Наиболее распространены следующие минералы.
1. Полевые шпаты:
альбит - Na[AlSi3О8],
ортоклаз - K[AlSi3O8],
анортит - Ca[Al2Si2О8].
2. Слюды:
мусковит - KAl[AlSi3О10](ОН, F2),
биотит - К(Mg, Fe)3 [AlSi3О10](ОН, F)2,
флогопит - KMg3[AlSi3О10](ОН, F2),
асбест - Mg3[Si2О5](OH)4,
тальк - Mg3[Si2О3](OH)4,
каолинит - Al[Si2О5](OH)4 и другие.
Все природные силикаты полимеры, их структурной единицей является тетраэдр [SiО4]. В тетраэдре [SiО4] кремний окружен четырьмя атомами кислорода. Расстояние Si-О равно ~ 1,6 Е, а расстояние между соседними атомами кислорода одного тетраэдра ~ 2,7 Е.
Связь кремнекислородных группировок с атомами щелочных и щелочноземельных металлов носит ионный характер. Это является одной из причин высоких температур плавления силикатов. По своему строению выделяют цепочечные и ленточные, сложные трехмерные каркасные, островные структуры. Поэтому силикаты делятся на две большие группы:
1) силикаты с кремнекислородными радикалами конечных размеров (островные структуры);
2) силикаты с радикалами бесконечных размеров (цепочечные, ленточные, сложные и каркасные структуры).
Островные структуры. Сюда относятся структуры силикатов с изолированным одиночным тетраэдром [SiО4]. Тетраэдры непосредственно не связаны друг с другом, а соединяются через катионы металлов, входящих в структуру силикатов. Примерами минералов с такой структурой могут служить так называемый двухкальциевый силикат Ca2[SiО4], форстерит Mg2[SiО4], фенакит Ве2[SiО4], циркон Zr[SiО4]. Структуры силикатов с группами тетраэдров, связанных между собой одной или двумя обобщенными вершинами (атомы кислорода), также являются островными.
Диортогруппа Si2O76- встречается в гидрате так называемого трехкальциевого силиката Ca6[Si2О7](ОН)6, в тортвейтите Sc2[Si2О7]. Таким образом, обобществление одной или двух вершин тетраэдра приводит к образованию кольца из трех, четырех и шести кремнекислородных тетраэдров: например, группа [Si3О9]6- содержится в бентоните BaTi[Si3О9], а группа [Si6О18]12- - в берилле Be3Al2[Si6О12].
Цепочечные и ленточные структуры. Силикаты, содержащие линейные цепочки из тетраэдров [SiO4], имеющих две обобщенные вершины, называют пироксенами. Стехиометрический состав цепочки - [SiО3]. Такую структуру имеют минералы волластонит Са3[SiО3]3, диопсид CaMg[SiО3]2, сподумен LiAl[SiО3]2, энстатит Mg2[SiО3]2.
Двойные цепи, или ленты, состоящие из тетраэдров [SiО4] состава[Si4О11], характерны для амфиболов (см. рисунок). Типичным представителем амфиболов является термолит Ca2Mg5[(Si4О11)2](ОН)4. Радикал [Si2О5] имеется в структуре силлиманита [Al2S12O10], здесь цепь состоит из чередующихся тетраэдров [АlO4] и [SiО4] так, что в двойной цепи тетраэдры [АlO4] и [SiО4] иногда располагаются друг против друга.
Слоистые структуры. Каждый тетраэдр имеет три вершины, общие с соседними тетраэдрами, при этом образуются бесконечные в двух измерениях слои (листы или сетки). Наиболее простой и распространённый тип слоя - кремнекислородный слой гексагонального типа. Он представляет собой слои с шестичленными кольцами. Состав слоя - [Si2O5]. К этому структурному типу относятся каолинит Al[Si2О5](OH)4, пластинчатые минералы типа слюд, например мусковит KAl2[AlSi3О10](ОН)2.
Каркасные структуры. Это структуры с трехмерными бесконечными радикалами из тетраэдров. Такой каркас является валентнонасыщенным, электронейтральным. Такую структуру имеют многие модификации кремнезема.
Если происходит замещение кремния на алюминий, то образуются тетраэдры состава [SiО4] и [АlO4]. Здесь все тетраэдры имеют общие вершины, а в пустотах отрицательно заряженного каркаса располагаются катионы щелочных или щелочноземельных металлов. Так построены многие минералы, например полевые шпаты: калиевый полевой шпат (ортоклаз) K[AlSi3O8], натриевый полевой шпат (альбит) Na[AlSi3О8].
К группе каркасных силикатов относятся и цеолиты. Они имеют рыхлую структуру за счёт пустот, в которых располагаются катионы металла и молекулы воды. Их состав можно выразить общей формулой:
Mе+n n[(Al2О3)x (SiО2)y] zH2О,
где n - заряд катионов металла; Меn+ обычно Na+, K+, Ca2+; z - число молей так называемой цеолитной воды.
