На практике широко используются и малорастворимые природные карбонаты кальция: известняк (для получения СаО и СО2 и в качестве строительного камня), мрамор (как облицовочная плитка), мел (для побелки) и др.

6.6. Кислородосодержащие соединения кремния. Стекло. Цемент

6.6.1. Оксид. Гидроксид. Соли

В отличие от газообразного СО2 оксид кремния SiO2 – твердое вещество (т.пл. выше 1700 °С). Это объясняется большим (по сравнению с С) радиусом атома Si. Вследствие чего, во-первых, его p-орбитали не дают достаточно эффективного -перекрывания, а во-вторых, «любимое» координационное число (к.ч.) кремния (т.е. число «соседей») равно четырем.

Поэтому все четыре валентных электрона каждого атома Si участвуют в образовании четырех -связей ( при sp3-гибридизации его орбиталей) с четырьмя атомами кислорода и т.о. к.ч.(Si) достигает четырех. Это происходит благодаря обобществлению О соседними «молекулами» SiO2, в результате чего формируются полимеры. Графическое изображение их фрагмента выглядит так:

O O

O Si O Si O

O O

Из-за стремления Si к четырехкратной координации свежеполученная растворимая кремниевая кислота H2SiO3 (в молекуле которой к.ч.(Si) всего лишь три) тоже быстро полимеризуется. И, как следствие, выпадает в осадок состава SiO2 nH2O 29 (где n около 300). После его вы-

29 Если вещество имеет неопределенный состав, то его формулу записывают как формулы оксидов, соединенные точкой; хотя это не смесь оксидов, а их химическое соединение. В частности, SiO2. nH2O содержит химически связанную воду в виде полимерной кремниевой кислоты.

63

сушивания при об.у. получается силикагель SiO2 6H2O . Его можно

обезводить (практически полностью), нагревая при 150 °С. Силикагель очень инертен (недаром песок – конечный продукт

выветривания30 горных пород). Он растворяется лишь во фтороводородной кислоте (из-за образования летучего SiF4). А также реагирует со щелочью при сплавлении, давая т.н. «растворимое стекло» Na2SiO3. (Его водный раствор («жидкое стекло») – это силикатный (канцелярский) клей – очень щелочная среда).

6.6.2. Нерастворимые стекла

Основа нерастворимых силикатных стекол – это тоже диоксид кремния. И сам SiO2, если он имеет аморфную (неупорядоченную) структуру, является стеклом, его называют кварцевым. Оно и механически прочное, и не трескается от перепада температур (раскаленный самовар, сделанный из этого стекла, бросали в холодную воду, и он оставался целым).

Однако кварцевое стекло имеет высокую т.пл. (>1500°), поэтому из него трудно готовить изделия. Чтобы этой трудности избежать, SiO2 (песок) сплавляют (при 1400°С) с содой и известняком, получая обычное оконное стекло. Его примерный состав: Na2O.CaO.6SiO2, и такое стекло размягчается уже при 300 °С.

Добавляя к нему окрашенные оксиды металлов (например, NiO зеленого цвета), создают цветные стекла; а вводя PbO – хрусталь. Небольшие количества селена или золота, равномерно распределенные в стекле, придают ему вид рубина.

При управляемой кристаллизации стекла образуется ситалл,

который по прочности близок к чугуну, поэтому используется в строительстве вместо металла, керамики, бетона или дерева. Получено также пуленепробиваемое бронестекло (толщиной до 40 мм), оно состоит из нескольких слоев стекла, склеенных смолами.

Широко применяют и стеклянные волокна (в частности, оптические – в качестве световодов). В последнее время синтезированы

светочувствительные стекла и стекла с саморегулирующейся све-

топроницаемостью (из них делают, например, светозащитные очки и

30 Выветривание, например, гранита, заключается в том, что входящие в него слюда и полевой шпат, являясь алюмосиликатами примерного состава K2O.Al2O3.6SiO2, реагируют с водой и углекислым газом воздуха, образуя растворимый K2CO3 и нерастворимые порошки песка SiO2 и глины Al2O3.2SiO2.H2O. Да еще остаются мелкие кристаллы кварца (SiO2), которые были включены в гранит.

64

глазные линзы); а также поглощающие радиацию и полупроводни-

ковые стекла (с регулируемой проводимостью) и мн. др.

6.6.3. Цемент

Процесс формирования силикатных полимеров происходит и в случае многих т.н. вяжущих веществ. Это порошкообразные материалы, которые с водой дают пластическую массу, затвердевающую через некоторое время.

К ним относится и цемент. Получают его в силикатной промышленности, прокаливая при 1500 °С смесь глины и известняка. При этом за счет частичного разрыва связей Si – O и Al – O в глине образуются силикаты и алюминаты кальция с малополимеризованными анионами. После смешения с водой из-за гидролиза постепенно формируются более полимеризованные анионы, благодаря чему материал твердеет («схватывается»).

Со временем цемент еще сильнее упрочняется из-за постепенного превращения его аморфной структуры в кристаллическую (т.е. с упорядоченной решеткой).

Для повышения прочности в цемент (до его схватывания) добавляют песок или щебень и т.о. получают бетон. А при введении железной арматуры образуется еще более прочный материал – железобетон, из которого строят здания и др.

6.7. Уголь и силикагель как сорбенты

Поверхностные атомы любого твердого тела способны к

образованию межмолекулярных связей с частицами газа или жид-

кости. Вследствие чего эти частицы удерживаются на поверхности. Такое явление называется сорбцией (от греч. «сорбео», что значит «поглощаю»). И если твердое вещество пронизано большим количеством открытых пор, т.е. имеет разветвленную (а следовательно, большую) поверхность, то сорбция происходит в значительной степени, и такие вещества называют сорбентами. К ним относится, в частности, силикагель, полученный в специальных условиях (площадь поверхности лучших его образцов – около 800 м2/г), а также древесный активированный уголь (его поверхность достигает 1700 м2/г). Они широко используются на практике. Так, SiO2, высушенный при 150 °С, поглощает столько влаги, что его масса увеличивается в 1,5 раза.

65