Силикатная промышленность производство цемента
Силикатная промышленность
Силикатная промышленность — это производство керамики, стекла, цемента из природных соединений кремния.
Содержание
Керамика
Кирпич, кафель, глиняная, фаянсовая посуда — всё это керамика. Сырьём для производства керамических изделий являются глина и минеральные добавки. Глина состоит из минерала каолинита (Al2O3*2SiO2*2H2O). Процесс происходит так:
- Подготовка сырья
- Формовка
- Сушка
- Обжиг
Подготавливая сырьё, глину смешивают с водой (она получается тестообразной), затем придаётся форма, и в конце изделие сушится и обжигается (после этого изделие становится твёрдым) [1] .
Керамическое производство развивается в трёх направлениях: строительная керамика, керамика для быта, техническая керамика.
Стекло
Основная статья: СтеклоделиеСостав обычного оконного стекла обычно выражается формулой Na2O*CaO*6SiO2. Стекло получается спеканием белого песка, соды, известняка в специальных печах:
Цемент
Основная статья: ЦементСырьём для производства цемента являются глина и известняк. При их спекании происходит разложение известняка и образование силикатов и алюминатов кальция [1] .
Литература
Примечания
- Строительные материалы
- Промышленность по отраслям
- Соединения кремния
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Силикатная промышленность" в других словарях:
Пономарёв, Иван Фёдорович (физикохимик) — Иван Фёдорович Пономарёв Дата рождения … Википедия
Цемент: его состав и свойства
Сегодня существует огромное количество различных стройматериалов, которые имеют свои преимущества и недостатки. Но, пожалуй, самым популярным из них является цемент. Его используют практически на всех этапах строительства, начиная от монтажа фундамента и заканчивая внутренней отделкой стен. Объяснить его популярность достаточно просто: он обладает высокой прочностью, вяжущим эффектом, позволяет скрыть любые дефекты, с легкостью выдерживает повышенные нагрузки, не боится отрицательных температур. Можно смело сказать, что до сих пор аналогов цементу просто не существует. Именно поэтому он еще долгое время будет оставаться №1 среди всех видов стройматериалов.
Что такое цемент?
Цемент – это стройматериал, который выступает в качестве вяжущего элемента в различных растворах. В целом он представляет собой серый порошок. В отдельно взятых случаях он может иметь изумрудный оттенок. Итоговый цвет цементного порошка зависит от добавок, которые в нём содержатся.
Чтобы получить бетонную смесь, необходимо смешать цемент, воду, песок. При необходимости могут добавляться и другие компоненты. Их выбор зависит от целей и задач, которые необходимо решить. После добавления воды все компоненты образуют пластичную массу, которая со временем начинает затвердевать и трансформироваться в высокопрочный искусственный камень.
История появления цемента
Первое упоминание о цементе появилось примерно 2200 лет назад. В те времена цемент готовили из извести, пемзы, туфа и вулканического пепла. Полученный состав использовали в качестве скрепляющего вещества при строительстве каменных зданий. Также из цемента изготавливали цельнолитые конструкции. Но они были недостаточно прочными, из-за чего их надёжность оставляла желать лучшего.
С каждым столетием качество цемента повышалось, и в 1824 г. Джозеф Аспдин разработал аналог современного портландцемента. Он отличался прекрасным вяжущим эффектом, благодаря чему его можно было использовать для приготовления бетона. Затвердевший материал отличался повышенной прочностью и износостойкостью.
Однако, несмотря на то, что он прекрасно выдерживал сжатие, растяжения бетона приводили к его разрушению. Инженеры обратили внимание на тот факт, что металлические балки, наоборот, не боятся растяжений, но плохо работают на сжатие. В итоге практически одновременно несколько специалистов пришли к выводу, что необходимо объединить эти две особенности.
В начале 1850-ых годов французский инженер Жан-Луи Ламбо построил небольшие лодки. В качестве исходного материала он использовал бетон, который армировал железной сеткой. Спустя несколько лет Уильям Уилкинсон стал первым, кто решил армировать металлическими балками бетонные панели. Полученные ЖБ-конструкции использовали при строительстве 2-этажного дома.
В 1854-м г. инженер-строитель Франсуа Куанье также проводил эксперименты с железобетоном. Он первым решил связать стальную арматуру перекрытий с боковыми панелями. Однако в массовом производстве железобетон начал использовать человек, который вообще не имел отношения к строительству, – это Джозеф Монье. В 1846-ом г. его назначили садовником в саду неподалёку от Лувра. Для пересадки апельсиновых деревьев на зиму в теплицу ему нужны были прочные и надежные кадки. Монье решил сделать их из бетона, но у него ничего не получалось. Полученные кадки все время трескались, даже не застыв. В итоге он решил укрепить их металлическими стержнями.
Тогда цемент не отличался прочностью и разрушался при малейших перепадах температур. Но на удивление Монье, его изобретение за 3 года интенсивной эксплуатации так и не вышло из строя – ни одна кадка не растрескалась. После этого садовник начал изготавливать из бетона и другие элементы ландшафтного дизайна.
Через несколько лет на парижской выставке он получил патент за использование армированного бетона в искусственных водоёмах. После этого последовало еще несколько патентов, в том числе за открытие ЖБ- балок, шпал, мостовых конструкций и других изделий. Через несколько лет вчерашний садовник стал самым узнаваемым человеком во Франции. Под его руководством был построен мост в замке Шазелье и еще много других конструкций.
