Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 30. Силіцій(IV) оксид. Сучасні силікатні матеріали

Пригадайте:

• що таке адсорбція (за § 28);

• будову і властивості кристалічних і аморфних речовин (за § 9).

Силіцій(IV) оксид

Силіцій(IV) оксид SiO2, або кремнезем, поширений у природі у вигляді мінералу кварцу (мал. 30.1, а). Дрібні кристали кварцу містяться у складі гранітів та інших гірських порід (мал. 30.1, б), а під час їх руйнування утворюється річковий пісок. Часто пісок містить домішки сполук Феруму, які забарвлюють його в жовтий колір. Значно рідше трапляється гірський кришталь — великі прозорі кристали кварцу, що іноді сягають довжини 10 м.

Мал. 30.1. Силіцій(IV) оксид у природі: а — кристали кварцу; б — кристали кварцу, вкраплені в мінерал кальцит

Усередині деяких каменів є порожнини, у яких перебувають аметисти — кристали кварцу, забарвлені домішками в рожево-фіолетовий колір (мал. 30.2).

Мал. 30.2. Кристали аметисту

Для силіцій(IV) оксиду характерні атомні кристалічні ґратки, тому він тугоплавкий (tпл. ≈ 1700 °С). Розплавлений кварц під час охолодження застигає в прозору масу — кварцове скло, що є аморфною речовиною.

Силіцій(IV) оксид утворює багато гірських порід. Деякі з них разом із силіцій(IV) оксидом містять алюміній оксид, тому їх називають алюмосилікатами. Це польовий шпат K2O • Al2O3 • 6SiO2, глина Al2O3 • 2SiO2 • 2H2O, слюда Κ2Ο • 3Αl2Ο3 6SiΟ2 2Ο тощо.

Силікагель

Дрібний порошок силіцій(IV) оксиду — силікагель, або кремнезем, — використовують як осушувач завдяки здатності поглинати (адсорбувати) вологу (мал. 30.3).

Мал. 30.3. Пакетики із силікагелем часто поміщають у коробки із взуттям, електронними приладами тощо для поглинання зайвої вологи

Аморфний непористий силіцій(IV) оксид використовують у харчовій промисловості (допоміжна речовина Е551) для запобігання утворенню грудок у порошкоподібних продуктах. Його додають до зубних паст і твердих лікарських препаратів (таблеток і порошків).

Великий адсорбційний потенціал кремнеземів зумовлює можливість створення на їх основі сучасних матеріалів (модифікованих кремнеземів) для наукових досліджень та технічного використання.

Скло

Кремнезем, а також глина й інші природні алюмосилікати є сировиною для виробництва скла, кераміки, цементу й бетону. Промисловість, що випускає ці матеріали, називають силікатною.

Рецепт виготовлення скла із суміші вапняку, соди й кремнезему був відомий ще в Давньому Єгипті. Із тих часів технологія виплавки скла значно вдосконалилася, однак основні принципи залишилися незмінними.

Юрій Валентинович Холін (1962-2017)

Український хімік. Досліджував властивості та застосування модифікованих кремнеземів

Формулу найпростішого силікатного скла прийнято записувати у вигляді суміші оксидів: Na2O • CaO • 6SiO2. У виробництві скла суміш піску, соди та вапняку розтоплюють. Із напіврідкого скла виготовляють різноманітний посуд, видувають художні вироби (мал. 30.4). За допомогою спеціальних машин одержують пласке віконне скло.

Мал. 30.4. Робота з рідким склом (а) та художній виріб зі скла (б)

Скло стійке до дії багатьох речовин: воно нерозчинне у воді, не реагує навіть із концентрованими кислотами. Винятком є лише флуоридна кислота, що утворює із силіцій(IV) оксидом водорозчинну сполуку:

SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O

Така властивість скла дозволяє наносити на ньому матові написи.

Головний недолік скла — крихкість, тому перед виготовленням деяких виробів скло загартовують: нагрівають до 650-680 °С, а потім швидко рівномірно охолоджують повітрям. У такого скла підвищена механічна міцність, термостійкість, а в разі руйнування воно розпадається на дрібні уламки з тупими краями (мал. 30.5). Із загартованого скла виготовляють прозорі стінки меблів, стільниці, бокові та задні стекла автомобілів (мал. 30.6).

