Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 58. Силікатна кислота. Силікатні матеріали

Силікатна кислота

Силікатна кислота H₂SiO₃ за властивостями відрізняється від більшості кислот. Вона така слабка, що навіть не змінює забарвлення індикаторів. Силікатна кислота утворюється у вигляді білого драглистого осаду під час дії на силікати будь-якої іншої кислоти, наприклад хлоридної:

Na₂SiO₃ + 2НСl = H₂SiO₃↓ + 2NaCl

Силікатна кислота навіть слабкіша за карбонатну кислоту. Під час пропускання вуглекислого газу крізь розчин натрій силікату утворюється білий осад силікатної кислоти:

Na₂SiO₃ + Η₂О + CO₂ = H₂SiO₃↓ + Na₂CO₃

Під час випадання з розчину силікатна кислота утворює різновид колоїдної системи — гель (див. § 88). Навіть за слабкого нагрівання вона втрачає воду, перетворюючись на силіцій(ІV) оксид:

H₂SiO₃ = SiO₂ + Н₂О

У такий спосіб добувають силікагель.

Силікати

Силікати — солі силікатної кислоти — зазвичай тверді безбарвні речовини. У воді розчиняються лише силікати лужних елементів.

Силікати утворюються під час взаємодії силіцій(ІV) оксиду з лугами або основними оксидами. Їх також можна добувати сплавлянням силіцій(ІV) оксиду із солями леткої кислоти, наприклад карбонатної. Карбонатна кислота хоча й сильніша за силікатну, але реакція відбувається за рахунок утворення леткого карбон(IV) оксиду:

Na₂CO₃ + SiO2 = Na₂SiO₃ + CO₂↑

Оскільки силікатна кислота слабка, то її солі активно піддаються гідролізу, а розчини силікатів мають лужне середовище:

Na₂SiO₃ + Н₂О = NaHSiO₃ + NaOH

Унаслідок необоротного гідролізу амоній силікат не існує в розчині, у разі спроби добути його реакцією обміну він розкладається:

Na₂SiO₃ + 2NH₄Cl = Н₂SiO₃↓ + 2ΝΗ₃↑ + 2NaCl

Розчинні силікати легко вступають у реакції обміну з утворенням нерозчинних силікатів або силікатної кислоти.

Нерозчинні у воді силікати містяться у складі багатьох гірських порід, що утворюють земну кору. Формули складних силікатів прийнято записувати у вигляді комбінації формул оксидів, наприклад: магній силікат (олівін) — Mg₂SiO₄ або 2MgO • SiO₂. У деяких природних силікатах частина Силіцію заміщена на Алюміній, такі речовини називають алюмосилікатами — це польовий шпат K₂O • Al₂O₃ • 6SiO₂, глина Αl₂Ο₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О, слюда K₂O • 3Al₂O₃ • 6SiO₂ • 2H₂O. У природі глина утворюється в результаті вивітрювання польового шпату й інших алюмосилікатів під дією води і вуглекислого газу, що міститься в повітрі:

Κ₂Ο • Αl₂Ο₃ • 6SiO₂ + СО₂ + 2Н₂О = Аl₂О₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О + К₂СО₃ + 4SiO₂

Важливим продуктом руйнування алюмосилікатів є кварцовий пісок. Разом із глиною він утворює ґрунти.

Скло

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

Формулу найпростішого силікатного скла прийнято записувати у вигляді суміші оксидів: Na₂O • CaO • 6SiO₂. Для виробництва скла пісок змішують із содою та вапняком. Скло, на відміну від кристалічних тіл, не має певної температури плавлення й під час охолодження розплаву густішає поступово. Із напіврідкого скла виготовляють посуд, видувають художні вироби. За допомогою спеціальних машин одержують пласке віконне скло.

Скло стійке до дії багатьох речовин: воно нерозчинне у воді, не реагує навіть із концентрованими кислотами. Винятком є лише флуоридна кислота (див. § 57, с. 148).

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. 58.1). Із загартованого скла виготовляють прозорі деталі меблів, бокові та задні стекла автомобілів тощо.

Мал. 58.1. Загартоване скло в разі руйнування не завдає значних пошкоджень

Додаванням до розплавленого скла різних оксидів одержують кольорові стекла. Наприклад, оксиди Феруму забарвлюють скло в зелений, блакитний або червоно-бурий кольори, кобальт(ІІ) оксид — у синій тощо. Додаванням до скла плюмбум(ІІ) оксиду одержують кришталь — скло, яке сильно заломлює промені світла і добре полірується. А з додаванням бор(ІІІ) оксиду виготовляють скло для термостійкого лабораторного посуду.

Кварцове скло

Кварцове скло, на відміну від звичайного, під час 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. 58.2).

