تركيبات السيليكات والصيغة الهيكلية في الكيمياء

في الكيمياء ولأن الأكسجين والسيليكون هما أكثر العناصر وفرة، فإن معادن السيليكات هي الأكثر شيوعًا، وبالتالي يتم قضاء وقت كبير في مناقشة كلا من التركيب والكيمياء وكيفية حدوث معادن السيليكات، وفي هذا المقال سنذكر تركيبات السيليكات والصيغة الهيكلية لها، ولا بد من التنويه أنه لدراسة السيليكات والصيغة الهيكلية لها فإنه لابد من تذكر الطريقة التي يتم بها تجميع الذرات وتنسيقها معا بواسطة الأنيونات الكبيرة.

تركيبات السيليكات والصيغة الهيكلية

• من أجل مناقشة السيليكات وهياكلها فإنه من الضروري أولاً أن نتذكر أن الطريقة التي يتم بها تجميع الذرات معًا أو تنسيقها بواسطة الأنيونات الكبيرة، مثل الأكسجين، وذلك يعتمد على نسبة نصف قطر الكاتيون إلى الأنيون، والمعروفة بالصيغة التالية: (Rx / Rz)، وفي الجدول التالي سيتم ذكر هذه النسب والشكل التي يتواجد عليها:

• تتطلب نسبة نصف القطر لـ (Si +4) إلى (O -2) أن يتم تنسيق (Si +4) بواسطة 4 من (O -2)، وتكون أيونات بتنسيق رباعي السطوح، ومن أجل تحييد شحنة +4 على كاتيون السيليكون (Si)، ستصل شحنة سالبة واحدة من كل من أيونات الأكسجين إلى كاتيون (Si)، وبالتالي فإنه سيتم ترك كل أكسجين بشحنة صافية قدرها -1، مما ينتج عنه مجموعة رباعي السطوح (SiO4 -4) يمكن ربطها بكاتيونات أخرى.

• وأيون (SiO4 -4) رباعي الوجوه هو الأيون الذي يشكل أساس معادن السيليكات، ونظرًا لأن (Si +4) عبارة عن كاتيون عالي الشحنة، تنص قواعد باولي على أنه يجب فصله قدر الإمكان عن أيونات (Si +4 الأخرى)، وبالتالي، عندما يتم ربط رباعي السطوح (SiO4 -4) معًا فإنه سيتم مشاركة الأكسجين الركني فقط مع مجموعات (SiO4 -4) الأخرى، حيث أنه توجد العديد من الاحتمالات وتؤدي إلى ظهور مجموعات السيليكات المختلفة.

• تصنيف السيليكات اعتمادًا على الطريقة التي يتم بها ربط الوحدات الرباعية السطوح، يتم تصنيف السيليكات إلى الأنواع التالية: أورثوسيليكات (Orthosilicates)، بيروسيليكات (Pyrosilicates)، السيليكات الحلقية (Cyclic silicates)، سيليكات السلسلة (Chain silicates)، سيليكات السلسلة المزدوجة (Double chain silicates)، صفيحة السيليكات (Sheet silicates)، السيليكات ثلاثية الأبعاد (Three-dimensional silicates).

أورثوسيليكات Orthosilicates

• أورثوسيليكات ويعرف بـNesosilicates) (Island Silicates))، وهي أبسط السيليكات التي تحتوي على وحدات (SiO4 -4)، رباعي السطوح منفصلة، أي أنها لا تتشارك في أكسجين الزاوية، وإذا لم تتم مشاركة الأكسجين الركني مع رباعي السطوح (SiO4 -4)، فسيتم عزل كل رباعي الوجوه  ثم تكون الوحدة الهيكلية الأساسية هي (SiO4 -4).

• وفي هذه المجموعة، تتم مشاركة الأكسجين مع مجموعات ثماني السطوح تحتوي على كاتيونات أخرى مثل (Mg +2) أو (Fe +2) أو (Ca +2)، ومن الأمثلة عليها: مركبات السيليكات: (Willemite (Zn₂SiO₄ )  Forsterite (Mg₂SiO₄) Phenacites (Be₂SiO₄)).

