Кремній і його сполуки.
Кремній - провідний сучасний напівпровідниковий матеріал, який широко застосовується в електроніці, в електротехніці для виготовлення інтегральних схем, діодів, транзисторів, тиристорів, фотоелементів і т. д. Технічний кремній - легуючий компонент у виробництві сталі (наприклад, трансформаторна сталь), а також у кольорової металургії (кремінні бронзи).
Природні сполуки кремнію зазвичай представляють собою похідні не метакремнієвої, а групи так званих п о л і до р е м н е в и х к і з л про т. Склад цих кислот у загальному вигляді mSiO2. nH2O, де n і m цілі числа. K природним силікатів належать польові шпати, слюда, глини, азбест і ін Склад цих мінералів складний. Для зручності їх часто умовно виражають як з'єднання оксидів, наприклад: Ортоклаз (мінерал з групи
польових шпатів) ... ... ... ... ... ... ... ... K2 Al2Si6O16 = K2O. Al2O3. 6SiO2
Слюда (мусковіт) ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... KH2Al3 (SiO4) 3 або K2O. 3Al2O3. 6SiO2. 2H2O
Каолін (біла глина) ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. H4Al2Si2O9 = Al2O3. 2SiO3. 2H2O
Азбест ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... H4Mg3Si2O9 = 3MgO. 2SiO2. 2H2O
Найбільшого поширення в природі мають силікати, що містять алюміній і звані а л ю м о з і л і к а т а м і. Як показують форуми наведених вище мінералів, до числа алюмосилікатів належить слюда, ортоклаз і ін
Моноксид кремнію - речовина темно-коричневого кольору. При високій температурі в результаті самоокислении-самовідновлення розпадається на Si і SiO2 (реакція диспропорціонування). Взагалі ж SiO легко окислюється до SiO2. Використовуючи цю реакцію, штучно отримують найтонші кварцові прозорі покриття - при обробці препаратів для електронної мікроскопії, для поверхневих покриттів алюмінієвих дзеркал.
Якщо холодець кременевої кислоти частково збезводнити, то утворюється тверда біла, дуже пориста маса, що володіє великою адсорбційною здатністю. Цей продукт під назвою с і л і к а р е л я має різноманітне застосування в промисловості: для вловлювання газів, водяної пари, для очистки нафти, гасу. Нарешті, великопористий силікагель - незамінний носій для багатьох каталізаторів. При повному висушуванні і прожарюванні кременевої кислоти утворюється кремінний ангідрид SiO2.
Крем'яні кислоти з великим ступенем конденсації порівняно стійкі. Але і виділяти їх в індивідуальному стані хіміки ще не навчилися. У побуті та промисловості використовується суміш цих кислот у вигляді силікатного клею. Якщо говорити точніше, силікатний клей - це калієві або натрієві солі полікремнієвої кислот. Але так як ці кислоти слабкі, а солі слабких кислот сильно гідролізуються, то фактично в розчині силікатного клею є суміш конденсованих кремнієвих кислот.
Нітрид кремнію використовується як компонент жаростійких і хімічно стійких композиційних матеріалів. Оп знайшов також застосування в мікроелектроніці в якості діелектрика і високотемпературного напівпровідника. Карбід кремнію - абразивний матеріал для шліфованих кіл, матриця для порошкової металургії, компонент для вогнетривів. До того ж, карбід кремнію є основою напівпровідникових діодів і фотодіодів.
Природні силікати і алюмосилікати є сировиною для силікатної промисловості, яка в основному об'єднує виробництва керамічне, цементне і скляне.
Виробництво силікатів. Керамічне виробництво.
Сировиною для керамічного виробництва служать різного роду глини.
Глина - тонкодисперсна гірська порода, що складається в основному з глинистих мінералів. Зазвичай в глинах міститься домішка кластіческого Геологія і зерен кварцу, польових шпатів і інших матеріалів, і аутигенна матеріалу - карбонатів, сульфатів, гідроксидів заліза і ін П.А. Земятчінскій визначав глини як гірські породи, здатні утворювати з водою пластичне тісто, що зберігає за висиханні надану йому форму, після випалу набуває твердість каменю. Глини характеризуються рядом властивостей, які враховуються при їх промисловому використанні: пластичністю, повітряної та вогневої усадкою, пористістю, вогнетривкістю, спіканням, гидроскопичности і набуханням, адсорбційними властивостями, сполучною здатністю, спученням, хиткість і гідрофільністю. З урахуванням властивостей і складу глин, що обумовлюють їх використання, можна виділити наступні групи: 1) каоліни, 2) вогнетривкі та тугоплавкі глини, 3) високосорбірующіе глини (відбілюючі), 4) легкоплавкі глини.
Каоліни, точніше, первинні каоліни, застосовуються більшістю галузей промисловості завдяки особливостям свого складу та набору властивостей. Як правило, промисловістю використовуються збагачені каоліни, рідше каолін-сирець. Збагачення каолінів проводиться шляхом відмулювання, флотації, магнітної та електромагнітної сепарацій та іншими методами. Каоліновий концентрат в ряді випадків піддається облагороджування (шляхом обробки реактивами) для додання йому більшої білизни. Попутні продукти збагачення каоліну - кварц і польові шпати. Головні споживачі збагаченого каоліну - паперова і керамічна промисловості, а також гумова, миловарна, вогнетривка, хімічна. У меншій мірі він використовується в парфюмерно-косметичної та кабельної галузях промисловості, а також при виготовленні клейонки, пластмас, мінеральних фарб, олівців, у виробництві силуміну (сплав Al 87%, Si 13%) та ін Каолін-сирець використовується в цементній промисловості , при виробництві напівкислі вогнетривів. Каолін також йде на виготовлення фарфорових виробів.
