Ф. 7.11 -19

Джумабаева Г.М., Жакипбаев Б.Е.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

«Физическая химия силикатов»

Шымкент 2011

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ЮЖНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М. Ауезова

Кафедра «Технологии силикатов и синтеза минералов»

Джумабаева Г.М., Жакипбаев Б.Е.

Шымкент 2011

УДК 666.940:942

ББК 35я7

Составители: Джумабаева Г.М. – старший преподаватель, Жакипбаев Б.Е.- старший преподаватель

Конспект лекций по дисциплине «Физическая химия силикатов». - Шымкент: ЮКГУ им.М. Ауезова, 2011. – 120 с.

Конспект лекций составлен в соответствии с требованиями учебного плана и программой дисциплины «Физическая химия силикатов» и включает все необходимые сведения.

Конспект лекций по дисциплине «Физическая химия силикатов» предназначен для студентов специальности 050720 – ХТНВ (специализации «Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов»)

Данный конспект лекций необходим для закрепления основных положений курса «Физическая химия силикатов», для освоения студентами:

широкого круга вопросов, включающих сведения о свойствах кремния и различных соединений, о строении и свойствах жидких, стеклообразных, кристаллических силикатов и силикатных расплавов, о твердофазовых процессах, происходящих в силикатных смесях при нагревании, о фазовых равновесиях в многокомпонентных системах, графических методах анализа и расчетов, дает сведения о диаграммах состояния одно-, двух-, трех- и многокомпонентных систем.

Рецензенты: Таймасов Б.Т. – доктор технических наук, профессор каф. ТСиСМ, ЮКГУ им. М.Ауезова

Бажиров Н.С. - доктор технических наук, профессор, генеральный директор НПО «Химтехника»

Рассмотрено и рекомендовано к печати заседанием кафедры «Технологии силикатов и синтеза минералов» (протокол № __ от «__»_____ 20___г) и методической комиссией Химико-Технологического факультета (протокол № __ от «__»_____ 20___г).

Рекомендовано к изданию Методическим советом ЮКГУ им. М.Ауезова протокол № __от «__»________ 20___г.

© Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауезова, 2011

Ответственный за выпуск Джумабаева Г.М.

ВВЕДЕНИЕ

Данный конспект лекций необходим для закрепления основных положений курса «Физическая химия силикатов».

Основными целями конспекта лекций являются освоение студентами широкого круга вопросов, включающих сведения о свойствах кремния и, о строении и свойствах жидких, стеклообразных, кристаллических силикатов и силикатных расплавов, о твердофазовых процессах, происходящих в силикатных смесях при нагревании, о фазовых равновесиях в многокомпонентных системах, графических методах анализа и расчетов, дает сведения о диаграммах состояния одно-, двух-, трех- и многокомпонентных систем.

Основными задачами конспекта лекций являются:

• дать студентам теоретические сведения о свойствах кремния и различных соединений;

• научить подбирать оптимальные составы в одно-, двух-, трех- и многокомпонентных системах,

• уметь управлять технологическими процессами и целенаправленно воздействовать на процесс синтеза для получения материалов с заранее заданными эксплуатационными характеристиками.

В конспект лекций включены: тематика лекционного материала, указан план проведения занятия, создан словарь основных понятий, в конце лекционного материала составлены контрольные вопросы, список литературы. Разработка имеет большое значение для студентов

Конспект лекций предназначен для студентов специальности:

050720 – Химическая технология неорганических веществ, специализация – Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов

Лекция № 1

Введение. Содержание и значение дисциплины «Физическая химия силикатов в химической технологии вяжущих материалов» как теоретической основы технологии силикатных и других тугоплавких соединений. Связь дисциплины с общетеоретическими специальными дисциплинами. Краткая история развития физической химии силикатов.

1. Значение дисциплины ФХС как теоретической основы технологии и других тугоплавких соединений.

2. Краткая история развития ФХС.

Модификация – переход вещества из одной фазы в другую.

Гомогенная система – система, внутри которой нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга части системы, различающиеся по свойствам.

Гетерогенная система – система, внутри которой имеются поверхности раздела, отделяющие друг от друга части системы, различающиеся по свойствам.

Предмет ФХС изучает современные данные по искусственным и природным соединениям кремния, новейшие сведения по системе кремнезема и его модификациях.

Предмет рассматривает фазовые равновесия в гомо- и гетерогенных системах, подробно изучает диаграмму состояния важнейших силикатных систем, изучает строение расплавов силикатов в кристаллическом и стеклообразном состояниях, важнейшие методы синтеза и занимается изучением их структуры и свойств.

