STAREA NATURALA A SILICATILOR

Prin extraordinara lor raspandire, silicatii ocupa un loc de frunte printre celelalte clase de minerale. Scoarta pamantului este compusa, in cea mai mare parte, din silicati si din silice, dupa cum se poate vedea din urmatorul tabel:

Silicatii provin din magma topita. La solidificarea acesteia s-au separat mai intai silicatii mai saraci in dioxid de siliciu (SiO₂), cum sunt ortosilicatii, apoi s-au depus silicatii cu un continut mai mare de dioxid de siliciu (feldspatii si mica) si, in sfarsit, a ramas bioxidul de siliciu pur sau cuartul.

Silicatii nu au culoare caracteristica. Multi sunt transparenti sau translucizi, duri sau greu fuzibili, cu luciu sticlos si un aspect pietros, prin care se disting de alte minerale. Analiza chimica arata ca, in afara de siliciu si de oxigen, elementul cel mai frecvent din silicatii naturali este aluminiul, dupa care urmeaza: magneziu, fier, calciu, sodiu, potasiu si altele mai rar intalnite. Nu lipseste nici hidrogenul sub forma de grupe OH sau H₂O.

Formulele chimice ale silicatilor, asa cum rezulta din analize, nu pot fi interpretate in mod simplu. De multe ori nu se disting la prima vedere anioni si cationi, ca in sarurile celorlalti acizi anorganici sau in sarurile duble de felul alaunilor.

Se presupunea inca de mult ca silicatii deriva de la acizii polisilicici cu structura complicata, dar aceasta structura nu s-a putut stabili prin metode clasice, pentru ca acizii polisilicici nu se pot obtine in stare libera si nici ionii lor nu exista in solutie, silicatii fiind insolubili; prin descompunere cu acizi se obtine numai bioxid de siliciu hidratat. Retelele complicate ale silicatilor nu pot exista decat in stare solida.

Stabilirea structurii silicatilor a devenit posibila numai prin metoda razelor X si reprezinta un succes spectaculos al acestei metode. Astfel s-a recunoscut ca silicatii pot fi considerati ca fiind alcatuiti din cationi si anioni, la fel cu toate sarurile. Anionii au in multe cazuri structuri complicate, de cele mai multe ori macromoleculare.

MICA

Mica este un termen cu care sunt denumite un grup de minerale care formeaza cristale in sistem monoclinic, fiind caracterizate printr-un clivaj perfect care permite separarea ei in foi foarte subtiri si, uneori, elastice.

Mica este formata din silicati complecsi de aluminiu, cu o culoare diversa, in functie de impuritati. Mica are o duritatea intre 2 si 4 pe scara Mohs si o densitate relativa intre 2.7 si 3.2.

Diferitele varietati de mica (peste 100 cercetate cu raze X) se deosebesc de silicatii din grupa talcului, prin aceea ca un sfert in atomii de siliciu sunt inlocuiti statistic prin aluminiu.

Formele cele mai importante de mica sunt: muscovitul sau mica potasica KAl₂[(HO,F)₂(AlSi₃O₁₀)], biotitul sau mica de fier-magneziu K(Mg,Fe)₃[(HO,F)₂(AlSi₃O₁₀)], lepidolitul si flogopitul KMg₃AlSi₃O₁₀(F,OH)₂.

Alte variante de mica, mai rar intalnite sunt: hendricksita, anandita (Ba,K,)(Fe,Mg)₃(Si,Al,Fe)₄O₁₀(Cl,OH,F)₂, clintonita, margherita etc.

Muscovitul, denumit si mica alba sau mica obisnuita, contine potasiu si aluminiu. Este transparent in foi subtiri si translucid in blocuri groase. Este colorat in tonuri deschise de galben, maro, verde sau rosu.

Figura 2.a) si b) prezinta aspectul a doua mostre de mica muscovit. Figura 2.c) este o fotografie a unei folii de mica in lumina polarizata. Figura 2.d) arata microporii existenti in cristalul de mica, imagine realizata cu microscopul electronic. In figura 2.e) este schematizata structura cristalului de muscovit.

