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Silicatos
Los silicatos son un grupo de compuestos cerámicos muy importantes, por
su gran aplicación industrial, bajo costo, diversidad y por su abundancia en
la naturaleza (aproximadamente el 75% de la corteza terrestre está
constituida por ellos). Muchos de los materiales más importantes en
ingeniería están basados en la sílice, comenzando por materiales de
construcción como el cemento Portland, ladrillos, tejas, vidrios y esmaltes
vítreos.
Los refractarios, que son materiales resistentes a altas temperaturas e
imprescindibles, por tanto, en muchos equipos y procesos industriales como
el de la obtención del acero, también están formados a partir de silicatos.
Todo esto sin olvidar su amplia presencia como aisladores eléctricos, fibras
de vidrio para refuerzo, cerámicas tradicionales y elementos de aparatos
químicos.
El ión SiO44- es la unidad básica estructural de los silicatos.
El enlace Si-O es, aproximadamente, mitad iónico y mitad covalente.
La relación de radios rSi4+/ rO2- es 0.29, lo que supone coordinación tetraédrica.
Los iones oxígeno ocupan los vértices de un tetraedro, situándose el catión Si4+
en el centro del mismo.
La alta carga relativa del ión Si4+ comparada con su pequeño tamaño hace que se
creen grandes fuerzas en el interior del tetraedro, y que las unidades SiO44- se
unan generalmente vértice con vértice y no arista con arista.
Los tetraedros SiO44- pueden unirse unos a otros de manera que compartan uno o
varios de los iones oxígenos, formando entonces diferentes tipos de silicatos, que
se clasifican en función del número de iones oxígeno compartidos.
Las nuevas unidades estructurales fomadas se van a unir unas con otras, no
directamente, sino a través de cationes como el Mg2+, Ca2+, Al3+ o Al2(OH)42+
formando enlaces de tipo iónico. Esto hace que la proporción de enlace iónico
que hay en el silicato sea mayor que la covalente, y por eso se han incluido en
este grupo de materiales, con predominio, de "Enlace iónico".
Nº DE OXÍGENOS
COMPARTIDOS
0
1
RADICAL
DENOMINACIÓN
ISLA
DOBLE ISLA
SiO44Si2O76-
•CADENA SIMPLE
SiO32-
2
•ANILLO
2½
CADENA DOBLE
Si4O116-
3
LAMINAR Ó PLANAR
Si2O52-
4
EN RED
SiO2
GEOMETRÍA UNIDAD
ESTRUCTURAL
Ejemplo: Silicatos
Bloque básico de construcción:
SiO44-.
Los enlaces Si-O son altamente
covalentes, pero en general el
bloque SiO4 tiene una carga de
–4.
Nota que cada SiO4 tiene una carga
negativa. “Esto no viola la regla
de la neutralidad porque el
tetrahedro SiO4 no existe
aisladamente.
Existen diversas formas de arreglar
los bloques de SiO4 por lo que
existen diversas estructuras de
silicatos.
Ejemplo: Silicatos
• La estructura de silcatos mas
simple es la de SiO2. Esta
estrctura resulta cuando los
iones de oxígeno en cada
esquina del tetrahedro son
compartidos por un tetrahedro
adyacente.
• Como
consecuencia
del
compartir los aniones el radio
neto de cation a anion es de 1:2.
Debido a que el silicio y el
oxígeno tienen valencias de 4+
y 2-, la celda unitaria de SiO2
es...
Vidrios de Sílice
Los vidrios de sílice, como su nombre indica, son materiales no cristalinos
basados en la sílice. Por tanto, su unidad estructural es el tetraedro SiO44-. Se
diferencian de los silicatos en que al enfriar sus constituyentes, desde el estado
líquido, solidifican sin cristalización. De esta forma, los vidrios pueden definirse
como "productos inorgánicos de fusión que se han enfriado hasta una condición
rígida, sin cristalización".
En los vidrios de sílice existe un ordenamiento de corto alcance (SiO44-) pero no
de largo alcance, ya que los tetraedros no se colocan siguiendo un orden
repetitivo, sino que se disponen de manera aleatoria.
Los vidrios poseen propiedades que difícilmente presentan otros materiales,
como su gran transparencia, su resistencia a la corrosión, impermeabilidad y
dureza.
Se fabrican fundiendo una sílice. El posterior enfriamiento dará lugar a un
material amorfo debido a las dificultades que tiene la estructura para volver a
ordenarse.
Ejemplo: Vidrios de Sílice
La SiO2 existe ya sea en
estado cristalino (discutido
previamente) o en un
estado desrdenado (vítreo
o amorfo).
Ejemplo: Vidrios de Silice
• La mayoría de los vidrios
comerciales están formados por
una red de sílice con adiciones
de otros óxidos como CaO y
Na2O.
• Estos óxidos no son formadores
de redes sino que la modifican.
• Los modificadores de redes se
adicionan
para
impartir
propiedades específicas al
vidrio, tales como reducción de
temperatura de vitrificación,
viscosidades diferentes, colores
particulares, etc.
Substituciones
Si dos iones tienen similar tamaño, pueden substituirse uno a otro en la
misma estructura formando lo que se conoce como soluciones sólidas.
Valencia
Tamaño
Substitución
+1
Grande
Na, K, Rb, Cs
+2
Pequeño
Be, Zn
+2
Mediano
Mg Fe, Ni, Co
+2
Grande
Ca, Ba, Sr, Pb
+3
Pequeño
Al, B, Ga
+3
Mediano
Al, Fe, Cr, Ti
+3
Grande
Y, tierras raras
+4
Pequeño
Si, Ge
+4
Mediano
Ti, Zr, V, W, Sn, Hf,
Nb, Mo
+4
Grande
Th, U
+5
Mediano
Ta, Nb, As, V, Sb
-1
Grande
Cl, Br, I
-2
Grande
O, S, Se
Estructuras Derivadas
Ordenamiento
Substitución de iones en un patrón repetitivo y no al azar.
Compuestos no-estequiométricos
Deficiencia de cationes y aniones
“Stuffing”
Substitución de un ión de valencia más baja por uno de valencia más
alta, adémas de la adición de un ión adicional para mantener la carga.
Distorsión
Distorsión de la estructura original por la substitución de un ión con
radio iónico diferente.