Знание этих вопросов позволяет сознательно и целенаправленно управлять процессами силикатной технологии. ФХС является самостоятельной дисциплиной, которая в разделе о силикатах и других тугоплавких соединениях в кристаллическом состоянии уделяет внимание рассмотрению полиморфизма и дефектов кристаллической решетки.

Краткая история развития.

Искусство изготовления керамики путем формирования и обжига глины было известно не заре цивилизации. Наиболее древним изделием найденных в раскопках около 15 тыс лет до нашей эры. В противоположность этому производство цементоподобных материалов получило развитие около 200 лет назад. В древнем Египте использовали обожженную известь как кладочный раствор. Римляне комбинировали известь с вулканическим пеплом для изготовления цемента. Затем искусство было утрачено, но гидравлические свойства слабообожженных известняков были вновь открыты в Англии в 1750 году и в последующие 100 лет технология производства цемента сохранилась не претерпев изменений.

Основоположником науки о силикатах является Ломоносов. Элементы ФХС присутствуют в его труде « Курс истинной физической химии» в 1752 году. Он в своих исследованиях об окрашенных стеклах впервые особое внимание обратил на зависимость между составом и свойством стекла. В 1738 году И.Г Гмелин опубликовал статьи посвященные физикохимии и технологии изготовления фарфора.

Менделеев в своем труде «Стеклянное производство» впервые изложил научную теорию стеклообразного состояния.

Учения о растворах и фазовом равновесии между растворами возникло давно. Особое место в этом учении занимают работы Гиббса, создавшего теорию фазового равновесия. Им установлена возможность и необходимость изучения и количественного описания закономерностей, определяющих условие фазового равновесия. В направлении изучения фазовых равновесий в силикатных системах при высоких температурах ведущую роль сыграли работы Лессинга, создателя школы по ФХС и Курнакова, основателя метода термического анализа силикатов.

В изучении ФХС и расплавов больших успехов достигли ученые П.П. Лазарев, М.П. Воларович, П.А Аппен.

Ценнейший вклад в науку о стекле внес И.Г.Гребенщиков своими работами с ультрапористыми стеклами, образующимися при действии разбавленных кислот на некоторые боросиликатные стекла.

В области изучения основных закономерностей, определяющих ход реакции в твердых фазах, известны крупные работы академика Путникова, Яндера, Юнга, Журавлева. В изучении многокомпонентных оксидных систем, имеющих значение для получения высокогнеупоров, большая работа проводилась Бережным. Многочисленные физико-химические исследования в области синтеза стекол и стеклокристаллических материалов на основе промышленных отходов проведены Павлушкиным.

Вопросы:

1. Что изучает дисциплина физическая химия силикатов?

2. Назовите ученых, которые внесли вклад в развитие физической химии силикатов.

Лекция № 2.

Тема: Кремний и его открытие и распространенность в минеральном и органическом мире. Роль кремния и его соединений. Развитие химии кремния. Значение научных работ отечественных и зарубежных ученых.

1. Кремний и его открытие.

2. Развитие химии кремния.

3. Значение научных работ ученых.

Процелин - фарфор

Силаны - кремневодороды

Кремний 14 элемент периодической системы. Был получен в 1811 году Гей-Люссаком и Тенором восстановлением фторида кремния (SiF₄) металлическим калием.

На наружной оболочке атома находится 4 электрона, чем и обусловлено сходство Si с другими элементами четвертой группы.

SiО₂ – высшее кислородное соединение . В природе в свободном виде Si не встречается. По содержанию в земной коре (27,6%) занимает второе место после кислорода.

Сравнительно чистый кремний получают восстановлением кварца SiО₂ магнием, а технически чистый – восстановлением (в электрических печах при 1800 ⁰С) либо углеродом в присутствие железа:

SiО₂ + 2 С = Si + 2СО

или карборундом:

SiО₂ + 2 SiС = 3 Si + 2СО

Атомный вес кремния составляет 28,09. Имеются изотопы с массовыми числами 28,29,30. Получены три радиоактивных искусственных изотопа с массовыми числами 27,31, 32. Период полураспада не менее 100 лет.

Si – плавится при 1414 ⁰ С и кипит при 2600 ⁰ С.

Развитие производства полупроводниковых приборов и электроники создало для Si ответственную сферу применения. Это электронные счетно-решающие и управляющие устройства, радиоэлектроника, телеуправление и т.д.

Кремний относится к весьма важным полупроводниковым материалам. В большинстве полупроводниковых устройств кремний используется виде монокристаллов. С начала получают его летучие соединения – галогениды и нитриды: SiCl₄ и пары цинка пропускают при 950 С через кварцевый реактор, где выпадают друзы кремния. Этот способ был предложен Бекетовым в прошлом столетие.

