobnie jak krzemiany łańcuchowe, czyli tworzą tzw. drabinkę z czworościanów połączonych płasko ze sobą. Układają się one w łańcuch podwójny połączony wspólnymi tlenami, które przypominają wstęgi. Należą do grupy minerałów skałotwórczych, które potocznie określa się jako amfibole. Amfibole krystalizują w układach rombowym lub jednoskośnym, czego efektem mogą być dwa szeregi kryształów mieszanych. Ilustracja przedstawia model cząsteczki krzemianu wstęgowego. Model tworzą połączone ze sobą w różnych kierunkach czworościany zbudowane z fioletowej kulki i czterech czerwonych kulek., 6. KRZEMIANY WARSTWOWE. Stosunek ilości atomów tlenu do krzemu to O:Si = 2,5:1. Czworościany łączą się ze sobą w jednej płaszczyźnie poprzez trzy atomy tlenu, a czwarty wierzchołek może tworzyć wiązania z kationami. Efektem powstania takiego układu jest sieć zbudowana z płaskich pierścieni sześciobocznych. Tworzenie się słabych wiązań miedzy warstwami wpływa na bardzo wyraźną łupliwość, która obserwowana jest na przykład w mikach. Taka struktura może charakteryzować się występowaniem licznych luk międzywarstwowych, które umożliwiają przyłączenie na przykład grup anionowych i cząsteczek wody (O H indeks górny minus). Ilustracja przedstawia model cząsteczki krzemianu warstwowego. Model tworzą połączone ze sobą w pierścienie czworościany zbudowane z fioletowej kulki i czterech czerwonych kulek., 7. KRZEMIANY SZKIELETOWE. Stosunek ilości atomów tlenu do krzemu to O:Si = 2:1. Czworościany składające się z krzemu i tlenu lub glinu i tlenu są połączone w trzech kierunkach, a takie ułożenie tworzy trwałą, przestrzenną sieć o strukturze szkieletowej. W tej grupie wyróżnia się minerały, które są najbardziej rozpowszechnione w skorupie ziemskiej: minerały grupy S i O indeks dolny dwa, skalenie, skaleniowce, zeolity, krzemiany i glinokrzemiany. Ilustracja przedstawia model cząsteczki krzemianu szkieletowego. Model przypomina strukturę krzemianów warstwowych. Model tworzą połączone ze sobą w pierścienie czworościany zbudowane z fioletowej kulki i czterech czerwonych kulek.
Krzemiany, Muzeum Geologiczne; https://www.pgi.gov.pl/muzeum/kopalnia‑wiedzy‑1/10596‑krzemiany.html {dostęp 22.04.2021).

Krzemiany wyspowe

Krzemiany grupowe

Krzemiany pierścieniowe

Krzemiany łańcuchowe

Krzemiany wstęgowe

Krzemiany warstwowe

Krzemiany szkieletowe

Słownik

minerał
minerał

(franc. minéral „kopalnia”) pierwiastek chemiczny lub związek chemiczny, powstały w przyrodzie w wyniku naturalnych procesów geologicznych lub kosmologicznych, o określonym składzie chemicznym i właściwościach chemicznych i fizycznych oraz strukturze krystalicznej

odmiana polimorficzna
odmiana polimorficzna

(gr. polimorfizm - „wielopostaciowość”, „krystal”); występowanie tej samej pod względem składu chemicznego substancji złożonej w dwóch lub więcej odmianach krystalicznych (krystalograficzne układy), różniących się budową wewnętrzną i związanymi z nią postaciami krystalograficznymi oraz właściwościami fizycznymi i niektórymi właściwościami chemicznymi

kwarc
kwarc

minerał, odmiana polimorficzna tlenku krzemu(IV)  SiO 2 ; jeden z najpospolitszych minerałów skorupy ziemskiej; jest gł. składnikiem wielu skał magmowych (np. granitów), osadowych (np. piasków, piaskowców) i metamorficznych (np. kwarcytów, gnejsów); stosowany w przemyśle szklarskim, ceramicznym i in., w metalurgii (żelazokrzem),  optyce (wyrób soczewek, pryzmatów), odmiany szlachetne są używane w jubilerstwie

trylobity
trylobity

gromada wymarłych morskich stawonogów; pojawiły się w połowie wczesnego kambru a wyginęły w permie; pozostały po nich skamieniałe kształty

