Кремний и его соединения.
Кремний – ведущий современный полупроводниковый материал, который широко применяется в электронике, в электротехнике для изготовления интегральных схем, диодов, транзисторов, тиристоров, фотоэлементов и т. д. Технический кремний – легирующий компонент в производстве стали (например, трансформаторная сталь), а также в цветной металлургии (кремневые бронзы).
Природные соединения кремния обычно представляют собой производные не метакремниевой, а группы так называемых п о л и к р е м н е в ы х к и с л о т. Состав этих кислот в общем виде mSiO2. nH2O, где n и m целые числа. K природным силикатам относятся полевые шпаты, слюда, глины, асбест и др. Состав этих минералов сложен. Для удобства их часто условно выражают как соединения оксидов, например: Ортоклаз (минерал из группы
полевых шпатов)…………………… K2 Al2Si6O16 = K2O. Al2O3. 6SiO2
Слюда (мусковит)………………………………KH2Al3(SiO4)3 или K2O. 3Al2O3. 6SiO2. 2H2O
Каолин (белая глина)…………………………..H4Al2Si2O9=Al2O3. 2SiO3. 2H2O
Асбест ………………………………………….H4Mg3Si2O9=3MgO. 2SiO2. 2H2O
Наибольшее распространение в природе имеют силикаты, содержащие алюминий и называемые а л ю м о с и л и к а т а м и. Как показывают форумы приведенных выше минералов, к числу алюмосиликатов принадлежит слюда, ортоклаз и др.
Моноксид кремния – вещество темно-коричневого цвета. При высокой температуре в результате самоокисления-самовосстановления распадается на Si и SiO2 (реакция диспропорционирования). Вообще же SiO легко окисляется до SiO2. Используя эту реакцию, искусственно получают тончайшие кварцевые прозрачные покрытия – при обработке препаратов для электронной микроскопии, для поверхностных покрытий алюминиевых зеркал.
Если студень кремневой кислоты частично обезводить, то образуется твердая белая, очень пористая масса, обладающая большой адсорбционной способностью. Этот продукт под названием с и л и к а г е л я имеет разнообразное применение в промышленности: для улавливания газов, водяных паров, для отчистки нефти, керосина. Наконец, крупнопористый силикагель – незаменимый носитель для многих катализаторов. При полном высушивании и прокаливании кремневой кислоты образуется кремневый ангидрид SiO2.
Кремневые кислоты с большой степенью конденсации сравнительно устойчивы. Но и выделять их в индивидуальном состоянии химики еще не научились. В быту и промышленности используется смесь этих кислот в виде силикатного клея. Если говорить точнее, силикатный клей – это калиевые или натриевые соли поликремневых кислот. Но так как эти кислоты слабые, а соли слабых кислот сильно гидролизуются, то фактически в растворе силикатного клея имеется смесь конденсированных кремниевых кислот.
Нитрид кремния используется в качестве компонента жаростойких и химически устойчивых композиционных материалов. Оп нашел также применение в микроэлектронике в качестве диэлектрика и высокотемпературного полупроводника. Карбид кремния – абразивный материал для шлифованных кругов, матрица для порошковой металлургии, компонент для огнеупоров. К тому же, карбид кремния является основой полупроводниковых диодов и фотодиодов.
Природные силикаты и алюмосиликаты являются сырьем для силикатной промышленности, которая в основном объединяет производства керамическое, цементное и стекольное.
Производство силикатов. Керамическое производство.
Сырьём для керамического производства служат различного рода глины.
Глина – тонкодисперсная горная порода, состоящая в основном из глинистых минералов. Обычно в глинах содержится примесь кластического аллотигенного материала зерен кварца, полевых шпатов и других материалов, и аутигенного материала – карбонатов, сульфатов, гидроксидов железа и др. П.А. Земятчинский определял глины как горные породы, способные образовывать с водой пластичное тесто, сохраняющее по высыхании приданную ему форму, после обжига приобретающее твердость камня. Глины характеризуются рядом свойств, которые учитываются при их промышленном использовании: пластичностью, воздушной и огневой усадкой, пористостью, огнеупорностью, спеканием, гидроскопичностью и набуханием, адсорбционными свойствами, связующей способностью, вспучиванием, зыбкостью и гидрофильностью. С учетом свойств и состава глин, обусловливающих их использование, можно выделить следующие группы: 1) каолины, 2) огнеупорные и тугоплавкие глины, 3) высокосорбирующие глины (отбеливающие), 4) легкоплавкие глины.
