Silicatos I. Quimica. QUÍM.

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Química

Aproximadamente la cuarta parte de los minerales conocidos son s. Por s. se entiende un conjunto de sustancias muy distintas entre sí, de composición variable, constituidas principalmente por silicio y oxígeno, y que contienen además otros elementos químicos. También varían las propiedades físicas y químicas. Así, unos (muy pocos y todos ellos alcalinos) son solubles en agua, mientras que otros (la mayoría) son insolubles. En cuanto al aspecto físico, los s. difieren notablemente unos de otros; los hay más o menos blancos, de aspecto terroso (bentonita, sepiolita), otros se presentan en forma de láminas brillantes (micas, vermiculita), y otros son densos e intensamente coloreados (lapislázuli, olivino y ultramarinas). En cuanto a la dureza, existen s. extremadamente blandos (talco, dureza=l Mosh) y otros de considerable dureza (olivino, dureza=6,5-7 Mosh). El comportamiento térmico de los s. difiere notablemente de unos a otros; junto a s. que se destruyen fácilmente por la acción del calor (vermiculita), existen otros que son estables, incluso a temperaturas muy elevadas (amianto). Otro tanto ocurre con la densidad, que varía dentro de límites muy amplios; entre los s. más ligeros basta citar la mica moscovita (v. MICAS), y entre los más densos se encuentran el olivino y los granates (v.).

1. Clasificación de los silicatos naturales. Basada precisamente en la diversidad de las propiedades morfológicas y físicas, principalmente en las de exfoliabilidad y densidad, se estableció una clasificación de los s. encaminada a facilitar su estudio sistemático. De acuerdo con este criterio, se establecieron cuatro grupos de s.: micas, s. fibrosos, feldespatos (v.) y s. de elevada densidad. El grupo de las micas incluía los s. exfoliables según una cara. Los s. fibrosos, como su nombre indica, comprendían los s. que presentan exfoliación en fibras, tales como el diópsido y el amianto. En el grupo de los feldespatos seagruparon los s. difícilmente exfoliables y de baja densidad, tal como la leucita. Por último, el grupo de los s. de elevada densidad incluía los s. no exfoliables más pesados.

Esta clasificación mine ralógico-petrográfica no resultó ser eficaz bajo un punto de vista químico, pues no existía analogía entre la fórmula y las propiedades químicas de los distintos s. de un mismo grupo. A fin de conseguir subsanar tales dificultades, se estableció una nueva clasificación de los s. atendiendo a su fórmula empírica; para ello, se supuso que los s. naturales eran derivados policondensados de los diferentes ácidos silícicos que resultan de la hidratación variable de la sílice. De esta forma se establecieron los siguientes grupos de s.: monosilicatos (metasilicatos, derivados de Si02-H20; ortosilicatos, derivados de SiO2-2H20; s. derivados de Si02-3H20); disilicatos (derivados de 2SiO2-H20 y de 2SiO2-3H20); trisilicatos (derivados de 3SiO2-2H20); otros s., cuyas fórmulas empíricas no pueden ser consideradas derivadas de ninguna de las anteriores.

Esta clasificación tampoco resultó útil, ya que minerales con propiedades físicas análogas se encontraban, en esta clasificación, formando parte de grupos diferentes. Otras clasificaciones con fundamentos diferentes se mostraron ineficaces. Fue Machatschki quien, a partir de diagramas de difracción de rayos X, desarrolló una teoría estructural de los s., la cual, convenientemente ampliada, es aceptada actualmente. Esta teoría permite clasificar los s. de acuerdo con su estructura cristalina. Las estructuras, así como las propiedades de los s., pueden ser justificadas actualmente en forma satisfactoria sobre la base de la naturaleza de los átomos de silicio (v.) y oxígeno (v.).

El silicio (del latín silex, pedernal) ocupa el lugar número 14 en la clasificación periódica de los elementos. Está situado en la columna IVb, por lo que es congénere del carbono y presenta también cuatro valencias, dirigidas hacia los vértices de un tetraedro. A diferencia del carbono, las uniones silicio-silicio no son frecuentes (aun cuando se dan en ocasiones), sino que los átomos de silicio se suelen unir a través de un átomo de oxígeno. Si cada una de las valencias del silicio se une a un átomo de oxígeno diferente, resultará el grupo Sio4 4 (ion ortosilicato). Si cada uno de los oxígenos está, a su vez, con la valencia libre, unido a un átomo de hidrógeno, resulta el ácido ortosilícico, Si04H4, en el cual el silicio presenta número de coordinación cuatro respecto del oxígeno, es decir, cada átomo de silicio está rodeado de cuatro átomos de oxígeno. Considerando al ácido ortosilícico como punto de partida, es posible explicar satisfactoriamente las estructuras de los silicatos.

El Si04H4 es un ácido muy débil que tiene la propiedad de dar fácilmente productos de condensación, mediante eliminación de agua. De esa forma resultan aniones más voluminosos que, al asociarse con cationes pequeños, dan lugar a las estructuras coordinadas de los s. Si tenemos en cuenta las electronegatividades del silicio y del oxígeno, es fácil deducir que el enlace silicio-oxígeno es predominantemente fónico y, por tanto, en el retículo cristalino de los s. cabe considerar, para efectos de una clasificación estructural, la existencia de iones Si4+ y de 0=; ello puede explicar de forma satisfactoria la sustitución isomórfica de iones Si4+ por iones A13+, dando lugar a la formación de los alumino-silicatos.