بيروسيليكات (Pyrosilicates)

• بيروسيليكات وتعرف بسوروسيليكات (سيليكات جزيرة مزدوجة) Sorosilicates) (Double Island Silicates))، إذا تمت مشاركة أحد الأكسجين في الزاوية مع رباعي الوجوه آخر، فإن هذا يؤدي إلى ظهور مجموعة سوروسيليكات، غالبًا ما يشار إليها باسم مجموعة الجزر المزدوجة نظرًا لوجود نوعين من رباعي السطوح متصلين معزولين عن جميع الأشكال الرباعية السطوح الأخرى.

السيليكات الحلقية Cyclosilicates

• السيليكات الحلقية وتعرف بـ (Ring Silicates)، في هذه الأنواع من السيليكات فإنه يتم مشاركة ذرتين من الأكسجين لكل وحدة رباعية السطوح لتشكيل نوع حلقة من الهيكل، الصيغة العامة للسيليكات الحلقية هي ((SiO₃)_n^2n-)، الحلقات التي تحتوي على ثلاث، أربع، ست، وثمانية وحدات رباعية السطوح معروفة، لكن ثلاثة وستة أكثر شيوعًا.

• تشكل المجموعة الهيكلية (Si6O18-12)، ثلاث حلقات (Si3O9-6)، أربع حلقات (Si4O12-8)، وخمسة حلقات (Si5O15-10) ممكنة أيضًا، وخير مثال على السيليكات الحلقية هو معدن (Beryl – Be₃Al₂Si₆O₁₈).

سيليكات السلسلة Chain silicates

• سيليكات السلسلة وتعرف بـ (Inosilicates) (سيليكات سلسلة واحدة) (Single Chain Silicates)، تتكون سيليكات السلسلة البسيطة من خلال مشاركة ذرات الأكسجين في زاويتين من كل رباعي السطوح، إذا تمت مشاركة اثنين من الأكسجين بطريقة لعمل سلاسل مفردة طويلة من رباعي السطوح (SiO4)، فإننا نحصل على سيليكات السلسلة المفردة أو السليكات.

• في هذه الحالة، تكون الوحدة الهيكلية الأساسية هي (Si2O6 -4 أو SiO3-2)، هذه المجموعة هي أساس مجموعة البيروكسين من المعادن، مثل: (orthopyroxenes) بالصيغة ((Mg,Fe)SiO₃) أو (clinopyroxenes) بالصيغة (Ca(Mg,Fe)Si₂O₆).

سيليكات السلسلة المزدوجة Double chain silicates

سيليكات السلسلة المزدوجة، إذا تم ربط سلسلتين معًا بحيث تشترك كل مجموعة رباعية السطوح في 3 من الأكسجين الخاص بها، فيمكننا ذلك من السلاسل المزدوجة، حيث تكون المجموعة الهيكلية الأساسية هي (Si4O11-6)، مجموعة الأمفيبول (amphibole) من المعادن عبارة عن سيليكات مزدوجة السلسلة، على سبيل المثال: سلسلة (tremolite – ferroactinolite) بالصيغة (Ca₂(Mg,Fe)₅Si₈O₂₂(OH)₂).

صفيحة السيليكات Sheet silicates

• صفيحة سيليكات وتعرف بـ (Phyllosilicates)، إذا تمت مشاركة 3 من الأكسجين من كل مجموعة رباعي السطوح بحيث يتم مشاركة ورقة لانهائية من رباعي السطوح (SiO4)، نحصل على أساس سيليكات الصفائح أو سيليكات الألواح، في هذه الحالة تكون المجموعة الهيكلية الأساسية هي (Si2O5-2)، تعتمد كل من معادن الميكا والطين والكلوريت والتلك والأفعواني على هذا الهيكل.

• وخير مثال على ذلك هو البيوتايت (K(Mg,Fe)₃(AlSi₃)O₁₀(OH)₂)، ويلاحظ أنه في هذا الهيكل يستبدل الألمنيوم (Al) بالسيليكون (Si) في إحدى مجموعات رباعي السطوح.