Спустя некоторое время Монье продал все патенты инженеру-строителю Густаву Вайсу. Он, в свою очередь, сместил арматуру в сторону, что позволило повысить прочность и износостойкость железобетонных панелей. Можно смело сказать, что изобретение армированного бетона стало одним из важнейших событий в истории строительства.
Силикатная промышленность
Силикатная промышленность — это производство керамики, стекла, цемента из природных соединений кремния.
Керамика. Кирпич, кафель, глиняная, фаянсовая посуда, осколки древнегреческой амфоры — все это керамика (от греческого «керамон» — глина). Сырьем для производства керамических изделий являются глина и минеральные добавки. Глина состоит из мельчайших кристаллов минерала каолинита Аl2О3 • 2SiO2 • 2НО2. Процесс изготовления керамики сводится к следующему: подготовка сырья, формовка, сушка, обжиг. При подготовке сырья глину смешивают с водой. При этом образуется тестообразная масса, способная сохранять приданную ей форму. После сушки и обжига изделие приобретает камневидное состояние. Керамическое производство развивается в трех направлениях: строительная керамика, керамика для быта, техническая керамика (рис. 56).
Стекло. Состав обычного оконного стекла выражается формулой Na2O • CaO • 6SiO2. Стекло получают в специальных печах спеканием соды, известняка и белого песка. Схематично химизм процесса можно показать таким образом:
Стекло открыто очень давно. Еще в IV тысячелетии до н. э. в некоторых странах Востока умели выплавлять стекло. Это твердый аморфный хрупкий прозрачный материал. Переход из жидкого состояния в твердое происходит постепенно, это дает возможность прокатывать стеклянную массу в листы, выдувать из нее различные изделия, получать нити, листовое стекло (рис. 57).
Стекла могут быть различными по составу. Если заменить соду на поташ К2СО3, получают специальное тугоплавкое стекло, которое идет на изготовление химической посуды. Если же заменить известняк на оксид свинца (II) РbО, а соду на поташ, то получится хрусталь — стекло с высоким коэффициентом преломления. Добавляя в стеклообразную массу различные оксиды, можно придавать стеклу различную окраску: оксид кобальта (II) СоО — синюю, оксид хрома (III) Сr2O3 — ярко-зеленую, оксид марганца (IV) МnO2 — красновато-лиловую и т. д.
Лабораторный опыт. Ознакомление с видами стекла (работа с коллекцией «Стекло и изделия из стекла»).
Цемент. Сырьем для производства цемента являются глина и известняк. При их спекании происходит разложение известняка и образование силикатов и алюминатов кальция. Полученную массу (клинкер) перемалывают в зеленовато-серый порошок — портландцемент. При смешивании цемента с водой образуется тестообразная масса, которая со временем затвердевает. Происходит «схватывание» цемента.
Цемент — важный строительный материал, из него готовят бетон, железобетон. Бетон — смесь щебня или гравия, песка с цементом. Если в бетон ввести каркас из металлических стержней (стальная арматура), то получится железобетон. Бетон и железобетон в больших количествах идут на строительство гидроэлектростанций, плотин, сооружений, дорог, зданий.
Селикатная промышленность.разработка урока для 9 класса
Еще в 1751 г. говорил: «Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие, куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, повсюду видны плоды ее прилежания". С тех пор роль химии и сферы ее применения во всех отраслях деятельности человека возросло многократно. В этом мы еще убедимся.
Цели .
Обучающие: познакомить учащихся с основными производствами силикатной промышленности, сырьем, химическими процессами при получении стекла, цемента, с изделиями из них.
Развивающие: развитие внимания и мышления, познавательного интереса к химии, логического мышления, навыков составления уравнений реакций, умения работы с техническим текстом и наглядными средствами.
Воспитательные : продолжить формирование научного мировоззрения учащихся, культуры общения, совершенствовать навыки коллективной работы, наблюдательности, научить созданию творческой и демократической обстановки, исключающей равнодушие на уроке.
Оборудование: изделия из стекла, цемента, кирпич, фарфор.карточки с таблицами, с заданиями.
“ Человек рождается на свет,
Чтоб творить, дерзать, а не иначе,
Чтоб оставить в жизни добрый след
И решить все трудные задачи”
I . Органзационный момент
II .Мотивация
1.входной контроль
Тест «Кремний и его соединения»
В Периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева кремний находится в:
а) третьем периоде, II группе б) третьем периоде, IV группе
в) третьем периоде, VI группе г) во втором периоде, IV группе
Строение внешнего электронного слоя атома кремния:
а )3s 2 3d 4 б )3s 2 3p 2 в )3s 2 3d 3 г ) 3s 2 3p 4
Максимальна валентность атома кремния:
а) II б) V в) IV г) VI
В соединениях кремний проявляет степени окисления
а)+4,-4,0; б ) +2,+4,0; в ) -2,0,+4
а)металлом б) неметаллом в) переходным элементом
Простое вещество кремний является типичным:
а) окислителем б) восстановителем в) окислителем и восстановителем
В природе кремний встречается в виде:
а)силикатов б) силицидов в) глины и песка г) в виде разных соединений
Формула вещества Название вещества Степень окисления кремния
SiO 2 а)силицид магния А) +4
Mg 2 Si б) диоксид кремния Б) -4
К химическим свойствам кремния относятся реакции:
а) с неметаллами б) с разбавленными кислотами
в) с водой г) с солями и оксидами менее активных металлов
д) активными металлами
ответ: А 1-б, 2-б, 3-в, 4-а, 5-б, 6-в, 7-б,в; Б 1-б,+4; 2-а,-4
2. Загадки (загадываю загадки, школьники отгадывают, задаю вопрос: Что это все значит? Ответ находим, обратив внимание на выставку изделий – см. оборудование)
На топтале был,
На кружале был,
На пожаре был,
Молод был- людей поил .
