H2SiO3 > Н2О + SiO2
Соли кремниевой кислоты.
Строение молекулы. Как и для кремниевой кислоты, принятые формулы ее солей (Na2SiO3, CaSiO3 и т.д.) условны. Существует много различных силикатов, которые образуются при полном или частичном замещении атомов водорода атомами металлов в молекулах кислот состава
n SiO2 • m H2O
Получение солей кремниевой кислоты, т.е. силикатов, рассмотрено при изучении химических свойств оксида кремния (IV).
Физические свойства. Многие силикаты тугоплавки и в воде практически не растворимы. Из силикатов, имеющих большое практическое значение, растворимы лишь силикаты натрия и калия. Эти силикаты называются растворимыми стеклами.
Химические свойства
1. Силикаты реагируют почти со всеми кислотами, в том числе и с угольной кислотой:
Na2SiO3 + H2O + CO2 > Na2CO3 + H2SiO3 v
2. Растворимые силикаты могут участвовать в реакциях обмена с другими солями:
Na2SiO3 + CaCl2 > CaSiO3v + 2 NaCl
2 Na+ + SiO32- +Ca2+ + 2Cl- > CaSiO3v + 2Na+ + 2Cl-
Ca2+ + SiO32- > CaSiO3v
3. В водных растворах силикаты подвергаются гидролизу и обладают щелочной реакцией:
4. Силикаты, входящие в состав минералов (их формулы выражают в виде оксидов), в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV):
К2О • Аl2O3 • 6 SiO2 + CO2 + 2 H2O >
ортоклаз
> Аl2O3 • 2 SiO2 • 2 H2O + 4SiO2 + К2CO3
каолинит кремнезем
При разрушении таких силикатов образовались залежи глины и песка, а на основе их в результате биохимического разложения растительных и животных остатков образовалась почва.
Применение. Из растворимых силикатов наибольшее применение имеет силикат натрия. Его водный раствор используют в качестве силикатного клея для пропитки древесины и тканей в целях придания им огнестойкости и водонепроницаемости. Более сложные силикаты, в состав которых входят несколько металлов, в том числе и алюминий (алюмосиликаты), широко используют в силикатной промышленности.
Силикатная промышленность
Силикатную промышленность составляют производства различных строительных материалов, стекла и керамики из природных силикатов.
Важнейшие строительные материалы, выпускаемые силикатной промышленностью, показаны на схеме 10.
С производством некоторых из них познакомимся подробнее.
Основным сырьем для производства керамических изделий (от греч. «керамон» - глина) является глина. Изготовление этих изделий основано на свойстве глины при смешении ее с небольшим количеством воды образовывать пластичную массу. Этой массе можно придать любую форму, которая сохраняется после высыхания и закрепляется посредством обжига при высокой температуре. Из белой глины изготовляют фаянсовые и фарфоровые изделия.
Производство стекла.
Сырьем для производства обычного стекла служит чистый кварцевый песок, сода и известняк. Эти вещества тщательно перемешивают и подвергают сильному нагреванию (1500 0С):
Na2СO3 + SiO2 > Na2SiO3 + CO2^
CaСO3 + SiO2 > Ca SiO3 + CO2^
Образовавшиеся силикаты натрия и кальция сплавляются с песком, который берут в избытке. Стекло не является индивидуальным веществом, а представляет собой сплав нескольких веществ. Примерный состав обычного оконного (натриевого) стекла можно выразить формулой Na2О • CaO • 6SiO2
Если соду заменяют поташом К2СO3, то получают более тугоплавкое стекло (химическое, или калиевое). Примерный состав такого стекла можно выразить формулой К2О • CaO • 6SiO2
Если в качестве сырья берут поташ, оксид свинца (II) и песок, то получают хрустальное стекло. Это стекло сильно преломляет свет и поэтому применяется в оптике для изготовления линз и призм. Из него изготовляют также хрустальную посуду.
Из чистого песка получают кварцевое стекло. Расплавленный песок, остывая, образует стекловидную массу. В отличие от обычного стекла кварцевое стекло мало изменяется в объеме при изменении температуры. Посуду, изготовленную из него, можно накалить добела, бросить в холодную воду, и она не трескается. Из кварцевого стекла делают лабораторную посуду. Другое его специфическое свойство - это способность пропускать ультрафиолетовые лучи, поэтому из него изготовляют так называемые кварцевые лампы, используемые в медицине.