Діоксид кремнію - основа для отримання кремнію, виробництва звичайного та кварцового скла, а також необхідний компонент кераміки і абразивних матеріалів.
Порцелянові вироби широко застосовують у хімічній, електротехнічній промисловості, в хімічних лабораторіях (фарфорові тиглі, чашки, ступки, стакани і т. д.). У хімічній промисловості порцелянові вироби мають велике значення внаслідок їх стійкості проти кислот, лугів, та інших хімічних реактивів, великий механічної міцності, термічної стійкості та вогнетривкості. В електротехнічній промисловості фарфор застосовують як надійного ізоляційного матеріалу (фарфорові ізолятори, «свічки» для автомобільних і авіаційних моторів і т. д.).
Найбільш поширена глина, пофарбована сполуками заліза в жовтий колір. З неї готують будівельні цеглини, кислото-і вогнетривкі вироби, дренажні труби, покрівельну черепицю, гончарні вироби і т.д.
Цементне виробництво.
У вигляді піску SiO2 - давно відомий будівельний матеріал. Сировиною у цементному виробництві служить суміш глини з вапняком. Застосовують і природний мергель (глинистий вапняк), якщо він по складу задовольняє вимогам цементного виробництва. Такі мергелі є у нас, наприклад, в районі Новоросійська
При 1400-1500 * маса спікається з утворенням складних силікатів. Виходить з печі спечений матеріал називають к л і н к е р про м. розломних клінкер упаковують в бочки або мішки. Готовий продукт являє собою тонкий сіро-зелений порошок.
Основна мас цементу складається із складних хімічних сполук кальцію, магнію, кремнію, алюмінію і заліза. Склад цих речовин, представлених у вигляді сполук оксидів, наступний: 3CaO. SiO2, 2CaO.SiO2, 3CaO.Al2O3, 2CaO.Fe2O3. Крім того, в цементі завжди в змінних кількостях містяться різні домішки.
Основний хімічний процес при виробництві цементу - спікання при 1200 - 1300 оС суміші глини з вапняком, що приводить до утворення силікатів і алюмінатів кальцію:
t
Al2O3. 2SiO2. 2H2O = Al2O3. 2SiO2 + 2H2 O
CaCO3 = CaO + CO2h
CaO + SiO2 = CaSiO3
3CaO + Al2O3 = 3CaO.Al2O3
При змішуванні з водою відбувається поступова гідратація:
3CaO. Al2O3. 6H2 O = 3CaO. Al2O3 + 6H2 O
Якщо при замісі цементної маси ввести в неї щебінь, гравій і тому подібні матеріали, то вийде б е т о н. Якщо ж бетоном прикривають будь-яку основу (каркас) із залізних прутів, дроту, стрижнів і т.д., то подібні конструкції називають ж е л е із про б е т о б о м.
Залізо і бетон добре зчіплюються між собою, утворюючи міцну масу, не руйнується при звичайних зміни температури (коефіцієнти об'ємного розширення заліза і бетону майже однакові). Залізобетон відрізняється механічною міцністю, великою опору стиску і розриву (сам цемент добре витримує стиснення, але дуже слабкий на розтяг).
Композиція з цементу і азбесту (асбоцемент) - цінний матеріал для покрівель. Асбоцементні даху відрізняються довголіттям.
Бетон добре затримує радіоактивні випромінювання і застосовується для захисту від них.
Цемент відноситься до числа так званих в'яжучих матеріалів. Це матеріали, здатні з рідкого або тістоподібного стану переходити в твердий, камневидное при звичайній температурі.
В'яжучі речовини поділяють на органічні (смоли, клеї тощо) і мінеральні (цемент, вапно та ін.) Мінеральні в'яжучі речовини, у свою чергу, підрозділяють на в о з д у ш н и е г і д р а в л і т и ч е з до і е. До повітряним в'яжучим матеріалами перераховують ті з них, які тверднуть на повітрі. Сюди відносять вапно, алебастр, гіпс, магнезіальний цемент і ін Гідравлічні в'яжучі речовини можуть тверднути і зберігати свою міцність, як і на повітрі, так і у воді. Сюди належить цемент.
Скляне виробництво.
Сировиною у скляному виробництві служать кремнезем SiO2 і силікати лужних і лужноземельних металів. Склад скла в загальному вигляді може бути представлений формулою: xЕ2О.уЕО.zSiO2, де Е2О - оксид лужного металу (Na2O, K2O, Li2O та ін); ЕО - оксид лужноземельного металу (СаО, MgO, BaO) і SiO2 - кислотний оксид (кремінний ангідрид). Окисли лужної групи знижують в'язкість і температуру плавлення скла, а також його твердість. Окисли лужноземельний групи підвищують хімічну стійкість скла, а оксиди кислотної групи (SiO2, а іноді Al2O3, B2O3, P2O5 та ін) повідомляють високу термічну, хімічну і механічну стійкість.
