Химия кремния. Учебное пособие для СПО

4.2. СИЛИКАТЫ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

Треть всех минералов приходится на природные силикаты, у большинства которых состав весьма сложный – они включают несколько различных катионов помимо

Si и O.

Множество щелочных силикатов описывается в литературе. К ним относятся:

1.Na4SiO4 – ортосиликат натрия (2Na2O · SiO2).

2.K4SiO4 – ортосиликат калия (2K2O · SiO2).

3.Na2SiO3 – метасиликат натрия (Na2O · SiO2).

4.K2SiO3 – метасиликат калия (K2O · SiO2).

5.Na2Si2O5 – дисиликат натрия (Na2O · 2SiO2).

6.K2Si2O5 – дисиликат калия (K2O · 2SiO2).

Кроме того, к данным силикатам некоторые ученые относят и трисиликат натрия –

Na2O · 3SiO2.

Силикат натрия (натрий метасиликат) имеет формулу Na2SiO3. Молярная масса метасиликата составляет 122,06 г/моль, а плотность – 2,4 г/см3. Метасиликат плавится при температуре 1089 °C, а показатель преломления составляет 1,52. Метасиликат представляет собой непрозрачные кристаллы белого цвета с зеленоватым оттенком. Он растворяется в воде (но не в спирте), и сохраняет стабильность в щелочной и нейтральной среде. В кислой среде происходит реакция катионов Н+ с анионом SiO3, в результате чего образуется кремниевая кислота.

Образование силиката натрия в результате взаимодействия щелочи и кремния:

Si + H2O + 2NaOH → Na2SiO3 + 2H2

Твердый кристаллический метасиликат натрия (Na2SiO3) получают с помощью сплавления диоксида кремния и соды, берущихся в жидком состоянии или в эквимолярных количествах:

Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2↑

Или с помощью растворения жидкого диоксида кремния в растворе гидроксида:

2NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2O

Метасиликат натрия плавится при температуре 1089 °C и в его составе находятся 49,2 % SiO2 и 50,8 % Na2O. В воде метасиликат натрия растворяется хуже ортосиликата, в горячей воде процесс происходит быстрее. Кристаллический кремнезем в измельченном виде либо аморфный растворяется в расплавленном силикате натрия.

При сплавлении в эквимолярных количествах диоксида кремния с карбонатом калия (поташом) при температуре, достигающей 1100 °C, получают метасиликат калия (K2SiO3). Его кристаллы весьма гигроскопичны, отлично растворяются в воде.

Дисиликат натрия (Na2Si2O5) получается при сплавлении диоксида кремния и соды в эквимолярных количествах. В результате образуется стекловидный сплав. При медленном остывании образуются кристаллы (в форме иголок и пластинок). Дисиликат натрия растворяется в воде хуже метасиликата: происходит его разложение и выделяется аморфный кремнезем. Температура плавления дисиликата натрия составляет 874 °C. При нагревании аморфный кремнезем растворяется в дисиликате натрия, при этом происходит

31

образование твердых растворов. В составе дисиликата натрия находятся 34,0 % Na2O и

66,0 % SiO2.

При сплавлении диоксида кремния с поташом получается дисиликат калия (K2Si2O5), кристаллы которого обладают гигроскопичностью и хорошей растворимостью в воде. При высоких температурах происходит сплавление дисиликата калия с NaOH, КОН, SiO2 (в произвольном количестве), при этом получаются твердые растворы.

Наибольшее содержание щелочного основания находится в щелочном ортосиликате натрия (Na4SiO4): в его составе находятся 32,6 % SiО2 и 67,4 % Na2О. У ортосиликата натрия отсутствует вкус, он не токсичен, отлично растворим в воде, кислотах и спиртах. При нагревании происходит гидролиз):

Na2SiO4 + H2O → Na2SiO3 + 2NaOH

Ортосиликат плавится при температуре 1118 °C.

Получают ортосиликат натрия несколькими способами, например, в растворе едкого натра растворяется аморфный кремний:

Si + 4NaOH → Na4SiO4 + 2H2↑

Или при соединении концентрированного раствора карбоната натрия с аморфным оксидом кремния:

SiO2 + 2Na2CO3 → Na4SiO4 + 2CO2↑

При сплавлении карбоната калия с хорошо измельченным кремнеземом получается ортосиликат калия (K4SiO4), который отлично растворим в воде и гигроскопичен.

