57.Угольная кислота и ее соли. Временная жесткость воды и способы ее устранения. Карбонатное равновесие в природе.

 Слабая двухосновная кислота, известная в водных растворах, образующихся при растворении углекислого газа в воде. Кислота слабая очень непрочная, разлагается на углекислый газ и воду:

CO2+H2O↔H2CO3

Угольная кислота существует в водных растворах в равновесии с диоксидом углерода, причём равновесие сильно сдвинуто в сторону разложения кислоты.

Угольная кислота – слабая неустойчивая кислота, которую в свободном состоянии из водных растворов выделить нельзя.

Молекула угольной кислоты имеет плоское строение. Центральный углеродный атом имеет sp²-гибридизацию.

СВОЙСТВА УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ

Угольная кислота диссоциирует ступенчато. На первой ступени образуется гидрокарбонат-ион и ион водорода:

H2CO3⇄HCO−3+H+. 

Гидрокарбонат-ион частично распадается на карбонат-ион и ещё один ион водорода: 

HCO−3⇄CO2−3+H+.

СОЛИ УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ - КАРБОНАТЫ И ГИДРОКАРБОНАТЫ

Основным источником гидрокарбонатных и карбонатных ионов в поверхностных водах являются процессы химического выветривания и растворения карбонатных пород типа известняков, мергелей, доломитов, например:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O <–> Сa²⁺ + 2HCO₃^-;

MgCO₃ + CO₂ + H₂O <–> Mg²⁺ + 2HCO₃^-.

Они легко разлагаются, выделяя углекислый газ и вновь образуя карбонат. Так возникают сталактиты и сталагмиты. 

Среди карбонатов важное значение в технике играет известняк, сода: стиральная и питьевая.

Преимущественный тип связи в солях угольной кислоты - ионный (между катионами металла и карбонат- или гидрокарбонат-ионами). Карбонат-ион имеет форму правильного плоского треугольника.

Карбонаты относятся к средним солям, гидрокарбонаты - к кислым. Для них характерны общие свойства солей: они вступают в обменные реакции (протекают необратимо, в случае если образуется газ, осадок или малодиссоциирующее вещество).

При этом важно помнить:

угольная кислота неустойчива и всегда в уравнениях реакций записывается как CO2+H2O. 

а) с сильными кислотами, качественная реакция на карбонаты и гидрокарбонаты:

Na2CO3+2HCl→2NaCl+H2O+CO2↑

NaHCO3+HNO3→H2O+CO2↑+NaNO3

б) с растворимыми солями и основаниям:

Na2CO3+Ba(OH)2→BaCO3↓+2NaOH

Na2CO3+CaCl2→CaCO3↓+2NaCl

в) реакции разложения:

Карбонаты металлов (кроме карбонатов натрия, калия, рубидия и цезия) при нагревании разлагаются:

CuCO3→tCuO+CO2

Гидрокарбонаты разлагаются с образованием карбонатов:

Ca(HCO3)2→t,∘CCaCO3↓+H2O+CO2↑

1) Для карбонатов характерны свойства средних солей: при пропускании углекислого газа из карбонатов образуются гидрокарбонаты (кислые соли):

CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2

2) Для гидрокарбонатов характерны свойства кислых солей: реагируют со щелочами, образуя средние соли:

KHCO3+KOH→K2CO3+H2O

На разложении растворимых гидрокарбонатов кальция и магния при температуре основан метод уменьшения временной жесткости воды посредством кипячения.

Качественной реакцией на карбонат и гидрокарбонат ионы является их взаимодействие с сильной кислотой, наблюдается образование углекислого газа с характерным вскипанием:

Na2CO3+2HCl→2NaCl+H2O+CO2↑

CO32−+2H+→CO2+H2O

Вода, в которой содержание ионов Са²⁺ и Mg²⁺ незначительно, называется мягкой, вода с повышенным содержанием их - жесткой.

термический метод – кипячение воды.

При кипячении воды происходит разложение гидрокарбонатов кальция и магния с образованием углекислого газа и карбонатов этих металлов, которые выпадают в осадок:

Сa(HCO₃)₂   СaCO₃   + СО₂  + H₂O,

Mg(HCO₃)₂   MgCO₃•H₂O   + СО₂ .

