Химия кремния. Учебное пособие для СПО

Схема взаимодействия HF и стекла следующая:

Na2CaSi6O14 + 28HF → 2NaF + CaF2↑ + 6SiF4↓ + 14H2O

Следующим уравнением можно записать процесс получения стекла:

6SiO2 + Na2CO3 + CaCO3 → Na2O · CaO · 6SiO2 +2CO2↑

После того, как загруженная смесь расплавляется в печи, ее в таком состоянии оставляют, пока все газы не удалятся. После этого расплав допускается до дальнейшего использования.

Довольно часто соду заменяют на более недорогую смесь угля и сульфата натрия. Уравнение реакции в этом случае записывается следующим образом:

Na2CO4 + С + CaCO3 + 6SiO2 →

→ Na2O · CaO · 6SiO2 + CO↑ + SO2↑ + CO2↑

Стекло (стеклообразное состояние) занимает промежуточное звено между кристаллическим и жидким состояниями. Форма у стекла упругая, что делает его похожим на твердые кристаллические тела. Так как в структуре стекла нет симметрии (изза чего стекло обладает изотропностью), а процессы плавления и затвердевания обратимы, то по этим свойствам стекло становится идентично жидкостям.

После рентгенографических исследований силикатного стекла было установлено, что в отличие от кристаллического состояния в стеклообразном нет полной упорядоченности отдельных элементов пространственной решетки, например, металлические ионы находятся в пустотах силикатной сетки без четкой последовательности. Из-за этого отдельные связи такой решетки по прочности различаются, благодаря чему стекло размягчается постепенно в процессе нагревания.

Стеклокристаллические материалы – ситаллы – получают при помощи частичной или полной управляемой кристаллизации неорганического стекла. Они отличаются кристаллическим строением от неорганического стекла и микрокристаллической однородной структурой от керамических материалов.

Ситаллы образуются благодаря плавлению специальной смеси с добавлением катализаторов (нуклеаторов), которая называется стекольной шихтой. Стекольную шихту расплавляют, затем охлаждают до пластического состояния и изготавливают из получившейся пластической массы изделия, применяя методы стекольной технологии. После чего изделия подвергают кристаллизации (ситаллизации). Также ситалловая продукция получается при помощи порошкового метода спекания.

У нуклеаторов есть кристаллическая решетка. Благодаря этому нуклеаторы могут образовывать кристаллизационные центры, которые способствуют равномерной кристаллизации всей стекольной массы.

Ситаллы делятся на три категории: термоситаллы, шлакоситаллы, фотоситаллы. Фотоситаллы производят из стекол литиевой системы, в которые добавлены коллоидные красители. При облучении стекла рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами происходит фотохимический процесс (внешне стекло не изменяется). При повторном нагревании происходит кристаллизация. Термоситаллы получают кристаллическую структуру в результате повторной термической обработки (изделия предварительно формируют). Ситаллы имеют многофазную структуру, которую составляют зерна

61

нескольких кристаллических фаз (или одной), скрепленные друг с другом с помощью стекловидной прослойки.

Как правило, размер кристаллов составляет 1–2 мкм, а содержание кристаллической фазы варьируется от 30 до 95 %. Ситаллы могут быть как непрозрачными (стеклофазы не больше 40 %), так и прозрачными. Шлакоситаллы образуются при помощи доменных шлаков и разных катализаторов (порошков железа, сульфатов), для усиления процесса кристаллизации добавляют соединения фтора. Структура и фазовый состав ситаллов определяют их свойства, а у простого стекла свойства определяет химический состав. Ситаллы обладают изотропными свойствами, их структура практически идеально поликристаллическая и мелкозернистая.

Свойства ситаллов Ситаллы характеризуются устойчивостью к щелочам и кислотам. Они не

подвергаются окислению даже под воздействием высоких температур. Ситаллы газонепроницаемы и не поглощают воду. При всем этом они являются хорошими диэлектриками. Ситаллы термостойки, а их твердость стремится к твердости, которой обладает закаленная сталь.

Применение

Из ситаллов производятся оболочки вакуумных приборов, детали для двигателей внутреннего сгорания и радиоэлектроники, трубы для химической промышленности и подшипники. Из ситаллов создают защитные покрытия, отличающиеся жаростойкостью, чтобы защитить металлы в условиях высоких температур. Из них могут производить сопла для реактивных двигателей или лопасти воздушных компрессоров. Ситаллы нашли свое применение в изготовлении абразивов для шлифования и текстильных машин.