De acuerdo con cuanto acabamos de exponer, se comprende que la unidad estructural básica de los s. es el tetraedro Si04, que suele representarse como en la figura que sigue en pág. 360.

Esta unidad básica puede encontrarse aislada (nesosilicatos) o unida a otra mediante compartición de oxígenos, dando lugar a esqueletos aniónicos más o menos complejos. Según la forma de distribuirse, los tetraedros Si04 darán lugar a diferentes estructuras más o menos complejas. De acuerdo con las características de ellas, pueden clasificarse los s. naturales en los grupos siguientes.

1. Nesosilicatos. Son ortosilicatos, y en ellos no existe complejidad alguna en el esqueleto aniónico, ya que los aniones son los tetraedros Si04- independientes. A este tipo de s. pertenecen, entre otros, el olivino (M92Si04), el circón (ZrSi04) y el granate Ca3A12(SiO4)3.

En los nesosilicatos, los tetraedros de Si04- se unen entre sí a través de las cationes, los cuales enlazan cada una de sus valencias a un átomo de oxígeno de un tetraedro Si04- diferente (v. MINEUALEs, 2).

2. Sorosilicatos. El esqueleto aniónico de los sorosilicatos proviene de la unión de un número limitado de tetraedros Si04, dando lugar a estructuras lineales o cíclicas. Si el esqueleto aniónico está constituido únicamente por el producto resultante de la unión de dos tetraedros Si04, responde a la fórmula Sí206-.

A este tipo pertenece la thorveitita Si207Sc2. Se conocen, además, otros sorosilicatos de esqueleto aniónico cíclico, constituido por la unión de tres o de seis tetraedros Si04. En el caso de la unión de sólo tres tetraedros, el anión que resulta responde a la fórmula Si309-. La unión de estos aniones entre sí tiene lugar a través de los cationes:Esta estructura aniónica es típica de minerales tales como la benitofta (Si03TiBa) y la wollastonita (Si309Ca3).

Si el esqueleto aniónico deriva de la unión de seis tetraedros de Si04, responde a la fórmula Si6O12-.

El representante más característico de los s. de este tipo es el berilo (Si60l8BC3A12); en éste, la unión de los anillos SibO12- tiene lugar mediante enlaces oxígeno-berilio-oxígeno o bien oxígeno-aluminio-oxígeno; tal unión se realiza de forma que los anillos queden exactamente superpuestos, por lo que en el berilo quedan canales hexagonalesperfectamente definidos; ello hace posible que sea permeable al helio y a otros gases de pequeño volumen molecular. También otras piedras preciosas (v.), tales como la esmeralda y el aguamarina pertenecen a este grupo de silicatos.

3. Inosilicatos. La unión de tetraedros Si04 en forma indefinida puede dar lugar a la formación de cadenas simples o dobles. En el caso en que la cadena formada sea simple, ésta responde a la fórmula (Si03)ñ"-. Las uniones de las diferentes cadenas se realizan mediante los cationes.

Este tipo de estructura se presenta en la esteatita (MgSi03), el diópsido (CaMg(Si03)2) y en los piroxenos CaMg(Si03)2.

Las cadenas dobles pueden considerarse formadas por la unión de dos cadenas sencillas, mediante la compartición de átomos de oxígeno. Este tipo de estructura es característico de los anfíboles, en los cuales el esqueleto aniónico responde a la fórmula (Si4011)6n-.

Esta estructura la presentan, entre otros, la tremolita (Si4011)2Ca2Mg5(OH)2 y el asbesto Si4011Mg(OH)6-H20. Al igual que en el caso de los sorosilicatos, las cadenas aniónicas de los inosilicatos se unen entre sí a través de los cationes. De acuerdo con su estructura, la exfoliación de los inosilicatos tiene lugar en una sola dirección, de forma que se liberan las cadenas (dobles o sencillas) constitutivas del esqueleto aniónico. En ambos casos, el producto resultante de la exfoliación tiene forma de hilos o de agujas.

4. Filosilicatos o silicatos laminares. La unión de cadenas aniónicas del tipo de las constitutivas de los inosilicatos puede progresar para dar lugar a esqueletos aniónicos bidimensionales, de fórmula general (Si205)nn-.

Según puede observarse en la figura de pág. siguiente, cada uno de los tetraedros Si04 comparte tres oxígenos con otros tantos tetraedros, quedando sólo un oxígeno sin compartir. Es precisamente mediante estos oxígenos por los que, a través de los cationes, se unen entre sí las diferentes láminas aniónicas (Si205),2,"-.

