Формирование экологических знаний при изучении темы "Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты"

Известно много различных кремниевых кислот с общей формулой

n SiO2 ∙ m H2O.

Получение. В отличие от многих других кислот кремниевую кислоту нельзя получить гидратацией оксида кремния (IV), ибо он с водой не реагирует. Кремниевую кислоту получают при действии кислот на растворы ее солей. При этом она выпадает в

виде студенистого осадка:

Na2SiO3 + 2HCl → 2NaCl + H2SiO3↓

2Na+ + SiO32- + 2H+ +2Cl- → 2Na+ + 2Cl + H2SiO3 ↓

2H+ + SiO32- → H2SiO3 ↓

Природные соединения кремния обычно представляют собой производные не метакремниевой, а группы так называемых поликремниевых кислот. 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 Al2 Si6 O16 = K2 O ∙ Al2 O3 ∙ 6SiO2

Слюда (мусковит)…………KH2 Al3 (SiO4 )3 или K2 O ∙ 3Al2 O3 ∙ 6SiO2 ∙2H2 O

Каолин (белая глина)……………………H4 Al2 Si2 O9 = Al2 O3 ∙ 2SiO3 ∙ 2H2 O

Асбест …………………………………H4 Mg3 Si2 O9 = 3MgO ∙ 2SiO2 ∙ 2H2 O

Наибольшее распространение в природе имеют силикаты, содержащие алюминий и называемые алюмосиликатами. Как показывают формулы приведенных выше минералов, к числу алюмосиликатов принадлежит слюда, ортоклаз и др.

Если студень кремниевой кислоты частично обезводить, то образуется твердая белая, очень пористая масса, обладающая большой адсорбционной способностью. Этот продукт под названием силикагеля 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.

Физические свойства. Многие силикаты тугоплавки и в воде практически не растворимы. Из силикатов, имеющих большое значение, растворимы лишь силикаты натрия и калия. Эти силикаты называются растворимыми стеклами. 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.

Химические свойства.

Силикаты реагируют почти со всеми кислотами, в том числе и угольной кислотой:

Na2SiO3 + H2O + CO2 → Na2CO3 + H2SiO3 ↓

Растворимые силикаты могут участвовать в реакциях обмена с другими солями:

Na2SiO3 + CaCl2 → CaSiO3↓ + 2NaCl

2 Na+ + SiO32- +Ca2+ + 2Cl- → CaSiO3↓ + 2Na+ + 2Cl-

Ca2+ + SiO32- → CaSiO3↓

В водных растворах силикаты подвергаются гидролизу и обладают щелочной реакцией:

Силикаты, входящие в состав минералов (их формулы выражают в виде оксидов), в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV):

К2О ∙ Аl2O3 ∙ 6 SiO2 + CO2 + 2 H2O →

Ортоклаз

→ Аl2O3 ∙ 2 SiO2 ∙ 2 H2O + 4SiO2 + К2 CO3

каолинит кремнезем

При разрушении таких силикатов образовались залежи глины и песка, а на основе их в результате биохимического разложения растительных и животных остатков образовалась почва.

Силикатная промышленность.

Силикатную промышленность составляют производства различных строительных материалов, стекла и керамики из природных силикатов.

Важнейшие строительные материалы, выпускаемые силикатной промышленностью, показаны на схеме 10, §39, с.97.

Производство изделий из стекла связано с образованием большого количества отходов и выбросов: твердые отходы (стеклобой, сырьевые материалы цехов подготовки шихты в виде пыли, порошковые отходы цехов обработки сортовой посуды), суспензии и шламы (шламы и осадки систем подготовки шихты, систем пылегазоулавливания и очистки сточных вод, суспензии систем шлифования и полирования стекол), сточные воды (сливы замасливателя в производстве стекловолокна, полировальные, промывные и травильные растворы при обработке и декорировании изделий), газообразные выбросы (отходящие газы стекловаренных печей, содержащие оксиды азота и серы, соединения свинца, фтора, фосфора и бора, оксид углерода, бензпирен, дымовые газы сушильных цехов подготовки шихты, газовая фаза и воздух со стадий закалки и охлаждения стекла).

В то же время ряд отходов образуют так называемые вторичные материальные ресурсы, например стеклобой, количество которого для некоторых производств достигает 50% от исходной стекломассы. К таким ресурсам относятся и дымовые газы стекловаренных печей, теплота которых может быть использована в качестве источников энергии.

Классифицируя отходы производства стекла, необходимо выделить их токсичность, т.е. степень воздействия на человека, животный мир и растительность. По этому признаку можно выделить безвредные, токсичные и особо токсичные отходы.

Технология стекла включает две основные стадии: подготовку сырьевых компонентов с получением шихты и стекловарение с выработкой стеклоизделий.

Основным компонентом шихты, используемой для широкого ассортимента стекол, является кварцевый песок, диоксид кремния, который составляет 50—75% массы готового стекла. В состав шихты входят также карбонат натрия, доломит, карбонат калия, сульфаты, нитрат кальция и нитрат натрия, борная кислота, оксиды свинца, цинка, мышьяка, фтористые соединения и др.

Пылеобразование сопутствует начальным операциям разгрузки и транспортирования компонентов шихты, поэтому состав пыли, образующейся на каждой из этих операций, будет различным. Однако даже при локальном попадании в атмосферу (от одной установки), вызванном неправильной организацией воздухообмена, пыль может распространиться по всему отделению.

Концентрация пыли в воздухе отделения подготовки сырья и приготовления шихты может, по зарубежным данным, достигать сотен и даже тысяч миллиграмм на кубический метр. Наибольшее пыление характерно для доломита, известняка (мела), полевого и плавикового шпатов, карбоната натрия и борной кислоты. Количество образующейся пыли достигает для шихт стекольных заводов 1,6% от массы приготовляемой шихты. Максимальные пылепотери приходятся на материалы известняковой группы и полевого шпата (до 85% от общего количества пыли) , а в воздухе отделения при получении шихты содержится до 60— 70% пылевых частиц размером менее 5 мкм.

В стекольном производстве пылевые частицы размером до 50 мкм удерживаются в воздухе длительное время. Пыль обладает фиброгенным действием (Si02) и общетоксичным (В203, As203 и др.).