5. Кремниевая кислота и ее соли.

Формально мы пишем Н₂SiО₃, но это, строго говоря, только метакремниевая кислота, ее можно выделить в свободном состоянии. А существует еще множество кремниевых кислот с общей формулой nSiO₂∙mH₂O. Это практически нерастворимые в воде вещества, способные образовывать коллоидные растворы (золи, гели). Итак, кремниевые кислоты – это твердые, бесцветные, аморфные вещества, нерастворимые в воде. При нагревании они теряют воду: Н₂SiО₃→SiО₂+H₂O

Т.к. эта кислота нерастворима, обычные свойства кислот она не проявляет, возможна только реакция нейтрализации.

Н₂SiО₃+2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

Получение: кремниевую кислоту получают из ее солей реакцией ионного обмена.

Na₂SiO₃ + HCl→Н₂SiО₃↓+2NaCl

Применение: Коллоидные растворы кремниевой кислоты применяют при изготовлении бумаги, для очистки воды, для получения силикагеля, молекулярных сит и т.д.

Соли кремниевой кислоты – силикаты. Среди них растворимы только силикаты натрия и калия. Их растворы имеют щелочную среду и называются «жидким стеклом». Их применяют :

1) как канцелярский клей;

2) для пропитывания тканей, бумаги, дерева для защиты от огня;

3) в строительстве - кислотоупорный бетон, укрепление сыпучих грунтов, защита дерева и штукатурки от плесени.

6. Силикаты в природе. Силикатная промышленность.

Н ерастворимые силикаты широко распространены в природе в виде горных пород: полевые шпаты, глины, слюда, асбест, гранит, базальт, сланцы… Состав силикатов не соответствует формальной формуле, поэтому их обычно записывают несколько иначе, чем обычные соли. Например: не Na₂SiO₃ – а Na₂О∙ SiО₂, не СаSiO₃ – а СаО∙SiО₂. Тем более что природные силикаты – это обычно смесь кристаллогидратов нескольких силикатов, например калия и алюминия.

Состав наиболее распространенных природных силикатов:

белая глина (каолин) – Al₂O₃∙2SiО₂∙2H₂O

п олевой шпат – К₂О∙ Al₂O₃∙6SiО₂

нефелин – Na₂O∙ Al₂O₃∙2SiО₂

слюда - К₂О∙ 3Al₂O₃∙6SiО₂∙2H₂O

асбест - СаО∙3MgО∙4 SiО₂

Роль кремния в организме и применение его соединений в медицине. Содержание кремния в организме – 10^-3 %. Один из важнейших микроэлементов. Кремний влияет на образование и функционирование эпителиальных и соединительных тканей, придавая им прочность и пластичность, он препятствует проникновение липидов в плазму крови и отложению их на стенках с осудов; с нарушением обмена кремния связывают возникновение гипертонии, атеросклероза, ревматизма, язвы, малокровия и т. д. Оксид кремния (силикагель) используется как хороший адсорбент. Тальк используют как присыпку, он входит в состав многих косметических препаратов.

Применение.

1) глина – при изготовлении фарфора, фаянса, керамики; как строительный вяжущий материал;

2) гранит – как строительный материал;

3) слюда и асбест – электро- и теплоизоляционные материалы;

4) алюмосиликаты – для смягчения и очистки воды;

5 ) в химических процессах – как адсорбенты и носители катализаторов.

К силикатной промышленности относят производство стекла, керамики и цемента.

Стекло – твердый аморфный прозрачный сплав, обычно получаемый при нагревании смесей силикатов или оксидов металлов с оксидом кремния. Нагревание производят в специальных плавильных печах. Свойства стекол зависят от состава шихты (смесь исходных веществ) и способа их изготовления. Смесь плавят в специальных печах, а затем формуют из нее изделия.

Обычное стекло (оконное, посуда) имеет состав Na₂O∙СаО∙6SiО₂. Сырье – сода, мел, кварцевый песок. Тугоплавкое стекло получают заменой соды на поташ (т.е. Na₂O на К₂О). А если заменить и СаО на PbO мы получим хрусталь. Химическое стекло, стойкое не только к смене температуры, но и агрессивным средам получают заменой части SiО₂ на В₂О₃. Окраску стеклу придают оксиды металлов (Fe₂O₃ - коричневое, FeO – зеленое, CoO – синее) или сами металлы (Au).

И з стекла можно получать волокна (оптические волокна, стекловата, стеклоткани), а в сочетании с полимерами – т.н. стеклопластики. Опти́ческое волокно́ — нить из стекла, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Кабели на базе оптических волокон используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на бо́льшие расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи.

Вводя в процессе варки стекла специальные добавки, можно получить стеклокристаллические материалы – ситаллы. Ситаллы — стеклокристаллические материалы, полученные объёмной кристаллизацией стекол, и состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределённых в стекловидной фазе. Ситаллы обладают малой плотностью, высокой механической прочностью, особенно на сжатие, твердостью, жаропрочностью, термической стойкостью, химической устойчивостью и другими ценными свойствами. Ситаллы применяются для изготовления деталей, требующих прочности и термостойкости (подложки микросхем, корпуса приборов, химически стойкая аппаратура…

Керамикой называют материалы, изготавливаемые из огнеупорных веществ: глины с добавлением различных минеральных примесей: песка, карбидов и оксидов металлов. В зависимости от применения различают строительную, огнеупорную, химически стойкую, бытовую и техническую керамику. Строительная – это производство кирпича, черепицы, труб, кафеля. Огнеупорная – это производство футеровки (кирпичи, плитка) для доменных, сталеплавильных, стеклоплавильных печей. Химически стойкую керамику используют для химических реакторов. К бытовой относятся фарфоровые и фаянсовые изделия. Техническая применяется для изготовления изоляторов, конденсаторов, зажигательных свечей, термопар и т.д. Процесс изготовления керамики включает приготовление керамической массы, формование, сушка и обжиг по строго заданному режиму. Иногда керамические изделия покрывают глазурью – тонким слоем стекловидного материала. Для этого изделие покрывают слоем порошка из кварца и специальных добавок и подвергают повторному обжигу. Глазурь делает керамику водонепроницаемой и предохраняет от загрязнения.

П роизводство цемента. Обычный цемент (силикатный) получают обжигом смеси глины с известняком. Т.е. цемент - это смесь алюминатов и силикатов кальция. Эти смеси обычно готовят, но иногда встречается в природе известково-глинистая горная порода – мергель. При употреблении цемента как вяжущего материала его обычно смешивают с песком или другим наполнителем и (непосредственно перед использованием) добавляют воду. Такая смесь называется цементный раствор. Если добавить щебень или гравий получится бетон. Если при строительстве использовать железную арматуру получится железобетон.