A SZILÍCIUM ÉS A SZILIKÁTOK
Írta : dr. Erdey-Grúz Tibor

---

A kémia és vívmányai, I. rész, Kir. Magy. Természettudományi Társulat, Budapest, 1940.

---

A földkéregnek körülbelül negyedrésze szilíciumból áll, úgyhogy ebbôl az elembôl körülbelül ugyanannyi van a földön, mint az oxigén kivételével az összes többibôl együttvéve. A szilícium azonban a vele kémiailag rokon széntôl eltérôen soha sem fordul elô szabad állapotban, hanem csak vegyületei alakjában, melyek igen változatos összetételûek, s többnyire igen bonyolódott szerkezetûek. Egyszerû vegyületei közül rendkívül el van terjedve a szilíciumdioxid (kovasavanhidrid, kvarc) egyrészt mint homok, másrészt mint a gránitnak s számos más kôzetnek az alkatrésze. A szilíciumdioxidból, ill. a kovasavakból (H₄SiO₄, H₂SiO₃) származtatható le a többi szilikátok legnagyobb része is. Alig van a természetben olyan kôzet, mely kisebb-nagyobb mennyiségben ne tartalmazna kovasavat. Az ásványországnak a szilícium ugyanolyan fontos és jellegzetes elem, mint az élôlények világának a szén.

A szilícium barnaszínû por alakjában kéletkezik szilíciumdioxidnak magnéziummal való hevítése alkalmával:

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO.

A szilícium 1400^o fölött olvad, az elektromosságot elég jól vezeti. Kémiailag meglehetôsen ellenálló, savakban teljesen oldhatatlan, lúgokban azonban jól oldódik szilikát képzôdése közben:

Si + 2 NaOH + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂.

Vörös izzás hômérsékletére hevítve meggyullad és szilíciumdioxiddá ég el. Fehér izzás hômérsékletén nitrogénnel és hidrogénnel is egyesül. A fémek legnagyobb részével ötvözôdik. Ötvözetei közül a ferroszilíciumnak van nagyobb gyakorlati fontossága, mert a szilíciumtartalmú vas kevesebb szenet képes oldani, mint a tiszta vas, ami az öntöttvas gyártásánál elônyös. A szilíciumtartalmú vasötvözetek azonkívül igen ellenállóak savakkal szemben, s ezért mind nagyobb tért hódítanak az iparban. A tiszta szilíciumnak azonban mindezideig gyakorlati alkalmazása nincsen.

A szilíciumdioxid, SiO₂. A kristályos szilíciumdioxid a természetben három módosulatban fordul elô. A közönséges hômérsékleten állandó, s ennek megfelelôen legelterjedtebb módosulat a kvarc, mely a hatszöges rendszerbe tartozó prizmákból és piramisokból álló kristályokat képez. A víztiszta kvarcot hegyi kristálynak vagy máramarosi gyémántnak nevezik, mangán- és vasvegyületek által ibolyára festett fajtája az ametiszt, sárgára színezett kvarc a citrin, a szerves anyagoktól szürkésbarna féleségei füsttopáz néven szerepelnek mint féldrágakövek. Vasoxidtól barnára vagy vörösre festett és a szennyezésektôl többé-kevésbbé átlátszatlan kvarc az onyx, az achát, a jászpisz, a kalcedon stb., melyek legnagyobb része nem síklapok által határolva fordul elô. A kvarc számos eruptív kôzetnek (gránit, porfir stb.), továbbá kristályos palának alkatrésze. E kôzetek elmállása után az apró kvarckristálykák a folyókba és a tengerbe jutnak. A tenger pedig a közben többé-kevésbbé gömbölyûre koptatott kvarcszemecskéket homok alakjában részben újra a partra veti. A tengeri homok tehát többé-kevésbbé tiszta kvarc.

A kvarc csak 870^o alatt állandó, ennél magasabb hômérsékleten a rombos rendszerbe tartozó tridymitté alakul át. Ez az átalakulás azonban igen lassú. Bár a tridymit csak magas hômérsékleten állandó, mégis kis mennyiségben elôfordul a természetben meteoritokban és olyan kôzetekben, melyek magas hômérsékletrôl gyorsan hûltek le. Alacsony hômérsékleten a tridymit ugyan Iabilis, azonban kvarccá való átalakulása oly végtelen lassan megy végbe, hogy még geológiai idôk alatt sem válik észrevehetôvé.

1470^o-on a tridymit is labilissá válik és a szabályos rendszerbe tartozó  cristobalittá alakul át, mely apró kristályok alakjában található néha lávába bezárva.