(глиняный горшок)
На улице мерзнет
А в доме не мерзнет. (стекло оконное)
Я серый порошок, пока мой дом – мешок,
Но лишь напьюсь воды, в момент
Окаменею. Я … (цемент)
В горах далёких Шао Линь
Копали глину – каолин.
Из этой глины с давних пор
В Китае делали … (фарфор)
Такова моя природа:
Известняк, песок и сода
Много требуют огня,
Чтобы выплавить меня.
Я прозрачно и светло
И зовут меня… (стекло)
Обратите внимание на выставку. Что здесь представлено? Что объединяет все эти предметы? ( Все они сделаны из соединений кремния )
А какие предприятия выпускают такие изделия? ( стекольный, цементный, кирпичный заводы, предприятия, выпускающие посуду из фарфора, керамики, хрусталя, сувенирные фабрики.
Все эти предприятия образуют отрасль промышленности, которая называется… (силикатной). Значит, сегодня на уроке мы будем изучать тему: «Силикатная промышленность »
III .Новый материал
1. определение – записываем в терадь
Силикатная промышленность- это производство различных строительных материалов, стекла и керамики из различных природных силикатов.
Силикатные изделия – это такие изделия, которые состоят из смесей или сплавов силикатов, полисиликатов, алюмосиликатов.
Силикатная промышленность
Производство керамики производство стекла производство строительных
Теперь рассмотрим виды силикатной промышленности по группам. Каждая группа работает по своему направлению, заполняет в таблице свою строку, после чего знакомит класс с наработкой, а все остальные заполняют соответствующие строки.
2. работа учащихся с материалом учебника, дополнительным и заполнение таблицы
Производство красного кирпича
Отрасль силикатной промышлен-ности
Основные химические процессы
Кварцевый песок- SiO 2 , сода- Na 2 CO 3 , известняк- CaCO 3 .
-формование при постепенном охлаждении
Листовое стекло, стеклянные трубкии палочки, пуговицы,банки,бутылки, электролампы, посуда
Производство красного кирпича
Глина, кварцевый песок
-смешивание с водой,
65% сырья и 35% воды,
t = 110 0 C 2-3 дня,
Белая глина, вода
t = 1 45 0 -1700 0 C
Бытовая и химическая посуда, художественные изделия, изоляторы и т. д.
-обжиг до спекания,
t = 100 -1200 0 C
3. производство керамики.
Керамика – это материалы, полученные при спекании глин с различными
Изготовление различных керамических изделий основано на свойстве глины при смешивании с небольшим количеством воды образовывать пластическую массу. Этой массе можно придать любую форму, которая сохраняется после высыхании и закрепляется посредством обжига при высокой температуре. ʈ○ – 1450 – 1700 С ○
В состав глины входит каолин ( Al 2 O 3 SiO 2 2 H 2 O ), в виде механической примеси – песок( SiO 2 ) и известняк( CaCO 3 ). Сырье т технологи производства не изменились с тех давних времен, но сам процесс подготовки сырь и производство готовой продукции ускорились.
Керамика
Фарфор фаянс строительные материалы
Самой благородной керамикой считают фарфор. Его родина – Китай, где уже 220 лет до н.э. было основано его производство. Природа создала все условия для производства фарфора именно в Китае. В одной из провинций имеются залежи «фарфорового камня» - удивительного минерала состоящего из кварца, полевого шпата и глины. Секрет производства фарфора многие пытались разгадать. И в Китае был издан закон за разглашение тайны – отрубить голову. Многие представлялись купцами, жили в Китае, но секрет разгадать не смогли.
Впервые Европейский фарфор был изготовлен в 1720 году И. Беттгером в Германии и до сих пор эта марка фарфора считается наиболее качественной наряду с английской .
В России состав фарфора был разработан Д.И.Виноградовым и налажено его производство на императорском заводе под Петербургом, который носит название «им. М.В.Ломоносова»
Характерные признаки фарфора: тонкость изделии, белый цвет, отсутствие пористости, термическая и химическая прочность, звонкий звук, просвечивает.
На Ставрополье интересно производство фарфора на «Кисловодском Фарфоре –ФЕНИКС».Очень развито производство ваз от метровых до нескольких см. В последнее врем стали изготавливать светильники, часы и другие сувениры. Роспись и изготовление изделий до сих пор проводится вручную, отсюда и неповторимость каждого изделия.
Фаянс – керамический материал, содержащий до 85% глины, с высокой пористостью
и водопоглощением (до 20%).
Температура обжига фаянса значительно ниже температуры обжига фарфора. Название «фаянс» произошло от города Фаэнца на Севере Италии, где XIV - XV веках было широко развито керамическое ремесленничество. Если мы посмотрим на осколок фаянса, то его характерные черты: очень пористый и непрозрачен. Что можно изготовить из фаянса:
посуду, строительные материалы, декоративные изделия.