Каолины, точнее, первичные каолины, применяются большинством отраслей промышленности благодаря особенностям своего состава и набору свойств. Как правило, промышленностью используются обогащенные каолины, реже каолин-сырец. Обогащение каолинов проводится путем отмучивания, флотации, магнитной и электромагнитной сепараций и другими методами. Каолиновый концентрат в ряде случаев подвергается облагораживанию (путем обработки реактивами) для придания ему большей белизны. Попутные продукты обогащения каолина – кварц и полевые шпаты. Главные потребители обогащенного каолина – бумажная и керамическая промышленности, а также резиновая, мыловаренная, огнеупорная, химическая. В меньшей степени он используется в парфюмерно-косметической и кабельной отраслях промышленности, а также при изготовлении клеенки, пластмасс, минеральных красок, карандашей, в производстве силумина (сплав Al 87%, Si 13%) и др. Каолин-сырец используется в цементной промышленности, при производстве полукислых огнеупоров. Каолин также идет на изготовление фарфоровых изделий.
Диоксид кремния - основа для получения кремния, производства обыкновенного и кварцевого стекла, а также необходимый компонент керамики и абразивных материалов.
Фарфоровые изделия широко применяют в химической, электротехнической промышленности, в химических лабораториях (фарфоровые тигли, чашки, ступки, стаканы и т. д.). В химической промышленности фарфоровые изделия имеют большое значение вследствие их устойчивости против кислот, щелочей, и других химических реактивов, большой механической прочности, термической устойчивости и огнеупорности. В электротехнической промышленности фарфор применяют в качестве надежного изоляционного материала (фарфоровые изоляторы, «свечи» для автомобильных и авиационных моторов и т. д.).
Наиболее распространена глина, окрашенная соединениями железа в желтый цвет. Из нее готовят строительные кирпичи, кислото- и огнеупорные изделия, дренажные трубы, кровельную черепицу, гончарные изделия и т.д.
Цементное производство.
В виде песка SiO2 – давно известный строительный материал. Сырьем в цементном производстве служит смесь глины с известняком. Применяют и природный мергель (глинистый известняк), если он по составу удовлетворяет требованиям цементного производства. Такие мергели имеются у нас, например, в районе Новороссийска
При 1400-1500* масса спекается с образованием сложных силикатов. Выходящий из печи спекшийся материал называют к л и н к е р о м. Разломный клинкер упаковывают в бочки или мешки. Готовый продукт представляет собой тонкий серо-зеленый порошок.
Основная масс цемента состоит из сложных химических соединений кальция, магния, кремния, алюминия и железа. Состав этих веществ, представленных в виде соединений оксидов, следующий: 3CaO. SiO2, 2CaO.SiO2, 3CaO.Al2O3, 2CaO.Fe2O3. Кроме того, в цементе всегда в переменных количествах содержатся различные примеси.
Основной химический процесс при производстве цемента - спекание при 1200 - 1300 оС смеси глины с известняком, приводящий к образованию силикатов и алюминатов кальция:
t
Al2O3. 2SiO2 . 2H2O = Al2O3 . 2SiO2 + 2H2 O
CaCO3 = CaO + CO2h
CaO + SiO2 = CaSiO3
3CaO + Al2O3 = 3CaO.Al2O3
При смешивании с водой происходит постепенная гидратация:
3CaO . Al2O3 . 6H2 O = 3CaO . Al2O3 + 6H2 O
Если при замешивании цементной массы ввести в нее щебень, гравий и тому подобные материалы, то получится б е т о н. Если же бетоном прикрывают какую-либо основу (каркас) из железных прутьев, проволоки, стержней и т.д., то подобные конструкции называют ж е л е з о б е т о н о м.
Железо и бетон хорошо сцепляются между собой, образуя прочную массу, не разрушающуюся при обычных изменениях температуры (коэффициенты объемного расширения железа и бетона почти одинаковы). Железобетон отличается механической прочностью, большим сопротивлению сжатию и разрыву (сам цемент хорошо выдерживает сжатие, но очень слаб на растяжение).
Композиция из цемента и асбеста (асбоцемент) – ценный материал для кровель. Асбоцементные крыши отличаются долголетием.
Бетон хорошо задерживает радиоактивные излучения и применяется для защиты от них.
Цемент относится к числу так называемых вяжущих материалов. Это материалы, способные из жидкого или тестообразного состояния переходить в твердое, камневидное при обычной температуре.
Вяжущие вещества разделяют на органические (смолы, клеи и др.) и минеральные (цемент, известь и др.). Минеральные вяжущие вещества, в свою очередь, подразделяют на в о з д у ш н ы е г и д р а в л и т и ч е с к и е. К воздушным вяжущим материалам перечисляют те из них, которые твердеют на воздухе. Сюда относят известь, алебастр, гипс, магнезиальный цемент и др. Гидравлические вяжущие вещества могут твердеть и сохранять свою прочность, как и на воздухе, так и в воде. Сюда принадлежит цемент.
