Способы получения, химические свойства и применение кремния

3.3 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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 4 Сткло

Стекло́ — вещество и материал, один из самых древних. Благодаря разнообразию своих свойств — универсальный элемент в практике человека.  Физико-химические свойства  —  твёрдое тело,  структурно — аморфно, изотропно.  Все виды стёкол, при формировании, преобразуются в агрегатном состоянии — от чрезвычайной вязкости жидкого,  до так называемого   стеклообразного вещества. В процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты). Температура варки стёкол - от 300 до 2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами др.). Прозрачность стекла (для видимого человеком спектра) не является общим свойством для всех видов существующих, как в природе, так и в практике стёкол.

4.1 Стекло в природе

В природе стёкла существуют в составе вулканических пород, которые быстро охладились из жидкой магмы при соприкосновении с холодным воздухом или водой. Иногда встречаются стёкла в составе метеоритов, расплавившихся при движении в атмосфере.

Когда была установлена идентичность строения, состава и свойств обычного силикатного стекла многим минералам, последние, стали квалифицироваться, как разновидности его природного аналога, именуясь в соответствии с условиями формирования: некристаллизовавшиеся производные быстро остывшей лавы — вулканическим стеклом (пемза, обсидианы, пехштейн, базальты и др.), а образовавшиеся из земной горной породы в результате удара космического тела — метеоритным (молдавит).

4.2 Получение стекла

Состав обычного оконного стекла примерно выражают формулой Na₂O•СаО•6SiO₂. Стекло получают сплавлением в специальных печах смеси соды Na₂CO₃, известняка СаСО₃ и белого песка SiO₂.

 
                            SiO₂  +  Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂ 
                            SiO₂  +  CaCO₃  =  CaSiO₃ + CO₂ 
                     Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 4SiO₂ = Na₂O•CaO•6SiO₂

Для получения специального стекла изменяют состав исходной смеси. Заменяя соду Na₂CO₃ поташом K₂СO₃, получают тугоплавкое стекло (для химической посуды). Заменяя мел CaCO₃ оксидом свинца (II) PbO, а соду поташом, получают хрустальное стекло. Добавки оксидов металлов к исходной смеси придают стеклу различную окраску: оксид хрома (III) Cr₂O₃ — зеленую, оксид кобальта (II) СоО — синюю, оксид марганца (IV) MnO₂ — красновато-лиловую и т.д. 
Стекла при повышении температуры постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние. Обратный процесс осуществляется постепенно — стеклянная масса загустевает по мере остывания. На этом свойстве стекла основано формование из него различных изделий. С помощью машин из стеклянной массы вытягивают листовое стекло.

В состояние стекла материал можно перевести путём быстрого охлаждения расплава. При этом вещество не успевает кристаллизоваться. Вещество, как правило, не должно быть чистым, то есть оно должно содержать примеси в виде раствора, препятствующие кристаллизации. В то же время известны некоторые соединения (например, оксид кремния, оксид бора, оксид фосфора), которые при комнатной температуре способны очень долго пребывать в стеклообразном состоянии. Все эти вещества имеют высокую температуру плавления, что указывает на высокую энергию активации, требуемую для перескока молекулы из одного равновесного состояния в соседнее. Чистые вещества с одноатомными молекулами не могут долго находиться в стеклообразном состоянии, даже если они имеют высокую температуру плавления (углерод, вольфрам).

После определенного химического и термического воздействия стекло становится закаленным (еще его называют сталинит). Оно превращается в прочный, устойчивый к температурным перепадам строительный материал. Если его подвергнуть разрушению, то есть разбить, оно разлетится на множество мелких тупых осколков, не способных причинить особого вреда здоровью человека. Это свойство закаленного стекла позволяет ему находить применение в строительстве и отделке помещений, рассчитанных на посещение. Приходя в новые торговые и офисные центры, все чаще обращаешь внимание на стеклянные перегородки, витрины, двери, стенды и даже лестницы. Удивительно, как такой хрупкий и непрактичный на первый взгляд материал завоевал такую популярность в строительной сфере.

