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

Углекислому газу CO2 соответствует угольная кислота H2CO3. Это 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

Углекислый газ в воде находится преимущественно в виде гидратированных молекул CO2 и лишь в незначительной степени в форме угольной кислоты. При этом в растворе устанавливается равновесие:

(г) (раствор)CO2(г)+H2O↔CO2⋅H2O (раствор)↔H2CO3↔H++HCO3−↔2H++CO32−

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

H2CO3 - слабая двухосновная кислота, которая мало диссоциирует в две стадии,

(гидрокарбонат-ион)H2CO3↔H++HCO3−(гидрокарбонат-ион)

(карбонат-ион)HCO3−↔H++CO32−(карбонат-ион)

Среда кислая и индикаторы принимают соответствующую окраску: - лакмус краснеет в водном растворе; метилоранж - розовеет; фенолфталеин - не используется для определения кислой среды (остается бесцветным) СОЛИ УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ - КАРБОНАТЫ И ГИДРОКАРБОНАТЫ

Угольная кислота, являясь двухосновной образует два типа солей – карбонаты и гидрокарбонаты. В воде растворимы гидрокарбонаты, также средние карбонаты щелочных металлов и аммония. Карбонаты магния и щелочноземельных металлов, особенно кальция, широко распространены в природе, образуя карбонатные горные породы. Из них состоят кораллы, жемчуг и панцири некоторых простейших.

Вода, насыщенная углекислым газом, медленно растворяет их, образуя растворимые гидрокарбонаты, известные лишь в растворах:

CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2

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. ТРИВИАЛЬНЫЕ НАЗВАНИЯ СОЛЕЙ УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ

1. Na2CO3 кальцинированная (техническая, стиральная) сода

2. Na2CO3⋅10H2O – кристаллическая сода

3. NaHCO3 питьевая (пищевая) сода

4. K2CO3 поташ

5. CaCO3 мел, мрамор, известняк

6. MgCO3 доломит

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЛЕЙ 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

Взаимосвязь между карбонатами и гидрокарбонатами отражается уравнениями:

Me(HCO3)n+Me(OH)n→MeCO3+nH2O

Me(HCO3)n→t,∘CMeCO3↓+nH2O+CO2↑

MeCO3+H2O+CO2→Me(HCO3)n

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

Временная жесткость воды и способы ее устранения. Так как кальций широко распространен в природе, его соли в большом количестве содержатся в природных водах. Вода, имеющая в своем составе соли магния и кальция, называется жесткой водой. Если соли присутствуют в воде в небольших количествах или отсутствуют, то вода называется мягкой. 1) карбонатную жесткость (временную), которая вызывается наличием гидрокарбонатов кальция и магния и устраняется с помощью кипячения; 2) некарбонатную жесткость (постоянную), которая вызывается присутствием в воде сульфитов и хлоридов кальция и магния, которые при кипячении не удаляются, поэтому она называется постоянной жесткостью. Методы устранения Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи:

Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2 + H2O

Кипячение устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту. Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na2CO3 или гашёной извести Ca(OH)2. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Например, добавление гашёной извести приводит к переводу солей кальция в нерастворимый карбонат:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O

Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %. Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости. Полностью очистить воду от солей жёсткости можно дистилляцией. Дистилляция (лат. distillatio — стекание каплями) — перегонка, испарение жидкости с последующим охлаждением иконденсацией паров.

Карбонатное равновесие в природе.

Создатель учения о природных водах академик В.И.Вернадский неоднократно подчеркивал, что в природе устанавливаются довольно подвижные равновесия между природными водами, газами и твердыми телами.Из числа равновесий, которые устанавливаются в природных водах, важнейшим является карбонатно-кальциевое. Основными его компонентами являются: СО2, Н2СО3, НСО3-, СО32-, Са2+, Н+. Карбонатная система в водоемах и водотоках имеет исключительно важное значение, во-первых, для протекающих в них физико-химических, биологических и других процессов. Во-вторых, состоянием карбонатно-кальциевого равновесия определяются условия растворения или осаждения карбонатов, в частности, СаСО3. В-третьих, изучение равновесия имеет большое значение для практических целей, например, для характеристики воздействия воды на строительные сооружения из бетона. Как же возникает равновесие между указанными компонентами? Большая часть СО2 находится в воде в виде молекул растворенного газа и только около 1 % реагирует с водой, образуя угольную кислоту:

При растворении солей угольной кислоты, происходящей под действием СО2, в воде появляются ионы СО32- и НСО3-. Устанавливается подвижное равновесие:

От количественных соотношений между НСО3-, СО32- — ионами и СО2 зависит концентрация водородных ионов Н+. Содержание карбонатных ионов лимитируется концентрацией ионов Са2+, образующих с ионами СО32- труднорастворимый осадок СаСО3, растворимость которого определяется произведением активностей:

Другим важным компонентом карбонатно-кальциевого равновесия, влияющим на его состояние, является оксид углерода (IV) (Н2СО3 + СО2). Изменение содержания диоксида углерода в воде вызывает сдвиг равновесия в ту или иную сторону. Таким образом, карбонатно-кальциевая система включает в себя ряд равновесий, составляющих общее подвижное равновесие. Каждое из отдельных равновесий с количественной стороны характеризуется соответствующей константой, определяющей соотношение между концентрациями компонентов при данных условиях. Изменение в одной части общего равновесия вызывает соответствующее изменение во всей цепи. Например, увеличение в воде СО2 понижает значения рН, уменьшает содержание СО32-, в силу чего вода становится ненасыщенной карбонатом кальция.

Согласно современным представлениям схема карбонатно-кальциевого равновесия имеет вид* (по Хорну Р.)

*Линия, соответствующая давлению, направлена по часовой стрелке, температуре — против часовой стрелки. В присутствии избытка СО2 в раствор переходят ионы НСО3- и СО32 — до установления нового равновесия между НСО3.

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.