Карбонаты осаждаются, и жесткость воды уменьшается. Также можно попробовать реагентное умягчение воды. В нее необходимо добавить кальцинированную соду или гашеную известь. При этом методе соли магния и кальция превращаются в нерастворимое соединение и выпадают в осадок. Оптимальным средством устранения жесткости считается ортофосфат натрия. Еще одним способом будет являться катионирование. В воду необходимо поместить ионообменную регулируемую загрузку. Чаще всего используют ионообменную смолу. При соприкосновении с водой она поглощает катионы солей. Забирая их у кальция, магния, железа и марганца, она отдает ионы натрия и водорода, а вода становится мягкой. Можно использовать обратный осмос. Нужно пропустить воду через полупроницаемые мембраны. При этом из воды уберутся большинство солей, в том числе и те, что отвечают за жесткость. Эффективность такого методашиногдаъдостигаетъпочтиъ100%. Жесткость, вызываемая содержанием в воде бикарбонатов кальция и магния, называется карбонатной или временной. Жесткость, обусловленная присутствием прочих солей кальция и магния и сохраняющаяся после кипячения воды, называется некарбонатной или постоянной.

Карбонат кальция (кальцит) - один из очень распространенных и важных минералов. Его судьба отражает сложные процессы, вызвавшие изменения в земной коре, особенно связанные с концентрацией углекислоты в гидросфере.

Ряд реакций, которые ведут от растворенного углекислого газа к карбонату, быстро достигает динамического равновесия, состояния, в котором прямой и обратный процессы этой реакции происходят с равными скоростями. Добавление кислоты увеличит скорость обратной реакции и образования диоксида углерода, что приведет к диффузии большего количества диоксида углерода из раствора. Добавление основания, с другой стороны, увеличит скорость прямой реакции, вызывая образование большего количества бикарбоната и карбоната. Любое давление на эту систему вызывает компенсирующий сдвиг в направлении, которое восстанавливает равновесие. Буферная система продолжает работать до тех пор, пока ее концентрация велика по сравнению с количеством кислоты или основания, добавленных в раствор

58.Кислородсодержащие соединения кремния. Диоксид кремния. Особенность силоксановой связи Si-O-Si. Применение кремнийсодержащих полимеров. Кремниевые кислоты и их соли. Природные силикаты. Алюмосиликаты. Искусственные силикаты. Стекло. Керамика. Цемент.

Диоксид кремния Si0₂ (кислотный оксид, ангидрид кремниевой кислоты) имеет атомную кристаллическую решетку: каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода а каждый атом кислорода — двумя атомами кремния. Имеет несколько кристаллических модификаций (все минералы), важнейшие — кварц, три- димит и кристобалит. Тугоплавкий, при медленном охлаждении расплава образуется аморфная форма — кварцевое стекло.

Электроотрицательность кремния значительно меньше, чем у углерода. Поэтому связи Si – O полярнее, чем связи С – О.

В различных модификациях кремнезёма прочность d – p -связей неодинакова. Это влияет на величину углов Si – O – Si и расстояний Si – O, например угол связи Si – O – Si в различных модификациях кремнезёма изменяется от 120 до 180 .

Оксид кремния(IV), или кремнезём SiO2 — твёрдое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде.

Oксид кремния(IV) образуется в виде пористого твёрдого вещества — силикагеля.

Химические свойства.

1. Практически не реагирует с водой. Реагирует со щелочами и плавиковой кислотой («травление» стекла):

2. При сплавлении реагирует с основными оксидами, щелочами, карбонатами с образованием силикатов:

При температуре выше 1000 °С оксид кремния реагирует с активными металлами, при этом образуется кремний.

Например, оксид кремния взаимодействует с магнием с образованием кремния и оксида магния:

SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO

При избытке восстановителя образуются силициды:

SiO₂ + 4Mg → Mg₂Si + 2MgO

Оксид кремния (IV) взаимодействует с неметаллами.