Figura 2. Muscovitul

Flogopitul contine potasiu, magneziu si aluminiu. Este transparent in foi subtiri si sticlos sau perlat in blocuri groase. Are culori maro-aurii, verzui sau este alb (figura 3).

Figura 3. Flogopitul

Lepidolitul, sau mica cu litiu, contine potasiu, litiu si aluminiu. Culoarea obisnuita este liliachie sau portocalie.

Biotitul contine potasiu, magneziu, fier si aluminiu. Are un luciu deosebit si este verde inchis, maro sau negru (figura 4).

Figura 4. Biotitul

Muscovitul si flogopitul sunt folositi ca material izolant in aparatele electrice care lucreaza la temperaturi mari. Deseurile (solzii) de mica sunt folosite ca materiale ignifuge, in constructii sau, amestecate cu uleiuri, ca lubrifianti.

ARGILA

Argila este un grup de minerale pamantoase, granulare, care devin plastice daca sunt amestecate cu putina apa sau devin tari si casante daca sunt arse.

Granularitatea argilelor presupune existenta unor particule de la 0.02 mm la 0.04 mm.

Argila este formata din silicati de aluminiu hidratati, la care se adauga o cantitate apreciabila de alte elemente: magneziu, fier, calciu si potasiu.

Dupa cum arata si analizele chimice, argilele sunt similare din punct de vedere structural, fiind alcatuite din cristale minuscule care tind sa formeze pelicule subtiri. Deoarece cristalele argilei sunt atat de mici nu se pot distinge la o analiza cu microscopul. Astfel pentru a se identifica cu precizie tipul de mineral se folosesc razele X. Argila are o duritate de 2-3 pe scara Mohs.

Argilele sunt de origine sedimentara. Ele s-au format prin: actiunea apelor de suprafata asupra rocilor feldspatice (granitice, gneissuri s.a.); actiunea apelor din mlastini asupra rocilor din substrat; actiunea fluidelor hidrotermale (CO₂, H₂SO₄, H₂S, F, s.a.) asupra rocilor silicatice. Se gasesc in depozite primare situate chiar la locul de geneza si in depozite secundare rezultate din transportul si depunerea argilelor in zone diferite de cele de formare.

Dupa mineralele predominante argilele pot fi:

Alofonice, continand peste 60% Al₂O₃ si care prezinta rezistenta scazuta in stare uscata;

Caolinitice, care se clasifica le randul lor in: caolinuri constituite din cristale de caolinit mari (mai mari de 10 mm) si argile refractare cu cristale de caolinit mici;

Montmorillonitice numite si bentonite, prezentand suprafata specifica pana la 900 m²/g, crestere de volum la umezire de peste 200% (figura 5);

Figura 5. Structura cristalina a montmorillonitului

Ilitice cu plasticitate ridicata;

Sepiolitice, care prezinta suprafata specifica pana la 150 m²/g, iar dupa activare in solutii acide diluate constituie pamantul decolorant.

Dupa puritate (raportul de minerale argiloase si minerale accesorii) argilele pot fi:

fuzibile (comune) care sunt puternic impurificate, avand temperatura de topire scazuta (sub 1150 C), constituind materiile prime pentru ceramica de constructii poroasa;

vitrifiabile, cu impuritati mai putine, temperatura de topire pana la 1580 C si care pot fi arse la vitrifiere (la 1200-1350 C), utilizate pentru ceramica vitrifiata;

refractare, ce contin foarte putini oxizi impuritati (alcalini, alcalino-pamantosi si de fier), avand de aceea temperatura de topire de peste 1580 C, folosite la obtinerea produselor refractare silico-aluminoase.

CAOLINUL

Caolinitul este o varietate de argila. El are formula chimica Al₄Si₄O₁₀(OH)₂. Numele lui deriva de la chinezescul kau ling (creasta mare), o referinta a dealului Jauchau Fu, unde a fost gasit prima data.

Caolinul este format prin degradarea feldspatilor. El este compus in cea mai mare parte din caolinita (alaturi de dickita si nacrita), toate cu structura microcristalina

Caolinul are o densitate relativa de 2.6 si o duritate de numai 2-2.6 pe scara Mohs.

