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 R2
О*nSiO2
, где R2
О — 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
+ Na2
CO3
= Na2
SiO3
+ CO2
SiO2
+ 2NaOH = Na2
SiO3
+ H2
O
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
K
2
O
*
Al
2
O
3
*6
SiO
2
Асбест 3
MgO
*2
SiO
2
*2
H
2
O
Слюда К2
O
*3
Al
2
O
3
*6
SiO
2
*2
H
2
O
Каолинит
Al
2
O
3
*2
SiO
2
*2
H
2
O
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
K2
O*Al2
O3
*6SiO2
+2H2
O+ CO2
= Al2
O3
*2SiO2
*2H2
O+ K2
CO3
+ 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 Na
2
O
*
CaO
* 6
SiO
2.
Стекло получают сплавлением в специальных печах смеси соды Na2
CO3
, известняка СаСО3
и белого песка SiO2
. Химизм процесса можно представить так: при сплавлении образуются силикаты натрия и кальция:
SiO2
+ Na2
CO3
=Na2
SiO3
+ CO2
↑; SiO2
+ СаСО3
=CaSiO3
+ CO2
↑
Эти силикаты и кремнезем (он берется в избытке) сплавляются в массу, которая постепенно охлаждается:
Na2
SiO3
+ CaSiO3
+ 4SiO2
= Na2
O*CaO*6SiO2
Часто в производстве стекла соду заменяют сульфатом натрия иуглем. В этом случае силикат натрия получается согласно уравнению реакции
2SiO2
+С+Na2
SO4
=2Na2
SiO3
+ CO2
↑+2SO2
↑
Для получения специального стекла изменяют состав исходной смеси. Заменяя соду Na2
CO3
поташом К2
СO3
, 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
Добавки оксидов металлов к исходной смеси придают стеклу различную окраску: оксид хрома (III) Сr2
O3
— 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
, Al2
O3
и К2
О. 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.