При сплавлении диоксида кремния и соды при температуре 1450 °C получается трисиликат натрия (Na2Si3O7):

Na2CO3 + 3SiO2 → Na2O · 3SiO2 + CO2↑

Трисиликат натрия стекловиден и хуже растворяется в воде, в отличие от стекловидных дисиликатов и метасиликатов натрия.

Стекловидный тетрасиликат натрия (Na2Si4O9) получается двумя способами:

1.При помощи сплавления при температуре около 500–600 °C кремнезема с карбонатом калия.

2.С небольшим количеством воды нагревается калийное силикатное стекло, благодаря чему происходит разложение последнего.

Щелочные гидросиликаты

Гидрометасиликаты натрия образуются при помощи гидроксида натрия NaOH, в котором растворяется диоксид кремния SiO2 (оба вещества берутся в эвимолекулярных количествах). Концентрация растворов постоянно поддерживается, формируя кристаллы. В процессе перекристаллизации после высушивания полученных кристаллов в гидроксиде натрия получаются кристаллические гидрометосиликаты натрия, в составе которых находится цеолитная (гидратная) вода:

1.Na2SiO3 · H2O – одноводный.

2.Na2SiO3 · 2,5H2O – двухполовиноводный.

3.Na2SiO3 · 3H2O – трехводный.

4.Na2SiO3 · 4H2O – четырехводный.

5.Na2SiO3 · 5H2O – пятиводный.

6.Na2SiO3 · 6H2O – шестиводный.

32

7.Na2SiO3 · 7H2O – семиводный.

8.Na2SiO3 · 8H2O – восьмиводный.

9.Na2SiO3 · 9H2O – девятиводный.

10.Na2SiO3 · 10H2O – десятиводный.

11.Na2SiO3 · 12H2O – двенадцативодный.

14.Na2SiO3 · 14H2O – четырнадцативодный.

По некоторым данным гидродисиликаты натрия бывают в виде гидросиликата

натрия (полуводного) – Na2Si2O5 · 0,5H2O, трехводного – Na2Si2O5 · 3H2O и девятиводного – Na2Si2O5 · 9H2O.

Гидротетрасиликат натрия получается при помощи эфира, которым продолжительное время обрабатывают водный раствор двенадцативодного тетрасиликата натрия (Na2Si4O9 · 12H2O).

Гидрополисиликаты натрия имеют следующий состав:

Na2О · 18SiO2 · 4H2O

Гидросиликаты калия получаются в следующем виде: K2SiO3 · 2H2O; K2Si2O5 · 2H2O; K2Si4O9 · H2O; K2Si6O13 · H2O; K2Si8O17 · H2O.

В основном в технике используется растворимое стекло, в котором SiO2 к R2O равняется 1–4.

Жидким стеклом называется вязкая сиропообразная жидкость водного раствора щелочных силикатов, имеющих следующий состав:

R2O · nSiO2 · H2O.

Растворы щелочных силикатов по свойствам схожи с растворами диоксида кремния.

Силикаты калия находят свое применение аналогично силикатам натрия.

Силикат марганца (MnSiO3) представляет собой нерастворимый в воде порошок оранжевого цвета, который используется, чтобы окрашивать керамику, сушить краски или лаки.

Осажденные силикаты кальция образуются из силикатов калия или натрия в форме порошка белого цвета. С их помощью делают зубные цементы и огнестойкие глины.

Силикаты бария используются при производстве оптического стекла или оксида бария. Представляют собой белые порошки.

Силикаты свинца выглядят как белые стекловидные массы или порошки. Находят свое применение в качестве глазури для керамики.

Силикат цезия (в виде желтого порошка) применяется в керамике, силикат алюминия используется при производстве огнеупорных материалов и фарфора, силикатом цинка покрывают флуоресцентные трубки.

Силикаты натрия применяются для изготовления силикатных мыл, как огнестойкие материалы, в качестве искусственных камней или замазок, для изготовления моющих средств и т.д.