Caolinul este alb in stare pura, insa, adesea, este maroniu, rosiatic sau gri din cauza impuritatilor. El are un luciu sidefiu si este translucid.

Caolinul este cel mai important mineral dintr-un grup care mai include: dickita, nacrita si halozita. Toate acestea difera de caolin si intre ele, prin modul de aranjare al straturilor de silicati.

Cele mai importante zacaminte se gasesc in Statele Unite, Marea Britanie, Cehia, China, Germania, Italia, Spania, Franta etc.

Caolinul este un produs mult utilizat in industrie. Formele pure sunt folosite pentru portelanuri fine. Varietatile mai putin pure sunt folosite pentru caramizi, ceramica sau ca material de umplutura in industria colorantilor si a hartiei.

De asemenea, caolinul este o materie prima importanta pentru obtinerea aluminei (Al₂O₃) si a aluminiului.

Aspectul unei mostre de caolin, precum si structura sa cristalina (microfotografiata si schematizata) sunt prezentate in figura 5.

Figura 5. Caolinul

PRODUSELE CERAMICE

Cuvantul ceramica provine din grecescul keramos care semnifica vas din lut sau argila. Industria ceramica se ocupa cu producerea articolelor din materiale pamantoase moi, care se intaresc prin expunere la temperatura ridicata.

Ceramica a fost folosita de catre om din cele mai vechi timpuri. Initial, argila a fost folosita pentru confectionarea unor vase; odata cu descoperirea focului, s-a observat ca argila se intareste daca este arsa. Ulterior modificand compozitia argilei folosite (de exemplu, adaugand nisip) s-au obtinut si produse ceramice impermeabile.

Materialele ceramice sunt compusi anorganici, nemetalici. Ele sunt folosite pentru producere: portelanurilor, caramizilor (arse sau nearse - chirpici), tevilor de canalizare, vaselor de lut (figura 6) si unor tipuri de tigle.

Figura 6. Prelucrarea traditionala a argilei

Ceramicile folosite in industrie cum ar fi nitrurile de siliciu si alumina sunt destul de rezistente pentru a fi folosite ca suporti mecanici pentru dispozitive electronice si electrotehnice: substrat pentru echipamente de microunde (alumina), microelectronica, supraconductori la temperaturi ridicate (ceramica pe baza de oxizi de cupru), izolatori de inalta tensiune, tuburi speciale etc.

Produsele ceramice variaza la nesfarsit prin materia prima utilizata si prin calitatile lor. Unele produse ceramice au spartura poroasa si sunt permeabile pentru apa, altele au spartura compacta sau sticloasa si sunt impermeabile.

Din prima categorie fac parte caramizile, olanele pentru acoperisuri, teracota, oalele obisnuite etc.

Materialele din cea de-a doua categorie se obtin la temperatura mai ridicata, asa incat are loc un inceput de reactie chimica ducand la o sticla, prin care particulele solide ale amestecului sunt strans legate intre ele. Rezulta astfel o masa cu duritatea mai mare ca a otelului

Sub forma de cermet (ceramica metalica), aceste produse au o larga utilizare in industria spatiala: scuturi termice, ajutaje, palete de turbina si chiar in aplicatii relativ obisnuite: motoare ceramice care nu necesita sistem de ungere si de racire.

CIMENTUL

Cimentul este cunoscut din antichitate sub denumirea de mortar roman. Dupa destramarea imperiului reteta a fost pierduta fiind redescoperita dupa 1500 de ani, de britanicul Joseph Aspdin, la inceputul secolului XIX. Prima fabrica de ciment a fost realizata in Marea Britanie in anul 1845.

Termenul ciment este adesea utilizat ca sinonim pentru clei sau adeziv; in constructii desemneaza un material care se intareste si adera dupa ce a fost amestecat cu apa.

Cimentul se obtine prin arderea unor amestecuri de argila si piatra de var la 1400 C, in cuptoare rotative lungi de zeci de metri, cu flacara in interior, care folosesc gazul sau pacura drept combustibil. Materialul granular rezultat este clincherul. El se macina fin, rezultand cimentul portland.