Монокристаллы кремния выращивают в тиглях из плавленого кварца погружением конца затравки вырезанной из монокристалла в расплав. Кремний нагретый на несколько градусов выше температуры плавления. После выдержки медленно и с вращением вытягивают монокристалл. Размеры монокристалла достигают более 50 мм в диаметре и 450 м в длину. У гидроокиси кремния отмечаются слабые кислотные свойства.

Кремний сильный восстановитель, растворяется в расплавленных металлах и имеет амфотерные свойства.

Кремний соединяется с 79 % элементов и образует с выше 160 бинарных соединений.

Кремний используется в производстве электронагревательных стержней. Он образует многочисленные кислородные и безкислородные соединения с другими элементами: кремневодороды (силаны) с галогенами, комплексные соединения кремния и фтора, соединения с металлами (силициды), углеродистый кремний, соединения кремния с бором и азотом.

Определяя задачи науки о силикатах, М.В.Ломоносов писал: «Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при помощи химических операций». Понятие «смешанного тела» полностью может быть отнесено к силикатной шихте, из которой путем обжига получают силикатный продукт (керамика, стекло и цемент). В его книге впервые дано научное определение процесса спекания керамических масс.

М.В.Ломоносов в своих исследованиях окрашенных стекол впервые особое внимание обратил на зависимость между составом и свойствами стекол.

В 1738 году И.Г.Гмелин опубликовал статьи, посвященные физико-химии и технологии изготовления фарфора. Необходимо отметить, что эти статьи были первыми по химической технологии, опубликованными в изданиях Российской Академии наук.

Высказывания о природе фарфора встречаются также в трудах выдающегося русского керамиста XVIII века, создателя первого русского фарфора Д.И. Виноградова. Мысли о природе фарфора и стекла изложены в его рукописи «Обстоятельное описание чистого процелина» (в XVIII веке фарфор называли процелином).

Идея о многообразной природе фарфора, состоящего из кристаллической и стекловидной фазы, получила развитие в трудах русского ученого В.М. Севергина.

Д.И. Менделеев в своем труде «Стеклянное производство» впервые изложил научную теорию стеклообразного состояния.

Учение о растворах и фазовом равновесии между растворами возникло давно. Особое место в этом учении занимают работы Гиббса, создавшего термодинамическую теорию фазового равновесия. Им установлена возможность и необходимость изучения и количественного описания закономерностей, определяющих условия фазового равновесия.

В направлении изучения фазовых равновесий в силикатных системах при высоких температурах решающую роль сыграли работы Ф.Ю.Левинсон-Лессинга – создателя школы по физико-химии силикатов и Н.С.Курнакова – основателя метода термического анализа силикатов.

Теория кристаллического состояния наиболее детально впервые разработана Ю.С. Федоровым, предсказавшим все возможные типы структур кристаллов, в том числе и силикатов.

В изучении физико-химии силикатных расплавов больших успехов достигли советские ученые П.П. Лазарев, М.П. Воларович, К.Г. Куманин, А.А. Аппен.

Велика заслуга в области геохимических знаний Ф.К. Вернадского, который дал классические характеристики роли силикатов в истории образования земной коры и минералообразования, установил структуру алюмосиликатных пород.

Ценнейший вклад в науку о стекле внес И.Г. Гребенщиков своими работами с ультрапористыми стеклами, образующимися при действии разбавленных кислот на некоторые боросиликатные стекла. В результате этих работ сложились совершенно новые представления о микрогетерогенном строении стекла.

В области изучения основных закономерностей, определяющих ход реакций в твердых фазах, известны крупные работы академика Н.П. Будникова, В. Яндера, В.Н. Юнга, Ю.М. Бута и В.Ф. Журавлева.

Изучение диаграмм состояния силикатных систем проводится во многих научно-исследовательских учреждениях России, в Казахстане.

Н.А. Тороповым выполнены многочисленные работы в области физической химии и петрографии различных оксидных и силикатных систем, важных для теории и технологии материалов, предназначенных для новой техники.

В изучении многокомпонентных оксидных систем, имеющих значение для получения высокоогнеупоров, большая работа проводилась А.С. Бережным.

Многочисленные физико-химические исследования в области синтеза стекол и стеклокристаллических материалов на основе промышленных отходов проведены И.И. Китайгородским и Н.М. Павлушкиным.

В ЮКГУ им. М.Ауезова проводились и проводятся фундаментальные исследования по изучению поликомпонентных систем СаО – MgO – Al₂O₃ – SiО₂ – (Na₂O, K₂О), позволившие разработать технологию получения стеклокристаллических материалов на основе отходов промышленности и горных пород.

Вопросы:

1. Когда и кем был открыт кремний?

2. Где используется кремний?

3. Какие работы отечественных и зарубежных ученых Вы знаете?