9. Třída – silikáty (křemičitany) Silikáty vytváří cca 1050 minerálů, tj. 26 % známých minerálů. Silikáty jsou vůbec nejdůležitější skupinou minerálů – podle kvalifikovaných odhadů tvoří asi 75 % zemské kůry, spolu s křemenem (který je jim strukturně blízký) dokonce asi 95 %. Silikáty představují velmi důležitou skupinu nerostných surovin (keramický a sklářský průmysl, stavební průmysl, těžba některých kovů atd.).
Vznik silikátů přírodních podmínkách vzniká největší množství silikátů během magmatických procesů. Magmatický proces zahrnuje vznik magmatu natavením nebo roztavením pevných hornin, jeho výstup do svrchních částí zemské kůry (případně až na zemský povrch), jeho diferenciaci a krystalizaci. Magma je přírodní, zpravidla silikátová tavenina. Hlavními složkami magmatu jsou SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, CaO, MgO, Na2O a K2O; v určitém množství je v magmatické tavenině rozpuštěna i voda.
V
Magma je silikátová tavenina, kterou lze podle chemického složení v zásadě rozlišit na čtyři základní typy: bazické magma (často označované jako bazaltové magma), kyselé magma (granitové magma), magma intermediárního složení (andezitové magma) ultrabazické (pikritové) magma
V průběhu frakční krystalizace dochází k vylučování minerálů z magmatické taveniny v určitém pořadí, které je dáno zákony fázových rovnováh. Vyloučením určitého minerálu z taveniny se mění její chemické složení, což znamená, že později vyloučené minerály budou vznikat z taveniny odlišného složení a že tedy budou mít jiné chemické složení než dříve vykrystalované minerály. Při ochlazení magmatu na přibližně 1500 °C dochází ke krystalizaci prvních minerálů ze silikátové taveniny. V závislosti na složení magmatu vznikají během počáteční krystalizace nejčastěji oxidické rudní minerály (chromit, magnetit), zirkon nebo titanit.
Bowenovo krystalizační schéma V závěru počáteční krystalizace (při teplotě 1000 až 1200 °C, příp. v závislosti na podmínkách i při teplotách nižších) začínají krystalizovat první horninotvorné minerály (silikáty) a začíná tak stadium hlavní krystalizace. Horninotvorné minerály z magmatické taveniny krystalizují v určitém pořadí. Postup krystalizace magmatu je vyjádřen Bowenovým reakčním schématem.
Struktura silikátů
Základní stavební jednotkou struktury silikátů je křemíkokyslíkový tetraedr [SiO4]4–. Je tvořen iontem Si4+, který je pravidelně obklopen čtyřmi kyslíkovými anionty O2–. Vedle křemíkokyslíkových tetraedrů mohou být ve strukturách silikátů přítomny i hliník-kyslíkové tetraedry [AlO4]5– – potom hovoříme o alumosilikátech. Tetraedry jsou ve struktuře silikátů přítomny buď samostatně nebo se spojují do větších celků. Vazba dvou sousedních tetraedrů se děje prostřednictvím jednoho společného kyslíkového atomu (vrcholu tetraedru). Ostatní stavební částice – kationty, “cizí” anionty (např. (OH)–, F–, O2–, S2–, Cl– atd.), molekuly vody – se nacházejí v "mezerách" struktury mezi tetraedry.Jako kationty nejčastěji vystupují Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, méně často Li, B, Be, Mn, Ti, Zr, REE, Cs, Sr, Y, Zn, Cu atd. Způsob spojování tetraedrů ve strukturách silikátů je kritériem pro klasifikaci.
Dělení silikátů
NESOSILIKÁTY (nésos – řecky ostrov), silikáty se samostatnými tetraedry [SiO4]4-.
SOROSILIKÁTY (sorós – řecky skupina), silikáty se spojenými skupinami tetraedrů. Dvojice tetraedrů [Si2O7]6-.
CYKLOSILIKÁTY, silikáty se samostatnými prstenci tetraedrů. Prstence, nejčastěji šestičetné n[SiO3]2- kde n=3,4,6.
INOSILIKÁTY (inós – řecky vlákno), silikáty s řetězovou vazbou tetraedrů. Nekonečné jednoduché řetězce (pyroxeny) a nekonečné dvojité řetězce tetraedrů (amfiboly).
FYLOSILIKÁTY (fýllon – řecky list), silikáty s plošnou vazbou tetraedrů. Vrstvy tetraedrů (slídy, chlority, jílové minerály).
TEKTOSILIKÁTY (tektonéia – řecky lešení), silikáty s prostorovou vazbou tetraedrů. Prostorová vazba křemíkokyslíkových tetraedrů (živce, foidy, zeolity).
