Hvad er aluminiumsilikat?

Aluminiumsilikat er en vigtig bestanddel i en lang række husholdningsprodukter, såsom bordsalt, bagepulver og maling, hvor det fungerer som et antiklumpemiddel, der forhindrer, at fødevarer i granulat- og pulverform klumper sammen, og forbedrer deres flydeevne.

Monmorillonit består, ligesom andre fyllosilikater, af lag af silikat-tetraedre, men indeholder også aluminat-oktaedre i sit basislag – denne kombination gør, at monmorillonit fungerer som en fremragende ionbytter.

Fyllosilikater

Fyllosilikatmineraler er silikater, der indeholder mere aluminium end silicium, og som typisk har krystalstrukturer bestående af enten tre iltatomer (O) og fire siliciumatomer (Si). Deres krystaller udviser desuden både tetraedriske og oktaedriske strukturer; for eksempel tre oxygenatomer eller hydroxylgrupper, der danner bindinger til metalliske kationer, hvilket kan være enten dioctaedrisk (magnesiumrig talkum og vermikulit) eller trioctaedrisk (aluminiumsrig glimmer, smektit eller pyrofyllit).

Disse mineraler er kendetegnet ved, at tetraedriske lag er sammenkoblet, hvilket skaber et stort overfladeareal til opbevaring af molekyler eller til at indfange og opbevare molekyler. Desuden gør krystalstrukturen i phyllosilikater dem til kraftfulde katalysatorer, der er i stand til at udføre kemiske reaktioner, som ellers ville være vanskelige eller umulige for andre materialer at gennemføre.

Landbrug, metallurgi og fremstillingsindustrien er alle afhængige af disse forbindelser til forskellige formål, lige fra landbrug til metallurgi og fremstillingsindustrien. Desuden spiller de en afgørende rolle i reguleringen af jordens sammensætning og struktur, idet de fungerer som fyldstoffer i lægemidler samt som antiklumpningsmidler i fødevarer. Derudover forekommer de naturligt i vores naturlige miljøer, hvor de ændrer sammensætningen. De findes endda i selve menneskekroppen – som fyldstoffer i lægemidler eller som antiklumpningsmidler, når de indtages gennem fødevarer.

Fyllosilikater blev engang hyppigt anvendt i keramik og lertøj til fremstilling af genstande fra gamle civilisationer, og det faktum, at de endda findes i meteoritter, tyder på, at de er vidt udbredt på tværs af tid og rum.

Aluminiumsilikat er en væsentlig bestanddel i produktionen af aluminium, der blandt andet anvendes til fremstilling af biler og fly. Desuden er det et uundværligt mineral, der bruges til fremstilling af glasfiberprodukter samt mange andre produkter; normalt fremstilles denne aluminiumsilikatopløsning ved at lade natriumsilikatopløsning reagere med aluminiumsulfat ved bestemte temperaturer.

CheMin, der er monteret på Mars Science Laboratory-roveren i Gale-krateret, har undersøgt jordprøver bestående af aluminiumsilikater fundet på Mars. Gennem karakteriseringen har forskerne været i stand til at fastlægge præcise grænser for temperatur, pH, saltholdighed og forholdet mellem vand og sten i potentielt beboelige miljøer på Mars. Sammenhængen mellem visse mineraler som smectitter, lermineraler fra kaolin-serpentin-gruppen, kloritter og glimmer samt karbonater, sulfater, jernoxid/-hydroxider eller Cl-salte har givet indsigt i de kemiske betingelser, under hvilke disse forbindelser blev dannet.

Tektosilikater

Tektosilikatmineraler udgør en enorm andel af Jordens jordskorpe, nemlig 75%. Det er den største underklasse af silikater og omfatter mineraler som kvarts og feltspat, der danner bjergarter. Deres tredimensionelle struktur består af silicium-ilt-tetraedre, der deler iltatomer med hinanden – hvilket skaber et strukturmønster med enestående styrke i disse bjergarter. Underklasser inden for tektosilikater omfatter nesosilikater, inosilikater og silikatoksider.

Inosilikatmineraler udmærker sig ved deres unikke krystalstrukturer. Iltatomer, der deles mellem tilstødende tetraedre, danner kæder, som derefter afbalanceres med forskellige kationer, hvilket giver hvert mineral dets karakteristiske krystalstruktur. Inden for denne kategori findes pyroxenerne (som ikke indeholder hydroxider) og amfibolerne, der indeholder dobbeltkæder; begge former for inosilikatdannelse forekommer ved lavere temperaturer end deres fillosilikat-modstykker og har gunstigere 0/Si-forhold, hvilket gør dem mindre sårbare over for forvitringsprocesser.

Nesosilikater adskiller sig strukturelt fra inosilikater, men er stadig afhængige af iltatomer til at binde tilstødende tetraedre sammen, hvilket giver dem modstandsdygtighed over for forvitringsprocesser.

