43. Соли кремниевой кислоты

Общая формула кремниевых кислот – nSiO2?mH2O. В природе находятся в основном в виде солей, в свободной форме выделены немногие, например, HSiO (ортокремниевая) и H2SiO3 (кремниевая или метакремниевая).

Получение кремниевой кислоты:

1) взаимодействие силикатов щелочных металлов с кислотами: Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl;

2) кремневая кислота является термически неустойчивой: H2SiO3 = H2O + SiO2.

H2SiO3 образует пересыщенные растворы, в которых в результате полимеризации образует коллоиды. Используя стабилизаторы, можно получить стойкие коллоиды (золи). Их используют в производстве. Без стабилизаторов из раствора кремниевой кислоты образуется гель, осушив который можно получить силикагель (используют как адсорбент).

Силикаты – соли кремниевой кислоты. Силикаты распространены в природе, земная кора состоит в большинстве из кремнезема и силикатов (полевые шпаты, слюда, глина, тальк и др.). Гранит, базальт и другие горные породы имеют в своем составе силикаты. Изумруд, топаз, аквамарин – кристаллы силикатов. Растворимы только силикаты натрия и калия, остальные – нерастворимы. Силикаты имеют сложный химический состав:

Каолин Al2O3; 2SiO2; 2H2O или H4Al2SiO9.

Асбест CaO; 3MgO; 4SiO2 или CaMgSi4O12.

Получение: сплавление оксида кремния со щелочами или карбонатами:

Растворимое стекло – силикаты натрия и калия. Жидкое стекло – водные растворы силикатов калия и натрия. Его используют для изготовления кислотоупорного цемента и бетона, керосинонепроницаемых штукатурок, огнезащитных красок. Алюмосиликаты – силикаты, содержащие алюминий (полевой шпат, слюда). Полевые шпаты состоят помимо оксидов кремния и алюминия из оксидов калия, натрия, кальция – K2O?Al2O3?6SiO2 – ортоклаз.

Слюды имеют в своем составе, кроме кремния и алюминия, еще водород, натрий или калий, реже – кальций, магний, железо.

Граниты и гнейсы (горные породы) – состоят из кварца, полевого шпата и слюды. Горные породы и минералы, находясь на поверхности Земли, вступают во взаимодействие с водой и воздухом, что вызывает их изменение и разрушение. Этот процесс называется выветриванием.

Выветривание ортоклаза:

Применение: силикатные породы (гранит) используют как строительный материал, силикаты – в качестве сырья при производстве цемента, стекла, керамики, наполнителей; слюду и асбест – как электро– и термоизоляцию.

44. Получение цемента и керамики

Цемент является важнейшим материалом в строительстве. Цемент получают обжигом смеси глины с известняком. При обжиге смеси CaCO3 (кальцированная сода) разлагается на CaO и углекислый газ CO2?. CaO вступает во взаимодействие с глиной и получаются силикаты и алюминаты кальция. Химический состав цемента выражают в виде содержащихся в нем оксидов, главным из них является CaO: Al2O3, SiO2, Fe2O3.

Прокаливание производится в специальных цилиндрических вращающихся печах при температуре 1400–1600 °C. Получаемая спекшаяся масса называется клинкером. Клинкер сдо-бавками размалывают в порошок в шаровых мельницах и получают окончательный продукт – цемент – порошкообразное вещество, при смешивании с водой на воздухе затвердевает в каменнообразную массу (применяется для скрепления кирпича, камня в качестве связующего материала).

Смесь цемента с песком и водой – цементный раствор. Смесь такого раствора с гравием или щебнем – бетон. Залитый бетоном железный каркас – железобетон. Из него строят своды, мосты, арки, бассейны, кладут перекрытия зданий, электростанций. В природе встречаются известняково-глинистые породы, по составу соответствующие цементной массе – мергели.

Виды цемента: 1) быстротвердеющий; 2) морозостойкий; 3) коррозийностойкий; 4) кислотоупорный.

Керамика – изделия или материалы, изготовленные из огнеупорных веществ: глины, карбидов, оксидов некоторых металлов.

Виды керамики:

1) строительная керамика (облицовочные плиты, кирпич, черепица, трубы канализации);

2) огнеупорная керамика (огнеупорный кирпич, материалы для внутренней облицовки доменных, сталелитейных, стеклоплавильных печей);

3) химически стойкая керамика (используется в химической промышленности);

4) бытовая керамика (фаянсовые и фарфоровые изделия);

5) техническая керамика.

Процесс изготовления керамических изделий включает: 1) изготовление керамической смеси; 2) формование; 3) сушка; 4) обжиг.

В зависимости от природы исходных материалов и дальнейшего использования продукции операция проводится по разному, строго определенному режиму.

При изготовлении кирпича сырье измельчается, перемешивается и увлажняется. Получившуюся массу формуют, сушат, а затем при температуре 900 °C подвергают обжигу. При обжиге происходит спекание массы, обусловленное химическим процессом.

Основная реакция при обжиге глины: 3 [Al2O3?2SiO2?2H2O] = 3Al2O3?2SiO2 + 4SiO2 + 6H2O.