В отличие от конституционной, т.е. химически связанной воды, входящей в состав асбеста, талька и других минералов, цеолитная вода при осторожном нагревании удаляется постепенно, без разрушения кристаллической структуры. Цеолиты способны обменивать воду на другие жидкости, а катионы Меn+ - на другие катионы. Поэтому цеолиты используются в качестве ионообменных веществ, селективных адсорбентов и молекулярных сит.
Искусственные силикаты
Из силикатных искусственных материалов наиболее важными для практики являются стёкла и ситаллы.
Стекло - прозрачный (бесцветный или окрашенный) хрупкий материал. Наиболее распространено силикатное стекло, основной компонент которого оксид кремния. Получают его главным образом при остывании расплава, содержащего кремнезем и часто оксиды магния, кальция, бора, свинца и других. Производство стекла возникло в Древнем Египте около 4000 лет до нашей эры. Изделия из стекла изготовляют выдуванием, прессованием и отливкой. Стекло широко применяется в различных отраслях техники, строительства, промышленности, в декоративном искусстве, быту (например, оконное, кварцевое стекло). Обработкой кремнеземистого сырья едкими щелочами получают растворимое стекло, водный раствор которого - жидкое стекло. Жидкое стекло - компонент специальных цементов, силикатных красок, глазурей, мыла. Оно используется при флотации, для склеивания бумаги, картона, стекла, дерева (силикатный клей).
Известно, что стекло - это аморфный изотропный материал, получаемый переохлаждением расплавов неметаллических оксидов и бескислородных соединений. Материалами, склонными к переохлаждению и к переходу в стеклообразное состояние, являются главным образом силикаты, бораты, фосфаты.
Для изготовления обычного стекла основным сырьем служат кварцевый песок, известняк, сода или сульфат натрия:
Na2CО3 + СаСО3 + 6SiО2 = Na2ОCaO6SiО2 + 2CO2.
Варка строительного силикатного стекла происходит в стекловаренных печах при температуре до 1500 °С. Строительное стекло как строительный материал отличается долговечностью, высокой стойкостью к воздействию влаги, солнечной радиации, перепаду температур, морозостойкостью, невозгораемостью, жесткостью.
Основными оптическими показателями стекла являются светопропускание (прозрачность), светопреломление, отражение, светорассеивание. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Показатель преломления строительного стекла 1,46-1,53. Стекло плохо сопротивляется удару, т.е. оно хрупкое: прочность при ударном изгибе составляет около 0,2 МПа. Стекло обладает высокой прочностью на сжатие - 700-1000 МПа и малой прочностью при растяжении - 35-85 МПа.
Стекла различаются по своему химическому составу, т.е. массовым или процентным содержанием оксидов, что влияет на его химические и физические свойства. В зависимости от назначения стекла можно менять его свойства, вводя различные добавки. Существует множество видов стекол, которые охватывают весь спектр применения их в народном хозяйстве. Закаленное стекло, обладающее повышенной термостойкостью, получают путем нагрева стекла до температуры закалки (540-650 °С) и последующего быстрого равномерного охлаждения. Этим добиваются однородного распределения внутренних напряжений в стекле. Прочность при ударе и предел прочности при изгибе закаленного стекла в 3-4, иногда в 10-15 раз выше, чем обычного. Разрушается в виде мелких осколков с тупыми не режущими краями, термостойкость проявляется до 175 °С. Применяется в строительстве (двери, перегородки, ограждения), для остекления городского транспорта. Теплозащитное стекло по своему составу отличается от обычных стекол содержанием оксидов железа, кобальта и никеля, благодаря чему приобретает слабый сине-зеленый оттенок. Теплопоглощающее стекло задерживает 70-75 % инфракрасных лучей, т.е. в 2-3 раза больше, чем обычное оконное стекло, оставаясь при этом прозрачным для видимого света. Отражающее стекло используют для уменьшения нагрева солнечными лучами и регулирования освещенности. Эти свойства достигаются путем покрытия, наносимого на стекло в вакуумной камере и образующего с ним единое целое. Термостойкое (боросиликатное) стекло содержит оксид рубидия, оксид лития и др. Термостойкие стекла имеют коэффициент линейного расширени в 2-3 раза меньше, чем обычное стекло. Изделия из таких стекол выдерживают перепады температур до 200 °С. Их используют для изготовления термостойких деталей аппаратуры.
Практический интерес представляет стекло с повышенной прозрачностью в ультрафиолетовой биологической области спектра (при длинах волн 380-240 нм). Изготавливают его на основе кварцевого, силикатных, боросиликатных, фосфатных стекол, не содержащих примесей соединений, поглощающих УФ-лучи (оксидов железа, титана, хрома). Такое стекло пропускает 25-75 % ультрафиолетовых лучей. Специальные стёкла, содержащие в своём составе CdO, используют для задерживания нейтронов, а стёкла с РbО - рентгеновских лучей.
