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硅酸盐

补充:0  浏览:3476  发布时间:2013-1-31

  所谓硅酸盐指的是硅、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。
  由于其结构上的特点,种类繁多(硅酸盐矿物的基本结构是硅――氧四面体;在这种四面体内,硅原子占据中心,四个氧原子占据四角。这些四面体,依着四面体,依着不同的配合,形成了各类的硅酸盐)。它们大多数熔点高,化学性质稳定,是硅酸盐工业的主要原料。硅酸盐制品和材料广泛应用于各种工业、科学研究及日常生活中。
  
  化学性质
  化学上,指由硅和氧组成的化合物(SixOy),有时亦包括一种或多种金属或氢元素。从概念上可以说硅酸盐是硅,氧和金属组成的化合物的总称。它亦用以表示由二氧化硅或硅酸产生的盐。能与酸反应生成硅酸固体。在普通情况下,最稳定的硅酸盐是二氧化硅(SiO2)--俗称石英,和类似的化合物。二氧化硅经常有微量的硅酸(H4SiO4)处于平衡状态。化学家认为石英是不可溶解的,但在长时间尺度下,它是可以流动的。此外,在碱性条件下,会出现H2SiO42-。大部分硅酸盐都是不可溶解的。
  
  硅酸盐矿物的特征是它们的正四面体结构,有时这些正四面体以链状、双链状、片状、三维架状方式连结起来。按正四面体聚合的程度,硅酸盐再细分为:岛状硅酸盐类、环状硅酸盐类等。
  在地质学和天文学上,硅酸盐指一种由硅和氧组成的岩石(通常为SiO2或SiO4),有时亦包括一或多种金属和或氢。此类岩石包括花岗岩及辉长岩等。地球及其他类地行星的大部分地壳均以硅酸盐组成。
  常见化合物
  例如:硅酸钠:Na2O·SiO2【Na2SiO3】
  石棉:CaO·3MgO·4SiO2【CaMg3Si4O12】
  长石:K2O·Al2O3·6SiO2【K2Al2Si6O16】
  普通玻璃的大致组成:Na2O·CaO·6SiO2【CaNa2Si6O14】
  水泥的主要成分:3CaO·SiO2【Ca3SiO5】,2CaO·SiO2【Ca2SiO4】,3CaO·Al2O3
  黏土的主要成分:Al2O3·2SiO2·2H2O【Al2(OH)4Si2O5】
  矿物学上,硅酸盐矿物按其分子结构分为以下类别:
  橄榄石(单正四面体) - 岛状硅酸盐类
  绿帘石(double tetrahedra) - 岛状硅酸盐类
  电气石(rings of tetrahedra) - 环状硅酸盐类
  辉石(single chain) - 链状硅酸盐类
  角闪石(double chain) - 链状硅酸盐类
  云母和白土(sheet) - 层状硅酸盐类
  长石(framework) - 架状硅酸盐类
  石英(SiO2 framework) - 架状硅酸盐类
  天然硅酸盐
  自然界存在的各种天然硅酸盐矿物约占地壳质量的95%
  硅酸盐的系统分析方法
  原理
  微波是电磁波中位于远红外与无线电之间的一种电磁辐射,它的频率范围为300MHz~3×105MHz。微波加热与传统的加热方式有所不同,微波加热属于一种内部加热方式,其被加热的样品与酸混合物通过吸收微波能产生的即时深层加热。与此同时,微波所产生的交变磁场会促使介质分子发生极化的现象,而极性分子又可以随着频率高的磁场交替排列,导致了分子的高速振荡。对于这种振荡而言,又会受到分子热运动与相邻分子之间相互作用的阻碍与干扰,产生了类似于摩擦作用使得分子获得高能量。因此,这种高能量可以击碎岩石矿物之中的化学性质稳定的硅酸盐,从而对其分子可以进行测定。
  试验部分
  1 仪器与试剂  
  仪器:家用微波炉(如美的牌)。  
  试剂:水泥熟料标样;普通硅酸盐水泥标样;水泥生料标样;TEA(三乙醇胺)(体积配合比1:2);盐酸;KOH溶液;EDTA标样;钙黄绿素-甲基百里香酚蓝-酚酞混合指示剂(CMP混合指示剂)。  
