Соли кремниевой кислоты

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* 6SiO_2.

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.