A kristályos módosulatokon kívül a szilíciumdioxid amorf alakban is elôfordul. Az opál is víztartalmú amorf szilíciumdioxid, míg a kovaföld (infuzória- vagy diatomaföld) vízmentes szilíciumdioxid, mely tulajdonképen ôskori diatomaceák páncéljából áll. A kovaföld nagymennyiségû folyadékot képes felszívni, ezért savak szállításánál az üvegedényeket kovaföldbe szokás csomagolni, hogy az üveg esetleges megsérülése folytán magábaszívja a kiömlô folyadékot, s nagyobb károsodásnak elejét vegye. Ugyane sajátságánál használják a dinamit készítésére is, mely infuzóriaföldbe itatott nitroglicerin. A kovaföld egyúttal kitûnô hô- és hangszigetelôanyag is, ezért gôzvezetékek hôszigetelésére, továbbá födémek és falak hangszigetelésére is kiterjedten használják.

Hevítéskor a szilíciumdioxid 1550^o körül kezd meglágyulni, 1600^o körül sûrûn folyó, 1700^o fölött pedig hígan folyóvá válik. Az éles olvadáspontnak a hiánya onnan származik, hogy a kvarc olvadáspontja 1550^o körül van, a cristobalité pedig 1700^o-on; s e két módosulat magas hômérsékleten is csak lassan alakul át egymássá. Ha tehát kvarcot hevíteni kezdünk, az 1000^o fölött elôször tridymitté, majd cristobalittá kezd átalakulni, ez az átalakulás azonban nem fejezôdik be addig, rníg , 1550^o -ra emelkedik a hômérséklet, itta tehát a kvarc alakban jelenlévô rész megolvad, s az anyag lággyá, majd sûrûn folyóvá válik, s csak 1700^o-on olvad meg a kristobalit is, mikoris a folyadék hígan folyóvá lesz.

A szilíciumdioxid teljes megolvadása elôtt fellépô tésztaszerû állapot lehetôvé teszi, hogy a kvarcból fúvással hasonló módon készítsenek eszközöket és laboratóriumi edényeket, mint az üvegbôl (kvarcüveg). Ezek az eszközök, ha az olvadék elég magas hômérsékletre volt felhevítve, teljesen színtelenek és átlátszóak, ha ellenben az olvadék nem volt elég magas hômérsékletre felhevítve, akkor a bennemaradt légbuborékoktól többé-kevésbbé fehér színûek. A kvarcüvegbôl készült edények érzéketlenek hirtelen hômérsékletváltozásokkal szemben, mert a sziliciumdioxidnak igen kicsi a hôkiterjedési együtthatója. Izzásra hevített kvarcüveg-lombikot folyékony levegôbe márthatunk anélkül, hogy elrepedne. Huzamosabb ideig azonban nem célszerû az ilyen edényeket magasabb hômérsékletre hevíteni, mert kristályosodásnak indulhatnak.

A szilíciumdioxid rendkívül ellenálló vegyület, melyet a fluorhidrogénen kívül semmiféle sav sem támad meg. A fluorhidrogén azonban szilíciumtetrafluorid (SiF₄), illetôleg kovafolypátsav (H₂SiF₆) képzôdése közben feloldja. Vízben is oldhatatlan, lúgokban ellenben magasabb hôrnérsékleten könnyen szilikáttá oldódik, mert anhidrosav:

SiO₂ + 2 NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O.

Vizes oldatban ez a reakció csak az amorf szilíciumdioxiddal megy végbe, a kvarc csak bázisokkal való összeolvasztás útján alakítható át szilikáttá. A szilíciumdioxid ugyan igen gyenge sav, azonban rendkívül kevéssé illékony, úgyhogy izzás hômérsékletén az összes savakat, melyek illékonyabbak, kiûzi sóiból, például:

Na₂SiO₄ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + SO₃.

A szilíciumdioxidot nem szokás mesterségesen elôállítani, hanem rendszerint homok alakjában használják fel. Nagy mennyiségû homokot használnak fel az építkezéseknél a malter és a beton készítésére, továbbá az üveg- és porcellániparban.

A kovasav és a szilikátok. Ha nátriumszilikát oldatát sósavval megsavanyítjuk, akkor kovasav válik szabaddá:

Na₂SiO₃ + 2HCl = H₂SiO₃ + 2NaCl

mely elôbb-utóbb kocsonyás csapadék alakjában kiválik az oldatból. A keletkezett kovasav kezdetben rendszerint kolloid oldatot alkot, s ha az oldatban lévô elektrolitnak dialízis útján való eltávolításáról gondoskodunk, akkor a kolloidoldat tartós. Ha viszont az oldathoz még adunk elektrolitot, akkor mindjárt kiválik a kovasav, illetôleg ha csak az oldat nem nagyon híg, az egész áttetszô kocsonyává dermed. Az ilyen kocsonya friss állapotban egy molekula kovasavra több mint 300 molekula vizet is tartalmazhat, melynek nagyrészét zsugorodás közben lassankint leadja. Kiszárítva a kocsonyából likacsos s ezért igen nagy felületû kovasav marad vissza, mely kitûnô adszorbens, s ezért szilikagél néven kiterjedten használják gôzök és folyadékok tisztítására (pl. a nyerspetróleumnak kéntartalmú alkatrészektôl való megszabadítására). Tekintve, hogy a szilikagél nemcsak a bûzös anyagokat adszorbeálja, hanem a vizet is mohón magába szívja, poritott állapotban szívesen alkalmazzák a sebészetben és bôrgyógyászatban és szárításra hintôpor gyanánt. E hintôporokat esetleg elôzôleg más gyógyszerekkel (pl. ichthiollal, perubalzsammal) impregnálják.