Tektosilikatmineraler findes i en lang række farver og hårdhedsgrader. Det er en almindelig bjergart i mange miljøer og ses ofte i forbindelse med metamorfe formationer. Typiske eksempler er kvarts (SiO₂), der dannes under forskellige geologiske forhold; ametyst (lyserød på grund af jern), rosenkvarts (lyserød med titanfarve), mælkekvarts (hvid på grund af væskedråber) samt mælkekvarts – som hver især bidrager med sine egne karakteristiske egenskaber til disse bjergarter.

Erionit, et fibrøst eller pladeformet tektosilikat, der forekommer både i magmatiske bjergarter og i visse sedimentære formationer, udgør en potentiel sundhedsrisiko, når det indåndes via luftforurening. I visse undersøgelser er det blevet sat i forbindelse med luftvejslidelser, hudirritation, nyresygdom og lungekræft. Kvarts kan irritere øjne, mave og urinveje. Andre tektosilikater, der udgør en sundhedsrisiko, omfatter ferrrierit, magnetit, mazzit, mordenit, mesolit og thomsonit. Zeolitter er en familie af hydrerede aluminiumsilikatmineraler, der består af SiO₄- og AlO₄-tetraedre med kationer uden for rammeværket, såsom Na⁺, Ca²⁺ og K⁺, samt varierende mængder af H₂O opløst i deres struktur. Disse mineraler kan have fibrøse, lamellære eller ækvante former samt lagdelte krystalstrukturer, hvilket bidrager til deres unikke sammensætning og karakter.

Lermineraler

Som navnet antyder, dækker betegnelsen »ler« over en gruppe af mineralske stoffer med finere korn end sand, som ofte formes med hånden eller ved hjælp af maskiner og forekommer i forskellige teksturer.

Lermineraler dannes gennem forvitring af moderbjergarter. Disse lermineraler, som normalt findes i jord, har små partikelstørrelser og er kendetegnet ved lagdelte aluminosilikatstrukturer, der indeholder siliciumdioxid, aluminium og vand som deres grundlæggende bestanddele; derudover kan der også forekomme organiske molekyler eller metalioner.

Lerarter består af forskellige kemiske sammensætninger og strukturer, hvilket giver dem unikke egenskaber såsom kvældning eller kationbyttekapacitet. Desuden spiller deres overfladekemi en afgørende rolle for deres sorptionskarakteristika – dette muliggør forskellige anvendelser, herunder filtrerings-, separations- og rensningsprocesser. De kan identificeres ved hjælp af teknikker såsom scanningelektronmikroskopi (SEM), transmissionselektronmikroskopi (TEM) og Fourier-transform-infrarød spektroskopi (FTIR).

Fyllosilikatstrukturer i ler består typisk af lag, der er sammensat af tetraedriske silikat- og oktaedriske aluminiumoxidatomer, der er arrangeret i lag, som er forbundet med hinanden via iltdeling mellem disse pladser, hvor de atomer, der er for store eller for små til at passe ind i nogen af pladserne, enten ikke kan finde plads eller fortrænges som følge af, at de ikke passer ind i nogen af dem. Dette lagmønster understøttes af iltdeling mellem hvert sted, hvor pladsen deles mellem kationer, der udfylder begge. Generelt understøtter iltdelingen mellem stederne dette lagmønster ved at dele ilt mellem tetraedriske og oktaedriske steder, hvilket muliggør iltdeling mellem deres respektive steder, så disse steder – hvor hvert sted har forskellige størrelser – hvor de større er bedre i stand til at passe ind i begge strukturer end deres modstykker, mens de, der er mindre end forventet, udelades helt og erstattes af nye kationer fra andre steder i de oktaedriske rum i stedet for at udfylde ledige pladser – i hvilket tilfælde kationer, der ikkeikke passer ind i de oktaedriske pladser, kan variere meget i størrelse, ligesom kationer, der er for store eller for små, og som udfylder huller, der er blevet efterladt åbne på en af pladserne, hvilket resulterer i forskydning fra begge retninger og forårsager forskydning mellem lagene af phyllosilikat-lerlag og deres modstykker, understøttet af iltdeling mellem lagene i modsætning til, at der forekommer visse størrelsesvariationer på hver enkelt plads, så ingen af dem sandsynligvis vil passe ind i deres respektive pladser og/eller fortrænges på grund af tetraedriske rum på hver side, når der skal udfyldes tomme pladser efterladt på grund af større/tetraedriske pladser; der vil ske fortrængning på grund af plads på andre steder, uanset hvilken retning det går, end forventet, når der sker forskydning mellem de to størrelser på grund af variation, og udfyldning af pladser, der er større end forventet, i andre pladser, der er efterladt af eventuelle variationer opstået på grund af fortrængning fra at være for store/eller de andre lag, der fortrænges i et andet på grund af visse størrelsesforskelle/kationer afhængigt af, at kationerne i begge ender enten er den ene eller den anden (eller noget andet, og dermed afhængigt af, hvornår fortrængningen sker. Omvendt afhænger det af størrelsen, afhængigt af den ene eller den anden.) og dermed det ene eller det andet. eller begge steder. Kationer, der ikke passer perfekt, eller kationer, der ikke udfylder, o k o kan overtage, de ville have brug for udfyldning. eller ikke opfylder andre… eller for mange kationer, der ikke passer korrekt, udfylder o enten ved at være henholdsvis forskudt/forskudt enten store/re forskudt overskridelse/forskudt og så videre.. eller begge kan have behov for på grund af et sted end forventet på grund af at være for store/forskudte, hvorefter enten placeres forskudt ind i, eller begge er for store/eller omvendt på en hvilken som helst måde (afhængigt af placering/eller ikke udfylder nogen kationer, kan kationer ikke udfylde tomme kationer, ville så stikke ud eller være på den ene eller den anden måde) ville efterlade ufyldt fra udfyldning. forskudt.