Виробництво скла складається з наступних процесів: підготовка сировинних компонентів, одержання шихти, варіння скла, охолодження скломаси, формування виробів, їх відпалу та обробки (термічної, хімічної, механічної).
Процес скловаріння умовно поділяють на декілька стадій: сілікатоообразованіе, скловаріння, освітлення, гомогенізацію і охолоджування («студку»).
Звичайне біле скло отримують сплавом суміші соди Na2CO3 і крейди CaCO3 з великою кількістю кремнезему (білого піску) SiO2. Склад цього скла може бути виражений формулою Na2O. CaO. 6SiO2.
Якщо замість води взяти поташ K2CO3, то силікат натрію в склі заміниться на силікат калію K2SiO3. При цьому виходять тугоплавкі скла, склад яких може бути виражений формулою: K2O. CaO.6SiO2. Таким шляхом отримують віконне скло (так зване бемское), пляшкове і взагалі посудній скло.
При заміні окису кальцію окисом свинцю PbO отримують кришталеве скло приблизного складу K2O. PbO. 6SiO2. Свинцеві скла сильно заломлюють промені світла і відрізняються блиском. З них готують кришталевий посуд, колби для електроламп і пр.
Існує велика кількість сортів скла, виготовлених для різних цілей: оптичне, термометричні, увіолеве (проникне для ультрафіолетових променів, звичайне скло не пропускає ці промені), різні жаростійкі скла. Скло є важливим будівельним матеріалом. Готують тканини зі скла. Починають широко застосовувати скляні труби (гідність їх: більша стійкість проти кородуючої агентів). Жаростійкої скло служить для виготовлення каструль сковорідок і т.д.
Звичайне пляшкове скло забарвлене в зелений колір солями двовалентного заліза. Кольорові скла одержують введенням в масу при плавленні різних добавок у мелкораздробленном стані. Так, закис кобальту CoO надає склу синє забарвлення, закис міді Cu2O червону, окис хрому Cr2O3 яскраво-зелене забарвлення. Невеликі домішки в склі мелкораздробленном стані металевого срібла надають йому жовтого забарвлення, а золота - красиву яскраво-червону (рубінове скло) і т.д.
Склад деяких промислових стекол
Скло Хімічний склад,%
SiO2 B2O3 Al2O3 MgO CaO BaO PbO Na2O K2O Fe2O3 SO3
Віконне ... .... 71,8 - 2 4,1 6,7 - - 14,8 - 0,1 0,5
Тарне ... ... ... 71,5 - 3,3 3,2 5,2 - - 16 - 0,6 0,2
Посудні ... ... 74 - 0,5 - 7,45 - - 16 2 0,05 -
Кришталь ... ... 65,5 - 0,48 - 1 - 27 червня 1910 0,02 -
Хіміко-лабораторне ... 68,2 2,7 3,9 - 8,5 - - 9,4 7,1 - -
Оптичне ... 41,4 - - - - - 53,2 - 5,4 - -
Кварцоідное ... 96 3,5 - - - - - 0,5 - - -
Електроколбочное ... ... .... 71,9 - - 3,5 5,5 2 - 16,1 1 - -
Електровакумне ... ... ... 66,9 20,3 3,5 - - - - 3,9 5,4 - -
Медичне ... 73 4 4,5 1 7 - - 8,5 2 - -
Жаростійкої ... 57,6 - 25 серпня 7,4 - - - 2 - -
Термостійке ... 80,5 12 2 - 0,5 - - 4 1 - -
Термометричні ... ... .... 57,1 10,1 20,6 4,6 7,6 - - - - - -
Захисне ... .... 12 - - - - - 86 - 2 - -
Радіаційно-стійке ... ... ... 48,2 4 0,65 - 0,15 29,5 - 1 7,5 - -
Стеклянноеволокно ... ... .. 71 - 3 3 8 - - 15 - - -
Силікати калію і натрію розчиняються у воді. У техніці ці речовини називають
р а з т в о р і м и м і с т е к л а м і. Їх розчин називається рідким склом. Знаходить застосування в миловарному виробництві, у фарбуванні, у виробництві паперу, а також для просочення дерева і тканин з метою повідомлення їм не згорає і стійкості проти гниття.
Рідке скло - одне з найважливіших неорганічних речовин, що клеять (адгезив). Це пов'язано з тим, що силікат натрію знаходиться в ньому у вигляді макромолекул. Рідким склом просочують тканини і дерево для надання їм вогнестійкості; воно застосовується для виготовлення кислототривкого цементу, силікатних фарб і глазурі.
Майже всі види піску, що утворюють іноді пластини величезної потужності, складаються з кварцу. Чисті прозорі кристали кварцу йдуть на виготовлення лінз і призм, що пропускають УФ-випромінювання. Для цих цілей використовується також кварцове скло. П'єзоелектричні властивості кварцу знаходять застосування в приладах для генерації ультразвука. З непрозорого технічного кварцового скла виготовляють великогабаритну термо-і кислотну хімічну апаратуру, муфелi для електричних печей. Особливо чисте прозоре кварцове скло застосовується для виготовлення труб, апаратів і ємкостей для напівпровідникової техніки та радіоелектроніки.
