I silicati: classificazione, tipi e usi

La classe dei silicati comprende numerosi minerali: i silicati, infatti, formano più del 90% della crosta terrestre. Se il carbonio è l’elemento caratteristico del mondo vegetale e animale, il silicio lo è del mondo minerale. Non è un caso che entrambi gli elementi appartengono allo stesso gruppo della tavola periodica. Infatti, sia pure in modo più limitato, il silicio come il carbonio, ha la proprietà di formare catene di atomi e quindi di poter dare origine ad un’ampia gamma di composti. Nei silicati gioca un ruolo determinante l’ossigeno: non si hanno, infatti, catene –Si-Si-, bensì –O-Si-O-Si- che possono essere lineari, ramificate, cicliche, intrecciate tra loro. Tutti i silicati hanno come unità base il gruppo SiO₄ in cui un atomo di silicio è al centro di un tetraedro ai cui vertici si trovano quattro atomi di ossigeno. Il gruppo SiO₄ non è una molecola, in quanto gli atomi di ossigeno sono legati ad altri atomi. Questi legami possono essere ionici, tra la carica negativa dell’ossigeno e quella positiva di un catione come K⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺ ecc., oppure covalenti tra l’atomo di ossigeno di un gruppo tetraedrico e l’atomo di silicio di un altro gruppo tetraedrico.  In tal caso vari tetraedri possono concatenarsi tra loro.  Una classificazione dei silicati si basa proprio sui diversi modi in cui sono legati tra loro i gruppi tetraedrici. Tale classificazione può essere così sintetizzata:
Neosilicati: SiO₄^2-