Aluminiumoxid foretrækker oktaedriske pladser for at opnå de bedste resultater; dog kan ikke alle disse pladser besættes af aluminiumoxidioner, da visse tomme pladser er besat af silicium- og aluminiumatomer, som ikke interagerer godt med aluminiumoxid. Eventuelle ubesatte pladser kan i stedet besættes med metalkationer som jern og titan.

Lermineraler har mange anvendelsesmuligheder inden for kosmetik, lægemidler og industrielle processer på grund af deres alsidige egenskaber og miljøvenlighed, herunder deres anvendelse som hjælpestoffer i visse formuleringer; som smøremidler under fremstilling af piller; fortyknings- og desintegreringsmidler; antiklumpningsmidler; bindemidler/fortyndingsmidler samt bærestoffer for biologisk aktive molekyler med henblik på forbedret biotilgængelighed.

Anvendelser

Aluminiumsilikater har mange anvendelsesmuligheder. De fungerer som råmaterialer i maling, papir, gummiprodukter og kosmetik; fungerer som fyldstoffer i hvide pigmenter; tilfører glans og stivhed; eller fungerer som erstatning for titandioxid i hvide pigmenter. Keramiske glasurbindemidler, såsom aktiveret aluminiumoxid, er nyttige bindemidler til fremstilling af holdbar glasur, der modstår krakelering og revnedannelse, og som fugtadsorberende midler absorberer de forurenende stoffer fra luften eller væskekilder; derudover fungerer de som tørremidler til regulering af fugtighedsniveauer. Fugtabsorberende pulver absorberer fugtmolekyler på granulatoverfladen og i porerne, hvorefter det, når det har nået ligevægt, regenereres for at fortsætte processen. Desuden anvendes hjælpestoffer som disse i vid udstrækning i fremstillingen af tabletter som hjælpestoffer, der bidrager til at forme tabletterne uden at ændre den terapeutiske virkning.

Vand kan omdanne amorfe aluminiumsilikater til tredimensionelle krystallinske faste stoffer, der kaldes zeolitter, eller mikroporøse aluminiumsilikater til mikroporøse strukturer, der kaldes zeolitter eller mikroporøse aluminiumsilikater, som er kendt for at have mere åbne strukturer end deres feltspat-modstykker og for at have polyedriske hulrum, der er forbundet med hinanden via tunneler – hvilket gør disse katalysatorer til nyttige redskaber.

Zeolitter kan også fremstilles ved hydrotermisk syntese ud fra naturlige aluminosilikatmineraler, men denne proces er dyr og tidskrævende. Til gengæld er aluminosilikat lettere tilgængeligt og kan bearbejdes til komplekse former til tekniske keramiske komponenter; dets lave krympning sikrer modstandsdygtighed over for høje temperaturer, så længe der forudgående følges en bestemt termisk behandlingsprocedure.

Andre aluminosilikater findes i jorden, hvor de spiller en afgørende rolle for jordens struktur og frugtbarhed. Desuden spiller aluminosilikater en central rolle i dannelsen af planterødder og anvendes desuden som gødning til at øge afgrødeproduktionen. Desuden anvender medicinalvirksomheder dem i fremstillingen af piller for at sikre, at patienterne får nøjagtig den korrekte dosis af det aktive stof.

Pyrofyllit, et aluminiumoxidsilikatmineral, finder anvendelse i en lang række sammenhænge. Takket være sin alsidighed og høje varmebestandighed fungerer pyrofyllit som råmateriale til fremstilling af teknisk keramik med fremragende mekaniske egenskaber, der gør det muligt for materialet at modstå temperaturer på op til 1.300 °C, samtidig med at det yder stærk termisk beskyttelse og har mekaniske egenskaber, der muliggør bearbejdning. Det indgår også i sammensætningen af tekniske keramiske produkter i produktionslinjer til fremstilling heraf.