Коштовне каміння.
Безбарвні і різно забарвлені кристали SiO2 - дорогоцінні камені.
Група кварцу - одна з найпоширеніших у природі. Кварц (SiO2) зустрічається в багатьох гірських порід, де він утворюється в найрізноманітніших умовах. У природі кристали кварцу зустрічаються самих різних розмірів. Примірники в сотні кілограмів не є рідкістю. Існує багато різновидів кварцу, однакових з ним по кристалічній структурі, але відрізняються за кольором. З них найбільш поширені прозорий і безбарвний гірський кришталь, лимонно-жовтий цитрин, сліпуче білий і мутний молочний кварц, рожевий кварц ніжного пастельного тону, просвічує димчасто-коричневий кварц, чорний від непрозорого до злегка просвічує - моріон і від фіолетового до ніжно-бузкового кольору аметист. У наш час на заводах вирощують кристали синтетичного кварцу, які йдуть на потреби п'єзо-та піротехніки, медицини та радіо.
Просвічують кристали димчастого кварцу і моріон використовується в ювелірних виробах, глиптике і мужньо - декоративних роботах.
Аметист виділяється серед інших різновидів кварцу особливою красою. Його колірна гама коливається від ніжно-бузкового до темно-фіолетовою. Зустрічаються окремі різновиди, сяючі пурпурним «вогником». Особливо гарний аметист на сонячному світлу. При штучному освітленні він програє в яскравості і красі забарвлення. Аметистові щітки використовуються в ювелірній промисловості для вставок у купони, сережки, каблучки, брошки, і як декоративний матеріал для шкатулок, письмових приладів і сувенірів.
Халцедон представляє собою ськритокрісталлічеських кварц мікроволокнистого будови. У залежності від кольору, структури і текстури розрізняється кілька різновидів халцедону. Власне Халцедон має кольору від сірого до молочно-білого з характерним восковим або матовим блиском. Зустрічається халцедон в природі найчастіше в жовнах чи кулястих натічних тілах, особливо часто в ефузивних породах у вигляді мигдалин. Свою назву халцедон отримав від стародавнього р. Халкедона в Малій Азії, звідки він розходився по країнах Середземномор'я.
Цінні технічні якості халцедону (однорідність структури, відсутність спайності, висока твердість, мала стираність і т.п.) роблять його незамінним матеріалом для виготовлення опорних каменів для точних приладів, прасувальних дощок для папероробних машин та ін
Родоніт відноситься до тріклінной піроксенах. За складом це метасиликат марганцю (MnSiO3). Твердість родоніту 5.5-6.5, уд. вага 3.4-3.8, спайність досконала. Живі візерунки з чорних гіллястих прожилок оксидів і гідрооксидів марганцю оживляють цей камінь, створюючи на ньому фантастичні малюнки і навіть пейзажі. Родоніт чудово піддається обробці. Будучи дуже щільним, він легко ріжеться алмазної пилкою, добре шліфується і відмінно приймає дзеркальної поліровки. Його здатність просвічувати в тонких пластинках, пофарбованих у яскравий малиново-червоний колір, використовується при створенні вітражів. Перелік із родоніту дуже багатий: різні шкатулки, брелоки, прес-пап'є, печатки, попільнички, вази, тарілочки, чаші, розрізні ножі, брошки, запонки і т.д. Уральські кустарі здавна обробляли родоніт і добилися дивовижної техніки, імітуючи ягоди малини, плоди та фрукти, які прикрашали скриньки у вигляді накладок.
Висновок.
Неважко зрозуміти, що в майбутньому застосування силікатів стане ще більшим. Металів в земній корі не так вже й багато. Вуглець, який служить основою органічних полімерів і пластмас, складає всього лише 0,1% земної кори по масі. Виробництво деревини обмежена швидкістю приросту лісу. А використання силікатів практично не обмежена нічим. За силікатній сировини, можна сказати, ми ходимо. Правда є суттєвий недолік у силікатних виробів. Вони володіють великою крихкістю, але цей недолік у принципі переборна. Адже винайшли ж японці небиткий фарфор. А на сковорідках з дрібнокристалічного скла - ситалу ще двадцять років тому смажили картоплю. Міцність таких сковорідок близька до чавунних, і б'ються вони значно менше, ніж звичайне скло.
Втім, про силікатах можна говорити нескінченно. Відомостей про них так багато, що хімія силікатів давно виділилася у велику самостійну галузь хімічного знання.
ЛІТЕРАТУРА:
1. «Велика Радянська Енциклопедія»
Видавництво «Радянська Енциклопедія». Москва 1976
2. «Загальна хімія» А.Г. Кульман
Видавництво «Колос». Москва 1968
3. «Неорганічна хімія» Посібник для абітурієнтів та старшокласників
Видавництво «Московський Ліцей». Москва 1996 р.
4. «Кислоти - підстави» Б.В. Мартиненко
Видавництво «Просвіта». Москва 1988р.
5. «Хімія» Довідкові матеріали
Видавництво «Просвіта». Москва 1989 р.