Struktury nesosiláty, sorosilikáty, cyklosilikáty
Struktura inosilikátů
Struktura fylosilikátů
Struktura tektosilikátů
Nesosilikáty Tetraedry [SiO4]4- jsou v krystalové struktuře minerálů ze skupiny nesosilikátů uloženy navzájem nezávisle a jejich vazba do prostorové struktury se uskutečňuje prostřednictvím kladných nábojů kationtů, uložených v mezerách mezi tetraedry. Minerály se vyznačují relativně velkou hustotou, vysokým indexem lomu a relativně vysokou tvrdostí. Patří sem minerály velmi stálé, chemicky i mechanicky nejodolnější. Skupina olivínu
Olivín
Skupina granátů
Almandin
Skupina zirkonu
Zirkon
Skupina Al2SiO5
Sillimanit, andalusit, kyanit, mullit
Skupina staurolitu
Staurolit
Skupina topazu
Topaz
Skupina titanitu
Titanit
Skupina granátů
Skupina granátů je reprezentována řadou kubických izostrukturních nesosilikátů s obecným vzorcem R2+3 R3+2 [SiO4]3, kde R2+ může být Mg, Fe2+, Mn2+, Ca; na místě R3+ bývá Al, Fe3+, Cr3+.
Kationty ve druhém oxidačním stupni – Mg, Fe a Mn – se snadno izomorfně zastupují a vytvářejí izomorfní řadu se značnou mísivostí pyrop – almandin – spessartinovou.
Granáty obsahující Ca vytvářejí na základě zastoupení kationtů ve třetím oxidačním stupni – Al, Fe a Cr – izomorfní řadu grossular – andradit – uvarovitovou.
Používají se jako drahé kameny. Kvůli poměrně vysoké tvrdosti a mechanické odolnosti se granáty využívají na výrobu brusných prášků, past, papírů a pláten.
OLIVÍN (Mg, Fe)2 SiO4
Úplná izomorfní řada mezi krajními složkami forsteritem Mg2SiO4 a fayalitem Fe2SiO4. Mg-olivíny -výroba silikátového technického skla - bod tání (1890 oC). Ve stavebnictví k výrobě žáruvzdorných cihel, formy pro odlévání. V chemickém průmyslu k výrobě MgSO4 a MgCl2. Čiré krystaly se brousí jako drahokamy. Ekonomický význam mají olivínové horniny a z nich vzniklé serpentinity obsahující Ni, Cr a Pt. Zvětráváním vznikají hydrosilikátové rudy Ni a Co. Fayalit je zastoupen v metalurgických struskách.
ZIRKON ZrSiO4 Příměsi: Hf, Y, U, Sn, Nb, Ta, Fe, Ce, sírany, fosforečnany aj. Použití: Jako slévárenské písky, plnivo, abrazivo, na výrobu žáruvzdorné keramiky, pro výrobu mlecích zařízení, pro zjišťování absolutního stáří hornin. Drahý kámen - náhrada za diamant. Pouze 25 % produkce se používá jako zdroj zirkonia: pro chladicí okruhy jaderných reaktorů, pro výrobu chemikálií. V elektronice – polovodiče (slitiny Zr).
Minerály skupiny Al2SiO5 Sillimanit Al[6]Al[4]OSiO4 Je stabilní až do teploty 1550 oC. Nerozkládá se ani v HCl. Fe může způsobovat korozi a poruchy ve struktuře. Sillimanit se používá na výrobu vysoce žáruvzdorných hmot (teplota 1411 oC) konverzí na mullit. Cement, keramika, sklářský průmysl, slévárny – pouze neželezné kovy, destilace dehtu, pyrolýza uhlí. Výroba izolací při použití vysokého napětí. Aditivum při fluidním spalování hnědého uhlí. Bezbarvý jako drahý kámen. Může vznikat v popílcích ze spalování fosilních paliv
Minerály skupiny Al2SiO5 ANDALUZIT Al[6]Al[5] OSiO4
Pro výrobu žáruvzdorných keramických materiálů, kyselinovzdorných materiálů, v automobilovém průmyslu do zapalovacích svíček.
KYANIT Al[6]Al[6]OSiO4 Jako ohnivzdorné a kyselinovzdorné materiály (elektrické pece s přímým ohřevem), ve sklářském průmyslu, v metalurgickém průmyslu neželezných kovů. V keramickém průmyslu k výrobě izolátorů vysokého napětí. Ve směsi se silikonkarbidem vyzdívky pecí, ve směsi s uhlíkem pro odlévání železa.
Anadaluzit
Kyanit
Mullit
Al6Si2O13
Vzniká při tavení jílových minerálů při teplotě 1050 – 1100 oC (způsobuje pevnost kameniny a porcelánu). Polykrystalická alumosilikátová vlákna (MMMF) – na bázi mullitu Fibermax®Mat (firma Whirpool). V porcelánu se vyskytuje až 30 % mullitu. Tavený mullit – je vyroben v elektrické obloukové peci. Jsou to masivní krystaly s vynikající termickou stabilitou a vysokou odolností proti termickým šokům, chemické korozi a korozi strusek při vyšších teplotách. Používá se v metalurgii (odlévání, kelímky), žáruvzdorné vyzdívky pro pece do teploty 1800oC, spalovny. Přítomen v popílku ze spalování fosilních paliv, ze kterého může být separován jako cenná surovina.
STAUROLIT TOPAZ
AlFe2O3(OH)4 . Al2[O/SiO4]
Al2[SiO4] (F,OH)2
Staurolit V geologii identifikace podmínek metamorfózy. Alternativní zdroj hliníku, abrazivo. Topaz Ohnivzdorné materiály. Keramické pigmenty. Ceněný drahý kámen. Titanit Lokálně zdroj vzácných zemin (TR, REE) nebo Ti. Využívá se v keramice pro výrobu elektrokeramických absorbérů a pro výrobu keramiky s dialektrickými vlastnostmi. Abrazivum (brusné prášky, pasty).