Силикаты натрия существуют в виде концентрированных водных растворов, называемых жидким (растворимым) стеклом. Вместе с Na2SiO3 в жидком стекле находятся другие силикаты натрия. Из-за этой особенности можно записать только приблизительную формулу растворимого стекла: Na2O · nSiO2 (n = 2÷4).

33

Водные растворы жидкого стекла нужны для получения кислотоупорных цементов, холодных глазурей и силикатных красок. С помощью растворимого стекла укрепляются грунты, пропитываются автодороги и изделия из тканей или дерева. Данное вещество находит свое применение в обойной и бумажной промышленности.

4.3. СИЛИКАТЫ ЩЕЛОЧНО-ЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Силикаты, в составе которых находятся ионы Ca и Mg являются самыми распространенными силикатами щелочно-земельных металлов. Тетраэдр [SiO4]4-,

который получился при sp3-гибридизации валентных электронов кремния, является основой силикатной структуры.

Водные силикаты образуются при помощи магния на поверхности планеты. Например, серпентин 3MgO2SiO22H2O.

Форстерит (Mg2SiO4) является силикатом натрия, который образует изоморфный ряд с фаялитом под названием оливин. Форстерит – это минерал породообразующий ультраосновных пород магматического происхождения. Он может находиться в термально метаморфизованных доломитах, мраморах или магнезиальных скарнах. Входит в реакцию с кварцем, при этом образуется энстатит:

Mg2SiO4 + SiO2 → 2MgSiO3

Полиморфных модификаций форстерит не имеет. Это весьма редкий минерал, но способы его получения разнообразны. В основном его получают при помощи оксида магния и талька (самых чистых разновидностей). Образование форстерита происходит в несколько стадий. Сначала обжигают тальк, в результате чего получают некоторое количество SiO2 и метасиликат Mg:

3MgO · 4SiO2 · H2O → 3(Mg · SiO2) + SiO2 + H2O

Полученный метасиликат при нагревании взаимодействует с оксидом магния, введенным в реакцию, благодаря чему происходит образование форстерита:

3(MgO · SiO2) + 3MgO → 3(2MgO · SiO2)

При разложении талька SiO2 освобождается и вступает в реакцию с MgO, что тоже способствует образованию форстерита:

SiO2 + 2MgO → 2MgO · SiO2

В результате этих реакций получаем:

3MgO · 4SiO2 · H2O + 5MgO → 4(2MgO · SiO2) + H2O

Получение форстерита данным способом происходит при смешивании тонко измельченных порошков (тальк обжигается при температуре 1100–1300 °C).

Метасиликат магния (MgSiO3) является неорганическим соединением метакремниевой кислоты и соли магния. Вещество представляет собой белые пластинчатые кристаллы либо тонкодисперсный порошок белого цвета.

Метасиликат магния относится к группе модификации: энстатит, клиноэстатит и протоэнстатит. Главными различиями модификаций являются строение кристаллических решеток и плотность. Тетраэдры [SiO4]4-, соединенные в кремнекислородные цепочки, являются основой решеток.

Низкотемпературная форма – энстатит – становится высокотемпературным протоэнстатитом при нагревании, при этом минуя форму клиноэнстатита. Этот процесс

34

необратим и происходит при температуре от 1100 до 1260 °C. Охлаждаясь, протоэнстатит переходит в клиноэнстатит (при температуре 800–1000 °C реакция замедляется). При неполном переходе в клиноэстатит процесс через продолжительное время способен вызвать в изделии объемные изменения до 6 %.

Силикаты магния высоко ценятся в производстве форстеритовых, оливиновых, тальковых и др. керамических и магнезиальных материалов.

Гидросиликаты магния весьма распространены в природе. Самыми важными веществами группы являются: тальк, серпентин (асбест и хризотил).

Всоставе серпентина (3MgO · 2SiO2 · 2H2O) находятся оксиды никеля, марганца, железа, которые замещают оксид магния изоморфно. В природе образование серпантина происходит в процессе метаморфизма пироксеновых и оливиновых пород, испытывающих воздействие растворов кремниевой либо угольной кислоты.