Cuptoarele folosesc aproximativ 450g de carbune pentru a produce 900g de ciment portland.

Intr-un cuptor modern, din 40 kg de materie prima se formeaza 27-30 kg de ciment. Scaderea masei este efectul eliminarii apei si dioxidului de carbon.

Compozitia cimentului portland este urmatoarea:

Dupa prepararea cimentului acesta este supus unei verificari a calitatii. Astfel se amesteca o parte ciment cu trei parti nisip si se masoara duritatea betonului dupa o saptamana, in aer si in apa. Un ciment bun rezista la o presiune de 194N/cm².

Cimentul se fabrica in cantitati uriase si este utilizat in constructii. Amestecat cu nisip, pietris si apa, face priza rezultand betonul (armat daca este turnat pe un schelet de otel), un material foarte rezistent si foarte dur.

Cimentul se intareste prin evaporarea lichidului de amestec (care poate fi apa, alcool sau petrol), reactii chimice interioare, hidratare, reactia cu oxigenul sau dioxidul de carbon din atmosfera.

Modificand concentratia componentelor cimentului portland, se pot obtine cimenturi cu caracteristici diferite:

Cimentul alb este ciment portland de culoare alba datorita continutului redus de oxid de fier (Fe₂O₃<0.8%). Se utilizeaza in constructii pentru obtinerea de efecte decorative. Tehnologia fabricarii cimentului alb este similara cu a cimentului portland, cu deosebirea ca materiile prime contin fier in cantitati sub 1%. Diminuarea continutului de oxid de fier, care actioneaza ca fondant, ar antrena cresterea temperaturii de clincherizare peste 1450 C si de aceea ea se compenseaza prin introducerea de alti fondanti: fluorosilicati de sodiu sau magneziu, fluorura de calciu s.a.

Cimentul aluminos este cimentul cu continut predominant de aluminat de calciu, trialuminat pentacalcic sau dialuminat de calciu. Cimentul aluminos este o pulbere de culoare cenusie sau bruna de finete de 7-15% rest pe sita de 0,1 mm, densitate circa 3000 kg/m³, inceputul prizei dupa 30 minute iar sfarsitul dupa 3-6 ore. Rezistenta la compresiune masurata dupa 3 zile de intarire, pe mortar vartos este mai mare de 30 N/mm². Piatra de ciment aluminos este rezistenta la actiunea apelor sulfatice. Cimentul aluminos se utilizeaza pentru realizarea anumitor constructii hidrotehnice, in regiuni cu clima rece, pentru constructii supuse actiunii coroziunii chimice produse de ape sulfatice. Tehnologia pentru fabricarea cimentului aluminos utilizeaza urmatoarele materii prime: calcarul, bauxita, slamul rosu rezultat la fabricarea aluminei sau zgurile aluminoase.

Cimentul antiacid este cimentul cu continut ridicat de SiO₂ activ si inert, care se intareste dupa umezirea cu solutie de silicat de sodiu. Cimentul antiacid prezinta rezistenta chimica ridicata fata de solutiile acide, utilizandu-se pentru etansari si protectii anticorozive in constructii si utilaje supuse agentilor agresivi acizi. Tehnologia de obtinere a acestui ciment foloseste nisip de cuart sub 0.1 mm, in proportie de 90%, silice activa (diatomit) spalata cu acid sulfuric de concentratie 10%. Solutia de silicat de sodiu se adauga in proportie de 13-22 parti la 77-85 parti ciment si 1.5-3 parti fluorosilicat de sodiu. Priza are inceput la peste 30 de minute si sfarsitul dupa maxim 6 ore.

Cimentul colorat este ciment portland colorat prin adaos de oxid si compusi ai metalelor de tranzitie (negru-oxid de cupru, galben si rosu-oxid de fier, albastru-oxid de cobalt, verde-oxid de crom). Se utilizeaza in constructii pentru scopuri decorative. Fabricarea cimentului colorat este similara celei a cimentului portland. Introducerea oxizilor coloranti se realizeaza in doua moduri: fie introducand colorantul in materiile prime pentru fabricarea clincherului, obtinandu-se clincher colorat, care prin macinare duce la obtinerea cimentului colorat, fie prin amestecarea oxizilor sau pigmentilor cu clincherul si macinarea acestora.