TITANIT
CaTi[O/SiO4] Staurolit
Topaz
Titanit
Sorosilikáty [Si2O7]6Sorosilikáty mají ve struktuře tetraedry [SiO4]4-, které se spojují do dvojic tak, že společně sdílejí jeden roh obsazený jedním kyslíkovým atomem. Nejčastěji se vyskytují skupiny dvou tetraedrů, spojených do skupiny se vzorcem [Si2O7]6-; aniontová kostra je u sorosilikátů často doplňována dalšími anionty, zejména O2-, OH-, F-. Nemají průmyslové využití.
Skupina mellilitu
Skupina epidotu
Mellilit MELLILIT
(Ca, Na)2 (Al,Mg) [(SiAl)2O7]
Je součástí „umělých tavenin“, vysokopecních strusek. Tyto materiály jsou dále využívány jako přísady do cementů (geopolymerní cementy) – zvyšují pevnostní charakteristiky.
Cyklosilikáty Základním motivem krystalové struktury cyklosilikátů jsou izolované aniontové skupiny, tvořené prstenci z tetraedrů [SiO4]4-. Jsou známé prstence tříčlenné, čtyřčlenné, šestičlenné, a to jednoduché i „dvoupatrové“, sestávající ze dvou prstenců, vázaných společnými vrcholy tetraedrů ve střední rovině. Nejvýznamnější minerály cyklosilikátů mají strukturu se šestičlennými prstenci. Mezi cyklosilikáty má významné postavení skupina turmalinu, která má nejkomplikovanější chemické složení v důsledku významné izomorfní záměny. Obecný vzorec chemického složení turmalinů: NaR3Al6B3[(OH)4/(BO3)3/Si6O18] Na může být nahrazován K a Ca; R – Fe2+, Mg, (Al+Li), Mn, ale také kationty ve třetím oxidačním stupni Fe3+, Cr3+; rovněž Si může být nahrazován Al, případně i Fe3+ a Fe2+. Barva turmalinových minerálů je díky mnohočetné substituci prvků je budujících velmi rozmanitá. Ve skupině turmalinů se rozlišuje řada odrůd.
Turmalín - skoryl SKORYL Na(Fe3)2+(Al,Fe3+)6Al6[(OH)4/(BO3)3/Si6O18]
V elektrotechnice (vlnové stabilizátory), barevné odrůdy jako drahé kameny Je přítomen v popílcích ze spalování fosilních paliv (může být akcesoricky přítomen v uhlí). V popílcích ze spaloven vzniká během procesu spalování.
BERYL Al2Be3[Si6O18] Nejrozšířenější masivní beryl je hlavním zdrojem berylia, které se používá na výrobu speciálních (lehkých) slitin v přístrojích pro letectví a kosmonautiku. BeO v keramickém průmyslu, kde se využívá zejména jeho tvrdosti; významné jsou další sloučeniny Be (karbidy, nitridy), které vykazují extrémní tvrdost a využívají se v jaderné energetice. Hydridy Be mají využití jako vysoce energetické palivo. Mnohé odrůdy berylu se zpracovávají jako drahé kameny, nejznámější jsou vysoce ceněné smaragdy (zelené) a zelenomodré – světle modré akvamaríny.
Inosilikáty Inosilikáty mají křemíkokyslíkovou kostru struktury tvořenou z tetraedrů [SiO4]4-, spojených vždy protilehlými rohy se dvěma dalšími tetraedry tak, že vytvářejí nekonečné řetězce. Řetězce mohou být jednoduché, dvojité nebo vzácněji i vícenásobné a jsou ve struktuře uloženy navzájem rovnoběžně. Tetraedry jsou kolem osy řetězce různě natočeny. Minerály ze skupiny pyroxenů [Si2O6]4-
jednoduché dvojčlánkové řetězce
Minerály ze skupiny amfibolů [Si4O11]6-
dvojité dvojčlánkové řetězce
Inosilikáty – hlavní znaky Hlavními kationty inosilikátů jsou Fe2+, Mg, Mn, ale také Al, Ca a Na. Silikátový anion obsahuje často i další aniontové skupiny, jako (OH)- a (F)- (u amfibolů). Izomorfní postupování křemíku hliníkem je možné jen v omezeném rozsahu.
Rombické
Monoklinické
Pyroxeny [Si2O6]4Tvoří velmi charakteristickou skupinu horninotvorných inosilikátů s obecným vzorcem XY[Z2O6], v němž Z = Si, Al(AlSi); Y = Mg, Fe2+, Mn; někdy ale i Al a Fe3+ a konečně X = Ca,Mg,Fe2+, Mn a Na. Rozlišujeme: Monoklinické pyroxeny Alkalické monoklinické pyroxeny Rombické pyroxeny
Skupina amfibolů [Si4O11]6Podle chemického složení (zastoupení majoritních složek) se minerály skupiny amfibolů dělí na: Rombické amfiboly Hořečnato-železnaté amfiboly Monoklinické amfiboly Ca amfiboly, monoklinické Na-Ca amfiboly, monoklinické Alkalické amfiboly, monoklinické
Azbesty Azbest je označení přirozeně vzniklých vláknitých silikátových minerálů, které se na základě struktury rozdělují do dvou skupin: serpentiny
amfiboly
Nejběžnějším azbestovým minerálem je chrysotil, který je fylosilikát a patří do serpentinové skupiny. Chrysotilová vlákna jsou zvlněná, ohebná a mají tendence tvořit shluky. Formu azbestu mohou mít následující amfiboly: tremolit, aktinolit, antofylit, riebeckit, amosit. Ze zdravotního hlediska jsou nebezpečnější než chrysotil.
