Соединения, содержащие кремний и алюминий, продукты их разложения. 
Каолин и глины

Соединения, одновременно содержащие кремний и алюминий, подразделяют на силикаты алюминия и алюмосиликаты.

Силикаты алюминия являются солями алюминия и кремниевых кислот. Примером силикатов алюминия является метасиликат, формула которого или Al₂(Si0₃)₃, или А1₂0₃ * 3Si0₂. Эти соли легко разлагаются водой, так как образованы слабой кислотой и амфотерным гидроксидом, выступающим в роли слабого основания. Они не находят особого практического применения.

Большую роль в природе и хозяйственной деятельности имеют алюмосиликаты, состоящие из кремния, алюминия, кислорода и металлов. В этих веществах алюминий входит в состав анионов [А10₄]⁵~, чередующихся в определенной последовательности с анионами [Si0₄]^4- (см. рис. 6.2). Оба иона имеют тетраэдрическую структуру, а ион, содержащий алюминий, образуется из кремнийсодержащего иона путем замены атома кремния на атом алюминия. В этом ионе три атома кислорода образуют с атомом алюминия по одной химической связи по обменному, а один атом кислорода — по донорно-акцепторному механизму. Тетраэдрические ионы, содержащие кремний и алюминий, соединяются по обменному механизму, образуя атомную немолекулярную кристаллическую решетку, а избыточный заряд у [А10₄]⁵" нейтрализуется катионами Na⁺, К⁺, Са²⁺ и т. д., которые внедряются в кристаллическую решетку алюмосиликата.

По структуре алюмосиликаты подразделяют на три класса.

Минералы решетчатой структуры. Это твердые кристаллические вещества, по строению и свойствам напоминающие кварц. Большинство из них имеет тетраэдрическое строение. Особенность этих веществ состоит в том, что в них атомов кислорода в два раза больше суммы атомов алюминия и кремния. К ним относятся полевые шпаты, составляющие более половины массы земной коры. Наибольшее значение имеют следующие полевые шпаты: ортоклаз KAlSi₃0₈ (К₂0 * А1₂0₃ • 6Si0₃), альбит NaAlSi₃O_g (Na₂0 • А1₂0₃ * 6Si0₂), анортит CaAl₂Si₂0₈ (CaO • А1₂0₃ • 2Si0₂).

Решетчатая структура обусловливает высокую твердость, термостойкость, нелетучесть и плохую растворимость в воде полевых шпатов. Они являются важнейшей составной частью гранитов и других горных пород. К алюмосиликатам с решетчатой структурой относятся цеолиты (молекулярные сита).

Кристаллические алюмосиликаты, способные обменивать катионы металлов, которые входят в их состав, на катионы металлов, находящиеся во внешней среде, называются ионитами.

Специфическим свойством ионитов является их способность к ионно-обменной адсорбции.

Формула цеолита (Na₂, Ca)0₂ • А1₂0₃ • nS₂ • тН₂0, где п = = 2—6, т = 0—8; вместо натрия может содержаться калий, а кальций может быть заменен барием. Цеолиты широко применяют для водоумягчения (для этого используют пермутиты), для проведения очистки сточных вод ионообменным способом (при этом из них извлекают ценные или ядовитые соединения).

Минералы слоистой структуры. Они по строению подобны слюде. Слоистой структурой обладают разные виды слюд, тальк, каолинит, при этом структура слюд и каолинита сильно различается по строению.

Формула каолинита А1₂0₃ • 2Si0₂ • 2Н₂0. Он образует электрически нейтральные слои, свободно налагающиеся один на другой, которые свободно перемещаются друг относительно друга.

Слюды, формула которых К₂0 • ЗА1₂0₃ • 6Si0₂ • 2Н₂0, содержат отрицательно заряженные слои, между которыми находятся ионы металлов, за счет чего между ними реализуется ионная связь, обусловливающая более высокую твердость, чем связь в каолинитах, и способность легкого расщепления на очень тонкие пластинки.

Волокнистые алюмосиликатные минералы. К этим минералам относят различные асбесты, являющиеся алюмосиликатами с волокнистым строением. Ранее асбесты широко применяли как армирующие и изоляционные материалы; теперь их использование ограничено из-за канцерогенного воздействия на организм человека.