Мал. 58.2. Колби ультрафіолетових ламп виготовляють із кварцового скла

Кераміка

Керамікою в побуті називають вироби з глини, обпалені в печі. Це слово походить від грецького ceramos — «глина». Людство навчилося виготовляти глиняний посуд задовго до того, як почали виплавляти бронзу і залізо. Із часом майстри навчилися виготовляти справжні шедеври з тонкої кераміки — фаянсу та фарфору.

Хімія навколо нас

Силіцій та кераміка

Багато керамічних матеріалів мають спільні властивості: надзвичайно високі температури плавлення та міцність. Деякі, зокрема бор нітрид ΒΝ, міцніші за сталь, тверді, майже як алмаз. Силіцій карбід SiC є твердою і недорогою речовиною, її використовують як абразив на шліфувальних кругах.

Нижні частини космічних апаратів, що спускаються на Землю, покриті теплозахисною керамікою

Висока міцність і відносно невисока густина таких керамічних матеріалів роблять їх корисними для застосування в космосі. Ними покривають поверхні ракетних двигунів, оскільки вони захищають метал від плавлення. А зовнішні частини космічного човна покривають захисною керамічною плиткою — тепловим екраном. Плитку виготовляють із пористого кремнезему, вона витримує дуже високі температури і має дуже низьку теплопровідність, що перешкоджає передачі теплоти в корпус.

Цирконій оксид (ZrO₂) завдяки твердості використовують для покриття штучних суглобів, а також ножів, які залишаються гострими набагато довше, ніж сталеві

Силіцій нітрид Si₃N₄ використовують для виготовлення компонентів дизельних двигунів, оскільки він надзвичайно твердий та зносостійкий, має низьку густину, витримує високі температури та вплив агресивного хімічного середовища.

Вироби з обпаленої глини широко використовують і сьогодні — це будівельні та облицювальні матеріали (цегла, плитка, черепиця), посуд і предмети декору.

Волога глина пластична — із неї можна виліпити виріб будь-якої форми. Коли глина підсихає, утворюється тверда маса, що зберігає надану їй форму. Після сушіння керамічні вироби обпалюють у печі, при цьому окремі кристалики з’єднуються в єдину тверду масу.

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. Виготовлена із цементу й води густа суміш (цементне тісто) поступово перетворюється на тверду масу, що міцно зв’язує між собою цегли. Для повного затвердіння потрібно 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. Затверділий бетон являє собою моноліт, у якому пісок і щебінь скріплені цементом. Для збільшення конструкційної міцності бетоном заливають арматуру — сталевий каркас. Одержаний матеріал називають залізобетоном. Конструкції із залізобетону є основою сучасних будівель.

Підприємства з виробництва цементу викидають в атмосферу багато вуглекислого газу та дрібного пилу, що утворюється під час розмелювання сировини. Цей пил зашкоджує роботі механічних пристроїв, а потрапляючи в легені, може спричинити різні захворювання, зокрема силікоз та емфізему легенів.

Проблемою також є те, що цемент нерентабельно утилізовувати: для будівництва нової будівлі дешевше виготовити нові порції цементу. 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.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 14

Ознайомлення зі зразками мінералів

Реактиви: зразки мінералів.

Дотримуйтесь правил безпеки

Розгляньте видані вам зразки мінералів. Розподіліть їх на групи: карбоновмісні і силіцієвмісні. Запишіть їхні формули і схарактеризуйте зовнішній вигляд. Чи є серед них речовини, що мають шарувату структуру, тобто складаються з лусочок? Дослідіть розчинність мінералів у воді. Результати спостережень оформте у вигляді таблиці.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 15

Якісне визначення силікат-іонів у розчинах

Обладнання: штатив із пробірками, піпетки.

Реактиви: розчин натрій силікату, хлоридна кислота.

Дотримуйтесь правил безпеки

У пробірку налийте розчин натрій силікату об’ємом 2-3 мл та додайте хлоридну кислоту об’ємом 1-2 мл. Що спостерігаєте? За якою ознакою можна довести, що в пробірці містяться силікат-іони? Складіть молекулярне та йонно-молекулярне рівняння реакції.

Ключова ідея

Без сучасних силікатних матеріалів неможливе сучасне будівництво.

Запитання та завдання

344. Що є сировиною для силікатної промисловості і які найважливіші продукти вона випускає?

345. Який склад силікатного скла? Чим воно за властивостями відрізняється від кварцового скла?

346. Що називають керамікою, цементом, бетоном?

347. Складіть рівняння реакцій для здійснення перетворень: Na₂SiO₃ → H₂SiO₃ → SiO₂ → СаSiО₃.

348. Обчисліть масу розчину натрій силікату з масовою часткою солі 12,2 %, який можна добути з натрій карбонату масою 26,5 г та кремнезему масою 20 г.