Azbest – škodlivé účinky
Průměr většiny částic azbestu je menší než 0,3 µm, a proto jsou jejich sedimentační rychlosti v ovzduší velmi malé. Vlákna se mohou vzduchem šířit na velké vzdálenosti. Z atmosféry se mohou dostávat do vody nebo půdy atmosférickou depozicí. Azbest je nerozpustný ve vodě, nepřechází z půdy do podzemní vody. Odolává přirozeným rozkladným procesům, proto jej musíme zařadit mezi perzistentní látky. Jeho vlákna setrvávají v prostředí po dlouhou dobu, mohou se však štěpit na menší částice. Azbest poškozuje dýchací soustavu savců. Může způsobovat fibrózu plic, rakovinu plic a mezotelu a další poškození, která odpovídají příznakům expozice azbestu u člověka.
Pyroxeny DIOPSID CaMg[Si2O6]
Sklokeramika: wollastonit + diopsid + podružně vápenec + dolomit. Sanitární keramika. Někdy jako drahý kámen Vedlejší energetické produkty ze zplyňování uhlí (společně s anortitem, mullitem, hematitem a cristoballitem. Je obsažen v popílcích a struskách ze spaloven komunálního odpadu společně s wollastonitem (využití sklokeramika). V popílcích ze spalování uhlí je obsažen v podstatně menší míře.
Pyroxeny AUGIT (Ca,Mg,Fe2+,Fe3+,Ti,Al)2[(Si,Al,Fe)2O6] Je významnou součástí popílků ze spalování fosilních paliv. Významná součást ocelárenských strusek (společně s diopsidem) – využívána pro výrobu sklokeramiky. Obsažen i ve vysokopecních struskách. SPODUMEN LiAl[Si2O6]
Surovina pro přímou výrobu LiOH a jeho sloučenin. LiOH se používá jako přísada do mazadel a lubrikantů. LiCl – výměníky tepla, Li – palivové články, jednotky pro kogenerace. Sklářský průmysl: optika, obrazovky, teleskopická zrcadla. Sklokeramika.
Amfiboly TREMOLIT Ca2Mg5[(OH,F)/Si4O11]2 ! IRZ AKTINOLIT Ca2(Mg,Fe2+)5[(OH,F)/Si4O11]2 ! IRZ Azbestocementové stavební materiály. ANTOFYLIT (Mg,Fe)7[(OH)/Si4O11]2 ! IRZ Vláknité formy v chemickém průmyslu. WOLLASTONIT Ca3[Si3O9] V keramickém průmyslu; minerální vlna; v metalurgii, při výrobě barev. Papírenský průmysl jako plnivo (náhrada za TiO2). Plnivo do gumy-náhrada za kaolín. Ve stavebnictví k výrobě velmi lehkých tepelně izolačních materiálů; pro výrobu elektroizolačních materiálů.
Amfiboly fotodokumentace Aktinolit
Wollastonit Wollastonit
Amfibol
Fylosilikáty [Si4O10]4Rovinná síť tetraedrů - tři vrcholové kyslíky jsou navzájem společné. Čtvrté vrcholy s tzv. volným nebo aktivním kyslíkem (nevázaným na další tetraedry) směřují na stejnou stranu sítě a jsou také součástí bezprostředně sousedící sítě oktaedrové. Středy koordinačních oktaedrů kolem kovových kationtů jsou obsazovány Fe2+ nebo Al3+, v menší míře také dalšími ionty, např. Li, Ti, V, Cr, Mn, Ni.
Struktura fylosilikátů
Podle oxidačního číslo prvku, který obsazuje střed oktaedrů dělíme Dioktaedrická síť – Me 2+
Fylosilikáty Trioktaedrická síť- 2/3 Me 3+
Dvojvrstva, tvořená jednou tetraedrovou a jednou oktaedrovou sítí je označována jako vrstva typu 1:1 nebo jako dvojvrstva (dvojvrstevní komplex) kaolinitového typu. V této dvojvrstvě jsou v rovině, tvořené nesdílenými vrcholy oktaedrů, uloženy výhradně hydroxylové skupiny místo kyslíku. V řadě dalších struktur se k oktaedrové síti této dvojvrstvy přikládá z druhé strany další tetraedrová síť s aktivními kyslíky obrácenými na opačnou stranu (tzn. směrem k oktaedrové síti), takže vzniká třívrstvá struktura typu 2 : 1, označovaná také jako trojvrstevnatá struktura typu slíd (mastku, pyrofylitu).
