Применение кремния и его соединений

Применение кремния и его соединений

Урок химии 9 класс

Цели урока:

• Сформировать представления о силикатной промышленности, о производстве стекла, керамики и цемента;
• Показать применение соединений кремния для нужд человечества.

Проверка домашнего задания

• Дайте характеристику кремниевой кислоты?
• Как получают кремниевую кислоту?
• Какой раствор называют «жидким стеклом»?
• Назовите несколько способов получения силикатов
• Что такое силикагель?

Силикатная промышленность  — это производство  керамики ,  стекла ,  цемента  из природных соединений  кремния .

Состав обычного оконного стекла выражается формулой Na 2 O*CaO*6SiO 2 .  Стекло  получается спеканием белого песка, соды, известняка в специальных печах: SiO 2  + Na 2 CO 3  = Na 2 SiO 3  + CO 2 ↑ SiO 2  + CaCO 3  = CaSiO 3  + CO 2 ↑ Na 2 SiO 3  + CaSiO 3  + 4SiO 2  = Na 2 O*CaO*6SiO 2

Виды стёкол Химико-лабораторное стекло  — стекло, обладающее высокой химической и термической устойчивостью.

Кварцевое стекло   получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты , его химическая формула — SiO 2 . Кварцевое стекло может быть также природного происхождения , образующееся при попадании  молнии   в залежи кварцевого песка .

Оптическое стекло  — применяют для изготовления  линз , призм, кювет и др.

Свинцовое стекло Свинцовое стекло (или «хрусталь») получается заменой окиси кальция окисью свинца. Оно довольно мягкое и плавкое, но весьма тяжёлое, отличается сильным блеском и высоким  показателем преломления , разлагая световые лучи на все цвета радуги и вызывая игру света.

Боросиликатное стекло Включение оксида  бора  вместо щелочных составляющих  шихты  придаёт этому стеклу свойства тугоплавкости, стойкости к резким температурным скачкам и агрессивным средам. Изменение состава и ряд технологических особенностей, в свою очередь, сказывается на себестоимости — оно дороже обычного силикатного.

Обычная стеклянная масса после остывания имеет желтовато-зелёный или голубовато-зелёный оттенок. Стеклу можно придать окраску, если в состав шихты произвести включение, например, тех или иных оксидов металлов, которые в процессе варки изменят его структуру, что после остывания, в свою очередь, заставляет стёкла выделять определённые цвета из спектра проходящего сквозь них света. Железистые соединения окрашивают стекло в цвета — от голубовато-зелёных и жёлтых до красно-бурых, окись марганца — от жёлтых и коричневых до фиолетовых, окись хрома — в травянисто-зелёный, окись урана — в желтовато-зелёный ,окись кобальта — в синий (кобальтовое стекло), окись никеля — от фиолетового до серо-коричневого, окись сурьмы или сульфид натрия — в жёлтый , окись меди — в красный (так называемый медный рубин в отличие от золотого рубина, получаемого прибавкой коллоидного золота). Костяное стекло получается замутнением стекломассы пережжённой костью, а молочное — прибавкой смеси полевого и  плавикового шпата .

Художественное стекло

Этот материал изначально, и в силу разнообразия своих декоративных возможностей, и благодаря уникальным свойствам, в том числе — подобию красивейшим самоцветам, а порой в чём-то и превосходя их, именно через изобразительное творчество, с момента, когда слиток впервые оказался на ладони мастера, — радует и, вероятно, всегда, чаруя, будет присутствовать в жизни способного ценить его красоту. Нелишним будет напомнить и то, что некогда ценой своей с золотом могло соперничать только стекло.

Выдувание стекла — операция, позволяющая из вязкого расплава получить различные формы — шары, вазы, бокалы.

Важнейший рабочий инструмент стеклодува, его выдувальная трубка — это полая металлическая трубка длиной 1—1,5 м, на одну треть обшитая деревом и снабжённая на конце латунным мундштуком. Пользуясь трубкой, стеклодув набирает из печи расплавленное стекло, выдувает его в форме шара и формует. Для этого ему нужны металлические ножницы для отрезания стеклянной массы и прикрепления её к трубке, длинные пинцетообразные клещи из металла для вытягивания и формования стеклянной массы, для образования тиснёных украшений и т. д., сечка для отсекания всего изделия от трубки и деревянная ложка для разравнивания набранной стекломассы. Предварительно отформованное с помощью этих инструментов стекло («баночку») стеклодув вкладывает в форму из дерева или железа. Оставшийся от отшибания след (насадок, колпачок) приходится удалять шлифовкой.

Готовое изделие отшибают от трубки на вилы и несут в отжигательную печь.  Отжиг  изделия производится несколько часов при температуре около 500 °C с тем, чтобы снять возникшие в нём напряжения. Неотожжённое изделие может из-за них рассыпаться при малейшем прикосновении, а иногда и самопроизвольно.

