Вопрос №1.
14. Естественные и искусственные коллоиды в силикатных системах. Гели кремневой кислоты. Коллоидные формы, механизм образования геля кремнекислоты.
14.1. Естественные и искусственные коллоиды в силикатных системах.
Коллоидным считается любой нерастворимый в воде аморфный силикат с удельной поверхностью не менее 2,5*104 м2/кг. В лабораторных условиях коллоидные силикаты получают конденсационным методом по реакциям обмена между силикатом натрия и солями тяжелых металлов.
Большинство синтетических коллоидных силикатов получают в виде аморфных осадков из водных растворов (гидрозоли).
В гидрозолях дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой – твердые частицы коллоидной степени дисперсности – мицеллы. Строение мицеллы гидрозоля диоксида кремния можно изобразить следующей формулой:
{m[SiO2] nHSiO3˗ (n – x) H+} – xH+, где:
m[SiO2] – агрегат;
m[SiO2] nHSiO3˗ – ядро;
{m[SiO2] nHSiO3˗ (n – x) H+} – частица.
С практической точки зрения рассмотрено осаждение силикатов многих металлов – Mg, Ca, Zn, Mn, Pb, Ni, Ag. Особое значение имеют соединения алюминия с кремнеземом. Алюмосиликатные гели имеют важное практическое применение в народном хозяйстве в качестве «цеолитов».
14.2. Коллоидные формы кремнезема. Гели кремниевой кислоты.
Большинство изменений, которые происходят с кремнеземом в природе, вызывает взаимодействие с водой. Основной характеристикой системы кремнезем – вода является тенденция этого оксида образовывать коллоидные растворы или гидратированные массы.
К типичным природным коллоидным формам кремнезема принадлежат опалы; метаколлоидный характер имеют халцедоны и часть кварца.
Опалы SiO2*nH2O представляют собой типичные твердые гидрогели, возникающие в результате частичной дегидратации богатых водой гелей кремнезема.
Диатомит – осадочная порода, состоящая из опаловых остатков диатомовых водорослей.
Халцедоны SiO2 – широко распространенные в природе метаколлоидные минералы кремнезема.
Метаколлоидный кварц распространен в гидратермальных месторождениях, в коре выветривания, обычно он образует скрытокристаллические агрегаты, состоящие из зерен неправильной формы.
Коллоидный кремнезем, или золь кремнезема – это суспензия кремнезема, размеры частиц которого находятся в коллоидной области.
Образование геля кремнезема протекает в две стадии. В первую стадию первоначально образованный Si(OH)4 конденсируется до образования коллоидных частичек. В разбавленном растворе дальнейшее медленное увеличение размеров частиц является единственным изменением, но при содержании около 1% (мас.) SiO2 эти первоначальные частицы способны конденсироваться до образования непрерывной структуры, которая обеспечивает определенную степень ее жесткости. Механизм обеих стадий полимеризации является одинаковым, а именно: до образования связей Si – O – Si. Необратимость процесса формирования геля объясняется необратимостью реакции конденсации, сопровождающейся образованием силоксановой связи.
15. Коллоидно-химические явления в системе глина-вода. Свойства глинистых минералов: физико-химические и структурно-механические.
15.1. Коллоидно-химические явления в системе глина-вода.
При производстве керамических материалов создается и непрерывно изменяется структура керамической массы и изделий. Технологический процесс включает: подготовку исходных компонентов, приготовление керамических масс с образованием коагуляционной структуры, формирование изделий с разрушением и последующим восстановлением этой структуры, сушку с потерей влаги и уменьшением размеров, и, наконец, обжиг с образованием кристаллизационной или конденсационно-кристаллизационной структуры.
Глины – распространенные осадочные породы, состоящие из высокодисперстных частиц собственно глинистых минералов, более крупных частиц первичных пород, воды и различных примесей. Малоплотные насыщенные водой глинистые породы после разрушения их природной структуры представляют собой гелеобразные системы, тиксотропно упрочняющиеся со временем. Глины относятся к гидрофильным коллоидам и содержат большое количество воды, значительная часть которой находится в виде тонких прослоек, разделяющих набухшие твердые частицы. Повышенное содержание воды приводит к утолщению жидких слоев, отделяющих дисперсные частицы друг от друга, и к уменьшению прочности системы. Формирование нужного комплекса свойств глинистых масс, применяемых в керамике, литейном производстве, при бурении скважин и т.д., возможно лишь при уяснении физико-химической сущности процессов, протекающих в системе глина-вода. При взаимодействии минеральных частиц глины с водой протекает ряд явлений, имеющих физико-химические свойства как глины, так и воды и обеспечивающих образование коагуляционных структур.
Особенности и характер образования коагуляционных структур в водных дисперсиях глинистых минералов зависят от их кристаллического строения, а также обуславливаются такими важными коллоидно-химическими свойствами минералов, как гидрофильность, дисперсность, сорбционная активность, ионообменная способность, сорбционная активность, ионообменная способность, набухание и др. Знание их необходимо в технологическом процессе получения материалов на основе глин.
Вопрос №2.