Стекольное производство.
Сырьем в стекольном производстве служат кремнезем SiO2 и силикаты щелочных и щелочноземельных металлов. Состав стекла в общем виде может быть представлен формулой: xЭ2О.уЭО.zSiO2, где Э2О – окисел щелочного металла (Na2O, K2O, Li2O и др.); ЭО - окисел щелочноземельного металла (СаО, MgO, BaO) и SiO2 – кислотный окисел (кремневый ангидрид). Окислы щелочной группы понижают вязкость и температуру плавления стекла, а также его твердость. Окислы щелочноземельной группы повышают химическую стойкость стекла, а окислы кислотной группы (SiO2, а иногда Al2O3, B2O3, P2O5 и др.) сообщают высокую термическую, химическую и механическую стойкость.
Производство стекла состоит из следующих процессов: подготовка сырьевых компонентов, получения шихты, варки стекла, охлаждения стекломассы, формования изделий, их отжига и обработки (термической, химической, механической).
Процесс стекловарения условно разделяют на несколько стадий: силикатоообразование, стекловарение, осветление, гомогенизацию и охлаждения («студку»).
Обыкновенное белое стекло получают сплавлением смеси соды Na2CO3 и мела CaCO3 с большим количеством кремнезема (белого песка) SiO2. Состав этого стекла может быть выражен формулой Na2O. CaO. 6SiO2.
Если вместо воды взять поташ K2CO3, то силикат натрия в стекле заменится на силикат калия K2SiO3. При этом получаются тугоплавкие стекла, состав которых может быть выражен формулой: K2O. CaO.6SiO2. Таким путем получают оконное стекло (так называемое бемское), бутылочное и вообще посудное стекло.
При замене окиси кальция окисью свинца PbO получают хрустальное стекло приблизительного состава K2O. PbO. 6SiO2. Свинцовые стекла сильно преломляют лучи света и отличаются блеском. Из них готовят хрустальную посуду, колбы для электроламп и пр.
Существует большое число сортов стекла, изготовляемых для разных целей: оптическое, термометрическое, увиолевое (проницаемое для ультрафиолетовых лучей; обычное стекло не пропускает эти лучи), различные жаростойкие стекла. Стекло является важным строительным материалом. Готовят ткани из стекла. Начинают широко применять стеклянные трубы (достоинство их: большая стойкость против корродирующих агентов). Жаростойкое стекло служит для изготовления кастрюль сковородок и т.д.
Обыкновенное бутылочное стекло окрашено в зеленый цвет солями двухвалентного железа. Цветные стекла получают введением в массу при плавлении различных добавок в мелкораздробленном состоянии. Так, закись кобальта CoO придает стеклу синюю окраску, закись меди Cu2O красную, окись хрома Cr2O3 ярко-зеленую окраску. Небольшие примеси в стекле в мелкораздробленном состоянии металлического серебра придают ему желтую окраску, а золота – красивую ярко-красную (рубиновое стекло) и т.д.
Состав некоторых промышленных стекол
Стекло Химический состав, %
SiO2 B2O3 Al2O3 MgO CaO BaO PbO Na2O K2O Fe2O3 SO3
Оконное ……. 71,8 - 2 4,1 6,7 - - 14,8 - 0,1 0,5
Тарное ……… 71,5 - 3,3 3,2 5,2 - - 16 - 0,6 0,2
Посудное …… 74 - 0,5 - 7,45 - - 16 2 0,05 -
Хрусталь …… 65,5 - 0,48 - 1 - 27 6 10 0,02 -
Химико-лабораторное… 68,2 2,7 3,9 - 8,5 - - 9,4 7,1 - -
Оптическое … 41,4 - - - - - 53,2 - 5,4 - -
Кварцоидное… 96 3,5 - - - - - 0,5 - - -
Электроколбочное………. 71,9 - - 3,5 5,5 2 - 16,1 1 - -
Электровакуумное……… 66,9 20,3 3,5 - - - - 3,9 5,4 - -
Медицинское… 73 4 4,5 1 7 - - 8,5 2 - -
Жаростойкое… 57,6 - 25 8 7,4 - - - 2 - -
Термостойкое… 80,5 12 2 - 0,5 - - 4 1 - -
Термометрическое………. 57,1 10,1 20,6 4,6 7,6 - - - - - -
Защитное……. 12 - - - - - 86 - 2 - -
Радиационно-стойкое……… 48,2 4 0,65 - 0,15 29,5 - 1 7,5 - -
Стеклянноеволокно…….. 71 - 3 3 8 - - 15 - - -
Силикаты калия и натрия растворяются в воде. В технике эти вещества называют
р а с т в о р и м ы м и с т е к л а м и. Их раствор называется жидким стеклом. Находит применение в мыловаренном производстве, в крашении, в производстве бумаги, а также для пропитки дерева и тканей с целью сообщения им несгораемости и стойкости против гниения.