Klasifikace fylosilikátů Klasifikace planárních fylosilikátů je založena především na strukturách a krystalochemických rysech základních strukturních jednotek planárních fylosilikátů a využívá následující kriteria:
Typ vrstev (1:1 či 2:1) Obsah mezivrství Náboj vrstvy Typ oktaedrických sítí (tri či dioktaedrické) Chemické složení
Dělení fylosilikátů Skupina kaolinitu-serpentinitu, typ 1:1
F Y L O S I L I K Á T Y
Skupina haloysitu, typ 1:1 Skupina mastku, typ 2:1 Skupina slíd, typ 2:1 Skupina chloritů, typ 2:1 Skupina vermikulitu, typ 2:1 Skupina smektitu, typ 2:1 Skupina palygorskitu, typ 2:1
Skupina kaolinitu - serpentinitu CHRYZOTIL Mg3[(OH)4Si2O5] Dříve se hojně používal k výrobě ohnivzdorných materiálů (žáruvzdorné tkaniny), pro izolační hmoty, brzdová obložení, střešní krytiny. Vzhledem ke karcinogenním účinkům chryzotilu je toto použití zakázáno. V současné době se používá k výrobě azbestových cementů, které se používají pro výrobu střešních krytin, podlah apod. Odpady s obsahem chryzotilu jsou termicky převáděny při teplotě > 580 oC na forsterit odstraněním (OH)- skupiny ze struktury. Rakovinotvorný - zdravotní riziko, je uveden jako součást azbestů v IRZ.
Antigorit, kaolinit ANTIGORIT (Mg,Fe2+)3[(OH)4/SiO5] Hornina serpentinit ke stínění proti neutronům v jaderných reaktorech. Výroba Mg a jeho sloučenin (MgCl2), Žáruvzdorné materiály (pasty, speciální elektrokeramika). Kamenivo v ozdobných dlaždicích, pro dekorační výrobky. Vhodný materiál pro sequestrace uhlíku. KAOLINIT Al4[(OH)8/Si4O10] Kaolin je vhodný v surovém stavu nebo po úpravě (plavením, mletím, tříděním v proudu vzduchu, flotací, elektromagnetickou separací apod. k využití na výrobu porcelánu, obkladaček, papíru, žáruvzdorného zboží, gumy, keramických a skleněných vláken, plstě, PVC, na izolaci drátů apod.
Skupina slíd, 2:1
Krystalochemické rozdělení slíd je založeno na povaze mezivrstevních kationtů, podle které se slídy dělí na tři skupiny: Pravé slídy 50 % kationtů Me+
Křehké slídy, > 50 % kationtů Me2+ Slídy s deficitem kationtů, izomorfie Si x Al
Podskupina biotitu, trioktaedrické slídy – biotit, lepidolit Podskupina muskovitu, dioktaedrické slídy – muskovit
Využití slíd Slídy jsou významnými horninotvornými minerály, představují současně i důležitý materiál zejména pro elektrotechniku. Hlavní způsoby využití slíd: Izolátory. Z blokové slídy jsou raženy podložky a vložky různých tvarů s výbornými izolačními vlastnostmi. Ze slídových šupin spojených pojivem se vyrábí deskový izolant pro izolaci elektrických strojů a topidel – Mikanit. Mikafólie je slídový izolant v pásech (slídová páska), představující dokonale ohebný slídový izolant navíjený do svitků. Mikalex je konstrukční sklokeramika, vyrobená z mleté slídy a tavitelného skla jako pojiva, je neprodyšný, nepropouští vodu ani olej. Slídový papír je papír o tloušťce cca 0,03 mm, na němž je nalepena jedna vrstvička slídových šupin. Z drobných úlomků slídy se mletím vyrábějí hmoty pro plnivo barev, plastů, gumy, papíru, svářecích elektrod, kabelů, maziv, absorbentů ve výbušninách, střešní krytiny; v budoucnu najde slída využití především jako plnivo plastů používaných při výrobě automobilů, uvažuje se i s náhradou za dražší skleněná vlákna apod.
Skupina pyrofylitu a mastku MASTEK Mg3[(OH)2/Si4O10]
Vzhledem ke svým mineralogickým a strukturním vlastnostem, šupinaté formě částic, bílé barvě, viskozitě, reologii, odolnosti vůči korozi a zvětrávání je mastek kvalitním plnivem barev, plastů, gumy, papíru, lepidel, štukové omítky a léků. Vysoká absorpce olejů a maziv rozšiřuje jeho použitelnost v kosmetice. Plnivo bitumenů, nosič insekticidů, příprava průmyslových hnojiv. Poprašovací prostředek pro usnadnění uvolnění výrobku z formy. Výroba vysokofrekvenčních izolátorů. Společně s kaolínem a živcem - výroba stolního porcelánu. V textilních materiálech k jejich vyztužení nebo bělení. Je součástí latexu a maziv (pleťových krémů, růží na rty). V hasicích přístrojích zajišťuje volný pohyb práškovité hasicí látky. Bývá součástí krmení domácích zvířat. Celistvý mastek je materiálem pro vyřezávání ozdobných předmětů. Krupník (hornina složená z mastku) se hodí k výrobě žáruvzdorných hmot; měkký krupník slouží jako vyzdívka metalurgických, sklářských a cementářských pecí.
