- •15. Соединения щелочных элементов с неметаллами – получение, свойства гидридов, галогенидов, сульфидов, нитридов, карбидов, силицидов.
- •16. Соединения щелочных элементов с кислородом – оксиды, пероксиды, надпероксиды, озониды – получение, свойства.
- •17. Гидроксиды щелочных элементов. Получение, свойства, применение.
- •19. Общая характеристика элементов II а группы.
- •20. Бериллий. Получение и свойства металлического бериллия, применение в технике бериллия и его сплавов. Гидроксид бериллия, его амфотерность. Соли бериллия и бериллаты, их гидролиз.
- •24. Переработка и использование природных соединений кальция (известь, мрамор, мел). Гипс, его свойства. Производство цемента, процессы «схватывания» и твердения цемента.
- •25. Природные воды, их состав. Жесткость воды (общая, временная, постоянная). Устранение жесткости воды: физические и химические методы. Методы деаэрации воды.
- •26. Общая характеристика элементов III а группы(13-й группы).
- •30. Алюминий. Производство металлического алюминия. Физические и химические свойства алюминия. Сплавы алюминия, их применение. Роль алюмосиликатов в неживой природе (цеолиты, глины).
- •31. Получение и строение безводных галогенидов алюминия. Гидрид алюминия и гидридоалюминаты щелочных элементов.
24. Переработка и использование природных соединений кальция (известь, мрамор, мел). Гипс, его свойства. Производство цемента, процессы «схватывания» и твердения цемента.
Карбонат кальция СаСО3 — одно из самых распространенных на Земле соединений. Минералы на основе СаСО3 покрывают около 40 млн. км2 земной поверхности. Мел, мрамор, известняки, ракушечники — все это СаСО3 с незначительными примесями, а кальцит — чистый СаСО3.
Самый важный из этих минералов — известняк. (Правильнее говорить не об известняке, а об известняках: известняки разных месторождений отличаются по плотности, составу и количеству примесей). Известняки есть практически везде. В европейской части известняки встречаются в отложениях почти всех геологических возрастов. Ракушечники — известняки органического происхождения — особенно распространены на северном побережье Черного моря. Знаменитые Одесские катакомбы — это бывшие каменоломни, в которых добывали ракушечник. Из известняков главным образом сложены и западные склоны Урала.
В чистом виде известняки — белого или светло-желтого цвета, но примеси придают им более темную окраску.
Наиболее чистый СаСО3 образует прозрачные кристаллы известкового или исландского шпата, широко применяемого в оптике. А обычные известняки используются очень широко — почти во всех отраслях народного хозяйства.
Больше всего известняка идет на нужды химической промышленности. Он незаменим в производстве цемента, карбида кальция, соды, всех видов извести (гашеной, негашеной, хлорной), белильных растворов, цианамида кальция, известковой воды и многих других полезных веществ.
Значительное количество известняка расходует и металлургия — в качестве флюсов.
Без известняка не обходится ни одно строительство. Во-первых, из него самого строят, во-вторых, из известняка делают многие строительные материалы.
Известняками (щебенкой) укрепляют дороги, известняками (в виде порошка) уменьшают кислотность почв. В сахарной промышленности известняк используют для очистки свекловичного сока.
Другая разновидность углекислого кальция — мел. Мел — это не только зубной порошок и школьные мелки. Его используют в бумажной и резиновой промышленности — в качестве наполнителя, в строительстве и при ремонте зданий — для побелки.
Третья разновидность карбоната кальция —мрамор — встречается реже. Считается, что мрамор образовался из известняка в давние геологические эпохи. При смещениях земной коры отдельные залежи известняка оказывались погребенными под слоями других пород. Под действием высокого давления и температуры там происходил процесс перекристаллизации, и известняк превращался в более плотную кристаллическую породу — мрамор.