De acuerdo con la estructura de los filosilicatos, se comprende su fácil exfoliación según dos direcciones. Además de la exfoliación, en algunos s. de este tipo se presenta fácilmente el fenómeno de hinchamiento cuando se ponen en contacto con moléculas de agua u otras sustancias polares sencillas. El hinchamiento se produce tanto si el contacto con la sustancia polar tiene lugar estando ésta en estado líquido, como si se encuentra en estado de vapor; en tales condiciones se produce la solvatación de los cationes interlaminares, dando lugar a un aumento del espaciado existente entre las láminas aniónicas. Los filosilicatos conocidos son, en su mayoría, aluminosilicatos, resultantes de la sustitución isomorfa de parte de los Si4+ por iones Al’+. En este caso, junto a los grupos Si04 aparecen en el esqueleto aniónico unidades estructurales A104. La petalita [LiAl(Si205)21, las micas, el talco, el coalín, la bentonita, etc., son filosilicatos típicos (Y. ARCILLAS).

5. Tectosilicatos o silicatos tridimensionales. La compartición de todos los oxígenos del tetraedro Si04 da lugar a una red tridimensional cuya fórmula mínima responde a Si02. Esta sustancia recibe el nombre de sílice y puede presentar diferentes estructuras. Naturalmente, al compartirse todos los oxígenos no hay posibilidad de que la red tridimensional resultante contenga cationes; por tanto, no es posible hablar de s. tridimensionales, si se entiende la palabra s. en su sentido más estricto.

Si en la red estructural de la sílice se sustituyen iones Si4+ por otros iones de tamaño semejante y menor carga, tal como el Al’+, esta sustitución isomorfa trae consigo un defecto de carga positiva en la red tridimensional, lo que tiene como consecuencia la aparición de cargas negativas; es decir, la red ha pasado a ser aniónica. En este caso, se producirá la fijación de determinados cationes (cationes de cambio) en la superficie de los canales estructurales, a fin de alcanzar la neutralidad eléctrica del sistema. Por tanto, es obvio señalar que los tectosilicatos serán todos ellos aluminosilicatos, es decir, que en el esqueleto aniónico tridimensional habrá grupos Si04 y AI04 dispuestos al azar y en proporción tal que se conserve la relación (Si+Al)/0=1/2. De acuerdo con cuantoacabamos de decir, la composición de los tectosilicatos variará dentro de límites relativamente amplios. A diferencia de lo indicado para los filosilicatos, en los tectosilicatos no es posible el hinchamiento, puesto que los enlaces del esqueleto aniónico presentan igual fortaleza en todas las direcciones.

A veces, la disposición de los retículos es tal que permite la existencia de canales lo suficientemente amplios como para que penetren en ellos iones y moléculas relativamente pequeñas, tal como la molécula de agua. Cuando los citados canales están llenos de agua se dice que el s. está hidratado; basta un calentamiento prolongado a 100-110° C para conseguir eliminar prácticamente todo el agua de hidratación. Si a través de los s. de este tipo se hace pasar una disolución acuosa que lleva disueltos cationes de mayor carga y menor o igual volumen que los cationes de cambio del s., éstos serán desplazados y saldrán en la disolución acuosa, mientras que los cationes de la disolución serán fijados por el s., como nuevos cationes de cambio. Los tectosilicatos que presentan esta propiedad reciben el nombre de zeolitas, las cuales, convenientemente tratadas, se han utilizado durante muchos años para el ablandamiento de aguas. La nantrolita, la escolerita, la chabasquita y la edigtonita se han empleado como cambiadores de cationes a fin de ablandar aguas que habían de usarse en calderas industriales. Juntamente con las zeolitas, la ultramarina (útil en joyería), el lapislázuli, la sodalita, la albita, la anortita y la plagioclasa pueden considerarse como los tectosilicatos más importantes (v. MINERALES, 4).

2. Silicatos solubles. Los s. solubles en agua no son, en general, naturales, sino productos resultantes de la fusión de la sílice con carbonato sódico. De manera análoga a lo dicho al referirnos a los s. naturales, los s. solubles no tienen, en general, composición ni propiedades fijas, sino que ambas varían dependiendo de la proporción de carbonato sódico y de sílice en la mezcla que se somete a fusión.

Puesto que los s. solubles se obtienen de la sílice, podría creerse que al fundir ésta se liberarían todos los tetraedros Si04 y que resultaría, como producto de fusión, únicamente ortosilicato sódico. En efecto, el Si04Na4 se ha identificado en la disolución alcalina que resulta de disolver en agua el producto de la fusión, pero junto a él aparecen otros s. anhidros e hidratados, tales como Si03Na2, Si03Na2-nH20, Si205Na2, Si207Na6, y otros. Estos s. alcalinos son estables únicamente en medio básico fuerte. Basta neutralizar para que se destruyan, precipitando Si02 (gel de sílice), con cantidades de agua sorbida muy variables, según las condiciones de neutralización.

3. Aplicaciones. Debido a la amplia gama de propiedades de los s., sus aplicaciones son muy diversas y numerosas. Se utilizan en las industrias del vidrio, cerámica y cemento, así como en joyería. También encuentran aplicación como soporte de catalizadores, como decolorantes, en la depuración de aguas, en la construcción, en siderurgia y como aislantes eléctricos y térmicos.

J. DE D. LÓPEZ GONZÁLEZ.

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