Skupina pyrofylitu a mastku PYROFYLIT Al2[(OH)2/Si4O10]
Použití tohoto minerálu se v mnoha případech překrývá s použitím mastku. Jeho hlavní využití je ve výrobě žáruvzdorných hmot a pesticidů, méně pak ve výrobě barev, gumy, plastů, papíru, mýdla, skelných vláken. Ve stavebnictví k výrobě cementu. V metalurgii se používá ke zlepšení kvality povrchu odlitků pokrytím vnitřního povrchu formy pyrofylitem.
Pyrofylit s obsahem < 0.5 % Fe2O3 může být v budoucnosti vhodnou surovinou pro výrobu skleněného vlákna místo plaveného kaolinu.
Termicky přepracovaný pyrofylit se nazývá „Ceramit“. Je přepracován při teplotě 800 – 1000 oC (dobrá mechanická stabilita, odolnost proti teplotním šokům) nebo při teplotě 1250-1300 oC (vysoce abrazivní, vysoká mechanická stabilita, dobré elektrické vlastnosti ve vlhkých podmínkách).
Minerály skupiny smektitů, typ 2:1
Mezi velmi důležité vlastnosti smektitů patří jejich schopnost přijímat a odevzdávat vodu v závislosti na prostředí a vnějších podmínkách, jimž jsou vystaveny. Jde v tomto případě o modifikace struktury mezivrstevního prostoru. Proces dehydratace montmorillonitů je doprovázen postupným kolapsem jejich struktury. U přírodních forem smektitů bývá mezivrství obsazeno ionty v prvním oxidačním stupni (Na+, K+) a ionty ve druhém oxidačním stupni (Ca2+, Mg2+). Dominantními ionty jsou většinou Ca2+ nebo Na+. Typ převažujícího mezivrstevného kationtu výrazně ovlivňuje nejen strukturu mezivrství, ale také vlastnosti smektitu.
Využití minerálů ze skupiny smektitů
Minerály řazené do této skupiny patří mezi technologicky velmi důležité minerály. Mezi nejvíce využívané patří minerály řady montmorillonit-beidelit. V technické praxi se nejvíce využívá bentonit, což je jílová hornina s převládajícím obsahem smektitů (převážně montmorillonitu).
Nejčastěji se vyskytuje Ca-forma nebo Mg-forma, méně často pak Na-forma. Převládající vyměnitelný kationt má významný vliv na vlastnosti bentonitu. Ve vodném prostředí bentonity expandují různou měrou vlivem mezivrstevní absorpce vody (12x i více zvětšují objem). Pro řadu technologických aplikací se používají modifikované formy („pilířované“ jíly), monoiontové formy smektitů, ale i další modifikované formy, které představují permanentní pórový materiál s definovanými rozměry pórů.
Využití smektitů
V chemickém průmyslu: aplikace v katalytické chemii; jako nosič katalyzátorů, samotný katalyzátor pro organické syntézy a petrochemii (při výrobě benzinu a motorových paliv), při výrobě syntetického kaučuku, při výrobě molekulárních sít; složka průmyslových deodorantů; součást vysoušedel vzduchu a průmyslových plynů; součást detergentů a čisticích prostředků.
V potravinářském průmyslu: k rafinaci, odbarvování, čištění a stabilizaci rostlinných a živočišných olejů a tuků, k čeření a filtraci vín, moštů, ovocných šťáv, ke stabilizaci piva apod.
V obalové technice a při vysoušení: využívá se schopnosti bentonitu pohlcovat vodní páru z ovzduší, čímž jsou výrobky chráněny před korozí i při delším transportu a skladování.
V odpadovém hospodářství: kromě čištění odpadních plynů použití při čištění odpadních vod, kalů, pro likvidaci radioaktivních odpadů; k solidifikaci odpadů s cílem imobilizovat stopové organické i anorganické polutanty.
V zemědělství: na zúrodňování písčitých půd, při výrobě granulovaných krmných směsí při kompostování; součást substrátu pro pěstování sazenic květin a lesních stromků; při rekultivaci půd na bývalých výsypkách dolů, pro přípravu suspenzních hnojiv.
Využití smektitů
Ve slévárenství: jako základní pojivo do syntetických bentonitových směsí na formy, jako pomocné pojivo ve vazných směsích s vodním sklem používané pro samotvrdnoucí formy; korekční přísada hlinitých formovacích směsí; přísada zvyšující nedostatečnou vaznost jádrových směsí s organickými pojivy; přísada do vodních nátěrů na sušené formy i jádra.
Ve stavebnictví: využívá se především bobtnavých tixotropních, hydrofilních, plastifikačních, gelotvorných a tmelicích vlastností bentonitu; využití bentonitových suspenzí pro injektáže, pro utěsňování objektů při průsaku vody; pro budování podzemních stěn pomocí bentonitových suspenzí; přísady do betonu a cementové malty; jako složky nových stavebních materiálů (z odpadních materiálů a popílků, lehčené betony, umělý dekorační kámen apod.).
Při výrobě keramických materiálů: jako přísada ke zvyšování plastičnosti a pevnosti za syrova u keramických výrobků; při výrobě porcelánu a speciální keramiky.
Ve farmaceutickém a kosmetickém průmyslu: jako lékotvorné látky (masti, sorbenty apod.); jako pomocné látky při výrobě léčiv (emulgátory, stabilizátory, úprava penicilinových fermentovaných půd, aj.; v kosmetice jako přísada při výrobě toaletních mýdel, činidel pro depilátory apod.