2[2(Mg,Fe)O · SiO2] + 2H2O + CO2 → → 3(Mg,Fe)O · 2SiO2 · 2H2O + MgCO3

Впроцессе гидротермальной обработки карбоната магния (при температуре 375– 400 °C) образуется хризотил. Если температура возрастает до 600 °C, из диоксида кремния

ифорстерита возможно получение серпентина. Волокна хризотила имеют трубчатое строение, его кристаллические агрегаты (параллельно-волокнистые) носят название хризотилового асбеста. Волокнистое строение хризотилового асбеста объясняется тем, что в его составе имеются кремнекислородные пояса [Si4O11]6-. Каждый пояс имеет в своем составе полосу с катионами Mg2+, координационное число которого равняется 6. Удаление воды начинается в процессе нагревания серпентина при 400 °C и кончается при

770 °C, когда происходит разрушение решетки. Если температура поднимается выше 770 °C, происходит образования оливина (форстерита) и кристобалита. Образование метасиликата магния (MgSiO3) происходит при температуре от 1000 до 1100 °C (кристобалит исчезает), при температуре выше 1500 °C образуется расплав. Формулу конечной реакции нагревания серпентина можно представить следующим образом:

3MgO · 2SiO2 · 2H2O → 2MgO · SiO2 + MgO · SiO2 +2H2O

Из данной группы минералов асбест получил самое широкое применение. Он является звуко-, тепло- и электроизолятором и отличается устойчивостью к щелочам и кислотам.

С помощью длинноволокнистого асбеста производят брезенты, огнестойкие костюмы и асбестоцементные изделия: газовые трубы, водонапорные трубы, кровельные листы.

Термоизоляционные материалы изготовляют из коротковолокнистого асбеста. Тальк входит в группу гидросиликатов магния и имеет слоистую кристаллическую

решетку, плоские сетки которой состоят из тетраэдров [SiO4]4-. Формула талька пишется следующим образом:

3MgO · 4SiO2 · H2O

Тальк образуется при помощи гидротермального синтеза под давлением вместе с серпентином при температуре 325 °C. В природе тальк представляет собой жирные массы, которые образуются под воздействием воды и диоксида углерода из пироксенов. Его модификациями являются жировик, стеатит и т.д.

35

В керамическом производстве тальк стал главным сырьем для получения стеатитовых масс.

Силикат кальция относится к группе кислотных солей и является неорганическим соединением, встречающимся в природе и возникающем благодаря метакремниевой кислоте и кальцию, которые вступают в химическую реакцию. Данный процесс происходит в природе, в результате чего получаются минералы, служащие материалом для получения нужного вещества. Также есть способы создать аналог силиката кальция в лабораторных условиях.

Силикат кальция представляет собой мелкодисперсный порошок белого цвета, у которого отсутствуют хорошо выраженные вкус и запах. Он обладает высоким уровнем гигроскопичности, отлично поглощая и удерживая в себе воду.

Силикаты кальция нужны для производства доломитовых огнеупоров, цементов

и т.п.

Ортосиликат кальция (двухкальциевый силикат – Ca2SiO4) в природе существует в виде ларнита – весьма редкого минерала – β-форма. При любой температуре у β-формы свободная энергия больше, чем у γ-формы (этим же свойством отличается и α-форма, когда ее температура падает ниже 850 °C. Из-за этого обе формы самостоятельно переходят в γ-форму (2CaO · SiO2). Когда расплав остывает, кристаллизуется α-форма (2CaO · SiO2) при температуре 2130 °C, а когда температура доходит до 1450 °C, α-форма стабилизируется (это состояние возможно при температуре от 1450 до 850 °C). Для того чтобы получить γ-форму, нужно добиться изменения кристаллической решетки при охлаждении до 675 °C, что способствует видоизменению α-формы в β-форму. В свою очередь, β-форма переходит в γ-форму при температуре ниже 675 °C:

α - 2CaO · SiO2 → α - 2CaO · SiO2 → β - 2CaO · SiO2 → γ - 2CaO · SiO2

β- и γ-формы двухкальциевого силиката являются главными для технологии вяжущих. При переходе β-формы в γ-форму происходит увеличение объема на 12 % и саморассыпание. Можно замедлить переход при помощи повышения давления, что объясняет, почему в природе не существует γ-форма (образование породы проходит под давлением).

