ВІКІСТОРІНКА
Навигация:
Інформатика
Історія
Автоматизація
Адміністрування
Антропологія
Архітектура
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Військова наука
Виробництво
Географія
Геологія
Господарство
Демографія
Екологія
Економіка
Електроніка
Енергетика
Журналістика
Кінематографія
Комп'ютеризація
Креслення
Кулінарія
Культура
Культура
Лінгвістика
Література
Лексикологія
Логіка
Маркетинг
Математика
Медицина
Менеджмент
Металургія
Метрологія
Мистецтво
Музика
Наукознавство
Освіта
Охорона Праці
Підприємництво
Педагогіка
Поліграфія
Право
Приладобудування
Програмування
Психологія
Радіозв'язок
Релігія
Риторика
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Статистика
Технології
Торгівля
Транспорт
Фізіологія
Фізика
Філософія
Фінанси
Фармакологія


Природні та промислові силікатні матеріали

 

План:

 

1. Природні силікати.

2. Алюмосилікати.

3. Промислові силікатні матеріали.

 

1−2

 

Природні силікати різної структури. Більшість силікатів має складний склад і будову та містить, крім Оксигену і Силіцію, інші елементи, такі як: А1, Fe, Ті, Са, Mg, Na, К та інші. До їхнього складу часто входить вода − це гідросилікати, які за звичайних умов стійкіші силікатів безводних.

Найчастіше до складу силікатів включений алюміній, що може міститися у вигляді катіонів А13+ − силікатів алюмінію − або заміщати атом силіцію в силіційоксигенових тетраедрах [SiO4]4− − алюмосилікати. Оскільки атом алюмінію має три валентних електрони, а не чотири, як атом силіцію, то при заміщенні у складі тетраедра [SiO4]4− атома силіцію на алюміній з'являється надлишковий від'ємний заряд, який компенсується за рахунок інших катіонів − К+, Na+, Ca2+ тощо, що входять до складу алюмосилікатів.

Силіційоксигенові тетраедри, які становлять основу силікатів, можуть з'єднуватися вершинами, утворюючи просторові (ґратчасті) структури, площини (шаруваті структури) або протяжні ланцюги (волокнисті мінерали).

Розглянемо ці типи силікатів. Силікати із ґратчастою структурою складаються з тетраедрів [SiO4]4−, об'єднаних у просторовий каркас. Така структура може включати також тетраедри [AlO4]5. Кількість атомів Oксигену в них вдвічі перевищує загальне число атомів Силіцію і Алюмінію.

До таких силікатів належать польові шпати, що становлять 55% об'єму земної кори. Основні з них − ортоклаз (пряморозколюва-ний) − KAlSi308, або K2O∙Al2O3∙6SiО2 і плагіоклази (косорозколювані), які утворюють ряд від альбіту NaAlSi3O8, або Na2O∙Al2О3∙6SiО2, до анортиту CaAl2Si2О8, або CaO∙Al2О3∙2SiО2.

Польові шпати мають високу твердість (6−6,5 одиниць за мінералогічною шкалою), міцність 120−170 МПа при стисканні. Вони складають основну частину у граніті, який містить також кварц (25−30%) і слюду (5−10%). Граніти мають високу механічну міцність − 120−250 МПа при стисканні − та низьку пористість (не перевищує 1,5%), і через це − високу морозостійкість. Гранітні щебені використовуються при виготовленні високоміцного і морозотривкого бетону. Колір гранітів залежить від забарвлення польових шпатів: білого, сірого, жовтого, рожевого, червоного. Граніти використовуються як облицювальний матеріал, у тому числі − для захисту цоколів будівель, набережних, мостових опор.

У мінералів з шаруватою структурою силіційоксигенові тетраедри [SiO4]4−, які включають до свого складу атоми інших елементів, з'єднані у шари. До таких силікатів належать: тальк H2Mg3SiО12, або 3MgO∙4SiО2 H2О, каолініт H4Al2Si2О9, або Al2О3∙2SiО2∙2H2О, слюда мусковіт H4K2Al6Si6О24, або K2О∙3Al2О3∙6SiО2∙2H2О.

До волокнистих матеріалів належить азбест CaMg3Si4О12, або CaO∙3MgO∙4SiО2 − натуральний силікат, що складається з довгих ланцюгів тетраедрів [SiО4]4-. Через таку будову азбест легко розсотується на волокна.

Азбест використовується для виготовлення різноманітних будівельних матеріалів та виробів − шиферу, труб, плит тощо.

