由于硅易與氧結(jié)合,自然界中沒有游離態(tài)的硅。大部分堅硬的巖石是由硅的含氧化合物構成的。例如,花崗巖(俗稱麻石,用于建筑和制石磨等)憑肉眼就可以分辨它含有三種成分,即一種象玻璃閃閃發(fā)亮的白色石英;一種灰白色或淡紅色的長條形顆粒——長石;還有白色或黑色的小鱗片——云母。石英為二氧化硅,長石和云母為硅酸鹽。在自然界里,二氧化硅的存在形式不下二百多種,如瑪瑙、水晶、燧石等都是,統(tǒng)稱為硅石。天然的硅酸鹽約有一千多種。硅酸鹽是一些金屬,如堿金屬、堿土金屬、鋁、鎂及鐵等的硅氧化合物,其組成復雜,也可以看作是堿性氧化物和酸性氧化物組成的復雜化合物,而用通式aMxOy·bSiO2·cH2O表示。下表列出一些常見的硅酸鹽組成。
表14-5 一些重要的硅酸鹽礦物
石棉 | CaMg3(SiO3)4 | CaO·3MgO·4SiO2 |
沸石 | Na2(Al2Si3O10)·2H2O | Na2O·Al2O3·3SiO2·2H2O |
云母 | KAl2(AlSi3O10)(OH)2 | K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O |
滑石 | Mg3(Si4O10)(OH)2 | 3MgO·4SiO2·H2O |
高嶺土 | Al2Si2O5(OH)4 | Al2O3·2SiO2·2H2O |
石榴石 | Ca3Al2(SiO4)3 | 3CaO·Al2O3·3SiO2 |
長石 | KAlSi3O8 | K2O·Al2O3·6SiO2 |
巖石受到空氣中的CO2和水的長期侵蝕以及其它自然因素的作用,逐漸風化分解,可溶性產(chǎn)物被水帶入江、河、海洋,留下大量的粘土(其主要成分為高嶺土)和砂子(石英)。例如長石的風化過程如下:
K2O·Al2O3·6SiO2+CO2+2H2O=K2CO3+Al2O3·2SiO2·2H2O+4SiO2
長石 高嶺土 石英砂
長石和粘土是制玻璃、陶瓷等的原料,砂子也是建筑工程上不可缺少的材料。
不管硅石和硅酸鹽如何復雜地構成了礦物界,它們的基本結(jié)構單元都是硅氧四面體(SiO4)。
硅原子的價電子層結(jié)構與碳原子的相似,它也有sp3、sp2和sp等雜化軌道,并以形成共價化合物為特征。不過它的原子半徑比碳的大,且有3d軌道,因而情況又與碳原子有所不同:(1)它的最高配位數(shù)是6,常見配位數(shù)是4。(2)它不能形成p-pπ鍵,無多重鍵,而傾向于以較多的σ單鍵形成聚合體,例如通過Si-O-Si鏈形成形形色色的SiO2和硅酸鹽。所以它的sp2和sp雜化態(tài)是不穩(wěn)定的。