Соединение, в котором концентрация извести самая высокая, называется трехкальциевый силикат (3CaO · SiO2). В портландцементном клинкере (цементное сырье - известняк и глину - обжигают до его спекания в твердые гранулы) данный силикат является важнейшим минеральным компонентом. Оксид кальция вступает в реакцию с диоксидом кальция и глиноземом, в результате чего при температуре 1200 до 1250 °C происходит образование двухкальциевого силиката, трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита.

Получившиеся вещества при температуре выше 1300 °C расплавляются и образуют трехкальциевый силикат. Он теряет стабильность и распадается при температуре от 1100 до 1250 °C на CaO и 2CaO · SiO2. Чтобы этого не произошло, клинкер подвергается резкому охлаждению. При этом заканчивается процесс запекания, и образуются гранулы зелено-серого цвета.

Главные продукты твердения вяжущих веществ – гидросиликаты кальция.

36

Минеральные вяжущие вещества – это порошкообразные тонкодисперсные вещества, которые получаются искусственным путем, образуют при помощи воды массу, окаменевающую вследствие физико-химических процессов. Эта особенность применяется для получения изделий и материалов без обжига. Широко распространены на производстве по изготовлению бетонов, строительных растворов и проч.

Силикат магния и трисиликат магния (пищевой эмульгатор Е553а) относятся к веществам, отличающимся эмульгирующими свойствами. Добавка применяется как актикомкователь, носитель при изготовлении пищевых и непищевых товаров и активный актиадгезив.

Эмульгатор Е553а не растворяется в воде или спирте, запах отсутствует, вкус выражен не ярко.

Силикат и трисиликат магния в природе находится в составах следующих минералов: протоэнстатит, энстатит, стеатит (жировик) и клиноэнстатит.

Эмульгатор Е553а получают в процессе кристаллизации при нагревании силикатных (оксидных) неорганических стекол при температуре, варьирующейся от 1000

до 1100 °C.

Силикат и трисиликат магния применяется в производстве сахара, молока, сухих сливок и т.п. Эмульгатор добавляется в пищевые товары, упаковывающиеся в фольгу, в сыры (твердые и нарезные) и сырные продукты, в соль, пряности и т.д.

Косметическая промышленность использует добавку Е553а для производства теней для век, пудры или румян. В составе присыпок эмульгатор применяется в медицине.

Ортосиликат, получаемый из кальциооливина и шенноита, в ходе химических реакций создает прочные соединения и применяется чаще всего в химической промышленности.

Пиросиликат добывается из ранкинита, который располагается в горах, в областях вулканических извержений и используется при создании строительных материалов, например, цементных смесей.

Боросиликат является естественной (природной) формой силиката кальция, в составе которой находится примесь бора. Боросиликат характеризуется высокой твердостью и прочностью, благодаря чему применяется в ювелирной промышленности: с его помощью ограняют полудрагоценные и драгоценные камни.

Метасиликат – вещество без примесей, в естественной среде представленное минералом волластонитом. С помощью метасиликата производится эмульгатор Е552 (силикат кальция).

Е552 применяется в фармацевтической, химической и пищевой отраслях. Пищевая добавка не дает слипаться и комковаться частицам сыпучих продуктов, а краскам и эмульсиям она придает равномерность и гладкость.

Силикат кальция – это неорганическое соединение, относящееся к группе солей, получаемых при взаимодействии кальция, метакремниевой кислоты или щелочноземельного металла. Это порошкообразное вещество белого цвета, у которого нет вкуса и запаха. Е552 относится к соединениям, которые находятся в природе, что является его особенностью – эмульгатор находится в земной коре и входит в состав трети изученных минералов, например: слюда, полевой шпат, глинистые минералы.

37

Цемент – порошок зеленовато-серого цвета, который состоит из алюминатов кальция и разных силикатов. За счет процесса гидратации цемент, смешиваясь с водой, затвердевает. Для изготовления портландцемента (силикатного цемента) используют портландцементный клинкет, который измельчают, при этом иногда добавляют гипсовый камень (2–5 %), чтобы регулировать сроки затвердевания портландемента. Название портландцемента зависит от состава минералов, входящих в портландцементный клинкер.

