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

На наш взгляд, экологическая тематика наиболее приемлема для интеграции знаний и развития экологических навыков школьника. Экологические проблемы многоаспектны, и для их решения требуется привлечение знаний не только химии, но и смежных наук.

Очевидно, что разработка уроков с экологическим содержанием, проведение каких-либо внеклассных мероприятий, научно-исследовательских работ невозможна

без привлечения дополнительных знаний экологического характера. В качестве примера, Вашему вниманию, предоставляется информация о кремниевой кислоте, силикатной промышленности, отходах и выбросах силикатного производства, роли кремния в организме человека и животных, чтобы в дальнейшем сформировать экологические знания школьников и суметь правильно разъяснить им роль силикатной промышленности в жизни современного общества.

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 поликремневых кислот. 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 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. [3,4]

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 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 .

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.).