Фаянс — керамические изделия, имеющие плотный мелкопористый черепок, покрытые прозрачной или глухой глазурью. Фаянс был известен еще в Древнем Египте. Древнеегипетский фаянс представлял собой зеленовато-голубые керамические изделия, имитирующие малахит и бирюзу и выпускавшиеся в Египте и Месопотамии за 4500 лет до н.э; в состав массы египетского фаянса входили кварцевая галька, а также добавки известняка, соды и медной руды.
4. производство стекла .
Начнем говорить о производстве стекла словами М.В.Ломоносова из «Оды стеклу» (1736г):
« Пою перед тобой в восторге похвалу
Не камням дорогим, не злату, а стеклу»
А что представляет собой стекло? Перечислите физические свойства стекла.
Прозрачность, пропускает свет и тепло.
Стекло – это твердый силикатный материал, полученный из кварцевого песка и
оксидов ряда металлов.
История стекла уходит корнями в Древний Египет, где впервые из него сделали бусы. На Руси стеклянные вещи изготовлялись еще в XI - XIII веке. В XVIII веке Ломоносов открыл секрет изготовлении цветных стекол, а XX веке составили классификацию стекла.
Обыкновенное химическое хрустальное кварцевое жидкое
Рассмотрим каждый вид стекла подробнее.
Обыкновенное стекло. Первый стекольный завод был построен под Москвой в 1636г, но особенно быстро стеклоделие начало развиваться при Петре I . Основным потребителем стекла является строительная индустрия. Больше половины всего изготавливаемого стекла приходится на оконное.
Сырье дл производства стекла: кварцевый песок, сода и известняк. Вещества тщательно перемешивают и подвергают нагреванию до температуры 1500 ° С, образовавшиеся при этом силикаты натрия и кальция сплавляют с песком, который берут в избытке.
Химизм процесса : Na 2 CO 3 + SiO 2 = Na 2 SiO 3 + CO 2 ↑
Прежде чем изготовлять из расплавленной прозрачной массы изделия, ей дают немного остыть, чтобы она стала вязкой.
Формовка стекла
Выдувание вытягивание прессование прокатка
(бутылка, электроламп) (листовое стекло) (пуговицы) (зеркальное стекло)
Вытягивание листового стекла путем вытягивания происходит на специальных машинах. В них полужидкое стекло выдавливается через щель и при помощи специальных вальцов вытягивается в листы.
Химическое стекло. Если при производстве стекла соду заменить на поташ K 2 CO 3 , то получаем более тугоплавкое стекло. Примерный состав стекла: К 2 O CaO 6 SiO 2 . Используют для изготовление химической посуды.
Хрустальное стекло.
Сырье: К 2 С O 3 ,Р bO и SiO 2 – то получают хрусталь. Хрусталь был открыт в Англии в 17 веке и характеризуется высокой прозрачностью, хорошим блеском, характерным звоном и большой плотностью. Изделия из хрусталя чувствуются в руке по массе. Хрусталь сильно преломляет свет, поэтому используется в приготовлении линз и призм.
Цветное стекло. Если к обычному стеклу добавить оксиды металлов, то мы получим цветное стекло. CoO – синее стекло, Cr 2 O 3 – зеленное стекло, Fe 2 O 3 - желтое стекло, небольшое количество раздробленного золота – рубиновое стекло. Из такого стекла сделаны звезды московского кремля на Красной площади. Эти звезды были изготовлены на заводе «Красный май» Вышневолоцкого района.
Кварцевое стекло изготавливают из чистого кварцевого песка.
Но кроме твердого стекла существуют и жидкие стекла . К ним относят концентрированные растворы силикатов натрия и калия, получаемых при сплавлении SiO 2 со щелочами и карбонатами. Na 2 CO 3 + SiO 2 = Na 2 SiO 3 + CO 2 ↑
В своем стихотворении «Письмо о пользе стекла» М.В.Ломоносов писал:
Так в бисере стекло, подобясь жемчугу,
Любимо по всему земному ходит кругу.
Им красится народ в полуночных степях,
Им красится арап на южных берегах …
Более 6000 лет назад воз никло стеклоделие, и появились стеклянные бусы разных форм и размеров. Благодаря современным технологиям бусины стали мельче. Так появился бисер – мелкие бусины с отверстием для продевания нити. Вначале 18 века становится популярным чешское стекло, бисер из него легче поддавался обработке, гранению, и шлифованию. Расцвет бисероплетения пришелся на конец XX века, но и сейчас это искусство не забыто.
5. Производство строительных материалов и цемента.
Цемент – это вяжущие материалы, употребляемые в строительстве для скреплении
между собой твердых материалов.
В зависимости от того происходит отверденение на воздухе или под водой различают: воздушные (известковое тесто) и гидравлические. В основном цемент готовят искусственной смеси известняка и глины, но на Черноморском побережье от Новороссийска до Сочи находятся залежи цементного камня.
Цементный клинкер –продукт обжига смеси глины с известняком.
Цемент – мелкоизмельченный клинкер с минеральными добавками, регулирующими его свойства.
Виды цемента
Портландцемент шлаковый глиноземистый спеццемент(кислотоупорный)
какие марки цемента Вы знаете?
Марка 400 обозначает, что в лаборатории при пробном испытании затвердевшего цементного кубика с ребром 100 мм при раздавливании на прессе выдержал нагрузку не менее 400 кг/см 2 . Наиболее распространенные марки от50-500, хот есть марки 600 и 700. Все цементы быстро схватываются и начало затвердевания – 40-50 мин, а окончание затвердевания – 10-12 часов. ʈ○ 100 – 1200С○
При добавлении к цементу песка, гравия получают бетон.