Sorosilicati: Si₂O₇^2-







Ciclosilicati: Si₆O₁₈^12-







Ionosilicati pirosseni: SiO₃^2-
Ionosilicati anfiboli: Si₄O₁₁^6-











Fillosilicati: Si₂O₅^2-











Tectosilicati: SiO₂








Neosilicati. In questi silicati i gruppi tetraedrici sono isolati come anioni SiO₄^2-. Nel reticolo vi sono ioni positivi in modo che la carica complessiva sia zero. Per esempio nella forsterite, Mg₂SiO₄  per ogni ione SiO₄^2- vi sono due ioni Mg²⁺ ; nella fayalite Fe₂SiO₄ per ogni ione SiO₄^2- vi sono due ioni Fe²⁺. Il solido di forsterite e fayalite è noto come olivina minerale dal tipico colore verde oliva presente in molte rocce. Per indicare la composizione dell’olivina si usa la simbologia (Mg, Fe)₂SiO₄  che mette in evidenza l’interscambiabilità dei due cationi Mg²⁺ e Fe²⁺ nel reticolo cristallino. Tra i neosilicati annoveriamo anche lo zircone e i granati.
Sorosilicati. In questi silicati i tetraedri sono legati tra loro a piccoli gruppi, con un vertice in comune; in essi, cioè, un atomo di ossigeno fa da ponte tra due atomi di silicio di due diversi tetraedri. Frequentemente i gruppi sono formati solo da due unità tetraedriche: in tal caso si hanno gli anioni Si₂O₇^6-. Fra questi anioni sono presenti nel reticolo anche altri anioni come OH^- oltre ai cationi necessari per bilanciare la carica elettrica. Per esempio nella emimorfite Zn₄Si₂O₇(OH)₂ H₂O , un minerale usato per l’estrazione dello zinco, per ogni ione Si₂O₇^2- si trovano due ioni OH^- e quattro ioni Zn²⁺. Nel reticolo sono presenti anche molecole di acqua situate nelle cavità dei tetraedri.
Ciclosilicati. Nei ciclosilicati i gruppi tetraedrici sono legati tra loro a formare anelli solitamente a sei membri: si hanno quindi anioni Si₆O₁₈^12-. Il berillo Be₃Al₂Si₆O₁₈ è il principale minerale del berillio, elemento usato nelle leghe di rame per aumentarne la durezza e la resistenza alla corrosione. Un altro importante ciclo silicato è la tormalina con composizione chimica assai complessa che presenta il fenomeno della piezoelettricità
Ionosilicati. In questi silicati, i gruppi tetraedrici sono legati tra loro a formare lunghe catene. Nei pirosseni si hanno catene singole, cioè lunghi filari, in cui l’unità che si ripete è lo ione Si₄O₁₁^6-. Tra le catene sono presenti i cationi necessari alla neutralità elettrica; i legami tra cationi e catene risultano però più deboli rispetto ai legami presenti nelle catene. Per questo motivo, gli ionosilicati si presentano in forme allungate, aghiformi o fibrose che si sfaldano facilmente.
Fillosilicati. Sono costituiti da strati di tetraedri. Tre dei quattro atomo di ossigeno sono legati in modo covalente ad altrettanti tetraedri per cui l’unità base è Si₂O₅^2-. A causa della loro struttura presentano spesso aspetto lamellare, si sfaldano facilmente secondo lamine parallele, hanno bassa densità. Il serpentino Mg₃Si₂O₅(OH)₄ si presenta in due varietà: una lamellare detta antigorite, e l’altra fibrosa detta crisotilo. Soprattutto da quest’ultimo si ottiene l’amianto sostanza di origine minerale che presenta leggerezza, resistenza, flessibilità; è inoltre un ottimo isolante termico e da esso si possono ottenere filati e tessuti incombustibili.
Le caratteristiche dell’amianto ed il basso costo di lavorazione ne hanno favorito l’impiego in numerosi campi e in oltre 3000 prodotti differenti. L’amianto è stato utilizzato massicciamente nell’industria, nell’edilizia e nei trasporti. L’amianto è costituito da fibre che hanno la caratteristica di dividersi longitudinalmente, per cui mantiene questo suo aspetto fino alla dimensione di alcuni centesimi di micron (un micron è un millesimo di millimetro). Per questo è così pericoloso se inalato, infatti può entrare in profondità negli alveoli polmonari. L’amianto è pericoloso solo quando le fibre di cui è composto vengono inalate. L’amianto non emette radiazioni o gas tossici. I rischi per la salute dovuti all’uso dell’amianto derivano dal possibile rilascio di fibre microscopiche dai materiali all’ambiente. Queste fibre disperse in aria possono essere inalate dall’uomo e le malattie che ne conseguono sono pertanto associate all’apparato respiratorio. L’amianto è stato riconosciuto come un cancerogeno certo per l’essere umano.
Un altro fillosilicato è il talco di composizione Mg₃(Si₂O₅)₂(OH)₃ che si presenta sotto forma di lamelle con lucentezza madreperlacea. Esso occupa il gradino più basso nella scala di durezza di Mohs. Molti fillosilicati sono presenti sotto forma di minutissimi cristalli nelle argille. Tra essi la caolinite, la montmorillonite, la vermiculite. La caolinite Al₂Si₂O₅(OH)₄ ha colore bianco. Le argille ricche di caolinite sono usate per produrre porcellane e come additivi nella produzione della carta. La montmorillonite presenta una notevole capacità di assorbire, tra gli strati tetraedrici molecole di acqua e di altre sostanze. Per questo motivo è usata per consolidare i terreni fangosi durante gli scavi. La vermiculite consta di lamine che, in seguito a rapido riscaldamento, si espandono assumendo aspetto di vermi. Il materiale risultante è leggero e poroso: è impiegato nell’edilizia e alleggerisce il calcestruzzo. Un ultimo importante gruppo dei fillosilicati è quello delle miche le quali si sfaldano facilmente in lamine lucenti che sono utilizzate per la loro proprietà di isolanti termici e elettrici.
Tectosilicati. In questi silicati, i gruppi tetraedrici sono legati tra loro a formare un’impalcatura tridimensionale. Poiché tutti gli atomi di ossigeno sono impegnati nei legami covalenti tra i tetraedri, si hanno minerali contenenti solo silicio e ossigeno, con unità di base il gruppo SiO₂. In molti tectosilicati una parte degli atomi di silicio è sostituita da atomi di alluminio: in tal caso risultano presenti anche altri cationi, dal momento che il silicio ha numero di ossidazione +4 mentre l’alluminio ha numero di ossidazione +3. Si conoscono ben dieci tipi di silicati aventi la semplice composizione SiO₂: α-quarzo, β-quarzo, α- trimidite, β-trimidite, α- cristobalite, β- cristobalite, keatite, stishovite, coesite, opale. Le differenze tra questi minerali consistono nella struttura reticolare e più in generale nel diverso ordinamento spaziale degli atomi e dei legami. Ad esempio l’ α-quarzo è trigonale, il β-quarzo è esagonale, l’ α- cristobalite è tetragonale, l’opale è amorfo. La stishovite è un silicato anomalo poiché in essa il silicio si trova circondato da otto atomi di ossigeno anziché da quattro. Tra i minerali di composizione SiO₂ il quarzo è di gran lunga il più famoso. E’ assai diffuso, a volte sotto forma di cristalli di grosse dimensioni, più spesso sotto forma di piccoli cristalli che compongono rocce e sabbie; altre volte sotto forma di varietà microcristalline come l’agata e l’onice. Nonostante sia piuttosto comune, il quarzo è apprezzato come pietra ornamentale, in virtù della sua durezza ( 7 nella scala di Mohs) e dei bei colori di molte sue varietà. Il quarzo è piezoelettrico e trova impiego in molti orologi nonché rilevatori di pressione. E’ importante l’uso dei quarzo negli strumenti ottici, perché il quarzo, a differenza del vetro, risulta trasparente anche alla luce ultravioletta. Infine si ha un notevole impiego delle sabbie quarzifere nell’edilizia e nella produzione del vetro.