Cimentul de anhidrit este cimentul cu continut preponderent de anhidrit (CaSO₄). Poseda rezistenta la compresiune dupa 7 zile, pe mortar (1 parte ciment si 3 parti nisip) 500-2000 N/cm². Se utilizeaza la prepararea mortarelor pentru zidarie si finisaj, precum si pentru obtinerea prefabricatelor si betoanelor termoizolante. Tehnologia de obtinere a cimentului de anhidrit se efectueaza dupa doua fluxuri: din anhidrit natural si din gips.

a)    Obtinerea cimentului de anhidrit din anhidrit natural. Roca este concasata si macinata, impreuna cu activatorii: var, cenusa de termocentrala, sulfat de sodiu (neutru sau acid), sulfat de fier. Produsul se depoziteaza in siloz.

b)   Obtinerea cimentului de anhidrit din gips. Gipsul este concasat la marimea de 3-4 cm pentru arderea in cuptorul rotativ sau la 3-10 cm pentru arderea in cuptorul vertical. Arderea se efectueaza la temperaturi de 600-700 C, timp de 3-4 ore, eliminandu-se apa de cristalizare a ghipsului. Anhidritul obtinut este macinat cu activatorii (de regula sulfat de sodiu si de fier in proportie de 1-3%).

Cimentul de zgura este cimentul care are in compozitie 20-90% zgura de furnal granulata restul fiind adaosuri cu capacitate lianta proprie sau activatoare pentru intarirea zgurii: ciment portland, var, sulfati de calciu s.a. Principalele tipuri de ciment de zgura sunt:

a)    Ciment de zgura si clincher portland:

Ciment metalurgic cu 20-30% zgura;

Ciment de furnal cu 30-70% zgura;

b)   Ciment de zgura cu var. Contine 60-75% zgura, diferenta reprezentand-o varul intr-o proportie de 7.5%.

c)    Ciment de zgura sulfatata. El cuprinde 75-90% zgura, restul fiind ghips, ipsos, clincher portland s.a.

Tehnologia cimentului de zgura cuprinde uscarea zgurii de furnal in uscatorul rotativ si macinarea ei impreuna cu adaosurile.

Cimentul de sonde este ciment portland cu procent maxim 3-8% de CaO Al₂O₃ si CaO SiO₂ pentru sondele de peste 2500 m adancime si cu procent maxim de 13% CaO Al₂O₃ pentru sondele sub 3200 m adancime. Se utilizeaza la cimentarea tuburilor de foraj ale sondelor. Tehnologia acestor cimentari este similara cu a cimentului portland.

Cimentul expansiv este tipul de ciment care prezinta dilatare de 1-2% la intarire in aer. Este amestec de 70-90% liant (ciment portland sau aluminos) cu adaus expansiv (ipsos, hidraluminati de calciu, caolin calcinat, var s.a.). Se utilizeaza la colmatarea rosturilor elementelor de constructii pentru a se realiza etansarea lor. Tehnologia cuprinde macinarea materiilor prime si amestecarea lor, in dozajul prescris.

Cimentul cu intarire rapida este produs prin cresterea procentului de silicati de calciu sau prin macinarea mai fina, astfel incat diametrul particulelor sa fie mai mic de 2.5mm. Acest ciment se intareste de aproximativ treizeci de ori mai repede decat cimentul portland.

Cimentul refractar este ciment portland sau aluminos cu rezistenta ridicata la temperatura inalta. Cimenturile refractare sunt:

a)    Cimenturi portland cu microadaosuri stabilizatoare de silice amorfa, samota, zgura de furnal, roci s.a. Rolul microadausurilor este de a impiedica micsorarea rezistentei betoanelor, datorita deshidratarii hidrocompusilor, la temperatura ridicata, actionand prin formarea de compusi stabili la incalzire;

b)   Cimenturi aluminoase;

Cimentul cu incalzire redusa are o proportie mai mare de bisilicat de calciu. El este folosit pentru turnarea a mari cantitati de beton in structuri de rezistenta: in caz contrar, caldura produce crapaturi ale structurii.

