Файл: Вишневский Л.Д. Под знаком углерода. Элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева пособие для учащихся.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.06.2024
Просмотров: 123
Скачиваний: 0
Характерная особенность кварцевого стекла — высо кая термическая устойчивость. Такое стекло можно силь но нагреть п сейчас же охладить в холодной воде. Это объясняется тем, что у кварцевого стекла коэффициент объемного расширения в 25 раз меньше, чем у обычного стекла. Кварцевое стекло прозрачно как для видимого света, так и для ультрафиолетового. Поэтому из кварце вого стекла изготавливают баллоны кварцевых ламп — источников ультрафиолетовых лучей. Специальные ме дицинские кварцевые лампы применяют для облучения ультрафиолетовыми лучами для профилактики гриппа, лечения рахита и других заболеваний. Используется кварцевая лампа и при проведении люминесцентного анализа.
Красиво окрашенные кристаллы кварца (аметист, цитрин, дымчатый кварц) являются полудрагоценными камнями.
Граниты — одна из самых распространенных пород в земной коре — прекрасный строительный и облицовоч ный материал. Незаменим гранит и для монументальной скульптуры. Отполированный до зеркального блеска, он создает неповторимую игру вкраплений, а необработан ная, шершавая поверхность создает особую выразитель ность, поглощая свет.
Полевые шпаты — сырье для керамической, фарфо ровой, стекольной, цементной и других отраслей промыш ленности. В строительстве их применяют в качестве поде лочных материалов. Кристаллические сланцы (слюды) обладают высокой термостойкостью и высокими электро изоляционными свойствами и находят применение в электротехнике, радиотехнике. Они также используются как звуко- и теплоизоляционные материалы. Асбест — минерал с волокнистой структурой — теплоизоляционный и огнеупорный материал. Широкое применение находят слоистые минералы — слюды, тальк, каолинит. Драго ценные камни — изумруд, топаз, аквамарш — хорошо об разованные кристаллы природных силикатов, окрашен ные различными оксидами.
Искусственные силикаты также играют важную роль в жизни человека. Знакомство человека со стеклом — первым искусственным силикатом — произошло за 3500 лет до н. э. Искусственные силикаты — тема необъятная. Этой теме посвящены многие монографии. В СССР боль шим тиражом выходят специальные периодические нзда-
иия — ежемесячные журналы «Стекло и керамика», «Це мент» и др. В этой книге может найти место лишь крат кий перечень основных искусственных силикатных мате риалов.
Оконное |
стекло |
имеет |
основной |
состав |
Na20-Ca0-6Si02. Но частичная замена натрия, |
кальция |
|||
или кремния на другие элементы позволяет получать раз нообразные сорта стекла: кварцевое, хрустальное, буты лочное, посудное, электроламповое, зеркальное, оптиче ское, иенское, гшреюс, лабораторное — вот далеко не полный их перечень.
Цветное стекло в зависимости от примесей может иметь различный цвет: синий (от оксида кобальта СоО), зеленый (от оксида хрома Сг20 3 или оксида меди СиО), фиолетовый (от оксида марганца Мп20 3), розовый (от селена). При фотографических работах требуется крас ное освещение, поэтому применяют стекла, содержащие ничтожное количество мелкодисперсного золота. При медленном охлаждении стекла мельчайшие частицы зо лота равномерно распределяются по всей массе распла ва. Вкрапленные частицы неразличимы даже в микроскоп, но окрашивают стекло в интенсивно красный цвет. Такое стекло носит название рубинового. Из рубинового стекла сделаны пятиконечные звезды Кремля. Площадь остекле ния каждой звезды составляет около 6 м2. Интересно от метить, что поверхность звезды состоит из трех слоев: стекла рубинового, хрустального и молочно-белого. Верх ний слой — рубиновое стекло разных оттенков. Это по зволяет оттенить лучистую форму звезд. Внутренний слой — молочно-белое стекло. В дневное время красное стекло, освещенное снаружи, а не на просвет, кажется почти черным. Прослойка молочного стекла отражает большую часть дневного света, омягчая темноту рубино вого стекла; Кроме того, молочно-белое стекло хорошо рассеивает свет ламп накаливания, размещенных внутри звезды. Промежуточный слой — хрустальное стекло — придает остеклению прочность. Ведь на высоте башен Московского Кремля очень сложные атмосферные усло вия: град, ураганный ветер и т. д.
