Кремниевые кислоты, силикаты

Кремниевые кислоты — соединения оксида кремния (IV) с водой, очень слабые кислоты. Соотношение SiO₂ и Н₂О в кремни­евых кислотах бывает самым различным, поэтому их состав обыч­но представляют в виде общей формулы «SiO₂•mH₂O. Кислоты с разными n легко переходят друг в друга. В свободном состоянии выделены Ортокремниевая H₄SiO₄, метакремниевая H₂SiO₃ и не­сколько других кислот (см. табл. 26).

Кремниевую кислоту получают косвенным путем, действуя . кислотой на силикат калия или натрия:

Na₂SiO₃+2HCl=2NaCl+H₂SiO₃

Кремниевую кислоту нельзя получить в чистом виде. В вод­ных растворах она образует коллоидный раствор, или золь, кото­рый существует очень малый промежуток времени. Золь далее коагулирует, и образуется гель. При высушивании геля образу­ются продукты с пористой структурой — силикагели, применяе­мые в качестве осушителей и адсорбентов.

H₂SiO₃ — кислота очень слабая, в воде малорастворимая. При нагревании легко распадается аналогично угольной кислоте:

H₂SiO₃=H₂O+SiO₂

Будучи двухосновной кислотой, диссоциирует ступенчато:

Н₂SiO₃«Н⁺+НSiO^-₃

НSiO-3«Н⁺+SiO^2-₃

Кремниевая кислота слабее угольной.

В водных растворах угольная кислота вытесняет кремниевую из их солей:

Na₂SiO₃+Н₂O+СО₂=Na₂CO₃+H₂SiO₃

Соли кремниевой кислоты называются силикатами. Их со­став обычно изображают формулой в виде соединений оксидов элементов. Например, силикат кальция CaSiO₃ можно выразить так: СаO•SiO₂.

Силикаты обычно нерастворимы в воде. Исключение состав­ляют силикаты натрия и калия, получаемые сплавлением SiO₂ с соответствующими гидроокисями или карбонатами, например:

SiO₂+Na₂CO₃=CO₂+Na₂SiO₃

Водные растворы этих солей называются «жидким стеклом». В результате гидролиза «жидкое стекло» имеет сильнощелочную реакцию. «Жидкое стекло» применяют в качестве связующего при изготовлении кислотоупорных бетонов, а также для изготов­ления замазок, конторского клея. Им пропитывают ткани, дерево и бумагу для придания им огнестойкости и водонепроницаемости.

Земная кора состоит из оксида кремния (IV) и различных силикатов. Природные силикаты имеют сложный состав и стро­ение. Например:

полевой шпат K₂О•Аl₂O₃•6SiO₂ слюда K₂О•3Аl₂О₃•6SiO₂•2Н₂О асбест 3MgO•2SiO₂•2Н₂О каолинит Аl₂O₃•2SiO₂•2Н₂О

Силикаты, содержащие в своем составе оксид алюминия, на­зываются алюмосиликатами. В природе наиболее распростране­ны именно они, например полевые шпаты, а также смеси различ-

ных силикатов. Так, горные породы — граниты и гнейсы — состо­ят из кристаллов кварца, полевого шпата и слюды.

Горные породы и минералы на поверхности земли под дейст­вием температуры, а затем и углекислого газа выветриваются, т.е. медленно разрушаются.

K₂О•Аl₂О₃•SiO₂+2Н₂O+СO₂®Аl₂O₃•2SiO₂•2Н₂О+К₂СO₃+4SiO₂

Основным продуктом разрушения является минерал каоли­нит — главная составная часть белой глины. В результате вывет­ривания горных пород образовались залежи глины, песка и солей.

Свойства силикатов бывают довольно различны в зависимос­ти от их состава и строения. Часто силикаты образуют прозрачные и очень красиво окрашенные кристаллы; некоторые из них — драгоценные камни, используемые в ювелирном деле (гранат, топаз, изумруд и др.). Плотность силикатов обычно колеблется от 2 до 4 г/см³. Твердость иногда очень невелика (например, у таль­ка), но бывает довольно значительной (например, у циркона ZrSiO₄). При нагревании силикатов они либо плавятся, либо раз­лагаются в твердом состоянии. Температуры плавления колеб­лются от 750 до 2000°С, а иногда бывают и выше.

Из искусственных силикатов наибольшее значение имеют стекло, цемент и керамика.

Стекло

Состав обычного оконного стекла примерно выражают фор­мулой Na₂O•СаО•6SiO₂. Стекло получают сплавлением в специ­альных печах смеси соды Na₂CO₃, известняка СаСО₃ и белого песка SiO₂.

SiO₂+Na₂CO₃=Na₂SiO₃+CO₂­

SiO₂+CaCO₃=CaSiO₃+CO₂­

Na₂SiO₃+CaSiO₃+4SiO₂=Na₂O•CaO•6SiO₂

Для получения специального стекла изменяют состав исход­ной смеси. Заменяя соду Na₂CO₃ поташом K₂СO₃, получают туго­плавкое стекло (для химической посуды). Заменяя мел CaCO₃ оксидом свинца (II) PbO, а соду поташом, получают хрустальное стекло. Добавки оксидов металлов к исходной смеси придают стеклу различную окраску: оксид хрома (III) Cr₂O₃ — зеленую, оксид кобальта (II) СоО — синюю, оксид марганца (IV) MnO₂ — красновато-лиловую и т.д.

Стекла при повышении температуры постепенно размягчают­ся и переходят в жидкое состояние. Обратный процесс осущест­вляется постепенно — стеклянная масса загустевает по мере ос­тывания. На этом свойстве стекла основано формование из него

различных изделий. С помощью машин из стеклянной массы вы­тягивают листовое стекло.

Цемент

Обычный силикатный цемент, или портландцемент, пред­ставляет собой зеленовато-серый порошок, который при смеше­нии с водой затвердевает на воздухе (или в воде) в камнеподобную массу. Обычно его получают обжигом (1400-1600°С) до спекания сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины.

Из смеси цемента, воды и заполнителей (песок, гравий, ще­бень, шлак) после затвердевания получают искусственный ка­мень — бетон. Бетон со стальной арматурой называется железобе­тоном. Бетоны, в которых в качестве вяжущего используются органические полимеры или полимеры совместно с цементом, называются пластбетонами.

Керамика

Керамикой называют материалы и различные изделия, выра­батываемые из природных глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов и других неорганических соедине­ний, путем формовки, обжига и сушки. Это кирпич, облицовоч­ные плитки, черепица, трубы, глиняная посуда, фарфоровые и фаянсовые изделия.

Производство стекла, цемента и керамики относится к сили­катной промышленности, перерабатывающей природные соеди­нения кремния.