Хімічні зміни алюмосилікатів у природі. Глини. Внаслідок хімічної й механічної дії води і повітря на поверхні Землі гірські породи з часом руйнуються. Цей процес називають вивітрюванням. Ортоклаз, наприклад, розкладається з утворенням каолініту через дію води, яка містить у собі розчинений СО2:

K2O∙Al2О3∙6SiО2 + nН2О + СO2 = Al2О3∙2SiО2∙2H2О + 4SiО2(n-2)H2О + К2СО3.

Каолініт — один з головних мінералів, що становлять основу глин. Це мінерал білого кольору (подекуди він має буруватий чи зеленкуватий відтінок). Його щільність − 2,6 г/см3, твердість за мінералогічною шкалою дорівнює одиниці. Разом з каолінітом до складу глин можуть входити монтморилоніт (Al2О3∙4SiО2∙nH2О) і гідрослюда − продукт розкладання слюди. Зазвичай, глини містять деяку кількість різних мінералів, тобто вони полімінеральні.

Глина − основна сировина при одержанні будівельних керамічних матеріалів і виробів: цегли, черепиці, лицювальних плиток, санітарно-технічних виробів і т.д. Глина застосовується як сировина й при одержанні цементу.

 

 

Силікати становлять основу таких матеріалів, як скло, ситали і кераміка, які широко використовуються у будівництві.

Скло. Склоробство відоме людям з давніх часів. Відомості про виготовлення скла у Єгипті й Месопотамії належать до 3000−4000 pp. до н.е. У Росії перший скляний завод був побудований у 1635 р. поблизу м. Воскресенська. Склоробство в Росії заснував М.В. Ломоносов.

Скло утворюється при переохолодженні розплавів, що мають високу в'язкість. Як і в рідинах, у склі спостерігається лише близький порядок у розташуванні частинок, тобто саме найближчі сусідні частинки розташовані впорядковано, а далекі − хаотично

На відміну від кристалічних тіл, скло не має певної температури плавлення чи твердіння. При нагріванні відбувається його поступове розм'якшення й перехід у рідкий стан, а при охолодженні розплаву − поступове твердіння.

Властивості скла змінюють, регулюючи його склад. Якщо при виготовленні скла замість соди Na23 використовують поташ К2СО3, то отримують тугоплавке й термостійке скло, яке застосовується для виготовлення хімічного посуду. Якщо ж до складу скла вводять оксиди калію та плюмбуму, то одержують скло з сильною світлозаломлюючою здатністю та високою щільністю, яке називають кришталем. Колір скла визначають невеликі домішки оксидів перехідних металів. Так, додавання оксиду кобальту надає склу синього забарвлення, оксиду хрому − зеленого, оксиду мангану − фіолетового.

Безпосередньо з розплавленого кварцу можна одержати кварцове скло, яке має високу тугоплавкість та незначний коефіцієнт термічного розширення, через що витримує різкий перепад температур.

Таке скло є прозорим як для видимих, так і для ультрафіолетових променів. З кварцового скла виготовляють прилади і лабораторний посуд, кварцові лампи та інші вироби.

Звичайне скло практично не розчиняється у воді, проте при тривалій її дії частка іонів натрію переходить у воду (вилуговування скла). Під дією плавикової кислоти скло руйнується.

Поряд із звичайним будівельним склом знаходить застосування скляне волокно − нитки зі скла діаметром від 2 до 10 мкм, з яких одержують склотканини з тепло-, звуко- і електроізолюючими властивостями. Добрі тепло- і звукоізолюючі властивості має піноскло − легкий і міцний матеріал на основі скла.

Покриття зі скла − емалі й глазурі − наносять на вироби для надання їм декоративного вигляду та захисту від корозії. Непрозоре легкоплавке скло (емалі) вживають для захисту металів. Для покриттів керамічних виробів використовують склоподібні сполуки − глазурі.

Розчинне скло. Більшість солей силікатних кислот (силікатів) у воді не розчиняються. Виключення становлять силікати натрію й калію, що їх називають розчинним склом, склад яких подається загальною формулою R2О∙nSiО2де R2О− оксиди Na2О або К2О; п − коефіцієнт, що дорівнює відношенню кількості молів SiО2 до кількості молів R2О і називається модулем рідкого скла, чи силікатним модулем. Силікатний модуль визначає розчинність та інші властивості силікатів.

Одержують силікати натрію або калію сплавленням SiО2 з лугами NaOH, КОН або карбонатами Na23, К2СО3:

SiО2 + 2NaOH → Na2SiО3 + H2О,

SiО2 + К2СО3 → K2SiО3 + СО2.

Силікати натрію й калію можна одержати також при взаємодії аморфного кремнезему з концентрованими розчинами лугів:

SiО2 + 2NaOH = Na2SiOa + H2О.