Введение в стекло оксида алюминия А120 3 вместо ок сида кремния Si02 придает стеклу повышенную механи ческую прочность. Из такого стекла изготавливают спе циальные бутылки для насыщенных углекислым газом напитков (шипучих). Они могут выдерживать давление
ill
до 20—30 am. В 1926—1928 гг. при разработке промыш ленного способа получения синтетического каучука совет ский химик С. В. Лебедев исследовал реакцию полимери зации бутадиена СН2= С Н —СН = СНг под давлением. В эти годы в Советском Союзе ощущалась нехватка в хи мическом лабораторном оборудовании. В -качестве реак тора С. В. Лебедев использовал бутылки-из-под шампан ских вин.-
Введением добавок можно менять характеристики свойств стекла — механические, термические, оптические, магнитные, электрические, магнитооптические и электрооптическпе, химическую устойчивость. Существуют спе циальные стекла, задерживающие нейтроны, ультрафио летовые и рентгеновские лучи и т. д. Пожалуй, единст венным недостатком стекла является его хрупкость. Пыт ливый человеческий разум искал способы придания проч ности хрупкому материалу — стеклу и возможность при менения его для строительства. И вот советскими учены ми и инженерами десять лет назад создан новый строительный материал из стекла — стеклопрофилит. Стеклопрофилит представляет собой замкнутый сварной контур в виде короба (рис. 38). Борский стекольный за вод имени М. Горького впервые в практике мирового стеклоделия освоил массовое производство стеклопрофи лита на станах непрерывной прокатки. Борский стеколь ный завод был первенцем. В настоящее время заводы вы пускают миллионы квадратных метров стеклопрофилита. Высокое светопропуокание, тепло- и звукоизоляция, проч ность, жесткость и многие другие свойства выгодно отли чают этот материа'л из стекла. Стеклопрофилит стал широко применяться в строительстве, например при со
оружении Дворца спорта в Горьком. |
Великолепна |
ра |
||||
|
дужная |
окраска |
его |
|||
|
стен |
при |
солнечном |
|||
|
свете и отсвете электро |
|||||
|
ламп при ночном осве |
|||||
|
щении. Сплошные сте |
|||||
|
клянные стены делают |
|||||
|
Дворец |
спорта словно |
||||
|
невесомым. |
|
|
|||
|
|
Обычный |
фарфор |
|||
|
состоит из 25% квар |
|||||
Рис. 38. Профили? из стекла коробча |
ца, |
25% |
полевого шпа |
|||
того сечения. |
та |
и |
|
50% |
каолина. |
|
Фарфор, кроме изготовления посуды, неизменный мате риал в химическом машиностроении. Он выдерживает температуру до 200°С, устойчив против действия кислот (на 90%) н против действия щелочей (на 60%), обла дает высокой стойкостью к истиранию. Недостаток фар
фора— низкая ударная |
прочность. Здесь на |
помощь |
|
приходят |
нитевидные |
монокристаллы |
муллита |
3Al20 3-2Si02. При замене кварца нитевидными кристал лами муллита получают ударопрочный фарфор — новый конструкционный материал. Стойкость к ударным нагруз кам такого фарфора увеличивается почти в 5 раз. Кроме того, химическая стойкость в щелочах достигает 90%.
Для придания фарфору и керамическим изделиям во донепроницаемости их после обжига покрывают гла зурью, а затем вторично обжигают. Глазурь — это бес цветное прозрачное стекло, в состав которого входят полевой шпат,, мрамор, кварц, каолин и т. д. Аналогич ный состав имеют эмали, применяющиеся для покрытия металлов. Глазури и эмали могут быть окрашены в раз личные цвета оксидами металлов, белую окраску полу чают при введении наполнителей ТЮ2 и Sn02.
В 1824 г. англичанин Джозеф Аспдин заявил патентна изготовление цемента. Он назвал его портландцементом, по аналогии -с цветом камня в карьере близ города Портланд. Но в России задолго до патента англичанина зна ли чудесные свойства цемента. В 1710 г. по распоряжению Петра I в Петербург из Москвы доставляют цемент. Име ется архивный материал о строительстве литейного двора с применением цемента. В начале 60-х годов XVIII в. при строительстве Зимнего дворца архитектор В. В. Раст релли также применял цемент.
Цемент — важнейший строительный материал, образ но называемый хлебом строительства. Он представляет собой смесь силикатов кальция 3Ca0-Si02 и 2Ca0-Si02, алюмината кальция ЗСаО-А12Оз и феррита кальция 3Ca0-Fe20 3. При смешении цемента с водой тестообраз ная масса через некоторое время затвердевает.