Какие виды бетона Вы знаете?
шлакобетон, железобетон, бетон.
а сможем ли с вами построить без кирпичей дом?
Красный глиняный силикатный
Красный глиняный кирпич – изготовлен из глины с водой, с последующей формовкой, сушкой и обжигом. Плохо высушенный сырец при обжиге неизбежно приводит к появлению трещин. Так как вода попавшая в кирпич замерзает и может его разломать, кладу из кирпича защищают штукатуркой или краской. Красную окраску кирпичу придает оксид железа (3) – встречается в глине в виде примесей. 65% воды, 35% сырья. ʈ○ 110 -С ○ , 2-3 дня
Силикатный кирпич имеет светло серый цвет, меньшую влаго - и морозоустойчивость, его нельзя применять для кладки печей, т.к. он не выдерживает высоких температур, и для кладки фундамента – тянет влагу. Сырье: известь и кварцевый песок.
IV . Закрепление.
1.Почему промышленность называется силикатной? (стекло, цемент, кирпич, бетон бывают, весьма различны, по составу, но их важной составной частью служит кремний).
2.Перечислите способы формовки стеклянных изделий?
3.Каков состав хрустального стекла?
4.Внимание вопрос на сообразительность!
5.В каком органе человека содержится больше всего кремнезема? (стекловидное тело глаза).
6.На какие группы делятся керамические изделия?
7.Объясните происхождение слова “фаянс”.
8.Чем фарфор отличается от фаянса?
9.Какую марку имеет саксонский фарфор и почему?
10.Что такое цек старинных фаянсовых изделий? (Цек глазури - это сеть мелких трещин.)
2. тестирование
1 .Цемент получают обжигом (1400-1600 0 С) сырьевой смеси, состоящей из…
А)глины и песка
Б)глины и известняка
В)воды и песка
1. Сырьем для получения стекла служат…
А) кварцевый песок, сода, известняк
Б) сода, кварцевый песок
В) глина и кварцевый песок
2 . Фарфор получают из пластичной массы, состоящей из…
А) поташ, глина
Б) сода, красная глина
В) белая глина, вода
2. Красный кирпич используется для строительства
А) жилых зданий
В) фундаментов
3. Силикатный кирпич используется для строительства
А) жилых зданий
Б) производственных зданий
В) фундаментов
3. Смесь щебня, песка и цемента называется…
А) железобетоном
Б) шлакобетоном
4. После первичной сушки красного кирпича при
t = 110 0 C 2-3 дня получается…
А) готовый кирпич
Б) кирпич-сырец
4 .После спекания цементной смеси производят ее…
А) перемалывание
5 .При производстве стекла, если соду заменить поташом, то получают…
Реферат: Силикатная промышленность
Кремний – ведущий современный полупроводниковый материал, который широко применяется в электронике, в электротехнике для изготовления интегральных схем, диодов, транзисторов, тиристоров, фотоэлементов и т. д. Технический кремний – легирующий компонент в производстве стали (например, трансформаторная сталь), а также в цветной металлургии (кремневые бронзы).
Природные соединения кремния обычно представляют собой производные не метакремниевой, а группы так называемых п о л и к р е м н е в ы х к и с л о т. Состав этих кислот в общем виде mSiO2. nH2O, где n и m целые числа. K природным силикатам относятся полевые шпаты, слюда, глины, асбест и др. Состав этих минералов сложен. Для удобства их часто условно выражают как соединения оксидов, например: Ортоклаз (минерал из группы
полевых шпатов)…………………… K2 Al2Si6O16 = K2O. Al2O3. 6SiO2
Слюда (мусковит)………………………………KH2Al3(SiO4)3 или K2O. 3Al2O3. 6SiO2. 2H2O
Каолин (белая глина)…………………………..H4Al2Si2O9=Al2O3. 2SiO3. 2H2O
Асбест ………………………………………….H4Mg3Si2O9=3MgO. 2SiO2. 2H2O
Наибольшее распространение в природе имеют силикаты, содержащие алюминий и называемые а л ю м о с и л и к а т а м и. Как показывают форумы приведенных выше минералов, к числу алюмосиликатов принадлежит слюда, ортоклаз и др.
Моноксид кремния – вещество темно-коричневого цвета. При высокой температуре в результате самоокисления-самовосстановления распадается на Si и SiO2 (реакция диспропорционирования). Вообще же SiO легко окисляется до SiO2. Используя эту реакцию, искусственно получают тончайшие кварцевые прозрачные покрытия – при обработке препаратов для электронной микроскопии, для поверхностных покрытий алюминиевых зеркал.
Если студень кремневой кислоты частично обезводить, то образуется твердая белая, очень пористая масса, обладающая большой адсорбционной способностью. Этот продукт под названием с и л и к а г е л я имеет разнообразное применение в промышленности: для улавливания газов, водяных паров, для отчистки нефти, керосина. Наконец, крупнопористый силикагель – незаменимый носитель для многих катализаторов. При полном высушивании и прокаливании кремневой кислоты образуется кремневый ангидрид SiO2.