  2 实验方法  
  (1)EDTA标液的标定  
  首先取一定体积的CaCO3溶液稀释8倍,如在实际的实验过程之中,吸取了10mL该溶液稀释至80mL,然后加入适量的CMP混合指示剂,在磁力搅拌器搅拌的作用下滴加200g/L的KOH溶液之后一直到出现绿色荧光之后再滴定过量2mL左右。以EDTA标液滴定溶液滴定至绿色荧光消失且呈现红色。  
  (2)样品的消解  
  a.首先对水泥熟料标样或普通硅酸盐水泥标样的消解:称取0.1000g已于105~110℃烘过两个小时的水泥熟料标样或是普通硅酸盐水泥标样,放入400mL的烧杯之中,加入20~30mL的蒸馏水与3~4mL体积配合比为1:1的盐酸溶液中对样品进行溶解,盖上表面皿,放入微波炉加热消解,取出,冷却至室温,定容于100mL的容量瓶之中,待用。  
  b.水泥生料标样的消解:称取0.2000g已于105~110℃温度条件下烘过两个小时的水泥生料标样,放于400mL的烧杯之中,加入适量的蒸馏水与HCl溶液对样品进行溶解,盖上表面皿,置于微波炉之中进行加热消解。然后取出并冷却至室温,定容于100mL的容量瓶中,待用。  
  3 结果与讨论  
  主要对水泥熟料与普通硅酸盐水泥之中的CaO的含量进行了测定。具体见表1所示。  
  由上1可以看出,在微波小火条件下,消解2min以上,氧化钙含量已在允差范围之内,符合测定要求。
  硅酸盐矿物分类
  链状结构硅酸盐矿物
  具有由一系列[ZO4]四面体以角顶相连成一维无限延伸的链状硅氧骨干的硅酸盐矿物。链与链间由金属阳离子(主要有Ca、Na、Fe、Mg、Al、Mn等)相连。已发现链的类型有20余种,其中最主要的是辉石单链[Si2O6]4-和闪石双链[Si4O11]6-。
  在链状结构硅酸盐矿物中,由于硅氧骨干呈一向延伸的链,而且平行分布,所以其晶体结构的异向性比岛状和环状的要突出得多。矿物在形态上表现为一向伸长,经常呈柱状、针状以及纤维状的外形。在物理性质上,解理平行于链的方向较发育,平行或近于平行链的方向折射率较高,垂直于链的方向较低,双折射率较岛状或环状矿物的大。化学组成中具有过渡元素的矿物的多色性和吸收性是非常明显的,如富含铁、钛等元素的辉石族和闪石族矿物。
  层状结构硅酸盐矿物
  具有由一系列[ZO4]四面体以角顶相连成二维无限延伸的层状硅氧骨干的硅酸盐矿物。硅氧骨干中最常见的是每个四面体均以三个角顶与周围三个四面体相连而成六角网孔状的单层,其所有活性氧都指向同一侧。它广泛地存在于云母、绿泥石、滑石、叶蜡石、蛇纹石和粘土矿物中,通常称之为四面体片。四面体片通过活性氧再与其他金属阳离子(主要是Mg2+、Fe2+、Al3+等)相结合。这些阳离子都具有八面体配位,各配位八面体均共棱相连而构成二维无限延展的八面体片。四面体片与八面体片相结合,便构成了结构单元层。
  如果结构单元层只由一片四面体片与一片八面体片组成,是1∶1型结构单元层,如高岭石、蛇纹石中的层。如是由活性氧相对的两片四面体片夹一片八面体片构成,则为2∶1型结构单元层,如云母、滑石、蒙脱石中的层。如果结构单元层本身的电价未达平衡,则层间可以有低价的大半径阳离子(如K+、Na+、Ca2+等)存在,如云母、蒙脱石等。后者的层间同时还有水分子存在。此外,八面体片中与四面体片的一个六元环范围相匹配的是中心呈三角形分布的三个八面体。当八面体位置为二价阳离子占据时,此三个八面体中都必须有阳离子存在,才能达到电价平衡。若为三价阳离子时,则只需有两个阳离子即可达到平衡,此时另一个八面体位置是空的。
  硅酸在水溶液中
  硅酸在水中的溶解度很低,25℃下约为0.002mol?L-1。在溶解度范围内,硅酸以单硅酸形式存在。硅酸在溶液中浓度高于溶解度时发生聚合,聚合作用是硅酸的重要性质,即单硅酸聚合成低聚硅酸,再聚合成高聚硅酸。

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