Для получения цветных стекол к сырью добавляют оксид соответствующего металла. Так, например, при добавлении оксида кобальта (II) получают синее стекло. Оксид хрома (III) придает стеклу зеленый цвет - получают зеленое стекло. Оксид меди (II) придает сине-зеленый цвет. Добавлением небольших количеств мелкораздробленного золота получают рубиновое стекло.
Расплавленное стекло при охлаждении твердеет не сразу, а постепенно загустевает, образуя сначала вязкую массу. Благодаря этому свойству стекло подвергается формовке - в разогретом состоянии ему можно придать любую форму. Для формовки стеклянных изделий применяют выдувание (бутылки, электролампы), прессование (пуговицы), прокатку (зеркальное стекло), вытягивание (листовое стекло, стеклянные трубки, палочки).
Изготовление листового стекла путем вытягивания производится при помощи специальных машин (рис.38)[13]. В них полужидкое стекло выдавливается через щель, при помощи специальных вальцов вытягиваются листы.
Из стекла готовят также тонкие стеклянные нити, идущие для производства стекловолокна и тканей. Стеклянные ткани применяются в качестве тепло- и электроизоляторов. Из стекловолокна и пластмасс изготовляют стеклопластики, которые по прочности не уступают стали.
Производство цемента. Известно несколько видов цемента. Основным сырьем для производства портландцемента являются известняк и глина, содержащие оксид кремния (IV). Эти вещества тщательно перемешивают и их смесь обжигают в наклонных цилиндрических печах, длина которых достигает более 200м, а в поперечнике - около 5 м. (рис.39) [13]. В процессе обжига печь медленно вращается и исходные материалы постепенно движутся к нижней ее части навстречу потоку раскаленных газов (принцип противотока) - продуктов сгорания поступающего газообразного или твердого пылевидного топлива.
При повышенной температуре между глиной и известняком происходят сложные химические реакции. Простейшими из них являются обезвоживание каолинита, разложение известняка и образование силикатов и алюминатов кальция:
Аl2O3 • 2SiO2 • 2H2O > Аl2O3 • 2SiO2 + 2H2O ^
CaСO3 > CaО + СО2 ^
CaO + SiO2 > CaSiO3
Образовавшиеся в результате реакций вещества спекаются в виде отдельных кусков. После охлаждения их размалывают до тонкого порошка.
Процесс затвердевания цементного теста объясняется тем, что различные силикаты и алюминаты, входящие в состав цемента, реагируют с водой с образованием каменистой массы. В зависимости от состава изготовляют различные сорта цемента (см. схему 10).
Основным строительным материалом являются цемент, бетон, шлакобетон и железобетон.
Бетон - смесь щебня и песка с цементом. При смешивании цемента со шлаком получают шлакобетон. Бетонные сооружения получают еще более прочные, если в бетон закладывают каркас из железных стержней. Такой строительный материал называют железобетоном. Из него воздвигают капитальные строительные объекты: заводские корпуса, плотины и другие сооружения. По производству строительных материалов и их качеству можно судить об уровне развития строительной индустрии в стране.
IV. Закрепление знаний (5 мин.)
1. Как получают кремниевую кислоту и ее соли?
2. Что такое стекло?
3. Опишите примерный состав обычного оконного стекла?
4. Какие еще стекла бывают?
5. Каким образом в промышленности получают бетон и цемент?
V. Домашнее задание (3 мин.)
Ответьте на вопросы и выполните упражнения 1-9, §37-39, стр.95-102. [13].
Из представленного выше можно сделать вывод: вопросы получения кремниевой кислоты, ее солей и способы применения их в силикатной промышленности рассматриваются достаточно хорошо и грамотно, но, вопросы, связанные с экологией, в темах, посвященных изучению кремния, кремниевой кислоты и силикатной промышленности, в школьном курсе не затрагиваются. Хотя и кремний, в частности, и силикатная промышленность в целом имеют огромное значение в жизни человека. Отходы и выбросы силикатной промышленности огромны и разнообразны. Они оказывают негативное влияние на здоровье человека и на окружающую природную среду. Поэтому, на наш взгляд, стоит изучить эти вопросы отдельно, что и будет сделано в третьей главе.