Если содержание трехкальциевого силиката (алит) превышает 56 %, то цемент носит название алитовый. Если в составе двухкальциевый силикат (белит) превышает 38 %, то такой цемент называется белитовый.

Алит является важнейшим компонентом, который влияет на скорость затвердевания и прочность цемента.

Белит под действием воды на начальных этапах затвердевает медленно и его прочность при этом не высока. Но через несколько лет прочность увеличивается, благодаря процессу гидратации, который распространяется в цементные зерна.

Затвердевание цемента называется схватыванием и происходит несколько часов. Состав цемента выражается с помощью процентного соотношения компонентов

СаО, SiO2, Al2O3, Fe2O3, в котором СаО является основанием, а другие компоненты – ангидридами кислот. Состав портландцемента складывается из: Са3SiO5, Ca2SiO4, Ca3(AlO3)2 и Ca(FeO2)2.

Когда портландцемент смешивается с водой, на первом этапе клинкерные минералы с поверхности цементных зерен растворяются. Минералы взаимодействуют с водой, и образуется раствор. Растворение минералов заканчивается при достижении насыщения, но реакции воды и клинкера не прекращаются.

Процесс присоединения к клинкерным минералам воды носит название реакции гидратации, процесс разложения данных минералов с помощью воды называется реакцией гидролиза.

На втором этапе происходят реакции гидратации, в результате чего образуются гидратные соединения, характеризующиеся коллоидным состоянием. Вязкость цементного теста возрастает.

На третьем этапе начинаются процессы растворения мелких частиц и рост более крупных кристаллов (процесс перекристаллизации). При этом цементная смесь затвердевает и образуется прочный цементный камень.

Схватывание цемента происходит следующим образом:

Са3SiO5 + 3Н2О → Ca2SiO4 · 2Н2О + Са(ОН)2 Ca2SiO4 + 2Н2О → Ca2SiO4 · 2Н2О Ca3(AlO3)2 + 6Н2О → Ca3(AlO3)2 · 6Н2О Ca(FeO2)2 + nH2O → Ca(FeO2)2 · nH2O

В результате цемент затвердевает и образуется цементный камень. При минусовых температурах или сухой среде схватывание цементного камня тормозится, и прочность расти перестает. Для ускорения схватывания есть специальные ускорители, добавляющиеся в количестве 1–2 % в зависимости от массы цемента: хлористый натрий либо хлористый кальций.

38

4.4. СИЛИКАТЫ КАЛЬЦИЯ

Силикат кальция – неорганическое соединение, состоящее из метакремниевой кислоты и соли кальция, в виде мелких, прозрачных кристаллов. Содержание в земной коре составляет около 75 %. В природе в чистом виде встречается в виде минерала волластонит, а также в минералах - полевых шпатах, слюдах и глинистых минералах.

Имеет полиморфные модификации:

-высокотемпературная ( выше 1125 ºС) α-модификация;

-низкотемпературная β-модификация (минерал волластонит). Температура плавления силиката кальция составляет 1540 °C.

Известно большое число силикатов кальция: метасиликат или просто силикат

кальция (CaSiO3), пиросиликат кальция (Ca3Si2O7), ортосиликат кальция (Ca2SiO4), а также примерно три десятка гидросиликатов кальция, например, алит (3CaO•SiO2), белит

(2CaO•SiO2).

Вещество непластично, не деформируется, плохо поддается полировке и легко окрашивается. Силикаты кальция представляют собой тугоплавкие соединения, которые выдерживают воздействие температуры 1300 ºС, способствуя расплавлению других соединений и растворяясь в плаве.

Получение кальциевых силикатов

1.При обменной реакции между силикатами щелочных металлов и растворимыми солями кальция:

CaCl2 + NaSiO3 → CaSiO3↓ + 2NaCl

2.В промышленности получают при сплавлении кремнезема и карбоната кальция при температуре 950–1500 ºС:

CaCO3 + SiO3 → CaSiO3↓ + CO2↑

Химические свойства силикатов кальция Кальциевые силикаты являются устойчивым соединением, таким образом,

реакция окисления кремния почти необратима.

