- •Часть 2.
- •Список сокращений и обозначений
- •Глава 1. Введение
- •1.1. Периодическая система
- •1.2. Основные свойства элементов
- •1.2.1. Характеристики изолированных атомов
- •1.2.2. Характеристики элементов в составе соединений
- •1.3. Нахождение в природе. Способы получения простых веществ
- •Глава 2.Водород
- •2.1. Распространенность водорода
- •2.2. Сходство водорода с другими элементами
- •2.2.1. Сходство с галогенами
- •2.2.2. Сходство со щелочными металлами
- •2.3. Особенности водорода
- •2.4. Получение водорода. Водородная энергетика
- •Глава 3. Галогены
- •3.1. Общая характеристика. Нахождение в природе
- •3.2. Получение простых веществ.
- •3.3. Физические свойства г2
- •3.4. Химические свойства галогенов
- •3.4.1. Галогены как окислители
- •3.4.2. Взаимодействие г2 с водородом. Получение hCl и ее свойства. Галогеноводородные кислоты
- •3.4.3. Окислительно-восстановительные реакции в водных растворах. Кислородосодержащие соединения хлора
- •Глава 4. Халькогены
- •4.1. Общая характеристика. Нахождение в природе. Получение
- •4.2. Структура и физические свойства простых веществ
- •4.3. Химические свойства и применение простых веществ
- •4.4. Вода и сероводород. Сульфиды
- •4.5. Перхалькогениды
- •4.6. Кислородосодержащие соединения серы
- •4.7. Экологический аспект переработки сульфидных руд
- •Глава 5. Азот и фосфор
- •5.1. Общая характеристика. Нахождение в природе. Получение
- •5.2. Простые вещества
- •5.2.1. Структура и физические свойства
- •5.2.2. Химические свойства
- •5.3. Аммиак и соли аммония
- •5.3.1. Получение аммиака
- •5.3.2. Физические и химические свойства
- •5.3.3. Соли аммония
- •5.4. Оксиды и гидроксиды азота. Соли
- •5.4.1. Получение оксидов и кислот
- •5.4.2. Свойства и применение
- •5.4.3. Нитраты и нитриты
- •5.5. Кислородосодержащие соединения фосфора
- •5.6. Минеральные удобрения
- •Глава 6. Углерод и кремний
- •6.1. Общая характеристика. Нахождение в природе. Получение
- •6.2. Структура и физические свойства простых веществ
- •6.3. Химические свойства простых веществ
- •6.4. Метан
- •6.5. Кислородосодержащие соединения углерода
- •6.5.1. Общая характеристика и свойства
- •6.5.2. Токсичность оксидов
- •6.5.3. Синтез и обнаружение диоксида углерода
- •6.5.4. Применение со2 и проблемы его утилизации
- •6.6. Кислородосодержащие соединения кремния. Стекло. Цемент
- •6.6.1. Оксид. Гидроксид. Соли
- •6.6.2. Нерастворимые стекла
- •6.6.3. Цемент
- •6.7. Уголь и силикагель как сорбенты
- •Глава 7. Металлы
- •7.1. Общая характеристика
- •7.2.2. Жесткость воды и способы ее устранения
- •7.2.3. Получение и свойства s-металлов
- •7.2.4. Сложные вещества s-элементов. Производство соды
- •7.3.1. Общая характеристика. Степени окисления
- •7.3.2. Природные соединения алюминия
- •7.3.3. Физические свойства
- •7.3.4. Химические свойства
- •7.3.5. Оксиды и соли p-элементов
- •7.3.6. Производство алюминия
- •7.4.1. Общая характеристика
- •7.4.2. Нахождение d-элементов в природе
- •7.4.3. Получение d-металлов
- •7.4.4. Физические свойства
- •7.4.5. Химические свойства d-металлов
- •7.4.6. Сложные соединения d-элементов. Сплавы
- •Рекомендуемая литература.
- •Содержание
- •Глава 1. Введение 4
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-1-ых, его p-орбитали не дают достаточно эффективного -перекрывания, а во-2-ых, «любимое» координационное число (к.ч.) кремния (т.е. число «соседей») равно четырем.
Поэтому все 4 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 4. Это происходит благодаря обобществлению О соседними «молекулами» SiO2, в результате чего формируются полимеры. Графическое изображение их фрагмента выглядит так:
Из-за стремления Si к четырехкратной координации свежеполученная растворимая кремниевая кислота H2SiO3 (в молекуле которой к.ч.(Si) всего лишь 3) тоже быстро полимеризуется. И как следствие, выпадает в осадок состава 29 (где n около 300). После его высушивания при об.у. получается силикагель . 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) структур, 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 трудно из него 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 светопроницаемостью (из них делают, например, светозащитные очки и глазные линзы); а также поглощающие радиацию и полупроводниковые стекла (с регулируемой проводимостью) и многие другие.
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.