Кремневые кислоты с большой степенью конденсации сравнительно устойчивы. Но и выделять их в индивидуальном состоянии химики еще не научились. В быту и промышленности используется смесь этих кислот в виде силикатного клея. Если говорить точнее, силикатный клей – это калиевые или натриевые соли поликремневых кислот. Но так как эти кислоты слабые, а соли слабых кислот сильно гидролизуются, то фактически в растворе силикатного клея имеется смесь конденсированных кремниевых кислот.
Нитрид кремния используется в качестве компонента жаростойких и химически устойчивых композиционных материалов. Оп нашел также применение в микроэлектронике в качестве диэлектрика и высокотемпературного полупроводника. Карбид кремния – абразивный материал для шлифованных кругов, матрица для порошковой металлургии, компонент для огнеупоров. К тому же, карбид кремния является основой полупроводниковых диодов и фотодиодов.
Природные силикаты и алюмосиликаты являются сырьем для силикатной промышленности, которая в основном объединяет производства керамическое, цементное и стекольное.
Производство силикатов. Керамическое производство.
Сырьём для керамического производства служат различного рода глины.
Глина – тонкодисперсная горная порода, состоящая в основном из глинистых минералов. Обычно в глинах содержится примесь кластического аллотигенного материала зерен кварца, полевых шпатов и других материалов, и аутигенного материала – карбонатов, сульфатов, гидроксидов железа и др. П.А. Земятчинский определял глины как горные породы, способные образовывать с водой пластичное тесто, сохраняющее по высыхании приданную ему форму, после обжига приобретающее твердость камня. Глины характеризуются рядом свойств, которые учитываются при их промышленном использовании: пластичностью, воздушной и огневой усадкой, пористостью, огнеупорностью, спеканием, гидроскопичностью и набуханием, адсорбционными свойствами, связующей способностью, вспучиванием, зыбкостью и гидрофильностью. С учетом свойств и состава глин, обусловливающих их использование, можно выделить следующие группы: 1) каолины, 2) огнеупорные и тугоплавкие глины, 3) высокосорбирующие глины (отбеливающие), 4) легкоплавкие глины.
Каолины, точнее, первичные каолины, применяются большинством отраслей промышленности благодаря особенностям своего состава и набору свойств. Как правило, промышленностью используются обогащенные каолины, реже каолин-сырец. Обогащение каолинов проводится путем отмучивания, флотации, магнитной и электромагнитной сепараций и другими методами. Каолиновый концентрат в ряде случаев подвергается облагораживанию (путем обработки реактивами) для придания ему большей белизны. Попутные продукты обогащения каолина – кварц и полевые шпаты. Главные потребители обогащенного каолина – бумажная и керамическая промышленности, а также резиновая, мыловаренная, огнеупорная, химическая. В меньшей степени он используется в парфюмерно-косметической и кабельной отраслях промышленности, а также при изготовлении клеенки, пластмасс, минеральных красок, карандашей, в производстве силумина (сплав Al 87%, Si 13%) и др. Каолин-сырец используется в цементной промышленности, при производстве полукислых огнеупоров. Каолин также идет на изготовление фарфоровых изделий.
Диоксид кремния - основа для получения кремния, производства обыкновенного и кварцевого стекла, а также необходимый компонент керамики и абразивных материалов.
Фарфоровые изделия широко применяют в химической, электротехнической промышленности, в химических лабораториях (фарфоровые тигли, чашки, ступки, стаканы и т. д.). В химической промышленности фарфоровые изделия имеют большое значение вследствие их устойчивости против кислот, щелочей, и других химических реактивов, большой механической прочности, термической устойчивости и огнеупорности. В электротехнической промышленности фарфор применяют в качестве надежного изоляционного материала (фарфоровые изоляторы, «свечи» для автомобильных и авиационных моторов и т. д.).
Наиболее распространена глина, окрашенная соединениями железа в желтый цвет. Из нее готовят строительные кирпичи, кислото- и огнеупорные изделия, дренажные трубы, кровельную черепицу, гончарные изделия и т.д.
В виде песка SiO2 – давно известный строительный материал. Сырьем в цементном производстве служит смесь глины с известняком. Применяют и природный мергель (глинистый известняк), если он по составу удовлетворяет требованиям цементного производства. Такие мергели имеются у нас, например, в районе Новороссийска
При 1400-1500* масса спекается с образованием сложных силикатов. Выходящий из печи спекшийся материал называют к л и н к е р о м. Разломный клинкер упаковывают в бочки или мешки. Готовый продукт представляет собой тонкий серо-зеленый порошок.
Основная масс цемента состоит из сложных химических соединений кальция, магния, кремния, алюминия и железа. Состав этих веществ, представленных в виде соединений оксидов, следующий: 3CaO. SiO2, 2CaO.SiO2, 3CaO.Al2O3, 2CaO.Fe2O3. Кроме того, в цементе всегда в переменных количествах содержатся различные примеси.
Основной химический процесс при производстве цемента - спекание при 1200 - 1300 оС смеси глины с известняком, приводящий к образованию силикатов и алюминатов кальция:
t
Al2O3. 2SiO2 . 2H2O = Al2O3 . 2SiO2 + 2H2 O
CaCO3 = CaO + CO2h
CaO + SiO2 = CaSiO3
3CaO + Al2O3 = 3CaO.Al2O3
При смешивании с водой происходит постепенная гидратация:
3CaO . Al2O3 . 6H2 O = 3CaO . Al2O3 + 6H2 O
Если при замешивании цементной массы ввести в нее щебень, гравий и тому подобные материалы, то получится б е т о н. Если же бетоном прикрывают какую-либо основу (каркас) из железных прутьев, проволоки, стержней и т.д., то подобные конструкции называют ж е л е з о б е т о н о м.