6. «Дорогоцінне каміння і їх обробка» Ю.В. Нікітін
Видавництво «Наука». Ленінград 1979
7. «Корисні іскопаеми»
Видавництво «Надра». Москва 1982
Кремній - провідний сучасний напівпровідниковий матеріал, який широко застосовується в електроніці, в електротехніці для виготовлення інтегральних схем, діодів, транзисторів, тиристорів, фотоелементів і т. д. Технічний кремній - легуючий компонент у виробництві сталі (наприклад, трансформаторна сталь), а також у кольорової металургії (кремінні бронзи).
Природні сполуки кремнію зазвичай представляють собою похідні не метакремнієвої, а групи так званих п о л і до р е м н е в и х к і з л про т. Склад цих кислот у загальному вигляді mSiO2. nH2O, де n і m цілі числа. K природним силікатів належать польові шпати, слюда, глини, азбест і ін Склад цих мінералів складний. Для зручності їх часто умовно виражають як з'єднання оксидів, наприклад: Ортоклаз (мінерал з групи
польових шпатів) ... ... ... ... ... ... ... ... K2 Al2Si6O16 = K2O. Al2O3. 6SiO2
Слюда (мусковіт) ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... KH2Al3 (SiO4) 3 або K2O. 3Al2O3. 6SiO2. 2H2O
Каолін (біла глина) ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. H4Al2Si2O9 = Al2O3. 2SiO3. 2H2O
Азбест ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... H4Mg3Si2O9 = 3MgO. 2SiO2. 2H2O
Найбільшого поширення в природі мають силікати, що містять алюміній і звані а л ю м о з і л і к а т а м і. Як показують форуми наведених вище мінералів, до числа алюмосилікатів належить слюда, ортоклаз і ін
Моноксид кремнію - речовина темно-коричневого кольору. При високій температурі в результаті самоокислении-самовідновлення розпадається на Si і SiO2 (реакція диспропорціонування). Взагалі ж SiO легко окислюється до SiO2. Використовуючи цю реакцію, штучно отримують найтонші кварцові прозорі покриття - при обробці препаратів для електронної мікроскопії, для поверхневих покриттів алюмінієвих дзеркал.
Якщо холодець кременевої кислоти частково збезводнити, то утворюється тверда біла, дуже пориста маса, що володіє великою адсорбційною здатністю. Цей продукт під назвою с і л і к а р е л я має різноманітне застосування в промисловості: для вловлювання газів, водяної пари, для очистки нафти, гасу. Нарешті, великопористий силікагель - незамінний носій для багатьох каталізаторів. При повному висушуванні і прожарюванні кременевої кислоти утворюється кремінний ангідрид SiO2.
Крем'яні кислоти з великим ступенем конденсації порівняно стійкі. Але і виділяти їх в індивідуальному стані хіміки ще не навчилися. У побуті та промисловості використовується суміш цих кислот у вигляді силікатного клею. Якщо говорити точніше, силікатний клей - це калієві або натрієві солі полікремнієвої кислот. Але так як ці кислоти слабкі, а солі слабких кислот сильно гідролізуються, то фактично в розчині силікатного клею є суміш конденсованих кремнієвих кислот.
Нітрид кремнію використовується як компонент жаростійких і хімічно стійких композиційних матеріалів. Оп знайшов також застосування в мікроелектроніці в якості діелектрика і високотемпературного напівпровідника. Карбід кремнію - абразивний матеріал для шліфованих кіл, матриця для порошкової металургії, компонент для вогнетривів. До того ж, карбід кремнію є основою напівпровідникових діодів і фотодіодів.
Природні силікати і алюмосилікати є сировиною для силікатної промисловості, яка в основному об'єднує виробництва керамічне, цементне і скляне.
Виробництво силікатів. Керамічне виробництво.
Сировиною для керамічного виробництва служать різного роду глини.
Глина - тонкодисперсна гірська порода, що складається в основному з глинистих мінералів. Зазвичай в глинах міститься домішка кластіческого Геологія і зерен кварцу, польових шпатів і інших матеріалів, і аутигенна матеріалу - карбонатів, сульфатів, гідроксидів заліза і ін П.А. Земятчінскій визначав глини як гірські породи, здатні утворювати з водою пластичне тісто, що зберігає за висиханні надану йому форму, після випалу набуває твердість каменю. Глини характеризуються рядом властивостей, які враховуються при їх промисловому використанні: пластичністю, повітряної та вогневої усадкою, пористістю, вогнетривкістю, спіканням, гидроскопичности і набуханням, адсорбційними властивостями, сполучною здатністю, спученням, хиткість і гідрофільністю. З урахуванням властивостей і складу глин, що обумовлюють їх використання, можна виділити наступні групи: 1) каоліни, 2) вогнетривкі та тугоплавкі глини, 3) високосорбірующіе глини (відбілюючі), 4) легкоплавкі глини.
Каоліни, точніше, первинні каоліни, застосовуються більшістю галузей промисловості завдяки особливостям свого складу та набору властивостей. Як правило, промисловістю використовуються збагачені каоліни, рідше каолін-сирець. Збагачення каолінів проводиться шляхом відмулювання, флотації, магнітної та електромагнітної сепарацій та іншими методами. Каоліновий концентрат в ряді випадків піддається облагороджування (шляхом обробки реактивами) для додання йому більшої білизни. Попутні продукти збагачення каоліну - кварц і польові шпати. Головні споживачі збагаченого каоліну - паперова і керамічна промисловості, а також гумова, миловарна, вогнетривка, хімічна. У меншій мірі він використовується в парфюмерно-косметичної та кабельної галузях промисловості, а також при виготовленні клейонки, пластмас, мінеральних фарб, олівців, у виробництві силуміну (сплав Al 87%, Si 13%) та ін Каолін-сирець використовується в цементній промисловості , при виробництві напівкислі вогнетривів. Каолін також йде на виготовлення фарфорових виробів.