Способны разрушаться лишь сильными кислотами:

CaSiO3 + HCl → CaCl2 + H2SiO3

Силикаты кальция имеют большое практическое значение. Кальциевые силикаты имеют свойства наполнителей в производстве красок, лаков, бумаги и резины. Так, силикат кальция используется в качестве белого наполнителя для производства резин, повышая их теплостойкость, прочность и устойчивость к растворителям. Также они способны образовывать стеклообразную твердую накипь, пристающую к нагреваемым стенкам емкости и имеющую высокие теплоизоляционные свойства.

Силикаты кальция представляют основной компонент бетонов, цементов, шлаков, огнеупоров. Применяются также в изготовлении стекла, керамики, вяжущих материалов, эмали, глазури. В промышленности добавка Е552 выступает как твердое смазочное вещество, носитель катализаторов и адсорбента.

Силикат кальция используется в пищевой промышленности в виде добавки Е552, препятствующей комкованию и слеживанию. Его добавляют в продукты, упаковываемые в фольгу, в сыпучие продукты (сахар, соль и их заменители), в пряности, а кроме того, в сыры, сырные продукты и сахаристые изделия. Кроме того, широко применяется при

39

изготовлении таблетированных продуктов и биодобавок. Вводится как разделитель и агент в продукты при изготовлении сухого молока, хлебопекарных улучшителей, сахара, соли и пряностей. В косметике и фармацевтике кальциевые силикаты используются при производстве пудры и присыпок.

4.5. СИЛИКАТЫ И ГИДРОСИЛИКАТЫ АЛЮМИНИЯ

Основой структуры всех силикатов является тетраэдр [SiO4]4-, сформированный при sp3 гибридизации валентных электронов кремния. Ион кремния тетраэдрически окружается ионами кислорода. Друг с другом тетраэдры соединены общими атомами кислорода. Так как у тетраэдра четыре вершины, то общими могут быть 1–4 атома кислорода. Их разнообразные сочетания обуславливают многообразие структур силикатов.

Воснову классификации силикатов ложатся различные способы соединения тетраэдров в кристаллической решетке. Таким образом, выделяются следующие виды силикатов: островные с изолированными тетраэдрами, цепочечные, каркасные, ленточные, с радикалами конечных размеров, слоистые.

Катион алюминия может иметь четверную или шестерную координацию, что позволяет ему присутствовать в структуре силикатов, в качестве октаэдров [AlO6]9-.

Вбольшинстве случаев алюминий может замещать кремний лишь частично, и такие силикаты носят название алюмосиликатов, а соединения, где кремний не замещается, называются силикатами алюминия.

У силикатов обширно распространено явление изоморфизм, заключающийся в способности веществ неодинакового химического состава формировать одинаковые кристаллические структуры.

Островные силикаты образуют в большинстве кристаллы с четко выраженными гранями, окраска их обуславливается наличием железа, марганца, хрома и титана в составе молекулы. В зависимости от соотношения двух- и трехвалентного железа образуются коричневые (титанит, андрадит) либо зеленые (эпидот, гроссуляр) кристаллы. Редко можно встретить белые, бесцветные островные силикаты (топаз, гроссуляр и т.п., чистые химически). Островные силикаты дают твердые кристаллы. В природе распространены в виде минералов оливина.

Кольцевые силикаты включают небольшое количество редко встречающихся в природе минералов, например, турмалин и берилл.

Цепочечные и ленточные силикаты представлены пироксенами (цепочечными) и амфиболами (ленточными). По своим свойствам аналогичны друг другу. В природе наиболее распространены магнезиальные пироксены и амфиболы.

Каркасные силикаты представляют собой обширно распространенные и важные породообразующие минералы. С химической точки зрения представляют собой алюмосиликаты. Окраска их обуславливается наличием катионов магния, марганца, железа, алюминия. При отсутствии катионов окраска минералов светлая. По своей твердости уступают лишь островным силикатам. К ним относятся минералы цеолиты, которые содержат слабо удерживаемые молекулы воды, а также способны обмениваться

40