Железо и бетон хорошо сцепляются между собой, образуя прочную массу, не разрушающуюся при обычных изменениях температуры (коэффициенты объемного расширения железа и бетона почти одинаковы). Железобетон отличается механической прочностью, большим сопротивлению сжатию и разрыву (сам цемент хорошо выдерживает сжатие, но очень слаб на растяжение).
Композиция из цемента и асбеста (асбоцемент) – ценный материал для кровель. Асбоцементные крыши отличаются долголетием.
Бетон хорошо задерживает радиоактивные излучения и применяется для защиты от них.
Цемент относится к числу так называемых вяжущих материалов. Это материалы, способные из жидкого или тестообразного состояния переходить в твердое, камневидное при обычной температуре.
Вяжущие вещества разделяют на органические (смолы, клеи и др.) и минеральные (цемент, известь и др.). Минеральные вяжущие вещества, в свою очередь, подразделяют на в о з д у ш н ы е г и д р а в л и т и ч е с к и е. К воздушным вяжущим материалам перечисляют те из них, которые твердеют на воздухе. Сюда относят известь, алебастр, гипс, магнезиальный цемент и др. Гидравлические вяжущие вещества могут твердеть и сохранять свою прочность, как и на воздухе, так и в воде. Сюда принадлежит цемент.
Сырьем в стекольном производстве служат кремнезем SiO2 и силикаты щелочных и щелочноземельных металлов. Состав стекла в общем виде может быть представлен формулой: xЭ2О.уЭО.zSiO2, где Э2О – окисел щелочного металла (Na2O, K2O, Li2O и др.); ЭО - окисел щелочноземельного металла (СаО, MgO, BaO) и SiO2 – кислотный окисел (кремневый ангидрид). Окислы щелочной группы понижают вязкость и температуру плавления стекла, а также его твердость. Окислы щелочноземельной группы повышают химическую стойкость стекла, а окислы кислотной группы (SiO2, а иногда Al2O3, B2O3, P2O5 и др.) сообщают высокую термическую, химическую и механическую стойкость.
Производство стекла состоит из следующих процессов: подготовка сырьевых компонентов, получения шихты, варки стекла, охлаждения стекломассы, формования изделий, их отжига и обработки (термической, химической, механической).
Процесс стекловарения условно разделяют на несколько стадий: силикатоообразование, стекловарение, осветление, гомогенизацию и охлаждения («студку»).
Обыкновенное белое стекло получают сплавлением смеси соды Na2CO3 и мела CaCO3 с большим количеством кремнезема (белого песка) SiO2. Состав этого стекла может быть выражен формулой Na2O. CaO. 6SiO2.
Если вместо воды взять поташ K2CO3, то силикат натрия в стекле заменится на силикат калия K2SiO3. При этом получаются тугоплавкие стекла, состав которых может быть выражен формулой: K2O. CaO.6SiO2. Таким путем получают оконное стекло (так называемое бемское), бутылочное и вообще посудное стекло.
При замене окиси кальция окисью свинца PbO получают хрустальное стекло приблизительного состава K2O. PbO. 6SiO2. Свинцовые стекла сильно преломляют лучи света и отличаются блеском. Из них готовят хрустальную посуду, колбы для электроламп и пр.
Существует большое число сортов стекла, изготовляемых для разных целей: оптическое, термометрическое, увиолевое (проницаемое для ультрафиолетовых лучей; обычное стекло не пропускает эти лучи), различные жаростойкие стекла. Стекло является важным строительным материалом. Готовят ткани из стекла. Начинают широко применять стеклянные трубы (достоинство их: большая стойкость против корродирующих агентов). Жаростойкое стекло служит для изготовления кастрюль сковородок и т.д.
Обыкновенное бутылочное стекло окрашено в зеленый цвет солями двухвалентного железа. Цветные стекла получают введением в массу при плавлении различных добавок в мелкораздробленном состоянии. Так, закись кобальта CoO придает стеклу синюю окраску, закись меди Cu2O красную, окись хрома Cr2O3 ярко-зеленую окраску. Небольшие примеси в стекле в мелкораздробленном состоянии металлического серебра придают ему желтую окраску, а золота – красивую ярко-красную (рубиновое стекло) и т.д.
Состав некоторых промышленных стекол
Стекло Химический состав, %
SiO2 B2O3 Al2O3 MgO CaO BaO PbO Na2O K2O Fe2O3 SO3
Оконное ……. 71,8 - 2 4,1 6,7 - - 14,8 - 0,1 0,5
Тарное ……… 71,5 - 3,3 3,2 5,2 - - 16 - 0,6 0,2
Посудное …… 74 - 0,5 - 7,45 - - 16 2 0,05 -
Хрусталь …… 65,5 - 0,48 - 1 - 27 6 10 0,02 -
Химико-лабораторное… 68,2 2,7 3,9 - 8,5 - - 9,4 7,1 - -
Оптическое … 41,4 - - - - - 53,2 - 5,4 - -
Кварцоидное… 96 3,5 - - - - - 0,5 - - -
Электроколбочное………. 71,9 - - 3,5 5,5 2 - 16,1 1 - -
Электровакуумное……… 66,9 20,3 3,5 - - - - 3,9 5,4 - -
Медицинское… 73 4 4,5 1 7 - - 8,5 2 - -
Жаростойкое… 57,6 - 25 8 7,4 - - - 2 - -
Термостойкое… 80,5 12 2 - 0,5 - - 4 1 - -
Термометрическое………. 57,1 10,1 20,6 4,6 7,6 - - - - - -
Защитное……. 12 - - - - - 86 - 2 - -
Радиационно-стойкое……… 48,2 4 0,65 - 0,15 29,5 - 1 7,5 - -
Стеклянноеволокно…….. 71 - 3 3 8 - - 15 - - -
Бесцветные и различно окрашенные кристаллы SiO2 – драгоценные камни.