В природных условиях горные породы, содержащие алюмосиликаты, подвергаются разложению и выветриванию с образованием осадочных пород. Из алюмосиликатов образуются каолины, глины, песок и т. д. Рассмотрим особенности свойств, строения и применения каолина и глин.

Каолины — тонкодисперсные пластичные породы, являющиеся продуктом выветривания горных пород (главным образом полевых шпатов), которые состоят из каолинита и различных примесей (кварца, полевого шпата и др.).

Каолинит из полевого шпата образуется по схеме:

Различают первичные и вторичные залежи каолина.

Первичный каолин содержит большое количество примесей, имеет темноватый цвет.

Вторичный каолин практически не содержит примесей и имеет красивый белый цвет.

Каолин входит в состав различных глин. Он огнеупорен (до температуры 1750 °С), устойчив к действию кислот, кроме плавиковой (почему7), но достаточно хорошо разрушается щелочами (почему7). Каолин применяют в промышленности: лучшие сорта вторичного каолина используют для изготовления фарфора и изделий из него. Много каолина применяют для изготовления фаянса.

Глины — землистые осадочные породы, которые при смешивании с водой способны к набуханию и образованию тестообразных масс с высокой пластичностью.

При высыхании глинистого теста образуется достаточно прочный монолит, устойчивый в воздушной среде. Важнейшим свойством глинистых веществ является набухаемостъ — способность твердых веществ поглощать жидкость и за счет этого увеличиваться в объеме и массе. Глинистые вещества, как правило, тонкодисперсны. Они гидрофильны, т. е. способны к физико-химическому взаимодействию с молекулами воды.

В состав глин, кроме каолинита, входят и другие минералы: монтмориллонит (включает в свой состав алюминий, кремний, кислород), оксиды железа (Ш), цинка, кальция, магния, меди (Н). Поэтому глины в своем большинстве окрашены в различные цвета — от коричневого до фиолетового (кроме светлых глин, образованных практически чистым каолинитом). Глины — это полиминеральные вещества, поэтому свойства различных глин сильно отличаются друг от друга. Частицы глин по размерам относятся к коллоидам (размеры 100—1 нм). В смесях глинистые коллоидные частицы имеют отрицательный заряд, поэтому под действием водных растворов солей (хлорида натрия и др.) глинистые почвы уплотняются. Это используют в гидротехническом строительстве. Однако широкое использование этого метода уплотнения глин нерентабельно, так как соли, уплотняющие глины, приводят к засолению почв, что имеет вредные экологические последствия. Глины используют в качестве строительных материалов в регионах, где отсутствуют каменистые или древесные материалы (применяют для изготовления саманных кирпичей). Из глин изготавливают водостойкий красный строительный кирпич, черепицу и т. д. Огнеупорные и тугоплавкие глины используют для изготовления керамики и изделий из нее. Из каолиновых глин получают фарфор, фаянс и изделия из них. Глина — сырье для производства цемента: вместо мергеля готовят смеси глин и известняка в определенных пропорциях и подвергают их обжигу (подробнее см. гл. 7).

Глины добывают, разрабатывая природные месторождения, что приводит к вредным с экологических позиций последствиям: нарушаются ландшафты, разрушаются природные биогеоценозы. В этой связи при добыче глин необходимо работы проводить так, чтобы они наносили меньший ущерб окружающей среде, а по мере проведения работ параллельно с ними необходимо осуществлять рекультивацию земель и восстановление разрушенных ландшафтов.

Задания для самостоятельной работы

• 1. Поясните, что собой представляют соединения, содержащие кремний и алюминий, назовите группы этих веществ и их основные различия.
• 2. Назовите основные группы алюмосиликатов, кратко их охарактеризуйте.
• 3. Поясните, какие вещества относят к цеолитам, и обоснуйте области их применения.
• 4. Поясните, в чем состоят особенности глинистых материалов, назовите основные области их применения, обоснуйте свой ответ.
• 5. Поясните, что такое набухаемость, назовите вещества, которые обладают этим свойством, покажите роль этого свойства в применении данных веществ.