4.3 Растворимое (жидкое) стекло

Это водный раствор силиката натрия – натриевой соли кремниевой кислоты. Оно известно со времени Агриколы, т.е. с середины XVI в. Жидкое стекло стало доступным для технического использования после работ Фукса (1818). Поэтому раньше его называли фуксовым стеклом. Жидкое стекло изготавливают сплавлением песка с содой с последующим вывариванием полученного и измельченного стекла в воде. Водные растворы жидкого стекла имеют сильно щелочную реакцию. Под действием углекислого газа из них выделяются малорастворимые кремниевые кислоты. Щелочные свойства и способность выделять кремниевую кислоту обусловливают области применения растворимого стекла: текстильное и бумажное производство, в мыловарении и лакокрасочном деле. Жидкое стекло придает крепость и лоск штукатурке, цементам и другим материалам, содержащим известь, так как кальций придает стеклу нерастворимость в воде. Жидкое стекло используют для пропитки рыхлых грунтов с целью их упрочнения и закрепления. На основе растворимого стекла при добавлении наполнителей и модификаторов получают силикатный клей, который применяют для склеивания керамики, стекол, асбеста, металлов и других материалов. Конечно, его используют и в канцелярском деле для склеивания бумаги и картона.

Вследствие близкой природы жидкое стекло (силикатный клей), попавшее на поверхность стекла, при высыхании образует прочное сцепление. Это приводит к нарушению ровной поверхности стекла, т.е. к его порче. Однако данное свойство может быть использовано для придания стеклу матовости. С этой целью жидкое стекло смешивают с порошком мела (зубным порошком) и наносят на поверхность стекла. При высыхании образуется плотный слой, который и придает стеклу матовость.

На основе жидкого стекла изготавливают искусственные камни. Они получаются в результате смешения стекла с различными (чаще минеральными) наполнителями: карбонатными горными породами, кварцевым песком, древесными опилками и др. Отформованную массу помещают в раствор хлорида кальция CaСl₂ или сульфата алюминия A1₂(SO₄)₃ (алюминиевых квасцов). Это приводит к затвердению массы и образованию камня. Вводя в массу окрашенные добавки, получают камни, напоминающие натуральные.

С целью предохранения поверхности каменных зданий от преждевременного разрушения разработан способ ее флюатирования, т.е. обработки фторидными соединениями. Для этого используют MgSiF₆ и ZnSiF₆. В результате химической реакции, ионы кальция, находящиеся на поверхности, превращаются в малорастворимый CaF₂. Пленка этого соединения и выполняет защитную функцию. Поверхность железобетонных изделий флюотируют 3,5...7% раствором кислоты H₂SiF₆. Кроме того, для этой цели предложено также использовать сухой, газообразный HF под давлением 4...6 атм. В результате, образуется SiF₄, который при взаимодействии с находящимся в бетоне Ca(OH)₂ ,   дает малорастворимый CaF₂ и гель кремниевой кислоты, который также малорастворим. Они и выполняют защитную функцию бетона. Химическая стойкость бетона резко возрастает, особенно в агрессивных средах.

За рубежом при строительстве и эксплуатации грунтовых и щебеночных дорог для их обеспыливания широко используют растворы CaСl₂. За летний сезон дорогу поливают 3...4 раза 75%-ным раствором этой соли. Отметим также, что CaCl2 ускоряет твердение бетона и увеличивает морозостойкость строительных растворов.

4.4 Способы применения в быту и строительстве жидкого натриевого стекла

Область применения: В строительстве и для гидроизоляции, приготовления водостойких, жаростойких и кислотостойких бетонов. В качестве добавки к стройматериалам повышает их долговечность, прочность, огнеупорность, атмосферостойкость. Для пропитки деревянных изделий и тканей с целью придания им большей плотности и огнеустойчивости. В качестве защитного средства при обрезке и ранении деревьев. Для грунтования бетонных, кирпичных, оштукатуренных деревянных поверхностей, гидроизоляции емкостей и бассейнов. Для склеивания изделий из дерева, бумаги, картона, стекла, фарфора, кожи, тканей, а также приклеивания облицовочных плиток и линолеума на любые виды поверхности. Может использоваться как самостоятельный продукт, а также в комбинации с другими материалами. Применяется в качестве моющего, чистящего средства. Используется в мыловаренной, жировой, химической, текстильной и бумажной промышленности. Является экологически чистым антисептиком (препятствует образованию плесени, гнили, грибков).