В промышленности цемент получают прокаливанием смеси известняка или мела с глиной или доменными шла ками. Для получения высококачественного цемента необ ходимы определенные соотношения состава сырья и точ ная дозировка компонентов. При использовании сырья с повышенной влажностью применяют мокрый способ производства цемента. В сырье добавляют воду примёр-
6 |
З ак аз 2289 |
113 |
но до 40%, что позволяет производить перекачку состав ных частей смеси насосами по трубам и облегчает сме шение. Тонко размолотые материалы высушивают. Если сырье имеет незначительную влажность, применяют су хой способ. При этом способе сырьевую смесь высуши вают н измельчают.
Подготовленную по мокрому или сухому способу це ментную смесь подвергают обжигу при температуре 1400—1500°С в мощных вращающихся печах. Современ ная вращающаяся печь для обжига представляет собой вращающуюся наклонную трубу из толстой листовой стали, выложенную внутри огнеупорным материалом. Длина трубы достигает 185 м при диаметре 5 м. Гигант ская печь весит около 3000 т. В ней свободно мог бы раз меститься железнодорожный состав. В настоящее время разрабатывается еще более мощная печь — гигант диа метром 7 м и длиной 230 м. Ее суточная производитель ность 3000 г.
В процессе обжига оксидов кальция, кремния, алю миния и железа идет солеобразование. Получающиеся серо-зеленые гранулы размером с горошину (клинкер) охлаждают, тонко измельчают в шаровых мельницах н просеивают. Полученный порошок и является цементом.
Силикаты щелочных металлов натрия и калия раст воримы в воде. Концентрированные водные растворы этих солей называют жидким стеклом. Жидкое стекло применяют во многих областях народного хозяйства. В больших количествах жидкое стекло используют для укрепления грунтов, например при постройке силикати рованных шоссейных дорог. Когда возникла угроза раз рушения одного из самых красивых зданий Одессы — оперного театра, для укрепления фундамента насытили грунт жидким стеклом. Грунт был закреплен. Так уда лось спасти ценное архитектурное сооружение.
Пропитка жидким стеклом изделий из целлюлозы (бумаги, тканей, дерева и т. д.) придает им прочность, огнестойкость и водонепроницаемость. Жидкое стекло может служить в качестве клея, огнеупорных и кислото упорных обмазок, связующих составов и при изготовле нии огнезащитных красок.
Свойства природных слюд не всегда отвечают жест ким требованиям диэлектриков, необходимых радио- и телевизионной технике, радарным установкам, ракето строению и т. д. Часто волнистость поверхности, трещины,
114
расслоение, |
посторонние |
|
||
включения воздуха и мине |
|
|||
ралов делают слюду непри |
|
|||
годной для технических це |
|
|||
лен. Все это вызвало необхо |
|
|||
димость |
создания |
искусст |
|
|
венной слюды. Синтетиче |
|
|||
ские кристаллы слюды полу |
|
|||
чают из легкодоступных ма |
|
|||
териалов — оксидов |
крем |
|
||
ния, алюминия, магния и по |
|
|||
левых шпатов. В структуру |
Рис. 39. Кристаллы синтетиче |
|||
синтетической слюды обяза |
ской слюды (фото в натураль |
|||
тельно |
должен |
входить |
ную величину). |
|
фтор. |
Источником |
фтора |
|
|
служат фторид натрия и другие соли, содержащие фтор, а также побочные продукты промышленности фосфатных удобрений. Синтетическая слюда получается сплавле нием шихты и'з этих материалов и кристаллизацией слю ды из расплава. Разработанная технология позволяет получить кристаллы слюды с хорошими электрическими, механическими и оптическими свойствами (рис. 39).
Силикаты Zri2Si04, MgSi03 и CdSi03 используются для приготовления люминофоров. Люминофоры—источ ники «холодного света» — в настоящее время получили большое распространение. Наибольшее применение они находят при освещении лампами дневного света (люми несцентные лампы). В существующих тепловых источни ках света более 90% излучения приходится на долю ин фракрасного света. Это невидимое для человеческого глаза свечение. Спектральный состав ламп накаливания далек от спектрального ...состава дневного света. Всех этих недостатков в значительной степени лишены люми несцентные лампы.
Лампа дневного света состоит из стеклянной трубки ' с вольфрамовой спиралью. Внутренняя поверхность труб ки покрыта тонким слоем люминофора. Трубка заполне на смесью паров ртути с аргоном при пониженном дав лении. При включении лампы в сеть возбужденные моле кулы ртути испускают ультрафиолетовое излучение, за ставляя светиться видимым светом люминофорный слой.