Мал. 30.5. Загартоване скло в разі руйнування не завдає значних пошкоджень

Мал. 30.6. Оздоблення східців загартованим склом

Додаванням до розплавленого скла різних оксидів одержують кольорові стекла. Наприклад, оксиди Феруму забарвлюють скло в зелений, блакитний або червоно-бурий кольори, CoO — у синій, Cr2O3 — у зелений, MnO — у фіолетовий, Cu2O — у червоний (мал. 30.7, а). Додаванням до скла PbO одержують кришталь — скло, яке сильно заломлює промені світла і добре полірується (мал. 30.7, б). А з додаванням B2O3 виготовляють тугоплавке боросилікатне скло. З такого скла марки «Pyrex» виготовляють термостійкий лабораторний посуд (мал. 30.7, в).

Мал. 30.7. Кольорове скло (а), вироби з кришталю (б) та лабораторний посуд із термостійкого скла (в)

Кварцове скло

Кварцове скло, на відміну від звичайного, за нагрівання не розширюється, тому вироби з нього не тріскаються навіть за швидкого охолодження розпеченого виробу в холодній воді. Хімічний посуд, виготовлений із такого скла, використовують для проведення реакцій, що вимагають сильного нагрівання або різкого охолодження.

Кварцове скло пропускає не лише видиме світло, але й ультрафіолетове. Тому колби ультрафіолетових ламп, які використовують у спеціальних приладах або для особливого освітлення, виготовляють виключно з кварцу (мал. 30.8, а).

Дрібні пластинки з кристалів кварцу здатні перетворювати механічну енергію на електричну, і навпаки. Такі речовини називають п'єзо-електриками, їх використовують як генератори звуку, у радіотехніці, а також у запальничках (мал. 30.8, б, в).

Мал. 30.8. Використання кварцу: а — колби ультрафіолетових ламп виготовляють із кварцового скла; б — п'єзозапальничка; в — кварцовий резонатор

Кераміка

Керамікою в побуті називають вироби з глини, обпалені в печі. Це слово походить від грецького ceramos — «глина». У Давніх Афінах так називався район, де працювали гончарі. Із часом майстри навчилися виготовляти справжні шедеври з тонкої кераміки — фаянсу та фарфору (мал. 30.9). Вироби з обпаленої глини широко використовують і сьогодні — цеглу, плитку, черепицю, посуд і предмети декору.

Мал. 30.9. Вироби з кераміки: а — фаянсовий виріб Києво-Межигірської фабрики; б — порцелянова китайська ваза

Щоб зробити кольоровий малюнок, на глиняний виріб наносять дрібно розтерті оксиди металічних елементів. Під час випалювання вони реагують із глиною, утворюючи яскраво забарвлені речовини.

Цемент і бетон

Цемент і бетон разом із вапном і гіпсом відносять до в'яжучих матеріалів — речовин, що твердіють через певний час після змішування з водою. Приготовлена із цементу й води густа суміш (цементне тісто) поступово перетворюється на тверду масу, що міцно зв'язує між собою цегли. Для повного затвердіння потрібні два-три тижні.

Змішуючи цемент із піском і щебенем, одержують бетон. Його заливають у спеціальні дерев'яні форми, які видаляють лише після того, як бетон застигне. Для збільшення конструкційної міцності бетоном заливають арматуру — сталевий каркас (мал. 30.10). Одержаний матеріал називають залізобетоном. Конструкції із залізобетону є каркасом більшості сучасних будівель.

Мал. 30.10. Заливання арматурного каркасу бетоном

Цементні підприємства викидають в атмосферу багато вуглекислого газу та дрібного пилу, який утворюється під час розмелювання сировини. Як наслідок — навколо таких підприємств повітря забруднене дрібним пилом. Потрапляючи в дихальні шляхи, цементний пил може спричиняти різні захворювання, зокрема силікоз та емфізему легенів. Окрім того, цемент не рентабельно утилізовувати: для будівництва нової будівлі дешевше виготовити нові порції. А відпрацьований цемент після руйнування споруд накопичується у відвалах.

Для запобігання шкідливому впливу на довкілля на цементних заводах встановлюють спеціальні фільтри, які затримують пил. Необхідно також впроваджувати сучасні «зелені» технології, завдяки яким зменшуються викиди вуглекислого газу в атмосферу.