Группа кварца – одна из самых распространенных в природе. Кварц (SiO2) встречается во множестве горных пород, где он образуется в самых разнообразных условиях. В природе кристаллы кварца встречаются самых разных размеров. Экземпляры в сотни килограммов не являются редкостью. Существует много разновидностей кварца, одинаковых с ним по кристаллической структуре, но отличаются по цвету. Из них наиболее распространены прозрачный и бесцветный горный хрусталь, лимонно-желтый цитрин, ослепительно белый и мутный молочный кварц, розовый кварц нежного пастельного тона, просвечивающий дымчато-коричневый кварц, черный от непрозрачного до слегка просвечивающего – морион и от фиолетового до нежно-сиреневого цвета аметист. В наше время на заводах выращивают кристаллы синтетического кварца, которые идут на нужды пьезо- и пиротехники, медицины и радио.
Просвечивающие кристаллы дымчатого кварца и морион используется в ювелирных изделиях, глиптике и мужественно - декоративных работах.
Аметист выделяется среди прочих разновидностей кварца особой красотой. Его цветовая гамма колеблется от нежно-сиреневой до темно-фиолетовой. Встречаются отдельные разновидности, сияющие пурпурным «огоньком». Особенно хорош аметист на солнечном свету. При искусственном освещении он проигрывает в яркости и красоте окраски. Аметистовые щетки используются в ювелирной промышленности для вставок в купоны, серьги, кольца, броши, и как декоративный материал для шкатулок, письменных приборов и сувениров.
Халцедон представляет собой скрытокристаллический кварц микроволокнистого строения. В зависимости от цвета, структуры и текстуры различается несколько разновидностей халцедона. Собственно Халцедон имеет цвета от серого до молочно-белого с характерным восковым или матовым блеском. Встречается халцедон в природе чаще всего в желваках или шарообразных натечных телах, особенно часто в эффузивных породах в виде миндалин. Свое название халцедон получил от древнего г. Халкедона в Малой Азии, откуда он расходился по странам Средиземноморья.
Ценные технические качества халцедона (однородность структуры, отсутствие спайности, высокая твердость, малая истираемость и т.п.) делают его незаменимым материалом для изготовлении опорных камней для точных приборов, гладильных досок для бумагоделательных машин и др.
Родонит относится к триклинным пироксенам. По составу это метасиликат марганца (MnSiO3). Твердость родонита 5.5-6.5, уд. вес 3.4-3.8, спайность совершенная. Живые узоры из черных ветвистых прожилок окислов и гидроокислов марганца оживляют этот камень, создавая на нем фантастические рисунки и даже пейзажи. Родонит прекрасно поддается обработке. Будучи очень плотным, он легко режется алмазной пилой, хорошо шлифуется и отлично принимает зеркальную полировку. Его способность просвечивать в тонких пластинках, окрашенных в яркий малиново-красный цвет, используется при создании витражей. Перечень из родонита очень богат: различные шкатулки, брелоки, пресс-папье, печатки, пепельницы, вазочки, тарелочки, чаши, разрезные ножи, броши, запонки и т.д. Уральские кустари издавна обрабатывали родонит и добились изумительной техники, имитируя ягоды малины, плоды и фрукты, украшавшие шкатулки в виде накладок.
Нетрудно понять, что в будущем применение силикатов станет еще большим. Металлов в земной коре не так уж много. Углерод, который служит основой органических полимеров и пластмасс, составляет всего лишь 0,1% земной коры по массе. Производство древесины ограничено скоростью прироста леса. А использование силикатов практически не ограничено ничем. По силикатному сырью, можно сказать, мы ходим. Правда имеется существенный недостаток у силикатных изделий. Они обладают большой хрупкостью, но этот недостаток в принципе преодолим. Ведь изобрели же японцы небьющийся фарфор. А на сковородках из мелкокристаллического стекла – ситалла еще двадцать лет назад жарили картошку. Прочность таких сковородок близка к чугунным, и бьются они значительно меньше, чем обычное стекло.
Впрочем, о силикатах можно говорить бесконечно. Сведений о них так много, что химия силикатов давно выделилась в большую самостоятельную отрасль химического знания.
1. «Большая Советская Энциклопедия»
Издательство «Советская Энциклопедия». Москва 1976 г.
2. «Общая химия» А.Г. Кульман
Издательство «Колос». Москва 1968 г.
3. «Неорганическая химия» Пособие для абитуриентов и старшеклассников
Издательство «Московский Лицей». Москва 1996 г.
4. «Кислоты – основания» Б.В. Мартыненко
Издательство «Просвещение». Москва 1988г.
5. «Химия» Справочные материалы
Издательство «Просвещение». Москва 1989 г.
6. «Поделочные камни и их обработка» Ю.В. Никитин
Издательство «Наука». Ленинград 1979 г.
Читайте также: