Силікатні кислоти. Солі силікатних кислот

Отримання силікатних кислот. Силікатні кислоти не утворюються при безпосередній взаємодії SiO₂ з H₂O. Однак при підкисленні водних розчинів силікатів (розчинного скла, силікатного клею) або при гідролізі деяких бінарних сполук силіцію(IV), наприклад SiCl₄, утворюється гідратований силіцій діоксид mSiO₂*nH₂O, що випадає в осад.

Склад силікатних кислот і властивості силікатних кислот. У водному розчині над осадом mSiO₂*nH₂O існують молекули ортосилікатної кислоти складу H₄SiO₄. Ця кислота мало стійка. У концентрованих розчинах її молекули мимовільно (краще при підкисленні) об’єднуються між собою з відщепленням води і утворюють ланцюг -Si-O-Si-O- спочатку високомолекулярних, а потім й колоїдних агрегатів. Конденсація молекул закінчується утворенням структур з просторовою сіткою. Такий процес йде при обробці натрій силікату Na₂SiO₃ (розчинного скла) хлоридною кислотою:

Na₂SiO₃ → H₄SiO₄ ⇄ mSiO₂*nH₂O

Осад гідратованого силіцій діоксиду спочатку в’язкий, але він досить швидко твердне, переходячи в безбарвний гель. При подальшому зберіганні на повітрі відбувається поступове зневоднення гелю і утворюється непрозорий, білий, надзвичайно пористий продукт – силікагель. Як і активоване вугілля, силікагель використовується в якості адсорбенту. Шляхом сильного прожарювання і подальшого вимивання натрій хлориду отримують дрібнодисперсний білий порошок силіцій діоксиду SiO₂ (біла сажа).

Солі силікатних кислот – Силікати

Солі силікатних кислот називаються силікати. Склад силікатів виводиться з формул силікатних кислот загального складу mSiO₂*nH₂O:

Склад	Кислота	Сіль
SiO2*2H2O (H4SiO4)	Ортосилікатна	Ортосилікат
SiO2*H2O (H2SiO3)	Метасилікатна	Метасилікат
2SiO2*3H2O (H6Si2O7)	Дисилікатна	Дисилікат

Вважається, що дисилікатна і метасилікатна кислоти відповідають ступеням полімеризаційного зневоднення ортосилікатної кислоти.

Будова силікатів. У отросілікатах іон SiO₄^4- має будову правильного тетраедра, як наприклад, в мінералі олівін (Mg, Fe^+II)₂SiO₄. Дісилікат іон Si₂O₇^6- побудований з двох однакових тетраедрів [SiO₄], пов’язаних загальною вершиною (мостиковий атомом оксигену), як, наприклад, в мінералі тортвейтіт Sc₂(Si₂O₇). Число тетраедрів, з’єднаних вершинами, може збільшуватися при подальшій конденсації, в результаті утворюються кільцеві аніони типу Si₆O₁₈^12-, зустрічаються наприклад, в мінералі берил Be₃Al₂(Si₆O₁₈).

Будова силікат-аніонів з обмеженими розмірами (вершини геометричних фігур – атоми оксигену): SiO₄^4-; Si₂O₇^6-; Si₆O₁₈^12-

Існує величезна кількість силікат-іонів з необмеженими розмірами. Тетраедри [SiO₄] можуть об’єднуватися, утворюючи ланцюгові, стрічкові, площинні і просторові структури, негативний заряд яких нейтралізується позитивними іонами металів.

Силікати з ланцюговою і стрічковою будовою здатні розщеплюватися на тонкі волокна (азбест), а силікати з площинною будовою легко розщеплюються на окремі пластини (слюди). Силікати можуть набухати в результаті того, що молекули H₂O розміщуються між аніонними шарами (глини). Просторово-сітчасту будову має і сам силіцій діоксид і численні природні та штучні алюмосилікати (змішані солі – алюмінат-силікати). В алюмосилікатах частина атомів силіцію в тетраедрах [SiO₄] заміщена на атоми Al, а оскільки позитивний заряд атома алюмінію на одиницю менше (Al^+III замість Si^+IV), то негативний заряд алюмосиликатного іона зростає на одиницю і відповідно зростає число необхідних для електронейтральності катіонів. У хімічних формулах алюмосиликатов до складу аніону включають алюміній, який замінює кремній, а також вказують найменше можливе число атомів всіх елементів, наприклад для мінералу ортоклаз (калієвий польовий шпат) записують формулу K(AlSi₃O₈), хоча звичайно, молекул і аніонів такого складу в природі не існує.

Просторові сітки алюмосилікатів, що відносяться до цеолітів, вибірково вбирають і утримують катіони певних розмірів, що використовується в хімічній практиці. Цеоліти є природними іонообмінниками; в каналах з просторової сітки знаходяться іони металів, які можуть заміщатися на катіони, розміри яких близькі до розмірів каналів.

Природні силікати

Поширення силікатів в природі. Силікати, головним чином калію, натрію, кальцію, магнію, алюмінію і феруму, складають основну частину гірських порід і твердих продуктів їх вивітрювання.

Гірські породи силікатів і силікатні мінерали. Гірська порода являє собою агломерат кількох різних за складом мінералів. Мінерал – це хімічно індивідуальна речовина, що утворюється в земній корі природним шляхом.

Науки які вивчають гірські породи і мінерали: петрографія – наука про склад і походження гірських порід; мінералогія – наука про склад і походження мінералів; геологія – наука про будову і походження земної кори; геохімія – наука про хімічний склад земної кори.

Основні силікатні гірські породи і мінерали, які їх складають:

Граніт – польовий шпат, кварц, слюда (головні складові частини);

Гнейс – польовий шпат, кварц, слюда (гнейс – це граніт, що піддався дії надлишкового тиску);

Базальт – авгіт, плагіоклаз, магнетит і ін .;

Порфір – гірські породи з різним складом, в яких великі кристали вкраплені в однорідну, іноді стеклоподібну, основну масу.

Найважливіші силікатні мінерали:

Польові шпати – калієвий польовий шпат (ортоклаз) K(AlSi₃O₈), або K₂O*Al₂O₃*6SiO₂, а також натрієвий польовий шпат (альбіт), вапняний польовий шпат (анортит), вапняно-натровий польовий шпат (плагіоклаз). Вони складають 60% маси всіх мінералів земної кори.

Глини – водовмісні мінерали, які утворюються при вивітрюванні польових шпатів (при цьому вода поглинається, а розчинні сполуки калію вилуговуються в природні води). Глини можуть утворюватися і іншими способами, що істотно впливає на їх склад. За складом глин розрізняють суглинок – глина, яка містить багато піску та ферум(III) оксиду; мергель – суміш глини з вапняком; каолін (порцелянова глина) – суміш особливо чистих глини і піску, основною складовою частиною каоліну є мінерал каолініт Al₂(Si₂O₅)(OH)₄, або Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O.

Слюди – прозорі, пофарбовані в кольори від білого до чорного кристали, легко розщеплюються на окремі шари; в якості основних складових частин містять силікатний мінерал – або мусковіт KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂, або K(Mg, Fe^II)₃(AlSi₃O₁₀)(OH)₂. Застосовуються для виготовлення електроізолюючих покриттів і жаростійких стекол.

Авгіти – найважливіші породоутворюючі мінерали (входять до складу базальтів). За складом це CaMg(Si₂O₆), або CaO*MgO*2SiO₂, можуть містити також замість кальцію натрій, калій, манган і ін., і замість магнію – ферум, алюміній, манган і ін.

Тальк (жировик, стеатит) має склад 3MgO*4SiO₂*H₂O – м’який, жирний на дотик мінерал. Застосовується у вигляді пудри в якості мастила, що перешкоджає злипанню гумових виробів, входить до складу косметичних засобів, наповнювачів для паперу, використовується як носій для отрутохімікатів.

Азбести переважно мають склад 3MgO*2SiO₂*2H₂O – мінерали з волокнистою структурою. Використовуються як термостійкі і хімічно інертні речовини в лабораторіях і промисловості; з азбестів виготовляють вогнезахисні покривала, сітки, технічні діафрагми. Азбестовий пил небезпечний – викликає захворювання легенів.

Інші силікати – рогова обманка, олівін, морська пінка, топаз, гранат, берил, циркон, серпентин, ультрамарин, пермутіт і ін.

Штучні силікати

З природних силікатів і алюмосилікатів штучним шляхом отримують різноманітні силікатні матеріали, що мають широке практичне застосування. Найважливішими з них є скло, кераміка, цемент.

Розчинне скло. Сірий склоподібних кусковий матеріал, який при нагріванні з водою під надлишковим тиском утворює в’язкий розчин. За складом являє собою суміш різних натрієвих (переважно) і калієвих силікатів. Отримують сплавленням кварцового піску з содою і поташем K₂CO₃. Використовують в якості клею для порцеляни, скла та інших силікатних матеріалів, як зв’язуючий компонент у виготовленні формувальних сумішей в металургії, компонент художніх фарб і миючих засобів. У вигляді водного розчину застосовують для вогнезахисного просочування деревини і тканин.

Скло. Прозорий твердий матеріал, структура якого відповідає аморфному стану речовини. За складом скло – це суміш різних силікатів, переважно силікатів лужних металів і кальцію.

Аморфний (склоподібний) стан характеризується відсутністю далекого порядку в упорядкованості структури на відміну від кристалічного стану. Тому аморфні (стеклоподібні) речовини при нагріванні розм’якшуються і поступово переходять в рідину (існують погляди, що аморфний стан це надв’язка форма рідкого стану); вони не мають чітко визначеної температури плавлення, для таких тіл можна вказати тільки інтервал температур, в якому відбувається їх розм’якшення. Явище розсклування – це перехід (мимовільний або викликаний штучно) з аморфного в кристалічний стан.

За хімічними властивостями скло – інертний матеріал. Скло стійке до хімічних впливів, тільки флуоридна кислота і розплави гідроксидів лужних елементів руйнують “роз’їдають” скло. Для травлення скла найчастіше застосовують флуоридну кислоту, а також газоподібні гідроген флуорид і тверді гідрофлуориди.

Скло одержують сплавленням сировини, в найпростішому випадку кварцового піску, вапняку (CaCO₃) і соди, в горщикових і в ванних скловарних печах; нагрів здійснюють генераторним газом. При сплаві речовин протікають реакції типу

Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂

які супроводжуються газовиділенням (CO₂). Обробку і формування скла проводять методами дуття, ліття, прокатки, витягування (наприклад, при отриманні ниток для склотканини), пресування, шприцювання (метод створення скляних волокон). Отримані скляні вироби піддають повільному переохолодженню для зняття внутрішніх напружень – гарячий отжиг.

Залежно від складу вихідної сировини розрізняють наступні важливі види скла.

Вапняно-натрієве скло; виготовляється з кварцового піску, вапняку і соди (замість соди використовують також суміш натрій сульфату вугілля). Це недороге, “нормальне віконне” скло, яке легко розм’якшується при нагріванні. Пляшкове скло ще дешевше, воно менш чисте, оскільки розплавлена ​​маса містить силікати алюмінію і феруму (забарвлює скло в зелений колір).

Вапняно-калієве скло; виготовляється з кварцового піску, свинцевого сурику і поташу. Розплавляється важче, ніж вапняно-натрієве скло. Різновид цього скла – чеський кришталь і крон використовують в оптиці.

Свинцево-калієве скло; виготовляється з кварцового піску, свинцевого сурику і поташу. Тугоплавкий матеріал з високим коефіцієнтом світлорозсіювання. Застосовується в оптиці, в ювелірній справі для імітації дорогоцінних каменів і як свинцевий кришталь для побутових виробів.

Алюмоборосілікатне скло; в цьому склі оксид SiO₂ частково заміщений на B₂O₃ і Al₂O₃, для чого в розплавлену масу вводять бор гідроксид (або буру) і каолін (або польові шпати). Це скло відомо під назвою єнське скло. Єнське скло доволі термостійке і застосовується для виготовлення хімічного і побутового посуду.

Спеціальні стекла, наприклад термотермічне скло; скло, прозоре для УФ-випромінювання; синє (кобальтове) скло, що отримується введенням в розплав (Co^IICo^III₂)O₄; молочне скло, яке містить TiO₂ в якості замутнювача, сонцезахисне скло, що містить аргентум хлорид AgCl і внаслідок цього темніє тим сильніше, чим інтенсивніше сонячне освітлення; глазурі – дуже легкоплавкі стекла, здебільшого безсилікатні (фосфатні, боратні стекла).

Безпечне скло, яке при руйнуванні не утворює осколків (безосколкове скло). Одношарове безпечне скло отримують різким охолодженням розплаву скломаси (загартовуванням); на поверхні таким чином обробленого скла виникають зусилля стиснення, а всередині маси скла – розтягування. Багатошарове безпечне скло містить кілька шарів скла, розділених пластмасовими плівками.

Ситали (пірокерами, вітрокерами) – матеріали, що утворюються в результаті масової (об’ємної) кристалізації скломаси. Рівномірна кристалізація всієї скломаси забезпечується спеціальним режимом термічної обробки; часто в вихідну суміш для варіння ситалів додають спеціальні добавки, наприклад TiO₂, Cr₂O₃, флуориди.

Емалі – каламутні, часто забарвлені стекла, які легко плавляться. Їх наносять на поверхню металів і сплавів для захисту від корозії; так звані ювелірні емалі наносять на поверхню благородних металів, міді або сплаву томпак (матеріал для виготовлення значків, орденів, кулонів, брошок і т.п.). Зчіплюваність основного металу з застиглим емалевим розплавом забезпечується спеціальним прошарком оксидів, зазвичай оксидів ніколу і кобальту.

Силікатна кераміка. Це матеріали та вироби, одержувані при випалюванні оформленої в форму сирої глини, іноді з присадками кварцового піску і польового шпату. Технологічний процес закінчують після повного спікання (але не сплавлення) компонентів. Керамічні матеріали складаються в основному з алюміній силікату (муліт 3Al₂O₃*2SiO₂). Тонкостінна кераміка – це різна хімічна і технічна посуд; товстостінна кераміка – вогнетривкі будівельні вироби.

Залежно від ступеня спікання розрізняють пористу і спечену кераміку.

Пориста кераміка утворюється при температурі спікання в інтервалі 900 – 1000*С. Водопроникні, тому вироби покривають глазур’ю для забезпечення водонепроникності, непрозора, легко дряпається сталлю. Існує кілька різновидів пористої кераміки: звичайний цегла – будівельний матеріал, покрівельна черепиця, дренажні труби, червоний колір звичайної цегли це домішки Fe₂O₃; клінкер – досить міцна цегла, обпалена аж до заскловування; шамот – термостійка цегла.

З червоної пористої кераміки виготовляють звичайні вироби – квіткові горщики, гончарні вироби, кахель; з білої пористої кераміки (фаянс) виробляють побутовий посуд, сантехніку, облицювальні плитки. Для отримання білої кераміки використовують очищену від домішок сполук феруму сировину. Вироби піддають подвійному випалу з проміжним покриттям глазур’ю, і якщо необхідно, фарбуванням.

Спечена кераміка утворюється при температурі спікання в інтервалі 1200 – 1500*С. Це щільний водонепроникний матеріал, сталлю майже не дряпається. Залежно від якості сировини отримують кам’яну спечену кераміку і порцеляну.

Кам’яна спечена кераміка – матеріал який не просвічується. Її виготовляють з глини, каоліну, кварцу і польового шпату. З кам’яної кераміки виготовляють кухонні раковини, каналізаційні труби і метлахську плитку; вироби піддаються подвійному випалу з проміжним покриттям глазур’ю.

Порцеляна – просвічується, білий, твердий, дзвінкий матеріал, найблагородніший керамічний продукт. Порцеляна відома в Китаї з VI сторіччя н.е., а в Європі з 1709 року (Бетгер, Саксонія, Мейсенська мануфактура). Вихідними речовинами для отримання порцеляни є чистий, дрібнодисперсний каолін, кварцовий пісок і польовий шпат (співвідношення 2 : 1 : 1). Після витримування суміші протягом деякого часу їй надають необхідну форму на гончарному крузі або за допомогою лиття у форму, повільно висушують, проводять попередній випал при 900*С, занурюють в рідку глазур (суспензія вапна, польового шпату і каоліну) і остаточно обпалюють при 1400*С . При випалюванні завжди відбувається усадка, і розміри виробу зменшуються. Фарби наносять над або під глазур.

Цемент.

Цемент – сірий, рідше, білий порошок кальцій алюмосилікат, який при зволоженні хімічно зв’язує воду і твердне в кам’яну масу. Оскільки для затвердіння цементу не потрібен карбон діоксид, то цемент можна використовувати при проведенні будівельних робіт під водою. Найцінніший за міцністю і властивостями портландцемент. Його отримують спіканням розмеленої суміші вапняку і глини при 1450*С в обертових трубчастих печах; спечену масу (цементний клінкер) розмелюють. Подібний портландцементу матеріал отримують як побічний продукт у виробництві сульфур діоксиду. Шлакопортландцемент отримують ретельним перемелюванням портландцементного клінкеру (70%) і гранульованого різко охолодженого доменного шлаку. Шлакоцемент отримують так само, як і шлакопортландцемент, але з використанням клінкеру в кількості менше 70%. Сульфатно-шлаковий цемент – це ретельно перемішані доменний шлак і гіпс.

З суміші цементу, піску і води отримують цементний розчин. Суміш цементного розчину з наповнювачами (крупний гравій, дрібний щебінь) утворює бетон – найважливіший будівельний матеріал. Високу міцність має залізобетон, який містить елементи сталевої арматури (прути, листи, сітки). Бетон, що отримується з використанням піноутворювачів (поверхнево-активні речовини), називають пінобетон. Він має дуже пористу структуру, тому володіє хорошими теплоізоляційними властивостями. Бетон чутливий до дії кислих, зокрема вуглекислих, розчинів, руйнується також сульфатними розчинами.

Ультрамарин. Яскраво-синій, не отруйний пігмент – сульфурвмісний алюмосиликат натрію. Отримують спеканням каоліну, кварцу, натрій сульфату і вугілля при 730*С. У природі зустрічається у вигляді мінералу лазурит.

---