Muchos materiales cerámicos contienen estructuras de silicatos con átomos de silicio y oxígeno enlazados entre sí en varias distribuciones. También un gran número de formaciones naturales de tipo mineral, tales como arcillas, feldespatos y micas son silicatos. Debemos tener en cuenta que el silicio y el oxígeno son los dos elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre, de ahí que los silicatos se utilicen ampliamente en ingeniería oir su bajo precio, disponibilidad, así como por sus propiedades especiales. Las estructuras de silicatos son particularmente importantes para materiales de construcción en ingeniería: vidrios, cemento portland y refractarios.
El conjunto básico de construcción de los silicatos es el tetraedro SiO4^4-, figura 14.3. El enlace Si-O en la estructura SiO4^4- es mitad covalente y mitad iónico y la coordinación tetraédrica del SiO4^4- satisface los requerimientos direccionales del enlace covalente y del enlace iónico. La relación de radios del enlace Si-O es 0.29, que está en el rango de coordinación tetraédrica para empaquetamientos compactos de iones estables. A causa del pequeño y muy cargado ion Si⁴⁺, se crean grandes fuerzas de enlace dentro del tetraedro SiO4^4-, y como resultado las unidades de SiO4^4- se encuentran normalmente unidas vértice con vértice, y raramente arista con arista.

Figura 14.3. Estructura tetraédrica del SiO4^4-.

 

Ya que cada oxígeno del tetraedro del silicato tiene un electrón disponible para el enlace, se pueden producir muchas estructuras diferentes de silicatos. Se producen estructuras de silicatos aislados o discretos cuando se enlazan iones positivos, por ejemplo Fe²⁺, Mg²⁺ y Ca²⁺ con los oxígenos del tetraedro de SiO4^4-, para formar unidades de mineral olivino que tiene la composición química básica (MgFe)2SiO4.
Si dos vértices de cada tetraedro de SiO4^4- se enlazan con los vértices de otros tetraedros, resulta una estructura en cadena o en anillo, con la fórmula química unidad SiO3^2-, figura 14.4. El mineral (MgSiO3) tiene una estructura en forma de cadena y el mineral berilo [Be3Al2(SiO3)6] tiene una estructura de silicato en forma de anillo.

Figura 14.4. Estructura de silicatos: a) en forma de cadena, espodumeno, y, b) en anillo, esmeralda.

 

Las estructuras laminares de silicato se forman cuando tres vértices en el mismo plano de un tetraedro de silicato de enlazan a los vértices de otros tres tetraedros de silicato. Esta estructura tiene como fórmula unitaria Si2O5^2-. Estos silicatos laminares pueden combinarse con otros tipos de estructuras laminares, al tener todavía un oxígeno libre. La caolinita, una arcilla común, figura 14.5a, está compuesta de una lámina de silicato enlazada iónicamente a una lámina compuesta de Al2(OH)4²⁺, produciendo delgadas placas de arcilla con una composición final Al2Si2O5(OH)4. La montmorillonita, o sea Al2(Si2O5)2(OH)2, figura 14.5b, contiene dos láminas de silicato emparedando a una capa central de Al2(OH)4²⁺. Estas capas están unidas entre sí por débiles enlaces de Van der Waals.

Figura 14.5. Estructura laminar de los silicatos: a) caolinita, b) montmorillonita.

 

Finalmente, cuando se comparten los cuatro vértices del tetraedro, se obtiene la sílice, o SiO2. Este material puede existir en varias formas alotrópicas, ya que al incrementar la temperatura la sílice, cuarzo a, pasa a cuarzo b, y posteriormente se transforma en tridimita b, cristobalita b, y finalmente a cuarzo líquido. El diagrama de equilibrio presión-temperatura de la figura 14.6 muestra las formas estables de la sílice.

Figura 14.6. Diagrama de fases presión-temperatura para el SiO2.

 

La transformación de cuarzo a a cuarzo b es una transformación similar a la reacción martensítica; el cuarzo cambia rápidamente de estructura cristalina pero genera una ligera distorsión en la red que implica a los diferentes átomos vecinos, tal como se indica en la figura 14.7. Transformaciones similares suceden entre las diferentes formas de tridimita y cristobalita.
Durante estas transformaciones de fases suceden cambios bruscos en las dimensiones de los cristales, sobre todo en la transformación del cuarzo a al b, que producen unas fuertes tensiones internas que llegan incluso al agrietamiento del material, de ahí el especial cuidado en la velocidad a la que se producen estos cambios volumínicos.
La importancia que, en la ingeniería y construcción, tienen estos materiales, hace que estudiemos por separados cada uno de los grandes grupos en los que se puede clasificar: cemento como constituyente de los hormigones y morteros, los vidrios tanto de sílice como modificados, y los materiales silicoaluminosos refractarios y para construcción.

Figura 14.7. Transformación por desplazamiento en el cuarzo.