Производство цемента

Цемент  — искусственное неорганическое  вяжущее вещество . Один из основных  строительных материалов . При взаимодействии с  водой , водными растворами солей и другими жидкостями образует пластичную массу, которая затем затвердевает и превращается в  камневидное тело. В основном используется для изготовления  бетона  и  строительных растворов . Цемент является гидравлическим вяжущим и обладает способностью набирать прочность во влажных условиях, чем принципиально отличается от некоторых других минеральных вяжущих — ( гипса ,  воздушной извести ), которые твердеют только на воздухе.

По наличию основного минерала цементы подразделяются:

• романцемент — преобладание белита, в настоящее время не производится;
• портландцемент  — преобладание алита, наиболее широко распространён в строительстве;
• глинозёмистый цемент  — преобладание алюминатной фазы;
• магнезиальный цемент  — на основе магнезита, затворяется водным раствором солей;
• смешанные цементы  — цементы, получаемые путём смешения вышеприведенных цементов с воздушными вяжущими, минеральными добавками и шлаками, обладающими вяжущими свойствами.
• кислотоупорный цемент — на основе гидросиликата натрия (Na 2 O·mSiO 2 ·nH 2 O), сухая смесь кварцевого песка и  кремнефтористого натрия , затворяется водным раствором  жидкого стекла .

Цемент получают тонким измельчением  клинкера  и  гипса . Клинкер — продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из  известняка  и глины определённого состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция.

При измельчении клинкера вводят добавки: гипс СaSO 4 ∙2H 2 O для регулирования сроков схватывания, до 15 % активных минеральных добавок (пиритные огарки, колошниковую пыль, бокситы, пески, опоки, трепелы) для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.

Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре +1450…+1480  °C  в течение 2—4 часов в длинных вращающихся печах с внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера. В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы. Вращающуюся печь условно можно поделить на зоны:

• подогрева (+200…+650 °C — выгорают органические примеси и начинаются процессы дегидратации и разложения глинистого компонента).
• декарбонизации (+900…+1200 °C) происходит декарбонизация известнякового компонента: СаСО 3  → СаО + СО 2 , одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды. В результате взаимодействия основных (СаО, MgO) и кислотных оксидов (Al 2 O 3 , SiO 2 ) в этой же зоне начинаются процессы твёрдофазового синтеза новых соединений (СаО∙ Al 2 O 3  — сокращённая запись СА, который при более высоких температурах реагирует с СаО и в конце жидкофазового синтеза образуется С 3 А), протекающих ступенчато;
• экзотермических реакций (+1200…+1350 °C) завершается процесс твёрдофазового спекания материалов, здесь полностью завершается процесс образования таких минералов как С 3 А, С 4 АF (F — Fe 2 O 3 ) и C 2 S (S — SiO 2 ) — 3 из 4 основных минералов клинкера;
• спекания (+1300→+1480→+1300 °C) частичное плавление материала, в расплав переходят клинкерные минералы кроме C 2 S, который, взаимодействуя с оставшимся в расплаве СаО, образует минерал  алит  (С 3 S — твёрдый раствор трёхкальциевого силиката и небольшого количества (2—4 %) MgO, Al 2 O 3 , P 2 O 5 , Сг 2 О 3  и других);
• охлаждения (+1300…+1000 °C) температура понижается медленно. Часть жидкой фазы кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла.

Производство керамики

Кера́мика  — изделия из неорганических материалов (например,  глины ) и их смесей с минеральными добавками, изготавливаемые под воздействием высокой температуры с последующим охлаждением. В узком смысле слово керамика обозначает  глину , прошедшую  обжиг .

В зависимости от строения различают тонкую керамику и грубую .

Основные виды тонкой керамики —  фарфор , полуфарфор,  фаянс ,  майолика .

Основной вид грубой керамики —  гончарная керамика .

• Фарфор  имеет плотный спёкшийся черепок белого цвета (иногда с голубоватым оттенком) с низким водопоглощением (до 0,2 %), при постукивании издаёт высокий мелодичный звук, в тонких слоях может просвечивать. 
• Фаянс  имеет пористый белый черепок с желтоватым оттенком,  пористость  черепка 9 — 12 %. Из-за высокой пористости изделия из фаянса полностью покрываются бесцветной глазурью невысокой термостойкости. Фаянс применяется для производства столовой посуды повседневного использования.
• Полуфарфор по свойствам занимает промежуточное положение между фарфором и фаянсом, черепок белый, водопоглощение 3 — 5 %, используется в производстве посуды.
• Майолика  имеет пористый черепок,  водопоглощение  около 15 %, изделия имеют гладкую поверхность, блеск, малую толщину стенок, покрываются цветными глазурями и могут иметь декоративные рельефные украшения. Для изготовления майолики применяется  литьё .
• Гончарная керамика имеет черепок красно-коричневого цвета (используются красножгущиеся глины), большой пористости, водопоглощение до 18 %. Изделия могут покрываться бесцветными глазурями, расписываются цветными глиняными красками — ангобами.

Домашнее задание: повторить п. 15 - 30. Подготовиться к контрольной работе