A kovasav sói a szilikátok. Ezek közül csak az alkaliszilikátok oldhatók vízben, a többiek oldhatatlanok. Az alkaliszilikátokat, például a nátriumszilikátot homoknak nátriumkarbonáttal való összeolvasztása útján állíthatjuk elô:

SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂.

Nátriumszilikát a fôalkatrésze a vizüvegnek, amely fölös sziliciumdioxidot is tartalmaz. A vízüveg fehér, vagy vasszennyezésektôl zöldes szürke színû üvegszerû tömeg. Rendesen sûrû vizes oldat alakjában kerül forgalomba, melyet igen különbözô célokra használnak. Papírszövetek impregnálására, a papír enyvezésére, ragasztóanyagok készítésére (4-10%-os oldatban), a tojás konzerválására, továbbá szappanok nehezítésére használatos. Csonttörések esetén a kötés merevítésére is alkalmas. Mivel éghetetlen, színházi díszletek, szövetek és faanyagok impregnálására és tûzmentessé tételére is szolgál. Üveg és porcellántárgyak vízüveggel jól összeragaszthatók. Falfestmények készítésénél a sztereokrómiának nevezett eljárás szerint a falat vízüveggel itatják, majd simára csiszolják, s ezen a szilikátrétegen készítik el a festményt, melyet végül rögzítés és konzerválás céljából vízüveggel fecskendeznek be, s ilymódon igyekeznek a. romlástól megóvni.

A természetben elôforduló szilikátok egy része a közönséges kovasavnak (H₂SiO₃), melyet metakovasavnak is neveznek, továbbá az ortokovasavnak (H₄SiO₄), valamint a dikovasavnak (H₂Si₂O₅) a sói, nagyobb részük azonban a szilíciumot tartalmazó, többé-kevésbbé bonyolult szerkezetû komplex savaknak, a polikovasavnak, a származékai (poliszilikátok). A természetes szilikátoknak mint a földkéreg legfontosabb ásványainak, a tárgyalása a kôzettan és földtan körébe tartozik. Ehelyütt a legfontosabb szilikátoknak csak a rövid felsorolásara szorítkozunk.

A legfontosabb szilikátok közé tartoznak a földpátok és pedig a nátronföldpát (NaAISi₃O₈), káliföldpát (KAISi₃O₈) és a kalciumföldpát (CaAl₂Si₂O₈). A földpátok a légkör nedvességének és széndioxidjának a hatására elbomlanak; s ilyenkor agyag keletkezik belôlük, melynek a legtisztább alakja a kaolin (Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O), melyet a porcellángyártás céljára használnak. Ugyancsak fontos szilikát a csillám (KH₂AI₃Si₃O₁₂), mely átlátszó táblák alakjában fordul elô, s szigetelô anyag gyanánt használatos elektromos készülékekben. A zsírkô (steatit, talkum), melynek porát kenôcsökben, hintôporokban gyakran használják, víztartalmú magnéziumszilikát.

A szilikátok a fôalkatrészei az eruptív kôzeteknek. A gránit kvarc, földpát és csillám többé-kevésbbé durva keveréke, melyben az egyes alkatrészek szabad szemmel is észrevehetôk, a bazaltban viszont ezek sokkal finomabb eloszlásban vannak keveredve, miért is e kôzet szabad szemmel egységesnek látszik. A vulkánokból kiömlô láva is szilikátokból áll. A lávának a porózus része a horzsakô. A homokkô tulajdonképen homok, melyet agyag vagy mészkô tapaszt össze, s vasoxidtól esetleg barna vagy sárga színû.

Az ultramarin is a szilikátok közé tartozik, s a benne valószínûleg kolloid alakban oldott kéntôl kék színû. A természetben is elôfordul (lazurkô, lazurit), legnagyobbrészt azonban mesterségesen állítják elô agyag, nátriumkarbonát és kén összeolvasztása által. Az elôállítás módja szerint különbözô színû olvadék keletkezik (ultramarin-ibolya, ultramarin-vörös). Legfontosabb azonban az ultramarin-kék, mely mint nem fakuló s mosást-álló kék festék széleskörû alkalmazást talál. Olaj- és mészfestékek, valamint nyomdafestékek készülnek belôle. Értékes sajátsága, hogy a sárgás színárnyalatokat elfedi, illetôleg fehérré egészíti ki, ezért használják papír, cukor, keményítô "fehérítésére", továbbá a háztartásban a fehérnemû "kékítésére" (kékítô). Hátránya, hogy a savak megtámadják, s kénhidrogénfejlôdés közben elbontják, miért is gyümölcsök befôzésére való cukor fehérítésére nem használható. A gyümölcsök ugyanis mindig tartalmaznak savakat.