Соли кремниевой кислоты
Соли кремниевой кислоты называются силикатами.Их состав обычно изображают формулой в виде соединений оксидов элементов. Например, силикат кальция СаSiО3 можно выразить так: СаО*SiО2.
Силикаты состава R2О*nSiO2, где R2О — оксиды натрия или калия, называются растворимым стеклом, а их концентрированные водные растворы — жидким стеклом. Наибольшее значение имеет натриевое растворимое стекло. В технике его получают как сплавлением кварцевого песка с содой, так и обработкой аморфного кремнезема концентрированным раствором щелочи:
SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
Жидкое стекло применяется в качестве связующего при изготовлении кислотоупорных бетонов, а также для изготовления замазок, конторского клея. Им пропитывают ткани, дерево и бумагу для придания им огнестойкости и водонепроницаемости.
Природные соединения кремния. Земная кора состоит из оксида кремния (IV) и различных силикатов. Природные силикаты имеют сложный состав и строение. Вот состав некоторых природных силикатов:
Полевой шпат K2O*Al2O3 *6SiO2 Асбест 3MgO*2SiO2 *2H2O
Слюда К2O*3Al2O3*6SiO2*2H2O Каолинит Al2O3*2SiO2 *2H2O
Силикаты, содержащие в своем составе также оксид алюминия, называются алюмосиликатами. Из названных выше силикатов алюмосиликатами являются полевой шпат, каолинит и слюда. В природе наиболее распространены именно алюмосиликаты, например полевые шпаты. Распространены также смеси различных силикатов. Так, горные породы — граниты и гнейсы — состоят из кристалликов кварца, полевого шпата и слюды.
Горные породы и минералы на поверхности земли под действием температуры, а затем влаги и углекислого газа выветриваются, т. е. медленно разрушаются. Процесс выветривания полевого шпата можно выразить уравнением реакции
K2O*Al2O3 *6SiO2 +2H2O+ CO2 = Al2O3 *2SiO2 *2H2O+ K2CO3 + 4SiO2
Основным продуктом разрушения является минерал каолинит — главная составная часть белой глины. В результате выветривания горных пород образовались залежи глины, песка и солей.
Строительные материалы
Из искусственных силикатов наибольшее значение имеют стекло, цемент и керамика.
Стекло. Состав обычного оконного стекла примерно выражается формулой Na2O*CaO* 6SiO2.
Стекло получают сплавлением в специальных печах смеси соды Na2CO3, известняка СаСО3 и белого песка SiO2. Химизм процесса можно представить так: при сплавлении образуются силикаты натрия и кальция:
SiO2 + Na2CO3 =Na2SiO3 + CO2 ↑; SiO2 + СаСО3 =CaSiO3 + CO2 ↑
Эти силикаты и кремнезем (он берется в избытке) сплавляются в массу, которая постепенно охлаждается:
Na2SiO3 + CaSiO3 + 4SiO2 = Na2O*CaO*6SiO2
Часто в производстве стекла соду заменяют сульфатом натрия иуглем. В этом случае силикат натрия получается согласно уравнению реакции
2SiO2 +С+Na2SO4 =2Na2SiO3 + CO2 ↑+2SO2↑
Для получения специального стекла изменяют состав исходной смеси. Заменяя соду Na2CO3 поташом К2СO3, получают тугоплавкое стекло (для химической посуды). Заменяя мел СаСО3 оксидом свинца (ІІ) РbО, а соду поташом получают хрустальное стекло. Оно обладает большой лучепреломляющей способностью и применяется для изготовления художественной посуды.
Добавки оксидов металлов к исходной смеси придают стеклу различную окраску: оксид хрома (III) Сr2O3 — зеленую, оксид кобальта (II) СоО — синюю, оксид марганца (IV) МnO2 — красновато-лиловую и т. д. Стекла при повышении температуры постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние. Обратный процесс также осуществляется постепенно — стеклянная масса загустевает по мере остывания. На этом свойстве стекла основано формование из него различны изделий. С помощью машин из стеклянной массы вытягивают листовое стекло.