Ситаллы - это материалы, полученные путем особой обработки стекла и имеющие равномерную тонкозернистую структуру кристаллов (от десятых долей до одного микрона), между которыми располагаются тончайшие цементирующие прослойки стеклообразного материала. Стеклокристаллическая структура придает ситаллам высокую механическую прочность, термостойкость, стойкость к химическим воздействиям и в ряде случаев ценные электрические свойства. Микрокристаллическая структура ситаллов создается за счет специальной термической обработки и введения в состав стекла добавок-катализаторов (инициаторов) кристаллизации.
В качестве катализаторов применяются металлы в высокодисперсном состоянии (Au, Ag, Pt), некоторые оксиды (Сr2О3, ТiO2, ZrO2), фториды (CaF2), сульфиды тяжелых и переходных металлов. Микрокристаллизация стекла может быть вызвана также путем обработки его жестким ионизирующим излучением. Ситаллы применяются для изготовления износоустойчивых деталей машин, труб и насосов (работающих в агрессивных средах), радио- и электротехнических деталей, а также как строительный материал.
Пермутиты - алюмосиликаты натрия и калия состава Na2OAl2O32SiO22H2O - получают сплавлением кварца, каолина, соды при температуре около 1000 °С. Их используют для снижения жесткости воды.
Вся силикатная промышленность основана на соединениях кремния: производство цемента, бетона, фарфора, фаянса, кирпича. Стройматериалы на основе соединений кремния самые экологически чистые.
Кирпич является самым древним строительным материалом. Хотя вплоть до нашего времени широчайшее распространение имел во многих странах необожженный кирпич-сырец, часто с добавлением в глину резаной соломы, применение в строительстве обожженного кирпича также восходит к глубокой древности (постройки в Египте, 3-2-е тысячелетие до н.э.). Особенно важную роль играл кирпич в зодчестве Месопотамии и Древнего Рима, где из кирпича (45Ч30Ч10) выкладывали сложные конструкции, в том числе арки, своды и т.п. Ярким примером использования кирпичного строительства в России времён Иоанна III стало строительство стен и храмов Московского Кремля, которым заведовали итальянские мастера. До 19-го века техника производства кирпича оставалась примитивной и трудоёмкой. Формовали кирпич вручную, сушили только летом, обжигали в напольных печах-времянках, выложенных из высушенного кирпича-сырца.
Как следует из Большой Советской Энциклопедии, «строительный кирпич - искусственный камень правильной формы, сформированный из минеральных материалов и приобретающий камнеподобные свойства после обжига или обработки паром». По виду исходного сырья и по способу изготовления различают силикатный кирпич (известково-песчаный), получаемый автоклавным способом, и глиняный обожженный (обыкновенный и лицевой).
Для производства обыкновенного строительного кирпича применяют все возможные простые сорта легкосплавных песчанистых глин, а иногда и мергелистые глины, не содержащие вредных примесей грубых камней, колчедана, гипса, крупных включений органических веществ и т.п.
Кроме обыкновенного строительного кирпича вырабатываются ещё так называемые фасонные сорта: лекальные (для кладки круглых дымовых труб и сводов), клиновые, карнизные и т.п. Кроме того, делают пустотелые и фасонные кирпичи и легковесные кирпичи, которые получили широкое применение в строительстве.
Облицовочный кирпич (лицевой, фасонный) изготовляется из чистых однородных глин, обладающих повышенной вязкостью и имеющих раннее спекание, с интервалом не менее 100-200 градусов. Глины должны быть свободны от крупных включений, и не содержать растворимых солей.
Основную реакцию, протекающую при обжиге глины, можно схематически представить уравнением:
3[Al2O32SiО22H2О] = 3Al2O32SiO2 + 4SiO2 + 6Н2О.
Цемент применяется для получения бетона, а также для скрепления кирпичей при строительстве. Наиболее широко применяемой разновидностью цемента является портландцемент.
Портландцемент - важнейший гидравлический вяжущий материал, имеющий широкое применение в строительстве. Портландцементом называется продукт тонкого помола цементного клинкера, который получают обжигом до спекания искусственной смеси (известняка, мела, глины, и др.) или природного сырья надлежащего состава, обеспечивающего в цементе преобладание силикатов кальция. Минералогический состав цемента:
C3S - алит - 3CaO·SiO2 - трехкальциевый силикат;
C2S - белит - 2CaO·SiO2 - двухкальциевый силикат;
C3A - целит - 3CaO·Al2O3 - трехкальциевый алюминат;
C4AF - целит - 4CaO·Al2O3·Fe2O3 - четырехкальциевый алюмоферрит.
При измельчении клинкера вводят добавки: 1,5-3,5 % гипса (в перерасчете на ангидрид серной кислоты SO3) для регулирования сроков схватывания, до 15 % активных минеральных добавок - для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.
К основным техническим свойствам портландцемента относят: плотность и объёмную насыпную массу, тонкость помола, сроки схватывания, равномерность изменения объёма цементного теста и прочность затвердевшего цементного раствора.