Діоксид кремнію - основа для отримання кремнію, виробництва звичайного та кварцового скла, а також необхідний компонент кераміки і абразивних матеріалів.
Порцелянові вироби широко застосовують у хімічній, електротехнічній промисловості, в хімічних лабораторіях (фарфорові тиглі, чашки, ступки, стакани і т. д.). У хімічній промисловості порцелянові вироби мають велике значення внаслідок їх стійкості проти кислот, лугів, та інших хімічних реактивів, великий механічної міцності, термічної стійкості та вогнетривкості. В електротехнічній промисловості фарфор застосовують як надійного ізоляційного матеріалу (фарфорові ізолятори, «свічки» для автомобільних і авіаційних моторів і т. д.).
Найбільш поширена глина, пофарбована сполуками заліза в жовтий колір. З неї готують будівельні цеглини, кислото-і вогнетривкі вироби, дренажні труби, покрівельну черепицю, гончарні вироби і т.д.
Цементне виробництво.
У вигляді піску SiO2 - давно відомий будівельний матеріал. Сировиною у цементному виробництві служить суміш глини з вапняком. Застосовують і природний мергель (глинистий вапняк), якщо він по складу задовольняє вимогам цементного виробництва. Такі мергелі є у нас, наприклад, в районі Новоросійська
При 1400-1500 * маса спікається з утворенням складних силікатів. Виходить з печі спечений матеріал називають к л і н к е р про м. розломних клінкер упаковують в бочки або мішки. Готовий продукт являє собою тонкий сіро-зелений порошок.
Основна мас цементу складається із складних хімічних сполук кальцію, магнію, кремнію, алюмінію і заліза. Склад цих речовин, представлених у вигляді сполук оксидів, наступний: 3CaO. SiO2, 2CaO.SiO2, 3CaO.Al2O3, 2CaO.Fe2O3. Крім того, в цементі завжди в змінних кількостях містяться різні домішки.
Основний хімічний процес при виробництві цементу - спікання при 1200 - 1300 оС суміші глини з вапняком, що приводить до утворення силікатів і алюмінатів кальцію:
t
Al2O3. 2SiO2. 2H2O = Al2O3. 2SiO2 + 2H2 O
CaCO3 = CaO + CO2h
CaO + SiO2 = CaSiO3
3CaO + Al2O3 = 3CaO.Al2O3
При змішуванні з водою відбувається поступова гідратація:
3CaO. Al2O3. 6H2 O = 3CaO. Al2O3 + 6H2 O
Якщо при замісі цементної маси ввести в неї щебінь, гравій і тому подібні матеріали, то вийде б е т о н. Якщо ж бетоном прикривають будь-яку основу (каркас) із залізних прутів, дроту, стрижнів і т.д., то подібні конструкції називають ж е л е із про б е т о б о м.
Залізо і бетон добре зчіплюються між собою, утворюючи міцну масу, не руйнується при звичайних зміни температури (коефіцієнти об'ємного розширення заліза і бетону майже однакові). Залізобетон відрізняється механічною міцністю, великою опору стиску і розриву (сам цемент добре витримує стиснення, але дуже слабкий на розтяг).
Композиція з цементу і азбесту (асбоцемент) - цінний матеріал для покрівель. Асбоцементні даху відрізняються довголіттям.
Бетон добре затримує радіоактивні випромінювання і застосовується для захисту від них.
Цемент відноситься до числа так званих в'яжучих матеріалів. Це матеріали, здатні з рідкого або тістоподібного стану переходити в твердий, камневидное при звичайній температурі.
В'яжучі речовини поділяють на органічні (смоли, клеї тощо) і мінеральні (цемент, вапно та ін.) Мінеральні в'яжучі речовини, у свою чергу, підрозділяють на в о з д у ш н и е г і д р а в л і т и ч е з до і е. До повітряним в'яжучим матеріалами перераховують ті з них, які тверднуть на повітрі. Сюди відносять вапно, алебастр, гіпс, магнезіальний цемент і ін Гідравлічні в'яжучі речовини можуть тверднути і зберігати свою міцність, як і на повітрі, так і у воді. Сюди належить цемент.
Скляне виробництво.
Сировиною у скляному виробництві служать кремнезем SiO2 і силікати лужних і лужноземельних металів. Склад скла в загальному вигляді може бути представлений формулою: xЕ2О.уЕО.zSiO2, де Е2О - оксид лужного металу (Na2O, K2O, Li2O та ін); ЕО - оксид лужноземельного металу (СаО, MgO, BaO) і SiO2 - кислотний оксид (кремінний ангідрид). Окисли лужної групи знижують в'язкість і температуру плавлення скла, а також його твердість. Окисли лужноземельний групи підвищують хімічну стійкість скла, а оксиди кислотної групи (SiO2, а іноді Al2O3, B2O3, P2O5 та ін) повідомляють високу термічну, хімічну і механічну стійкість.