Особый вид стекла — кварцевое стекло. Оно представляет собой стеклообразную форму чистого кремнезема SiO2.Такое стекло совершенно не чувствительно к резким колебаниям температуры. Ктому же оно обладает ценными оптическими свойствами (пропускает ультрафиолетовые лучи).
Стекло широко используется почти во всех отраслях промышленности и в быту. Из него изготовляют трубы, тару, лабораторную посуду, детали оптических приборов, художественные изделия, бытовую посуду. На основестекла производят стекловолокно, которое применяется для изготовления спецодежды, а также стеклопластики, в частности стеклотекстолит. Этот стеклопластик — прекрасный строительный материал (очень прочный, не гнется, легко обрабатывается). Стеклотекстолит применяют в машиностроении какконструкционный материал, а в электронике —как изолятор. Современная стекольная промышленность производит специальное стекло, стойкое к воздействию радиоактивного излучения.Из стекла изготовляются волокна и ткани для технических нужд. Освоен выпуск стеклокристаллических материалов ситаллов, которые по сравнению со стеклом имеют большую прочность. Из них изготовляют электрические изоляторы, посуду и т. п.
Цемент. Обычный силикатный цемент, или портландцемент, представляет собой зеленовато-серый порошок, который при смешении с водой затвердевает на воздухе (или в воде) в камнеподобную массу. Обычно его получают обжигом (1400—1600°С) до спекания сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины.
Прокаливание производится в специальных цилиндрических вращающихся печах. Получаемая спекшаяся зернистая масса называется клинкером.Это полуфабрикат. Клинкер с соответствующими добавками размалывают в тонкий порошок в шаровых мельницах и получают окончательный продукт.
В природе встречаются породы, которые содержат известняк и глину в соотношениях, необходимых для получения портландцемента. Их называют мергелями. Большие залежи мергеля находятся в районе Новороссийска; на их основе работают крупные цементные заводы.
Сырьевую смесь готовят и искусственным путем. Регулируя состав смеси, получают различные виды цемента — быстро твердеющие, морозостойкие, коррозионностойкие и др.
Из смеси цемента, воды и заполнителей (песок, гравий, щебень, шлак) после их затвердевания получают искусственный камень — бетон. Смесь этих материалов до затвердевания называется бетонной смесью. При затвердевании цементное тесто связывает зерна заполнителей. Затвердевание происходит даже в воде. Бетон со стальной арматурой (внутренним каркасом) называется железобетоном. Бетон и железобетоны в больших количествах идут на сооружение гидроэлектростанций, дорог, несущих конструкций зданий.
Разработаны и изготовляются также бетоны, в которых в качестве вяжущего используются органические полимеры или полимеры совместно с цементом. Это так называемые пластобетоны, обладающие особыми свойствами.
Производство стекла, цемента и керамики относится к силикатной промышленности, перерабатывающей природные соединения кремния.
Керамика.Изделия из глины называют керамикой, а производство керамических изделий —гончарным. Наиболее распространена керамика, состоящая из различных оксидов, в том числе — оксида кремния(IV) SiО2. Из керамических изделий наибольшее значение имеют фарфор и фаянс.
Фарфор— один из видов тонкой керамики — белый материал, состоит в основном из SiО2, Al2O3и К2О. В качестве сырья для получения фарфора используют белую глину —каолин, кварцевый песок и полевой шпат. Фарфор имеет небольшую пористость (поэтому он водо- и газонепроницаемый), довольно высокую механическую прочность и термостойкость, электроизоляционные свойства. Из него изготовляют санитарно-технические изделия, электроизоляторы, предметы быта и художественные изделия.
Фаянс —керамический материал, похожий на фарфор, покрыт тонкой стеклообразной пленкой — глазурью. Содержит те же компоненты, что и фарфор, но в других соотношениях. Из фаянса изготовляют облицовочные плитки, посуду, художественные изделия.
Большая группа специальных керамических изделий используется в строительстве. Из керамики изготовляют кирпич, панели для стен, плитку для пола, черепицу, трубы, также глиняную посуду, вазоны.