Глава III РАЗРАБОТКА УРОКА «КРЕМНИЕВАЯ КИСЛОТА. СОЛИ КРЕМНИЕВОЙ КИСЛОТЫ» ДЛЯ 9 КЛАССА С ВНЕДРЕНИЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ
3.1 Особенности изучения кремниевой кислоты и ее солей, связанные с экологическими проблемами силикатного производства
Вашему вниманию представляется урок на тему: «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты», наполненный экологическим содержанием, способствующий развить экологические знания у школьников средней школы, определить взаимосвязь между изучаемым объектом и окружающей средой, а также показать роль уроков химии при формировании экологической культуры школьников, их способности применять знания и навыки для достижения основной цели экологии - сохранение окружающей природной среды.
Цель урока: познакомить учащихся со строением молекулы кремниевой кислоты, способами ее получения и возможностями применения солей кремниевой кислоты в современной промышленности, а также обобщить знания учащихся о кремнии, оксиде кремния (IV). Сформировать знания экологической направленности, чтобы показать необходимость изучения взаимосвязи между окружающей природной средой и ее загрязнениями отходами и выбросами стекольного производства, определить каково влияние выбросов и сбросов силикатных производств на здоровье человека.
Задачи обучения: сформировать понятие кремниевая кислота, расширить представление о способах получения, свойствах и способах применения силикатов в промышленности. Познакомить школьников с экологическими проблемами производств силикатной промышленности. Развить экологическое сознание и воспитание школьников, дать представление о том, что возможности химии достаточно многообразны и халатное отношение к окружающей природной среде приведет к нарушению гармонии в природе и развитию экологической катастрофы.
Задачи развития: продолжить развитие у учащихся основных приемов мышления (умения анализировать, сравнивать и т.д.), совершенствовать умение учащихся самостоятельно работать с дополнительной информацией. Развить экологическое сознание школьников, заложить в основу воспитания представления о взаимосвязи состава, строения, свойств и биологической функции веществ, их двойственной роли в живой природе.
Задачи воспитания: продолжить химическое и экологическое образование школьников.
Ход урока
II. Организационный момент (1-2 мин.)
- посадка детей;
- проверка принадлежностей;
- отметка отсутствующих и т.д.
II. Опрос домашнего задания (10 мин.)
1. Что такое кремний?
2. Каково содержание его в земной коре?
3. Какие наиболее распространенные соединения кремния вы можете назвать?
4. Как в промышленности получают кремний?
5. Расскажите о физических и химических свойствах кремния.
6. Где применяют кремний?
7. Опишите химические свойства и области применения оксида кремния (IV).
III. Изучение нового материала (20 мин.)
Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты.
Строение молекулы.
Состав кремниевой кислоты условно изображают формулой H2SiO3. В действительности ее состав более сложный:
Известно много различных кремниевых кислот с общей формулой
n SiO2 • m H2O.
Получение. В отличие от многих других кислот кремниевую кислоту нельзя получить гидратацией оксида кремния (IV), ибо он с водой не реагирует. Кремниевую кислоту получают при действии кислот на растворы ее солей. При этом она выпадает в виде студенистого осадка:
Na2SiO3 + 2HCl > 2NaCl + H2SiO3v
2Na+ + SiO32- + 2H+ +2Cl- > 2Na+ + 2Cl + H2SiO3 v
2H+ + SiO32- > H2SiO3 v
Природные соединения кремния обычно представляют собой производные не метакремниевой, а группы так называемых поликремниевых кислот. 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 Al2 Si6 O16 = K2 O • Al2 O3 • 6SiO2
Слюда (мусковит)…………KH2 Al3 (SiO4 )3 или K2 O • 3Al2 O3 • 6SiO2 •2H2 O
Каолин (белая глина)……………………H4 Al2 Si2 O9 = Al2 O3 • 2SiO3 • 2H2 O
Асбест …………………………………H4 Mg3 Si2 O9 = 3MgO • 2SiO2 • 2H2 O
Наибольшее распространение в природе имеют силикаты, содержащие алюминий и называемые алюмосиликатами. Как показывают формулы приведенных выше минералов, к числу алюмосиликатов принадлежит слюда, ортоклаз и др. [3,4]
Если студень кремниевой кислоты частично обезводить, то образуется твердая белая, очень пористая масса, обладающая большой адсорбционной способностью. Этот продукт под названием силикагеля 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 [4,5].