62

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Атомы кремния являются основой глины, песка и скал. Земная кора в большинстве своем состоит из неорганических соединений кремния (примерно 28 %), что свидетельствует о связи неорганического мира с кремнием. Кремниевые минералы в природе находятся в базальтах, граните, меле, гнейсе, кальцитах. Кремний занимает второе место после кислорода по объему запасов в земной коре и составляет приблизительно одну треть всего ее веса. В коре земной оболочки каждый шестой атом – кремний. Геологами насчитывается около 200 разновидностей кварца, а минералов – в несколько раз больше.

Самые распространенные соединения кремния – диоксид кремния и производные кремниевых кислот (силикаты). Диоксид кремния в земной коре встречается в виде минерала кварца (кремнезем, кремень). Из силикатов в природе более всего распространены алюмосиликаты – каолин, асбест, ортоклаз и др. Если в минерале помимо оксидов алюминия и кремния находятся оксиды калия, натрия или кальция, но это полевой шпат (белая слюда). На долю полевых шпатов приходится примерно половина популярных в природе силикатов. В горных породах граните и гнейсе содержится кварц, слюда и полевой шпат. В морской воде кремния содержится больше, чем фосфора.

Асбест и слюда, в состав которых входит кремний, обладают уникальными свойствами и обширно используются человеком. Слюда – в деталях счетчиков заряженных частиц, нагревательных элементах, электрических конденсаторах. Асбест – как тепловой и электрический изолятор, также как строительный материал – асбоцемент.

Получаемое из кремния стекло также играет важную роль в жизни человека. За последние годы в России большими темпами развивается новая отрасль промышленности

– ситаллургия (термин, введенный А.И. Китайгородским). Это производство кристаллического стекла, сырьем для которого служат отходы металлургического производства – шлаки. Ситалл является стеклом со свойствами металла, способным выдерживать большие нагрузки.

Другие соединения кремния, например, карборунд, приносят не меньшую пользу в качестве абразивного материала. Разнообразные керамические изделия пользуются не меньшей популярностью, а также керамика используется в электро- и радиотехнике.

Так же как и углерод, кремний способен формировать длинные молекулярные цепи из своих атомов, так были получены силан и каучук (кремнийорганические соединения), обладающие повышенной теплостойкостью. Из силана изготавливаются силиконовые пленки.

Сверхочищенный кремний применяется как полупроводник, из него делаются солнечные фотоэлементы.

В организме человека кремний содержится в щитовидной железе, надпочечниках и гипофизе.

63

64

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Айлер Р. Химия кремнезема. В 2-х частях. / Р. Айлер. М. : Мир, 1982. – 416 с.

2.Аппен А.А. Химия стекла / А.А. Аппен. Л. : Химия, 1974. – 352 с.

3.Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия: учебник для вузов / Н.С. Ахметов.

М.: Академия, 2001. – 743 с.

4.Белостоцкая И.С. Химия кремния: учебное пособие / И.С. Белостоцкая. М. :

ИНФРА-М, 2008. – 64 с.

5.Будников П.П. Химическая технология керамики и огнеупоров: учебник для студентов химико-технологических специальностей вузов / П.П. Будников, Д.Н. Полубояринов. М. : Издательство литературы по строительству, 1972. – 553 с.

6.Глинка Л.Н. Общая химия: учебное пособие / Л.Н. Глинка. М. : КНОРУС, 2011. –

752 с.

7.Гузман И.Я. Химическая технология керамики: учебное пособие для вузов / И.Я. Гузман. М. : Стройматериалы, 2003. – 496 с.

8.Евстропьев К.С. Химия кремния и физическая химия силикатов: учебное пособие / К.С. Евстропьев, Н.А. Торопов. М. : Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1950. – 365 с.

9.Мышляева Л.В. Аналитическая химия кремния / Л.В. Мышляева, В.В. Краснощеков. М. : Наука, 1972. – 212 с.

10.Некрасов Б.В. Основы общей химии. В 2 т. / Б.В. Некрасов. М. : Химия, 1973. – 656 с., 688 с.

11.Павлушкин Н.М. Химическая технология стекла и ситаллов / Н.М. Павлушкин.

М. : Стройиздат, 1983. – 432 с.

12.Сулименко Л.М. Общая технология силикатов: учебник / Л.М. Сулимиенко. М. :

ИНФРА-М, 2004. – 336 с.

13.Тейлор Х. Химия цемента / Х. Тейлор. М. : Мир, 1996. – 560 с.

14.Торопов Н.А. Химия цементов / Н.А. Торопов. М. : Промстройиздат, 1956. –

270 с.

65