R1SViAaIibmxj
Trylobit
Źródło: dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, domena publiczna.
krystobalit
krystobalit

rzadki minerał należący do krzemianów; cenny w kręgach jubilerskich. Zazwyczaj tworzy kryształy, mające budowę ośmiościanu lub sześcianu; może występować w skupieniach zbitych, drobnoziarnistych, kulistych, groniastych, włóknistych; krystobality są przezroczyste, kruche i lekkie; występują w postaci niewielkich kryształów osiągających wielkość kilku milimetrów

opal
opal

mineraloid zaliczany do krzemianów; najbardziej znany naturalny kryształ fotoniczny; niektóre odmiany wykazują zjawiska optyczne, takie jak: opalizację, opalescencję, efekt kociego oka, asteryzm; posiada wiele barw i odmian, z których w jubilerstwie największym powodzeniem cieszy się opal szlachetny

R1Vzu2qCqBMff
Opal
Źródło: dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 2.5.
chalcedon
chalcedon

miner. skrytokrystaliczna, zbita odmiana kwarcu; składa się z włóknistych kryształów tworzących skupienia nerkowate, groniaste, naciekowe lub warstwowe; barwa bardzo różnorodna; odmiany ładnie zabarwione używane jako kamienie ozdobne (czerwonobrunatny karneol, zielony chryzopraz, oliwkowozielona plazma, ciemnozielony z czerwonymi plamkami heliotrop, lub różnobarwnie wstęgowany agat)

Rrw3aGeCvMIKY
Chalcedon polerowany
Źródło: dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, domena publiczna.
analiza rentgenostrukturalna
analiza rentgenostrukturalna

strukturalna analiza kryształów, jeden z działów krystalografii, który obejmuje metody obliczeniowe, mające na celu określanie pozycji atomów w komórce elementarnej kryształu na podstawie natężeń wiązek promieni rentgenowskich, odbitych od płaszczyzn sieciowych tego kryształu, rejestrowanych metodami goniometrycznymi (goniometr rentgenowski) lub dyfraktometrycznymi (dyfraktometr rentgenowski)

skalenie
skalenie

grupa minerałów skałotwórczych; glinokrzemiany szkieletowe (przestrzenne) potasu, sodu i wapnia oraz baru, mające zdolność tworzenia szeregów izometrycznych (kryształów mieszanych)

oliwiny
oliwiny

grupa minerałów, krzemiany magnezu i żelaza Mg,Fe2SiO4; tworzą szereg izomorficzny, którego skrajnymi członami są: krzemian magnezu Mg 2 SiO 4 i krzemian żelaza Fe 2 SiO 4 ; ogniwami pośrednimi są: chryzolit, hialosyderyt, hortonolit. Najczęściej mają barwę oliwkowozieloną, ciemnozieloną, żółtozieloną, brunatnawą

piroksen
piroksen

grupa pospolitych minerałów skałotwórczych, krzemiany i glinokrzemiany łańcuchowe, o ogólnym wzorze: M2M1T2O6, gdzie pozycję MIndeks dolny 2może zajmować Fe, Mg, Mn, Li, Ca, Na, pozycję MIndeks dolny 1 Al , Fe, Ti, Cr, pozycję T — Si, częściowo podstawiony przez Al , rzadziej Fe

amfibole
amfibole

(gr. amphíbolos „dwuznaczny”, „wątpliwy”) grupa minerałów, krzemiany i glinokrzemiany wstęgowe, gł. żelaza, wapnia, magnezu i sodu, o bardzo zróżnicowanym składzie chemicznym (stąd nazwa)

miki
miki

(łac. mica „ziarno”; micare „błyszczeć”) grupa minerałów skałotwórczych, krzemianów i glinokrzemianów

zewnętrzna warstwa globu
zewnętrzna warstwa globu

krzemionka w różnych odmianach polimorficznych (kwarc, trydymit, krystobalit) występuje w zewnętrznej warstwie Ziemi nazywanej inaczej Si Al . Warstwa ta tworzy większość skał tworzących skorupę Ziemską

Bibliografia

Endyklopedia PWN

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2012.

Krzem, online: https://pl.wikipedia.org/wiki/Krzem, dostęp: 23.04.2021.

Krzemiany, online: https://pl.wikipedia.org/wiki/Krzemiany, dostęp: 23.04.2021.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2012.