Естественный цвет мрамора — белый, но чаще всего различные примеси окрашивают его в разнообразные цвета. Чистый белый мрамор встречается не часто и идет в основном в мастерские скульпторов. Из менее ценных сортов белого мрамора делают распределительные щиты и панели в электротехнике. В строительстве мрамор (всех цветов и оттенков) используют не столько как конструкционный, сколько как облицовочный материал.
Малорастворимый в воде сульфат кальция выделяется из водных растворов в виде дигидрата CaSО4 • 2Н2О — гипса. При нагревании он постепенно отщепляет воду, переходя в алебастр, а затем в ангидрит, который при сильном обжиге превращается в оксосоль, а затем — в оксид:
Гипс имеет сложную структуру: в нем слои, образованные ионами Са2+ и S042- связаны друг с другом молекулами воды. Алебастр имеет сходное строение, но в нем отсутствуют слои из молекул Н2О. В присутствии воды алебастр быстро превращается в кристаллы гипса, которые, переплетаясь, быстро создают прочную структуру — гипс затвердевает в течение нескольких минут, при этом расширяясь в объеме. На этом основано изготовление гипсовых слепков и отпечатков.
Малорастворимый в воде сульфат кальция легко переходит в раствор при добавлении сульфата аммония или концентрированной серной кислоты. Это объясняется образованием комплексной кислоты H2[Ca(SО4)2] или ее аммонийной соли.
Гипс используют в производстве цемента, в качестве вяжущего материала в строительстве, медицине, архитектуре. Волокнистый гипс (селенит) — ценный поделочный материал.
Значительные преимущества перед известью имеет другой вяжущий строительный материал – цемент. Помимо того, что его применением устраняется долговременная сырость зданий, цемент характеризуется способностью затвердевать не только на воздухе, но и под водой. Затвердевание его идет, кроме того, значительно быстрее, чем в случае известкового раствора. Выработка цемента по СССР составила в 1962 г. 57,3 млн. т (против 5,7 млн. г в 1940 г. и 1,5 млн. т в 1913 г.).
Цемент представляет собой зеленовато–серый порошок, состоящий в основном из смеси различных силикатов и алюминатов кальция, преимущественно Ca3SiO5 , Ca2SiO4 и Са3 (АlO3)2 . Будучи замешан с водой, он дает отвердевающую массу. Переход последней из тестообразного в твердое состояние носит название «схватывания» и осуществляется обычно в течение нескольких часов. С химической стороны процесс схватывания цемента обусловлен главным образом гидратацией его составных частей.
При производстве цемента смесь тонко измельченных известняка и богатой SiO2 глины обжигают до начала спекания (1400–1600 °С) в специальных вращающихся печах (рис. 181). Последние представляют собой слегка наклонные, выложенные внутри огнеупорным кирпичом стальные трубы диаметром 2–3 м и длиной в несколько десятков метров. Печь лежит на роликах и приводится мотором в медленное вращение. В ее верхнюю часть непрерывно вводится исходная смесь, которая при постепенном продвижении вниз все более разогревается за счет тепла сгорающих в печи газов (или каменноугольной пыли). Обожженный продукт (цементный клинкер) после остывания тщательно перемалывается.
Состав цементов выражают обычно в виде весового процентного содержания входящих в них окислов (в основном CaO, SiO2 , Al2O3 и Fe2O3). Первый из них играет в цементе роль основания, остальные – роль кислотных ангидридов, весовое отношение СаО / (SiO2 + Al2O3 +Fe2O3 ) носит название гидромодуля цемента и хорошо характеризует его качества. Числовая величина гидромодуля обычного (силикатного) цемента колеблется около двух.
Схватывание цемента обусловлено в основном реакциями по схемам:
Ca3SiO5 + 5Н2О = Ca2SiO4·4H2O + Са(ОН)2
Ca2SiO4 + 4H2O = Ca2SiO4·4Н2О
Са3(АlO3)2 + 6Н2 О = Са3(АlО3 )2·6Н2 О
После первоначального схватывания твердость цемента в течение длительного времени продолжает возрастать. Основной причиной этого является, по–видимому, распространение процессов гидратации в глубь цементных зерен.