Při výrobě plastů a gumy: jako plnivo do polyuretanu, polyesterových vláken pro výrobu textilií; plnivo do gumy pro výrobu automobilových pneumatik.
Minerály skupiny vermikulitu, 2:1 Podobně jako smektity, mají i vermikulity schopnost přijímat a odevzdávat vodu v závislosti na okolních vnějších podmínkách. Tato důležitá vlastnost vermikulitů souvisí se změnami ve struktuře mezivrství při dehydrataci a rehydrataci (přijímání vzdušné vlhkosti po zahřátí na určitou teplotu). Tuto vlastnost lze pozorovat u pravých i u modifikovaných vermikulitů. Mgvermikulit silně expanduje při zahřátí na teplotu 700o – 900o C a zvyšuje tak svůj objem až dvacetinásobně.
VERMIKULIT (Mg,Fe2+,Al)3[(OH2)/(AlSi)4O10]x 4 H2O Používá se jako lehčené plnivo stavebních hmot, obkládacích izolačních desek a volně sypané izolace; ve směsi s cementem k izolaci potrubí, pecí, boilerů. Je součástí žáruvzdorných hmot, nahradil azbest v brzdových obloženích. Výroba průmyslových hnojiv, jako nosič herbicidů a insekticidů; směs vermikulitu, rašeliny a živin umožňuje hydroponické pěstování rostlin. V chemickém průmyslu - katalyzátor, sorbent při čištění odpadních vody.
Minerály skupiny palygorskitu Palygorskit a sepiolit patří mezi neplanární 2:1 fylosilikáty s nespojitou oktaedrickou sítí, která je periodicky přerušována a tetraedrické sítě se tomuto přerušení přizpůsobují. PALYGORSKIT (Mg,Al)2[(OH)/Si4O10]x 2 H2O + 2 H2O
Poměrně velký sorpční povrch obou minerálů a kationová výměnná kapacita jsou výhodnými vlastnosti pro různé technologické procesy: při přípravě hrnčířských hmot, průmyslových hnojiv, pesticidů. Oba minerály jsou někdy označovány jako bělicí hlinky, využívané k odstraňování mastnoty z vlny. Ve vrtných výplachových kapalinách mají oba minerály stejnou funkci jako smektit nebo bentonit. Palygorskit je složkou barev, sepiolit je součástí kapalných detergentů, mýdel, barev pro tisk, kosmetiky a autokosmetiky, pasty na zuby, katalyzátorů. Palygorskit se používá k odbarvování mazadel, minerálních i rostlinných tuků, odstraňování zápachu a vlhkosti, úpravy pH olejů, jako přísada při výrobě speciálních papírů. Oba minerály jsou tmelem granulí pro krmení domácích zvířat, zlepšují u nich využití živin i zlepšují kvalitu půdy.
Tektosilikáty
Základní strukturní jednotkou tektosilikátů jsou tetraedry typu [TO4], které jsou vázány do prostorové stavby sdílením všech svých vrcholů s dalšími tetraedry.
Tektosilikáty vznikají při porušení valenční rovnováhy křemíkokyslíkové strukturní kostry. K porušení rovnováhy dojde náhradou Si4+ ve středu tetraedru [TO4] prvkem ve třetím oxidačním stupni (Al, Fe3+, B, Cr aj.) nebo druhém oxidačním stupni (Be).
Na každý atom prvku ve třetím oxidačním stupni připadá ve strukturní kostře jeden nadbytečný záporný náboj, který musí být vyrovnán vstupem elektropozitivního prvku, nejlépe alkalickými prvky nebo prvky alkalických zemin.
Dělení tektosilikátů T E K T O S I L I K Á T Y
Foidy
Sodalit, nefelín
Draselné živce Sanidin, ortoklas, mikroklin Skupina živců
Sodnovápenaté živce Izomorfní řada albit - anortit
Skupina zeolitů
Natrolit
Chemické složení živců Chemické složení živců se dá vyjádřit pomocí tří hlavních složek: Živec draselný = ortoklas (KAlSi3O8). Ortoklas je středním členem polymorfní řady: sanidin (monoklinický) – ortoklas (monoklinický) - mikroklin (triklinický). Sanidin je stabilní při nejvyšších teplotách a mikroklin při teplotách nejnižších. Živec sodný = albit (NaAlSi3O8) Živec vápenatý = anortit (CaAl2Si2O8) Plagioklasy - pod tímto skupinovým označením rozumíme alkalicko-vápenaté živce, které tvoří za vyšších teplot nepřetržitou izomorfní řadu mezi koncovými členy albitem a anortitem. Členy uvnitř řady se označují samostatnými názvy podle molekulárního podílu (%) složek anortitu (An) a albitu (Ab).