Физические свойства. Многие силикаты тугоплавки и в воде практически не растворимы. Из силикатов, имеющих большое значение, растворимы лишь силикаты натрия и калия. Эти силикаты называются растворимыми стеклами. Их раствор называется жидким стеклом. Находит применение в мыловаренном производстве, в крашении, в производстве бумаги, а также для пропитки дерева и тканей с целью сообщения им несгораемости и стойкости против гниения.
Жидкое стекло - одно из важнейших неорганических клеящих веществ (адгезив). Это связано с тем, что силикат натрия находится в нем в виде макромолекул. Жидким стеклом пропитывают ткани и дерево для придания им огнестойкости; оно применяется для изготовления кислотоупорного цемента, силикатных красок и глазурей.
Химические свойства.
1. Силикаты реагируют почти со всеми кислотами, в том числе и угольной кислотой:
Na2SiO3 + H2O + CO2 > Na2CO3 + H2SiO3 v
Растворимые силикаты могут участвовать в реакциях обмена с другими солями:
Na2SiO3 + CaCl2 > CaSiO3v + 2NaCl
2 Na+ + SiO32- +Ca2+ + 2Cl- > CaSiO3v + 2Na+ + 2Cl-
Ca2+ + SiO32- > CaSiO3v
2. В водных растворах силикаты подвергаются гидролизу и обладают щелочной реакцией:
3. Силикаты, входящие в состав минералов (их формулы выражают в виде оксидов), в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV):
К2О • Аl2O3 • 6 SiO2 + CO2 + 2 H2O >
Ортоклаз
> Аl2O3 • 2 SiO2 • 2 H2O + 4SiO2 + К2 CO3
каолинит кремнезем
При разрушении таких силикатов образовались залежи глины и песка, а на основе их в результате биохимического разложения растительных и животных остатков образовалась почва.
Силикатная промышленность.
Силикатную промышленность составляют производства различных строительных материалов, стекла и керамики из природных силикатов.
Важнейшие строительные материалы, выпускаемые силикатной промышленностью, показаны на схеме 10, §39, с.97 [13].
Производство изделий из стекла связано с образованием большого количества отходов и выбросов: твердые отходы (стеклобой, сырьевые материалы цехов подготовки шихты в виде пыли, порошковые отходы цехов обработки сортовой посуды), суспензии и шламы (шламы и осадки систем подготовки шихты, систем пылегазоулавливания и очистки сточных вод, суспензии систем шлифования и полирования стекол), сточные воды (сливы замасливателя в производстве стекловолокна, полировальные, промывные и травильные растворы при обработке и декорировании изделий), газообразные выбросы (отходящие газы стекловаренных печей, содержащие оксиды азота и серы, соединения свинца, фтора, фосфора и бора, оксид углерода, бензпирен, дымовые газы сушильных цехов подготовки шихты, газовая фаза и воздух со стадий закалки и охлаждения стекла).
В то же время ряд отходов образуют так называемые вторичные материальные ресурсы, например стеклобой, количество которого для некоторых производств достигает 50% от исходной стекломассы. К таким ресурсам относятся и дымовые газы стекловаренных печей, теплота которых может быть использована в качестве источников энергии.
Классифицируя отходы производства стекла, необходимо выделить их токсичность, т.е. степень воздействия на человека, животный мир и растительность. По этому признаку можно выделить безвредные, токсичные и особо токсичные отходы.
Технология стекла включает две основные стадии: подготовку сырьевых компонентов с получением шихты и стекловарение с выработкой стеклоизделий.
Основным компонентом шихты, используемой для широкого ассортимента стекол, является кварцевый песок, диоксид кремния, который составляет 50--75% массы готового стекла. В состав шихты входят также карбонат натрия, доломит, карбонат калия, сульфаты, нитрат кальция и нитрат натрия, борная кислота, оксиды свинца, цинка, мышьяка, фтористые соединения и др.
Пылеобразование сопутствует начальным операциям разгрузки и транспортирования компонентов шихты, поэтому состав пыли, образующейся на каждой из этих операций, будет различным. Однако даже при локальном попадании в атмосферу (от одной установки), вызванном неправильной организацией воздухообмена, пыль может распространиться по всему отделению.
