6.6. Кислородосодержащие соединения кремния. Стекло. Цемент

6.6.1. Оксид. Гидроксид. Соли

В отличие от газообразного СО₂ оксид кремния SiO₂ – твердое вещество (т.пл. выше 1700°С). Это объясняется большим (по сравнению с С) радиусом атома Si. Вследствие чего, во-1-ых, его p-орбитали не дают достаточно эффективного -перекрывания, а во-2-ых, «любимое» координационное число (к.ч.) кремния (т.е. число «соседей») равно четырем.

Поэтому все 4 валентных электрона каждого атома Si участвуют в образовании четырех -связей ( при sp³-гибридизации его орбиталей) с четырьмя атомами кислорода и т.о. к.ч.(Si) достигает 4. Это происходит благодаря обобществлению О соседними «молекулами» SiO₂, в результате чего формируются полимеры. Графическое изображение их фрагмента выглядит так:

Из-за стремления Si к четырехкратной координации свежеполученная растворимая кремниевая кислота H₂SiO₃ (в молекуле которой к.ч.(Si) всего лишь 3) тоже быстро полимеризуется. И как следствие, выпадает в осадок состава ²⁹ (где n около 300). После его высушивания при об.у. получается силикагель . Его можно обезводить (практически полностью), нагревая при 150°С.

Силикагель очень инертен (недаром песок – конечный продукт выветривания³⁰ горных пород). Он растворяется лишь во фтороводородной кислоте (из-за образования летучего SiF₄). А также реагирует со щелочью при сплавлении, давая т.н. «растворимое стекло» Na₂SiO₃. (Его водный раствор («жидкое стекло») – это силикатный (канцелярский) клей – очень щелочная среда).

6.6.2. Нерастворимые стекла

Основа нерастворимых силикатных стекол – это тоже диоксид кремния. И сам SiO₂, если он имеет аморфную (неупорядоченную) структур, является стеклом, его называют кварцевым. Оно и механически прочное, и не трескается от перепада температур (раскаленный самовар, сделанный из этого стекла, бросали в холодную воду, и он оставался целым).

Однако кварцевое стекло имеет высокую т.пл. (>1500°), поэтому трудно из него готовить изделия. Чтобы этой трудности избежать, SiO₂ (песок) сплавляют (при 1400°С) с содой и известняком, получая обычное оконное стекло. Его примерный состав: Na₂O^.CaO^.6SiO₂, и такое стекло размягчается уже при 300°С.

Добавляя к нему окрашенные оксиды металлов (например, NiO зеленого цвета), создают цветные стекла; а вводя PbO – хрусталь. Небольшие количества селена или золота, равномерно распределенные в стекле, придают ему вид рубина.

При управляемой кристаллизации стекла образуется ситалл, который по прочности близок к чугуну, поэтому используется в строительстве вместо металла, керамики, бетона или дерева. Получено также пуленепробиваемое бронестекло (толщиной до 40 мм), оно состоит из нескольких слоев стекла, склеенных смолами.

Широко применяют и стеклянные волокна (в частности, оптические – в качестве световодов). В последнее время синтезированы светочувствительные стекла и стекла с саморегулирующейся светопроницаемостью (из них делают, например, светозащитные очки и глазные линзы); а также поглощающие радиацию и полупроводниковые стекла (с регулируемой проводимостью) и многие другие.

6.6.3. Цемент

Процесс формирования силикатных полимеров происходит и в случае многих т.н. вяжущих веществ. Это порошкообразные материалы, которые с водой дают пластическую массу, затвердевающую через некоторое время.

К ним относится и цемент. Получают его в силикатной промышленности, прокаливая при 1500°С смесь глины и известняка. При этом за счет частичного разрыва связей Si – O и Al – O в глине образуются силикаты и алюминаты кальция с малополимеризованными анионами. После смешения с водой из-за гидролиза постепенно формируются более полимеризованные анионы, благодаря чему материал твердеет («схватывается»).

Со временем цемент еще сильнее упрочняется из-за постепенного превращения его аморфной структуры в кристаллическую (т.е. с упорядоченной решеткой).

Для повышения прочности в цемент (до его схватывания) добавляют песок или щебень и т.о. получают бетон. А при введении железной арматуры образуется еще более прочный материал – железобетон, из которого строят здания и др.