Модуль 4. Синтетические силикаты

Силикаты щелочных металлов, полученные в результате сплавления кремнезема со щелочами, представляют собой стеклообразную массу и вследствие их растворимости в воде называются растворимым стеклом. В промышленности силикат натрия Na₂SiO₃ получают сплавлением песка с содой или со смесью сульфата натрия и угля:

Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂ ^.

2Na₂SO₄ + 2SiO₂ + C = Na₂SiO₃ + 2SO₂ ^ + CO₂ ^.

Растворимое стекло в виде водных растворов, называемых жидким стеклом, применяется для пропитки тканей и дерева (придает им огнеупорность), приготовления огнезащитных красок по дереву, как клеящий материал и т. д.

Обыкновенное стекло (оконное) изготовляют путем сплавления кремнезема (белого песка) с известняком и содой:

Na₂CO₃ + CaCO₃ + 6SiO₂ = Na₂O•CaO•6SiO₂ + CO₂ ^.

Варят стекло в специальных печах при t? 1400 °C. Переход горячего жидкого стекла в твердое состояние происходит постепенно. Это дает возможность выдувать из стекла различные изделия (бутыли, стеклянные банки, стаканы и т. д.). В зависимости от химического состава шихты получают стекла, отвечающие определенным требованиям. Так, при замене соды Na₂CO₃ поташом К₂CO₃ получают тугоплавкое стекло. Его применяют для изготовления химической посуды и химических приборов. Хрустальное стекло содержит оксид свинца PbO. Такое стекло обладает высоким коэффициентом преломления и применяется для изготовления художественной посуды.

Стекло с преимущественным содержанием бора, алюминия, мышьяка и калия называют пирекс и применяют для изготовления высококачественной химической посуды. Весьма ценными свойствами обладает кварцевое стекло, получаемое плавлением кварца SiO₂ в электрических печах при температуре? 1 755°С. Незначительный коэффициент теплового расширения делает его нечувствительным к резким изменением температур. Например, раскаленное докрасна кварцевое стекло можно опустить в воду и оно не растрескается. Кварцевое стекло хорошо пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи (обычное стекло пропускает лишь около 1% ультрафиолетовых лучей). На этом свойстве основано применение кварцевого стекла для изготовления ртутных ламп, используемых в медицине в качестве источников ультрафиолетовых лучей.

Цветные стекла получают введением в шихту при плавлении различных добавок. Так, добавление CoO придает стеклу синюю окраску, Cu₂O — красную, Cr₂O₃ — ярко-зеленую; небольшое количество серебра в стекле придает ему желтую окраску, а золота — ярко-красную (рубиновое стекло).

В настоящее время на основании обычного стекла получают различные технические материалы: стеклянную вату, пеностекло (строительное пористое стекло с плотностью 0, 2 — 0, 5 г/см³) с низкой звукопроводимостью и хорошими теплоизоляционными свойствами; сверхпрочное стекло, особым образом закаленное (сталинит) и высокопрочную стеклянную ткань, используемую для изготовления спецодежды. Таким образом, производство стекол сводится к получению различных силикатов. Стекольное производство является лишь частью силикатной промышленности.

К природным силикатам относятся полевые шпаты, слюды, глины и др. Ниже приводится химический состав некоторых из них:

Ортоклаз K₂O•Al₂O₃•6SiO₂; Слюда K₂O•3Al₂O₃•6SiO₂•2H₂O;

Каолин (белая глина) Al₂O₃•2SiO₂•2H₂O; Асбест 3MgO•CaO•4SiO₂.

Чаще всего в природе встречаются силикаты, содержащие алюминий, алюмосиликаты (слюда, ортоклаз, глина и др.). Из природных силикатов большое практическое значение и применение имеют природные глины, являющиеся сырьем для производства керамических изделий и цемента. Различают изделия грубой и тонкой керамики. К грубой керамике относятся: строительные кирпичи, гончарные, кислотоупорные и огнеупорные изделия, дренажные трубы, кровельная черепица, облицовочные плитки, к тонкой керамике — фарфоровые и фаянсовые изделия.

Изделия грубой керамики готовят из дешевых глин, в которых кроме каолина (Al₂O₃•2SiO₂•2H₂O) присутствует значительное количество примесей. Глину обжигают при относительно низкой температуре (не выше 1000°С). Изделия тонкой керамики (фарфоровые и фаянсовые) формируют из чистого каолина; обжиг производят при 1200−1400°С.

Для производства цемента смесь глины с известняком в определенных количественных соотношениях обжигают в специальных печах при температурах 1400−1500°С. Полученную спекшуюся массу размалывают в тонкий порошок — цемент. По составу цемент — сложный силикат, состоящий в основном из оксидов кальция, алюминия, железа и кремния. Ценным свойством цемента является его способность при замешивании с песком и с водой образовывать камневидную массу, обладающую большой механической прочностью. Из цемента, песка, щебня, гравия, воды и некоторых других добавок получают важный строительный материал — бетон. Он хорошо сцепляется с железом, образуя прочную массу. Бетон, армированный железом, называют железобетоном.