В различных областях науки и техники применяют приборы, имеющие люминесцирующий экран — поверх ность, покрытую слоем люминофора. Рентгеновские ап
параты, телевизионные трубки, электронные микроскопы, экраны радиолокаторов и т. д. обязательно имеют люминесцирующий экран. При облучении рентгеновскими, радиоактивными, катодными, инфракрасными и другими лучами экран начинает светиться. Например, при просве чивании рентгеновскими лучами человека на люминес центном экране по изменению интенсивности свечения можно точно определить места переломов костей, обна ружить инородное тело, диагностировать некоторые за болевания, При просвечивании металлической детали легко обнаруживаются внутренние раковины и трещины: раковинами п трещинами рентгеновские лучи не погло щаются, и поэтому наблюдается более яркое свечение в местах их расположения. Применяют люминофоры и для определения химического состава вещества, в судеб ной медицине и криминалистике, в экспериментальной ядерной физике и т. д.
Пермутиты—алюмосиликаты натрия или калия соста ва Na20 -Al203-2Si02-2H20 — получают сплавлением кварца, каолина и соды при температуре около 1000°G. Их используют для снижения жесткости воды. По обмен ной реакции ионы натрия или калия в пермутите обме ниваются на ионы металлов, обусловливающих жесткость воды (кальций, магний).
На основе силиката натрия искуостве-нно приготавли вают молекулярные «сита». Название очень точно отра жает суть: молекулярное сито может «отсеивать» по ве личине молекулы! Это достигается однородностью отвер стий в кристаллах сита и способностью к избирательному поглощению более мелких молекул. Например, имея смесь газов из водорода, кислорода, азота и метана, мож но легко отделить метан на молекулярном сите с диамет-
О
ром отверстий около 3,5 А (3,5-10~8 см). Водород, кисло-
О
род и азот имеют размер молекул от 2,4 до 3 А и будут
О
поглощаться ситом. Метан, имеющий размер в 4 А, ситом' практически не поглощается. Молекулярные сита широко применяют для осушки газов и жидкостей, разделения смесей веществ и т. д.
Минерал ультрамарин, обладающий красивым синим цветом, используют в качестве минеральной краски и для подсинивания белья. Он хорошо нейтрализует желтый цвет и находит применение в бумажной, хлопчатобумаж ной и других отраслях промышленности для придания
116
белизны различным материалам. С начала XVIII в. ульт рамарин получают искусственно прокаливанием смеси каолина, соды, угля и серы. Его сложный состав можно
приближенно |
представить |
-в |
виде |
формулы |
Nas [S2 (AlSi04) б]. Окраску |
соединению придает сера |
|||
в свободном состоянии и соединения серы. При-замене серы и натрия на другие элементы получают пигменты красного, зеленого, фиолетового и другого цвета.
Для германия, олова и свинца характерны гидрокси ды двух типов — соединения двухвалентных и четырех валентных элементов. Гидроксиды двухвалентного состо яния отвечают формулам Ge(OH)2, Sn(OH)2 и РЬ(ОН)2. Гидроксиды четырехвалентного состояния отвечают фор мулам Ge(OH)4, Sn(OH)4 и РЬ(ОН)4.
Поскольку оксиды вышеперечисленных элементов в воде почти нерастворимы, соответствующие им гидрокси ды получают осаждением их из солей металлов действи ем сильных щелочей:
Pb(N 03)2 + 2N a0H = 2N aN 03 + РЬ(ОН)2 РЬС14 + 4NaOH = 4NaCI + Pb(OH)4
Раствор гидроксида германия Ge(OH)4 имеет слабокислую реакцию. У гидроксидов олова и свинца (IV) кислотные свойства выражены в значительно меньшей степени. Гидроксид свинца РЬ(ОН)2 обладает основными свойствами, которыеуменьшаются при переходе к
Sn(OH)2 и Ge(OH)2.
Все гидроксиды германия, олова и свинца имеют ам фотерный характер и способны растворяться и в щело чах, и в кислотах. При сплавлении оксидов со щелочами образуются соли германиевых, оловянных и свинцовых кислот — германаты, ст^ннаты и плюмбаты. В зависимо сти от избытка щелочи получаются мета- и-ортопроизвод ные. Например, сплавлением оксида германия со щело чью, можно получить метагерманат калия КгОеОз и ортогерманат калия K4Ge04:
G e02 + 2КОН = K2G e03 + Н20 Ge02 + 4КОН = K4Ge04 + 2H20
Соли гидроксидов германия Ge(OH)2, олова Sn(OH)2 и свинца РЬ(ОН)2 соответственно называются германитами, станнитами и плюмбитами.
Есть много общего в свойствах кислот кремния и гидроксидов германия, олова и свинца. Как и кремниевые кислоты, они часто выделяются в виде коллоидных раст
117