Виробництво скла складається з наступних процесів: підготовка сировинних компонентів, одержання шихти, варіння скла, охолодження скломаси, формування виробів, їх відпалу та обробки (термічної, хімічної, механічної).
Процес скловаріння умовно поділяють на декілька стадій: сілікатоообразованіе, скловаріння, освітлення, гомогенізацію і охолоджування («студку»).
Звичайне біле скло отримують сплавом суміші соди Na2CO3 і крейди CaCO3 з великою кількістю кремнезему (білого піску) SiO2. Склад цього скла може бути виражений формулою Na2O. CaO. 6SiO2.
Якщо замість води взяти поташ K2CO3, то силікат натрію в склі заміниться на силікат калію K2SiO3. При цьому виходять тугоплавкі скла, склад яких може бути виражений формулою: K2O. CaO.6SiO2. Таким шляхом отримують віконне скло (так зване бемское), пляшкове і взагалі посудній скло.
При заміні окису кальцію окисом свинцю PbO отримують кришталеве скло приблизного складу K2O. PbO. 6SiO2. Свинцеві скла сильно заломлюють промені світла і відрізняються блиском. З них готують кришталевий посуд, колби для електроламп і пр.
Існує велика кількість сортів скла, виготовлених для різних цілей: оптичне, термометричні, увіолеве (проникне для ультрафіолетових променів, звичайне скло не пропускає ці промені), різні жаростійкі скла. Скло є важливим будівельним матеріалом. Готують тканини зі скла. Починають широко застосовувати скляні труби (гідність їх: більша стійкість проти кородуючої агентів). Жаростійкої скло служить для виготовлення каструль сковорідок і т.д.
Звичайне пляшкове скло забарвлене в зелений колір солями двовалентного заліза. Кольорові скла одержують введенням в масу при плавленні різних добавок у мелкораздробленном стані. Так, закис кобальту CoO надає склу синє забарвлення, закис міді Cu2O червону, окис хрому Cr2O3 яскраво-зелене забарвлення. Невеликі домішки в склі мелкораздробленном стані металевого срібла надають йому жовтого забарвлення, а золота - красиву яскраво-червону (рубінове скло) і т.д.
Склад деяких промислових стекол
Скло Хімічний склад,%
SiO2 B2O3 Al2O3 MgO CaO BaO PbO Na2O K2O Fe2O3 SO3
Віконне ... .... 71,8 - 2 4,1 6,7 - - 14,8 - 0,1 0,5
Тарне ... ... ... 71,5 - 3,3 3,2 5,2 - - 16 - 0,6 0,2
Посудні ... ... 74 - 0,5 - 7,45 - - 16 2 0,05 -
Кришталь ... ... 65,5 - 0,48 - 1 - 27 червня 1910 0,02 -
Хіміко-лабораторне ... 68,2 2,7 3,9 - 8,5 - - 9,4 7,1 - -
Оптичне ... 41,4 - - - - - 53,2 - 5,4 - -
Кварцоідное ... 96 3,5 - - - - - 0,5 - - -
Електроколбочное ... ... .... 71,9 - - 3,5 5,5 2 - 16,1 1 - -
Електровакумне ... ... ... 66,9 20,3 3,5 - - - - 3,9 5,4 - -
Медичне ... 73 4 4,5 1 7 - - 8,5 2 - -
Жаростійкої ... 57,6 - 25 серпня 7,4 - - - 2 - -
Термостійке ... 80,5 12 2 - 0,5 - - 4 1 - -
Термометричні ... ... .... 57,1 10,1 20,6 4,6 7,6 - - - - - -
Захисне ... .... 12 - - - - - 86 - 2 - -
Радіаційно-стійке ... ... ... 48,2 4 0,65 - 0,15 29,5 - 1 7,5 - -
Стеклянноеволокно ... ... .. 71 - 3 3 8 - - 15 - - -
Силікати калію і натрію розчиняються у воді. У техніці ці речовини називають
р а з т в о р і м и м і с т е к л а м і. Їх розчин називається рідким склом. Знаходить застосування в миловарному виробництві, у фарбуванні, у виробництві паперу, а також для просочення дерева і тканин з метою повідомлення їм не згорає і стійкості проти гниття.
Рідке скло - одне з найважливіших неорганічних речовин, що клеять (адгезив). Це пов'язано з тим, що силікат натрію знаходиться в ньому у вигляді макромолекул. Рідким склом просочують тканини і дерево для надання їм вогнестійкості; воно застосовується для виготовлення кислототривкого цементу, силікатних фарб і глазурі.
Майже всі види піску, що утворюють іноді пластини величезної потужності, складаються з кварцу. Чисті прозорі кристали кварцу йдуть на виготовлення лінз і призм, що пропускають УФ-випромінювання. Для цих цілей використовується також кварцове скло. П'єзоелектричні властивості кварцу знаходять застосування в приладах для генерації ультразвука. З непрозорого технічного кварцового скла виготовляють великогабаритну термо-і кислотну хімічну апаратуру, муфелi для електричних печей. Особливо чисте прозоре кварцове скло застосовується для виготовлення труб, апаратів і ємкостей для напівпровідникової техніки та радіоелектроніки.