Силікати натрію й калію зовні схожі на звичайне скло, вони являють собою прозорий затверділий розплав, часом трохи забарвлений у жовтий чи зелений колір.

Водний розчин силікатів натрію чи калію називають рідким склом. Внаслідок гідролізу Na2SiО3 або K2SiО3 й виділення при цьому високодисперсних гелів силікатних кислот рідке скло може тужавіти на повітрі. Тому його застосовують для зміцнювання ґрунтів при виконанні будівельних робіт, виготовлення кислототривкого бетону і для просочування тканин для додання їм вогнестійкості.

Ситали. Це склокристалічні матеріали, які одержують шляхом регульованої кристалізації силікатних розплавів з виділенням дрібних кристалів, рівномірно розподілених у об'ємі. Середній розмір кристалів, що утворюються, становить 1−2 мкм. Кількість незакристалізованого скла невелика − кілька відсотків. Прошарки скла завтовшки в десяті частки мікрометра з'єднують кристали, що утворилися, створюючи міцну, щільну структуру.

Для забезпечення дрібної кристалізації скла в нього вводять каталізатори, які сприяють утворенню центрів кристалізації. Зазвичай, склад ситалів відповідає системам MgO−А12О3−SiО2 або Li2О − А12О3− SiО2, а у якості каталізатора використовують ТіО2.

Через дрібнокристалічну структуру ситали мають високу механічну міцність, хімічну стійкість, термостійкість, газонепроникість. За твердістю деякі ситали наближаються до загартованої сталі, перевищуючи у 25 разів твердість шліфованого віконного скла.

Проте сталь за механічними властивостями все ж перевершує біль­шість ситалів.

Ефективним і екологічно вигідним способом є одержання ситалів з вогненно-рідких металургійних шлаків. Як каталізатори, що прискорюють їх кристалізацію, використовуються ТіО2, Р2О5, CaF2, сульфати феруму і мангану, які вводять до складу в кількості 4−5 %. Одержувані шлакоситали мають щільність 2,5−2,65 г/см3, міцність при стисканні 500−600 МПа, при вигинанні 90−130 МПа, робочу температуру до 750 °С.

Вироби, які виготовляються з шлакоситалів, використовують у промисловому, житловому, шляховому будівництві (плитки для підлог, сходові щаблі, стенові матеріали, тротуарні плити тощо).

Піношлакоситали − ефективні теплоізолюючі матеріали, які мають високу пористість.

Будівельна кераміка. Керамічними називають матеріали й вироби, які одержують з мінеральної сировини шляхом формування й наступного випалу при високих температурах. Виготовлення керамічних виробів відомо людям з давніх-давен. Залишки таких виробів знаходять при розкопках поселень, що датують кам'яним віком. Керамічна цегла як будівельний матеріал застосовується вже більше 5000 років.

Нині у будівництві використовується велика кількість різноманітних керамічних матеріалів і виробів: стінові вироби (цегла, пустотілі камені й інше); черепиця; вироби для зовнішнього і внутрішнього облицювання стін (лицьова цегла, глазуровані плитки тощо); плитки для підлог; санітарно-технічні вироби (ванни, умивальні столи і т.п.); каналізаційні й дренажні труби й багато іншого.

Основна сировина для виробництва будівельної кераміки − природні водні алюмосилікати (каоліни й глини).

При додаванні води глини утворюють пластичну масу, що під дією зовнішніх механічних зусиль (наприклад, пресування) набуває необхідної форми та зберігає її після висихання. При наступному нагріванні (випалі) з глин при 550−600 С видаляється вода, що входить до їх складу, структура глин руйнується з утворенням муліту 3Al2О3-2SiО2 і формуванням міцного каменевидного тіла.

Реакцію розкладання каолініту з утворенням муліту та вільного кремнезему, яка відбувається при випалі глин, можна схематично подати, опускаючи проміжні процеси, в такому вигляді:

3[Al2О3∙2SiО2∙2H2О] →3Al2О3-2SiО2 + 4SiО2 + 6Н2О.

Ряд керамічних виробів покривають тонким шаром скловидного матеріалу − глазурі. Для цього суміш тонкомолотих порошків, з яких виготовляється глазур (звичайно, кварцу, польового шпату та деяких домішок), наносять на поверхню виробу, який піддають випалу. Шар глазурі забезпечує водонепроникність кераміки, захищає її від атмосферної корозії, надає керамічним виробам декоративності.

 

Література: 1. §13.8 – 13.9

1. §

© 2013 wikipage.com.ua - Дякуємо за посилання на wikipage.com.ua | Контакти