Например, оксид кремния (IV) реагирует с водородом в жестких условиях. При этом оксид кремния проявляет окислительные свойства:

SiO₂ + 2Н₂ → Si + 2Н₂O

Еще пример: оксид кремния взаимодействует с углеродом. При этом образуется карборунд и угарный газ:

SiO₂   +   3С → SiС   +   2СО

При сплавлении оксид кремния взаимодействует с фосфатом кальция и углем:

3SiO₂     +   Ca₃(PO₄)₂    +   5C   →     3CaSiO₃    +    5CO    +   2P

  Кремнийорганические полимерные продукты (силиконы) находят применение во многих отраслях промышленности: в машино- и приборостроении, в электротехнике, строительстве, медицине, фармацевтике, производстве косметики, одежды, бумаги. Промышленность выпускает различные кремнийорганические продукты: мономеры и полимеры в виде жидкостей, лаков, смол, каучуков, а также композиции на их основе — пасты, вазелины, смазки, эмульсии, пластмассы. Силоксаны используются в качестве изоляционных материалов, антикоррозионных, приборных жидкостей, теплоносителей, покровных и защитных лаков и эмалей, смазочных материалов, и др. Применение их значительно улучшает качество материалов, увеличивает срок службы изделий и конструкций и в большинстве случаев дает заметный технико-экономический эффект. На основе кремнийорганических соединений готовят резины, предназначенные для работы в широком интервале температур, а также в условиях повышенной влажности, действия окислителей и при низком давлении. Высокомолекулярные каучуки широко применяются в авиационной, автомобильной, судостроительной и электротехнической промышленности, в электронике, фармацевтике и медицине. Низкомолекулярные каучуки могут быть использованы как термо- и влагостойкие электроизолирующие заливки для электроприборов, а также как термо- и вибростойкие прокладки для различных устройств. Кремнийорганические покрытия преимущественно применяют в строительстве для защиты кирпича, бетона, штукатурки от воздействия атмосферных факторов. Лаки и эмали используют для изоляции деталей оборудования в авиации, в радиотехнике и рентгеновском оборудовании, антеннах, аккумуляторных батареях и т. д. Кремниевые кислоты — очень слабые, малорастворимые в воде кислоты общей формулы nSiO₂•mH₂O. Из кремниевых кислот известны: метакремниевая H₂SiO₃, ортокремниевая H₄SiO₄, дикремниевые H₂Si₂O₅ и H₁₀Si₂O₉, пирокремниевая H₆Si₂O₇ и поликремниевые nSiO₂•mH₂O. Соответствующие соли называют силикатами .

Кремниевая кислота настолько слабая, что её можно вытеснить из солей даже угольной кислотой:

 

Na2SiO3+H2O+CO2=H2SiO3↓+Na2CO3.

Кремниевая кислота настолько слабая, что её можно вытеснить из солей даже угольной кислотой:

 

Na2SiO3+H2O+CO2=H2SiO3↓+Na2CO3.

Кремниевая кислота не растворяется в воде, не диссоциирует, не изменяет окраску индикаторов. Как все кислоты, она реагирует с основными и амфотерными оксидами и гидроксидами. В результате реакций образуются соли силикаты

Из силикатов растворимы только соли щелочных металлов, и их называют растворимым или  жидким стеклом. Силикаты натрия и калия входят в состав силикатного клея.

Силикаты – это, как правило, твердые и тугоплавкие вещества. Чтобы расплавить, их нужно нагреть до температур от 1000 до 2000 градусов Цельсия. Они не разлагаются под действием кислот и обычно не растворяются в воде.

Природные силикаты – минералы, такие как глина, асбест, слюда, роговая обманка, титанит, турмалин, гранат.

Наиболее распространенными являются кварц и группа полевых шпатов. Стекло, цемент, керамика, плавленые флюсы, кирпичи тоже являются силикатами, но характеризуются искусственным происхождением. Их изготавливают на основе глины, кварцевого песка, известняка, соды и других веществ, подвергая их различным способам обработки.

Алюмосиликаты, со­ли алю­мок­рем­ние­вых ки­слот, к ко­то­рым в при­ро­де отно­сит­ся боль­шая груп­па ми­не­ра­лов клас­са си­ли­ка­тов. В кри­стал­лич. струк­ту­ре А. ато­мы алю­ми­ния, по­доб­но ато­мам крем­ния, ок­ру­же­ны че­тырь­мя ато­ма­ми ки­сло­ро­да (тет­ра­эд­ри­че­ская ко­ор­ди­на­ция) и вхо­дят в со­став ани­он­ной час­ти.