Коштовне каміння.
Безбарвні і різно забарвлені кристали SiO2 - дорогоцінні камені.
Група кварцу - одна з найпоширеніших у природі. Кварц (SiO2) зустрічається в багатьох гірських порід, де він утворюється в найрізноманітніших умовах. У природі кристали кварцу зустрічаються самих різних розмірів. Примірники в сотні кілограмів не є рідкістю. Існує багато різновидів кварцу, однакових з ним по кристалічній структурі, але відрізняються за кольором. З них найбільш поширені прозорий і безбарвний гірський кришталь, лимонно-жовтий цитрин, сліпуче білий і мутний молочний кварц, рожевий кварц ніжного пастельного тону, просвічує димчасто-коричневий кварц, чорний від непрозорого до злегка просвічує - моріон і від фіолетового до ніжно-бузкового кольору аметист. У наш час на заводах вирощують кристали синтетичного кварцу, які йдуть на потреби п'єзо-та піротехніки, медицини та радіо.
Просвічують кристали димчастого кварцу і моріон використовується в ювелірних виробах, глиптике і мужньо - декоративних роботах.
Аметист виділяється серед інших різновидів кварцу особливою красою. Його колірна гама коливається від ніжно-бузкового до темно-фіолетовою. Зустрічаються окремі різновиди, сяючі пурпурним «вогником». Особливо гарний аметист на сонячному світлу. При штучному освітленні він програє в яскравості і красі забарвлення. Аметистові щітки використовуються в ювелірній промисловості для вставок у купони, сережки, каблучки, брошки, і як декоративний матеріал для шкатулок, письмових приладів і сувенірів.
Халцедон представляє собою ськритокрісталлічеських кварц мікроволокнистого будови. У залежності від кольору, структури і текстури розрізняється кілька різновидів халцедону. Власне Халцедон має кольору від сірого до молочно-білого з характерним восковим або матовим блиском. Зустрічається халцедон в природі найчастіше в жовнах чи кулястих натічних тілах, особливо часто в ефузивних породах у вигляді мигдалин. Свою назву халцедон отримав від стародавнього р. Халкедона в Малій Азії, звідки він розходився по країнах Середземномор'я.
Цінні технічні якості халцедону (однорідність структури, відсутність спайності, висока твердість, мала стираність і т.п.) роблять його незамінним матеріалом для виготовлення опорних каменів для точних приладів, прасувальних дощок для папероробних машин та ін
Родоніт відноситься до тріклінной піроксенах. За складом це метасиликат марганцю (MnSiO3). Твердість родоніту 5.5-6.5, уд. вага 3.4-3.8, спайність досконала. Живі візерунки з чорних гіллястих прожилок оксидів і гідрооксидів марганцю оживляють цей камінь, створюючи на ньому фантастичні малюнки і навіть пейзажі. Родоніт чудово піддається обробці. Будучи дуже щільним, він легко ріжеться алмазної пилкою, добре шліфується і відмінно приймає дзеркальної поліровки. Його здатність просвічувати в тонких пластинках, пофарбованих у яскравий малиново-червоний колір, використовується при створенні вітражів. Перелік із родоніту дуже багатий: різні шкатулки, брелоки, прес-пап'є, печатки, попільнички, вази, тарілочки, чаші, розрізні ножі, брошки, запонки і т.д. Уральські кустарі здавна обробляли родоніт і добилися дивовижної техніки, імітуючи ягоди малини, плоди та фрукти, які прикрашали скриньки у вигляді накладок.
Висновок.
Неважко зрозуміти, що в майбутньому застосування силікатів стане ще більшим. Металів в земній корі не так вже й багато. Вуглець, який служить основою органічних полімерів і пластмас, складає всього лише 0,1% земної кори по масі. Виробництво деревини обмежена швидкістю приросту лісу. А використання силікатів практично не обмежена нічим. За силікатній сировини, можна сказати, ми ходимо. Правда є суттєвий недолік у силікатних виробів. Вони володіють великою крихкістю, але цей недолік у принципі переборна. Адже винайшли ж японці небиткий фарфор. А на сковорідках з дрібнокристалічного скла - ситалу ще двадцять років тому смажили картоплю. Міцність таких сковорідок близька до чавунних, і б'ються вони значно менше, ніж звичайне скло.
Втім, про силікатах можна говорити нескінченно. Відомостей про них так багато, що хімія силікатів давно виділилася у велику самостійну галузь хімічного знання.
ЛІТЕРАТУРА:
1. «Велика Радянська Енциклопедія»
Видавництво «Радянська Енциклопедія». Москва 1976
2. «Загальна хімія» А.Г. Кульман
Видавництво «Колос». Москва 1968
3. «Неорганічна хімія» Посібник для абітурієнтів та старшокласників
Видавництво «Московський Ліцей». Москва 1996 р.
4. «Кислоти - підстави» Б.В. Мартиненко
Видавництво «Просвіта». Москва 1988р.
5. «Хімія» Довідкові матеріали
Видавництво «Просвіта». Москва 1989 р.
6. «Дорогоцінне каміння і їх обробка» Ю.В. Нікітін
Видавництво «Наука». Ленінград 1979
7. «Корисні іскопаеми»
Видавництво «Надра». Москва 1982