In locurile unde betonul trebuie expus in mediu bazic, care ataca betonul facut din ciment portland, trebuie folosit ciment special, cu un continut mic de aluminiu. Cimentul pentru utilizare in apa sarata contine peste 5% oxid de fier, iar cel utilizat pentru a rezista actiunii sulfatilor din apa de mare are un procentaj de peste 40% de oxid de aluminiu.

GLOSAR

Cermet - material sintetic din ceramica, cu proprietati asemanatoare metalelor (CERamica METalica).

Clincher - produs intermediar obtinut la fabricarea cimentului prin incalzirea materiei prime pana aproape de temperatura de vitrifiere si prin transformarea ei intr-o masa compacta si dura.

Clivaj - proprietate a unor minerale si roci de a se desface prin lovire in foi sau placi cu suprafete plane, corespunzatoare celor ale structurii reticulare a cristalelor sau orientarii mineralelor in roca.

Cristal - corp solid, omogen, cu o structura interna regulata si, uneori, cu o forma exterioara regulata, de poliedru.

Cuptor rotativ - cuptor construit dintr-o toba cilindrica, rotitoare in jurul axei sale folosit pentru producerea clincherului.

Difractie cu radiatii X - metoda de analiza a structurii cristaline care se bazeaza pe propagarea undelor electromagnetice in spatele obstacolelor care au dimensiuni comparabile cu lungimea de unda.

Granulatie - caracteristica a unui material referitoare la marimea particulelor componente.

Mineral - substanta chimica naturala, mai mult sau mai putin omogena, componenta a rocilor si a minereurilor.

Monoclinic - cristal in forma de prisma, cu doua axe perpendiculare intre ele, a treia axa fiind inclinata la un anumit unghi fata de planul format de primele doua.

Refractar - care rezista la temperaturi inalte fara sa-si schimbe structura, compozitia si caracteristicile.

Romboedric - cristal care prezinta un ax de simetrie de ordinul trei; cele trei axe de simetrie sunt reciproc perpendiculare.

Scara Mohs - masoara duritatea materialelor si are valori intre 1 (talcul) si 10 (diamantul).

Silicati naturali - combinatii ale acidului silicic cu diverse metale (Al,Ca,Mg) care alcatuiesc una dintre cele mai importante clase de minerale, reprezentand 75% din scoarta terestra.

Supraconductor - element de circuit electric care are rezistivitatea nula; se obtine prin racirea metalelor sau unor aliaje la temperaturi foarte scazute; ultimele materiale obtinute, ceramicile supraconductoare, prezinta acest efect la temperaturi relativ ridicate (aproximativ ‑50 C).

Zgura - deseu rezultat in procesul de obtinere a metalelor din minereuri si la topirea metalelor, constituit din oxizi formati in procesul tehnologic si componente pamantoase din incarcatura;

BIBLIOGRAFIE

Nenitescu C.D., Chimie generala, Editura didactica si pedagogica, Bucuresti, 1979, pag. 842-846, 853-854.

Balaban A.T., Balaban C. (coordonatori), Mica enciclopedie de tehnologie chimica, Editura Zecasin, Bucuresti, 1999, pag 99-100, 136, 189-193.

Strajescu M. si Cosma M, Compendiu de chimie anorganica pentru elevi si absolventi de licee, Editura Dacia, Cluj, 1975, pag. 358, 361.

Dunn P.J., Comprehensive scientific study of the minerals, New Jersey, 1995, versiune on-line: simplethinking.com

Iler R.K., The Chemistry of Silica, 1979, versiune on-line: www.wileyeurope.com

Anthony J.W., Handbook of Mineralogy: Silicates, 1997, versiune on-line: www.minsocam.org

Enciclopedia Encarta 2002

Enciclopedia Encarta 2003

Imaginile au fost preluate de pe site-urile:

www.jhu.edu

www.vislab.usyd.edu.au

www.mineral-n-more.com

www.exquisitecrystals.com

www.d.umn.edu

southwest.library.arizona.edu

svc403.bne025u.server‑web.com/timerock/library