Жидкое стекло – одно из важнейших неорганических клеящих веществ (адгезив). Это связано с тем, что силикат натрия находится в нем в виде макромолекул. Жидким стеклом пропитывают ткани и дерево для придания им огнестойкости; оно применяется для изготовления кислотоупорного цемента, силикатных красок и глазурей.
Почти все виды песка, образующие иногда пластины огромной мощности, состоят из кварца. Чистые прозрачные кристаллы кварца идут на изготовление линз и призм, пропускающих УФ-излучение. Для этих целей используется также кварцевое стекло. Пьезоэлектрические свойства кварца находят применение в приборах для генерации ультразвука. Из непрозрачного технического кварцевого стекла изготавливают крупногабаритную термо- и кислотную химическую аппаратуру, муфели для электрических печей. Особо чистое прозрачное кварцевое стекло применяется для изготовления труб, аппаратов и емкостей для полупроводниковой техники и радиоэлектроники.
Драгоценные камни.
Бесцветные и различно окрашенные кристаллы SiO2 – драгоценные камни.
Группа кварца – одна из самых распространенных в природе. Кварц (SiO2) встречается во множестве горных пород, где он образуется в самых разнообразных условиях. В природе кристаллы кварца встречаются самых разных размеров. Экземпляры в сотни килограммов не являются редкостью. Существует много разновидностей кварца, одинаковых с ним по кристаллической структуре, но отличаются по цвету. Из них наиболее распространены прозрачный и бесцветный горный хрусталь, лимонно-желтый цитрин, ослепительно белый и мутный молочный кварц, розовый кварц нежного пастельного тона, просвечивающий дымчато-коричневый кварц, черный от непрозрачного до слегка просвечивающего – морион и от фиолетового до нежно-сиреневого цвета аметист. В наше время на заводах выращивают кристаллы синтетического кварца, которые идут на нужды пьезо- и пиротехники, медицины и радио.
Просвечивающие кристаллы дымчатого кварца и морион используется в ювелирных изделиях, глиптике и мужественно - декоративных работах.
Аметист выделяется среди прочих разновидностей кварца особой красотой. Его цветовая гамма колеблется от нежно-сиреневой до темно-фиолетовой. Встречаются отдельные разновидности, сияющие пурпурным «огоньком». Особенно хорош аметист на солнечном свету. При искусственном освещении он проигрывает в яркости и красоте окраски. Аметистовые щетки используются в ювелирной промышленности для вставок в купоны, серьги, кольца, броши, и как декоративный материал для шкатулок, письменных приборов и сувениров.
Халцедон представляет собой скрытокристаллический кварц микроволокнистого строения. В зависимости от цвета, структуры и текстуры различается несколько разновидностей халцедона. Собственно Халцедон имеет цвета от серого до молочно-белого с характерным восковым или матовым блеском. Встречается халцедон в природе чаще всего в желваках или шарообразных натечных телах, особенно часто в эффузивных породах в виде миндалин. Свое название халцедон получил от древнего г. Халкедона в Малой Азии, откуда он расходился по странам Средиземноморья.
Ценные технические качества халцедона (однородность структуры, отсутствие спайности, высокая твердость, малая истираемость и т.п.) делают его незаменимым материалом для изготовлении опорных камней для точных приборов, гладильных досок для бумагоделательных машин и др.
Родонит относится к триклинным пироксенам. По составу это метасиликат марганца (MnSiO3). Твердость родонита 5.5-6.5, уд. вес 3.4-3.8, спайность совершенная. Живые узоры из черных ветвистых прожилок окислов и гидроокислов марганца оживляют этот камень, создавая на нем фантастические рисунки и даже пейзажи. Родонит прекрасно поддается обработке. Будучи очень плотным, он легко режется алмазной пилой, хорошо шлифуется и отлично принимает зеркальную полировку. Его способность просвечивать в тонких пластинках, окрашенных в яркий малиново-красный цвет, используется при создании витражей. Перечень из родонита очень богат: различные шкатулки, брелоки, пресс-папье, печатки, пепельницы, вазочки, тарелочки, чаши, разрезные ножи, броши, запонки и т.д. Уральские кустари издавна обрабатывали родонит и добились изумительной техники, имитируя ягоды малины, плоды и фрукты, украшавшие шкатулки в виде накладок.