Силикатные краски, связующим в которых служит жидкое стекло, образуют прочные и атмосферостойкие покрытия. Применяются в основном для окрашивания кирпичных, бетонных и оштукатуренных поверхностей при внутренних и наружных работах, а также для защиты деревянных конструкций от возгорания. Силикатные краски бывают различных цветов (в зависимости от цвета пигмента), двух марок - А и Б. До рабочей густоты их разводят водой. Расход краски марки А составляет 400 г/м², марки Б - 650 г/м². Перед окрашиванием силикатными составами все поверхности должны быть хорошо подготовлены: их очищают от старой краски и грязи, промывают водой, устраняют дефекты, просушивают и грунтуют тем же окрасочным составом, но только более жидким.

Вообще применение силикатов в современных условиях весьма широко и разнообразно. Горные силикатные породы используются, как строительные материалы. Силикаты применяют как сырье в производстве цемента, различных наполнителей керамики, стекла и пр. Слюда и асбест используются при производстве различных термо- и электроизоляционных материалов.

                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экспериментальная часть.

 

1. Получение солей кремниевой кислоты сплавлением кварцевого песка с твердыми щелочами

 

Опыт№1

                             SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO₃ + H₂O

В фарфоровый тигель поместили 4г песка(SiO2) и 2г гидроксида натрия (NaOH). Сплавляли данную смесь в течение 4,5 часов. Получили кристаллическое вещество белого цвета хорошо растворимое в воде, имеющее в водном растворе щелочную среду. При действии соляной кислоты на раствор полученного вещества выпал студенистый осадок. Сделали вывод, что полученное вещество-силикат(Na₂SiO₃).

 

Опыт№2

                              SiO₂ + 2KOH = K₂SiO₃ + H₂O

В фарфоровый тигель поместили 4г песка(SiO2) и 2,8г гидроксида калия (КOH). Сплавляли данную смесь в течение 15 часов. Песок в ходе процесса в реакцию не вступил и остался на дне тигля непрореагировавшим. Сделали вывод, что в условиях школьной лаборатории нет возможности достичь нужной температуры.

 

    2.Получение  кремниевой кислоты

Полученный силикат натрия растворили в воде. Добавили в половину раствора по каплям соляную кислоту. Выпал белый студенистый осадок:

 

                        Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3

Гелеобразный осадок расслоился с выделением воды. Гель кремниевой кислоты превратился в золь.

3.Получение нерастворимых силикатов меди(2),марганца(2), кобальта(2), железа(2), никеля(2)

CuSO₄  +  Na₂SiO₃ = CuSiO₃ +  Na₂SO₄

NiSO₄  + Na₂SiO₃ =  NiSiO₃ + Na₂SO₄

MnCl₂ +  Na₂SiO₃  = MnSiO₃ + Na₂SO₄

CoSO₄  + Na₂SiO₃  = CoSiO₃+ Na₂SO₄

FeSO₄ + Na₂SiO₃ = FeSiO₃ +  Na₂SO₄

В раствор силиката натрия поместили кристаллы солей: сульфата меди(2), сульфата никеля(2), хлорида марганца(2), сульфата кобальта(2) и сульфат железа(2).Наблюдали выпадение характерных осадков:

Силикат меди        - голубого цвета рыхлый осадок

Силикат никеля     - светло-зеленого цвета ватной структуры

Силикат кобальта – осадок не выпал

Силикат марганца – телесного цвета нитчатой структуры

Силикат железа    -    темно-серый осадок плотной структуры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Химия кремния является одной из наиболее интересных тем в курсе неорганической химии. И кремний, и его соединения являются скорее исключением из правил, тем самым становясь для исследователей более интересными веществами. В ходе работы было установлено, что человеческая цивилизация много тысячелетий широко применяет и кремнезем, и кремниевую кислоту, и силикаты в строительстве, в медицине, в энергетике.