السيليكات ثلاثية الأبعاد (Three-dimensional silicates)

• السيليكات ثلاثية الأبعاد وتعرف بـ Tectosilicates) (Framework Silicates))، إذا تمت مشاركة جميع الأكسجين في الزاوية مع رباعي السطوح (SiO4) آخر، فسيتم تطوير هيكل الإطار، ثم تصبح المجموعة الهيكلية الأساسية (SiO2)، تعتمد معادن الكوارتز والكريستوباليت والتراديميت على هذا الهيكل، إذا تم استبدال بعض أيونات (Si +4) بـ (Al +3).

• فإن هذا ينتج عنه عدم توازن في الشحنة ويسمح بوجود أيونات أخرى منسقة في ترتيبات مختلفة داخل هيكل الإطار، وبالتالي، فإن معادن الفلسبار والفلدسباثويد تعتمد أيضًا على هيكل تكتوسيليكات.

الصيغة العامة للسيليكات

• بناءً على هذه الوحدات الهيكلية الأساسية، يمكننا بناء معادلة كيميائية هيكلية عامة للسيليكات، لكن أحد البدائل على وجه الخصوص يميل إلى إفساد الأشياء قليلاً، هذا هو أيون الألمنيوم (Al +3)، ثالث أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية، له نصف قطر أيوني يتراوح بين (0.54 و 0.39) حسب رقم التنسيق.

• وبالتالي، يمكن أن يتناسب مع التنسيق 6 مع الأكسجين أو التنسيق 4 مع الأكسجين، ونظرًا لأن (Al +3) سينتقل إلى تنسيق رباعي مع الأكسجين، فإنه في بعض الأحيان يحل محل (Si +4)، إذا حدث مثل هذا الاستبدال، فإنه يخلق اختلالًا في الشحن يجب أن يتم تعويضه في مكان آخر في بنية السيليكات.

• العناصر المشتركة الأخرى في قشرة الأرض التي تدخل السيليكات تفعل ذلك في أنواع أخرى من التنسيق، تدخل الأيونات مثل: الألمنيوم (Al +3) والمغنيسيوم (Mg +2) والحديد (Fe +2) و (Fe +3) والمنغنيز (Mn +2) والتيتانيوم (Ti +4) في مواقع ذات 6 أو ثماني السطوح، كما توجد أيونات أكبر مثل: الكالسيوم (Ca +2) والصوديوم (Na +1) في تنسيق ثماني السطوح أو مواقع تنسيق مكعبة 8 أضعاف.

• يتم تنسيق الكاتيونات الكبيرة جدًا مثل: البوتاسيوم (K +1) والباريوم (Ba +2) وأحيانًا الصوديوم (Na +1) بواسطة 12 أكسجينًا في مواقع تنسيق 12 حقل، وبالتالي يمكننا كتابة صيغة هيكلية عامة للسيليكات على النحو التالي: (X_mY_n(Z_pO_q)W_r) حيث يمثل (X) موقع تنسيق من 8 إلى 12 ضعفًا للكاتيونات الكبيرة مثل (K+ و Rb+ و Ba +2 و Na+ و Ca +2).

• يمثل (Y) موقعًا مكونًا من 6 أضعاف (ثماني السطوح) للكاتيونات متوسطة الحجم مثل (Al +3) و (Mg +2) و (Fe +2) و (Fe +3) و (Mn +2) و (Ti +4)، ويمثل (Z) موقع رباعي السطوح يحتوي على (Si +4 و Al +3)، وتعتمد النسبة (p: q) على درجة بلمرة السيليكا (أو الألومينا) رباعي السطوح، أو النوع الهيكلي للسيليكات.

• (O) هو الأكسجين، و (W) هو موقع هيدروكسيل (OH-1) يمكن أن يحل محل الأنيونات الكبيرة مثل (F-1 أو Cl-1)، وتعتمد الرموز (m و n و r) على نسبة (p إلى q) ويتم اختيارها للحفاظ على توازن الشحن.