Алюмосиликаты синтетические по­луча­ют для тех­нических це­лей из при­род­ных ок­си­дов алю­ми­ния Al₂O₃ и крем­ния SiO₂ и ок­си­дов со­от­вет­ст­вую­щих ме­тал­лов пу­тём спе­ка­ния или сплав­ле­ния, а так­же гид­ро­тер­маль­ным син­те­зом (в ав­то­кла­вах в пе­ре­гре­тых вод­ных рас­тво­рах под дав­ле­ни­ем).

Син­те­тические алюмосиликаты об­ла­да­ют вы­со­кой ме­ха­нической проч­но­стью, ог­не­упор­но­стью, стой­ко­стью к дей­ст­вию ки­слот и ще­ло­чей, а так­же окис­ли­те­лей и вос­ста­но­ви­те­лей, в том числе при вы­со­ких температурах.

Примером искусственного силикатного материала является портландцемент, один из наиболее распространенных видов минеральных вяжущих веществ. Цемент используется для связывания строительных деталей при получении массивных строительных блоков, плит, труб и кирпича. Цемент является основой таких широко применяемых строительных материалов, как бетон, шлакобетон, железобетон.

Его вяжущие свойства обусловлены способностью цементных минералов взаимодействовать с H2O и SiO2 и при этом затвердевать, образуя прочную камневидную структуру. При схватывании цемента происходят сложные процессы: гидратация минералов с образованием гидросиликатов и гидроалюминатов, гидролиз, образование коллоидных растворов и их кристаллизация. Исследования процессов твердения цементного раствора и минералов цементного клинкера сыграли большую роль в становлении науки о силикатах и их технологии.

Керамика. Кирпич, кафель, глиняная, фаянсовая посуда, осколки древнегреческой амфоры — все это керамика (от греческого «керамон» — глина). Сырьем для производства керамических изделий являются глина и минеральные добавки. Глина состоит из мельчайших кристаллов минерала каолинита Аl₂О₃ • 2SiO₂ • 2НО₂. Процесс изготовления керамики сводится к следующему: подготовка сырья, формовка, сушка, обжиг. При подготовке сырья глину смешивают с водой. При этом образуется тестообразная масса, способная сохранять приданную ей форму. После сушки и обжига изделие приобретает камневидное состояние. Керамическое производство развивается в трех направлениях: строительная керамика, керамика для быта, техническая керамика.

Стекло. Состав обычного оконного стекла выражается формулой Na₂O • CaO • 6SiO₂. Стекло получают в специальных печах спеканием соды, известняка и белого песка. Схематично химизм процесса можно показать таким образом:

SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂↑

SiO₂ + CaCO₃ = CaSiO₃ + CO₂↑

Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 4SiO₂ = Na₂O • CaO • 6SiO₂

Стекло открыто очень давно. Еще в IV тысячелетии до н. э. в некоторых странах Востока умели выплавлять стекло. Это твердый аморфный хрупкий прозрачный материал. Переход из жидкого состояния в твердое происходит постепенно, это дает возможность прокатывать стеклянную массу в листы, выдувать из нее различные изделия, получать нити, листовое стекло.

Стекла могут быть различными по составу. Если заменить соду на поташ К₂СО₃, получают специальное тугоплавкое стекло, которое идет на изготовление химической посуды. Если же заменить известняк на оксид свинца (II) РbО, а соду на поташ, то получится хрусталь — стекло с высоким коэффициентом преломления. Добавляя в стеклообразную массу различные оксиды, можно придавать стеклу различную окраску: оксид кобальта (II) СоО — синюю, оксид хрома (III) Сr₂O₃ — ярко-зеленую, оксид марганца (IV) МnO₂ — красновато-лиловую и т. д.

Цемент. Сырьем для производства цемента являются глина и известняк. При их спекании происходит разложение известняка и образование силикатов и алюминатов кальция. Полученную массу (клинкер) перемалывают в зеленовато-серый порошок — портландцемент. При смешивании цемента с водой образуется тестообразная масса, которая со временем затвердевает. Происходит «схватывание» цемента.