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

В школьном курсе химии достаточно хорошо освещена, собственно, химическая сторона изучаемой темы. Например, вот как она изложена в школьном учебнике для 9 классов.

Цель урока: познакомить учащихся со строением и способом получения кремниевой кислоты, изучить строение молекул солей кремниевой кислоты, их физические и химические свойства, изложить общие понятия о возможностях силикатной промы

шленности и производстве стекла, бетона и цемента.

Задачи обучения: сформировать понятие кремниевая кислота, расширить представление о способах получения, свойствах и способах применения различных типов силикатов в промышленности.

Задачи развития: продолжить развитие у учащихся основных приемов мышления (умения анализировать, сравнивать и т.д.), совершенствовать умение учащихся самостоятельно работать с дополнительной информацией.

Задачи воспитания: продолжить химическое образование школьников.

Ход урока

Организационный момент (1-2 мин.)

- посадка детей;

- проверка принадлежностей;

- отметка отсутствующих и т.д.

II. Опрос домашнего задания (10 мин.)

Что такое кремний?

Каково содержание его в земной коре?

Какие наиболее распространенные соединения кремния вы можете назвать?

Как в промышленности получают кремний?

Расскажите о физических и химических свойствах кремния.

Где применяют кремний?

Опишите химические свойства и области применения оксида кремния (IV)?

III. Изучение нового материала (20 мин.)

Строение молекулы.

Состав кремниевой кислоты условно изображают формулой H2SiO3. В действительности ее состав более сложный:

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 + 2 HCl → 2 NaCl + H2 SiO3↓

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

2 H+ + SiO32- → H2SiO3 ↓

Физические свойства: В отличие от многих других неорганических кислот кремниевая кислота в воде практически не растворима. С водой она образует особого вида системы, называемые коллоидными растворами.

Химические свойства: Поскольку кремниевая кислота в воде пратически нерастворима, то ионы водорода от ее молекул почти не отщепляются. В связи с этим такое общее свойство кислот, как действие на индикаторы, кремниевая кислота не обнаруживает: она еще слабее угольной кислоты. Кремниевая кислота непрочная и при нагревании постепенно разлагается:

H2SiO3 → Н2О + SiO2

Соли кремниевой кислоты.

Строение молекулы. Как и для кремниевой кислоты, принятые формулы ее солей (Na2SiO3, CaSiO3 и т.д.) условны. Существует много различных силикатов, которые образуются при полном или частичном замещении атомов водорода атомами металлов в молекулах кислот состава

n SiO2 ∙ m H2O

Получение солей кремниевой кислоты, т.е. силикатов, рассмотрено при изучении химических свойств оксида кремния (IV).

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

Химические свойства

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

Na2SiO3 + H2O + CO2 → Na2CO3 + H2SiO3 ↓

Растворимые силикаты могут участвовать в реакциях обмена с другими солями:

Na2SiO3 + CaCl2 → CaSiO3↓ + 2 NaCl

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 + К2CO3

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.

Применение. Из растворимых силикатов наибольшее применение имеет силикат натрия. Его водный раствор используют в качестве силикатного клея для пропитки древесины и тканей в целях придания им огнестойкости и водонепроницаемости. Более сложные силикаты, в состав которых входят несколько металлов, в том числе и алюминий (алюмосиликаты), широко используют в силикатной промышленности.

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.

С производством некоторых из них познакомимся подробнее.

Основным сырьем для производства керамических изделий (от греч. «керамон» - глина) является глина. Изготовление этих изделий основано на свойстве глины при смешении ее с небольшим количеством воды образовывать пластичную массу. Этой массе можно придать любую форму, которая сохраняется после высыхания и закрепляется посредством обжига при высокой температуре. Из белой глины изготовляют фаянсовые и фарфоровые изделия.

Производство стекла.

Сырьем для производства обычного стекла служит чистый кварцевый песок, сода и известняк. Эти вещества тщательно перемешивают и подвергают сильному нагреванию (1500 0С):

Na2СO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2↑

CaСO3 + SiO2 → Ca SiO3 + CO2↑

Образовавшиеся силикаты натрия и кальция сплавляются с песком, который берут в избытке. Стекло не является индивидуальным веществом, а представляет собой сплав нескольких веществ. Примерный состав обычного оконного (натриевого) стекла можно выразить формулой Na2О ∙ CaO ∙ 6SiO2

Если соду заменяют поташом К2СO3, то получают более тугоплавкое стекло (химическое, или калиевое). Примерный состав такого стекла можно выразить формулой К2О ∙ CaO ∙ 6SiO2

Если в качестве сырья берут поташ, оксид свинца (II) и песок, то получают хрустальное стекло. Это стекло сильно преломляет свет и поэтому применяется в оптике для изготовления линз и призм. Из него изготовляют также хрустальную посуду.

Из чистого песка получают кварцевое стекло. Расплавленный песок, остывая, образует стекловидную массу. В отличие от обычного стекла кварцевое стекло мало изменяется в объеме при изменении температуры. Посуду, изготовленную из него, можно накалить добела, бросить в холодную воду, и она не трескается. Из кварцевого стекла делают лабораторную посуду. Другое его специфическое свойство – это способность пропускать ультрафиолетовые лучи, поэтому из него изготовляют так называемые кварцевые лампы, используемые в медицине.