Dělení živců Alkalické živce
Plagioklasy
Sanidin (K,Na)(Si,Al)4O8 Ortoklas KAlSi3O8 Mikroklin KAlSi3O8 Albit NaAlSi3O8
Albit NaAlSi3O8 Ab100 – Ab90An10 Oligoklas Ab90An10 – Ab70An30 Andezin Ab70An30 – Ab50An50 Labradorit Ab50An50 – Ab30An70 Bytownit Ab30An70 – Ab10An90 Anortit CaAl2Si2O8 Ab10An90 – An100
-Na
+Ca
Příklady živců ORTOKLAS KAlSi3O8 V keramickém průmyslu k výrobě elektrických porcelánových izolátorů, protéz, porcelánových glazur. Ve sklářském průmyslu jako zdroj Al při výrobě skleněných lahví, opalescentních skel aj. V chemickém průmyslu k výrobě K2SO4 a K3PO4. Jako základní matrice pro přípravu fungicidů. Amazonit je smaragdově zbarvený K-živec, používaný jako drahý kámen. ALBIT NaAlSi3O8 Jako surovina pro keramický průmysl: polevy pro kameninu a porcelán, smalty, porcelánové izolátory, pojivo pro výrobky z abraziv. Alkalické živce (Na, K) pro výrobu skla (zdroj Na, Al, K) – lahve, okenní, matné sklo. Drahý kámen (tzv. měsíční kámen).
Zástupci živců - foidy Jsou to tektosilikáty, vznikající z magmatu chudém na složku SiO2 na místě živců (Bowenovo reakční schéma). Je v nich vázáno více alkalií, případně alkalických zemin než v živcích. SODALIT Na8[Cl2/(AlSiO4)6] Vzniká při zeolitické syntéze z popílků ze spalování fosilních paliv i komunálních odpadů. Následné využití je stejné jako u syntetických zeolitů. NEFELIN (Na,K)AlSiO4 Horniny bohaté nefelinem (syenit) s nízkými obsahy Fe a Ti jako sklářská surovina. V chemickém průmyslu a potravinářství k výrobě sody. Možná surovina pro výrobu Al z jiných než bauxitických surovin. Ve stavebnictví jako přísada do cementů. Významný zdroj prvků vzácných zemin.
Zeolity Zeolity jsou tektoalumosilikáty s velkými (obvykle 0,3–0,8 nm) dutinami a kanály ve strukturách, v nichž jsou nepříliš pevně vázány molekuly H2O (tzv. “zeolitová voda”) a kationty alkalických kovů (Na+, K+, Li+, Cs+) a alkalických zemin (Ca2+, Mg2+, Ba2+, Sr2+). Chemicky se jedná o hydráty živců a foidů, které snadno rehydratují. Rovněž se snadno taví, pění a dekrepitují. Jsou většinou lehké, čiré, bílé. V současné době je známo asi 80 přírodních zeolitů.
Využití zeolitů Přírodní a různě upravené přírodní zeolity nacházejí od 60. let 20. století široké průmyslové uplatnění pro svoje unikátní vlastnosti (kationtová výměna, molekulární síta, dehydratace / hydratace), snadnou dostupnost a nízkou cenu. Používají se při rafinaci ropy (fluidní krakování), v chemickém průmyslu jako katalyzátory (krakování uhlovodíků) a molekulová síta (frakční dělení a čištění benzinů, zemního plynu atd.). Katalýza chemických reakcí zeolitickými katalyzátory se uplatňuje při velkotonážních chemických procesech z oblasti acidobazické i redox katalýzy (syntéza kumenu, ethylbenzenu, p-xylenu, Beckmannův přesmyk, transformace fenolu na hydrochinon a katechol a propylenu na propylenoxid) i v syntéze malotonážních speciálních chemikálií pro farmaceutické a kosmetické účely. Zeolity se uplatňují jako iontoměniče a absorbenty při změkčování pitné a průmyslové vody a při čištění odpadních vod (potravinářství, průmyslové a zemědělské odpady, jaderné odpady) a exhalací (např. CO2, SO2, H2S, NOx, NH3, páry Hg, výfukové plyny). V potravinářství se zeolitů využívá k čištění tekutin (oleje, pivo, víno, ovocné šťávy, melasa atd.).
Využití zeolitů V ochraně přírodního prostředí se dále používají k likvidaci ropných skvrn na vodách i v půdách. V chemickém průmyslu slouží k dělení a čištění nejrůznějších chemikálií, zejména organických, a jako katalyzátory. Slouží jako nosiče hnojiv, pesticidů, fungicidů. Dehydratované zeolity patří k nejúčinnějším vysoušedlům plynů a kapalin (vzácné plyny, alkoholy, uhlovodíky atd.). Pomocí zeolitů se ze vzduchu získává kyslík a dusík. V zemědělství se používají ke zvýšení sorpční kapacity a neutralizaci půd, jako přísada do potravy hospodářských zvířat a do podestýlek. Slouží i k výrobě speciálních cementů a lehčených betonů, lehké keramiky, k plnění zubních past, papíru, plastů a pryskyřic, jako nosiče barev při barevném tisku, pohlcovače pachů atd. Uplatňují se při výrobě klimatizací a jako kolektory sluneční energie. V mnoha aplikacích je možno zeolit po použití regenerovat a opakovaně použít.
Syntetické zeolity Vyráběno je asi 90–100 druhů syntetických zeolitů, a to jak analogů přírodních zeolitů, tak i nových, v přírodě nenalezených druhů.
V největším měřítku se pravděpodobně vyrábí zeolit LTA (Linde typ A) - |Na+ 12 (H2O)27|8 [Al12Si12 O48]8, který je využíván pro změkčování vody (selektivní adsorpce iontů Ca+2) v pracích prášcích jako náhrada dříve používaných fosfátů.
