Размещено на http://allbest.ru

Введение

Соли кремниевых кислот имеют большое значение. Например, раствор силиката калия и натрия называется жидким стеклом, оно 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.

Целью курсовой работы является получение солей кремниевой кислоты и изучение их свойств.



ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Кремниевая кислота

Кремниевые кислоты - соединения оксида кремния (IV) с водой, очень слабые кислоты. Соотношение SiO₂ и Н₂О в кремниевых кислотах бывает самым различным, поэтому их состав обычно представляют в виде общей формулы «SiO₂nH₂O. Кислоты с разными n легко переходят друг в друга. В свободном состоянии выделены ортокремниевая H₄SiO₄, метакремниевая H₂SiO₃ и несколько других кислот [1].

Состав кремниевой кислоты условно изображают формулой H₂SiO_3. В действительности ее состав более сложный:

Рисунок 1- Формула кремниевой кислоты

Кремниевую кислоту получают косвенным путем, действуя кислотой на силикат калия или натрия:

Na₂SiO₃+2HCl=2NaCl+H₂SiO₃ (1)

Ее нельзя получить в чистом виде. В водных растворах она образует коллоидный раствор, или золь, который существует очень малый промежуток времени. Золь далее коагулирует, и образуется гель. При высушивании геля образуются продукты с пористой структурой - силикагели, применяемые в качестве осушителей и адсорбентов.

В момент получения это прозрачное студневидное вещество, практически нерастворимое в воде.

Поскольку данная кислота в воде практически 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:

Кремниевая кислота слабее угольной.

H₂SiO₃=H₂O+SiO₂ (2)

В водных растворах угольная кислота вытесняет кремниевую из их солей:

Na₂SiO₃+Н₂O+СО₂=Na₂CO₃+H₂SiO₃ (3)

Соли кремниевых кислот применяют в производстве бумаги, в текстильной промышленности, для обработки воды, как связующие материалы. Гели кремниевых кислот (силикагели) используют как адсорбенты и как отбеливающие материалы [2].

1.2 Силикаты

Соли кремниевой кислоты называются силикатами. Их состав обычно изображают формулой в виде соединений оксидов элементов. Например, силикат кальция CaSiO₃ можно выразить так: СаO·SiO₂.

Кристаллические структуры силикатов многообразны, но основу их составляют комбинации атомов самых распространенных элементов - Si (кремния) и O (кислорода).

Координационное число кремния 4. Таким образом, каждый атом кремния находится в окружении четырех атомов кислорода. Если соединить центры атомов кислорода, то образуется пространственная кристалическая структура - тетраэдр, в центре которого находится атом кремния, соединенный с четырьмя атомами кислорода в вершинах. Такая группировка называется кремнекислородным радикалом [SiO ] . Химическая связь Si - O - Si называется силоксановой, природа связи - ковалентная, энергия связи Si - O очень высока и равняется 445 кДж/моль.

Поскольку устойчивое координационное число кремния равно 4, силикатные структуры полимерны. Они представлены различными типами структур - островной, кольцевой, цепочечной или слоистой, каркасной [3].

При нагревании SiO₂ вытесняет более летучий кислотный оксид из солей:

SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂^ (4)

Обработка аморфного кремнезёма концентрированным раствором щёлочи:

SiO₂ + 2NaOH = Na₂SiO ₃ + H₂O (5)

Что касается физических свойств, следует отметить, что свойства силикатов бывают различны в зависимости от их состава и строения. Часто силикаты образуют прозрачные и очень красиво окрашенные кристаллы; некоторые из них - драгоценные камни, используемые в ювелирном деле (гранат, топаз, изумруд и др.). Плотность силикатов обычно колеблется от 2 до 4 г/см³. Твердость иногда очень невелика (например, у талька), но бывает довольно значительной (например, у циркона ZrSiO₄). При нагревании силикатов они либо плавятся, либо разлагаются в твердом состоянии. Природные силикаты довольно тугоплавки (1000-1300 °С, иногда до 2000 °С и выше).

Силикаты взаимодействуют со следующими веществами:

А) С кислотами, даже с очень слабыми, например с угольной:

Na₂SiO₃ + H₂CO₃ = Na₂CO₃ + H₂SiO₃v (6)

Б) С растворимыми солями:

K₂SiO₃ + MgCl₂ = MgSiO₃v + 2NaCl (7)

В водных растворах силикаты подвергаются гидролизу и обладают щелочной реакцией:

Na₂SiO₃ + H₂O - NaHSiO₃ + NaOH (8)

NaHSiO₃+ H₂O - 2NaOH + H₂SiO₃ (9)

Силикаты обычно нерастворимы в воде. Исключение составляют силикаты натрия и калия.

В технике эти вещества называют 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 [4].

Природные силикаты образовались в основном из расплавленной магмы. Предполагается, что при затвердевании магмы из нее сначала выкристаллизовывались силикаты, более бедные кремнеземом - ортосиликаты, затем после израсходования катионов выделялись силикаты с высоким содержанием кремнезема - полевые шпаты, слюды и, наконец, чистый кремнезем.

Земная кора состоит из оксида кремния (IV) и различных силикатов. Природные силикаты имеют сложный состав и строение.

Например: полевой шпат K₂О·Аl₂O₃·6SiO₂ слюда K₂О·3Аl₂О3·6SiO₂·2Н₂О асбест 3MgO·2SiO₂·2Н₂О каолинит Аl₂O₃·2SiO₂·2Н₂О

Силикаты, содержащие в своем составе оксид алюминия, называются алюмосиликатами. В природе наиболее распространены именно они, например полевые шпаты, а также смеси различных силикатов. Так, горные породы - граниты и гнейсы - состоят из кристаллов кварца, полевого шпата и слюды.

Горные породы и минералы на поверхности земли под действием температуры, а затем и углекислого газа выветриваются, т.е. медленно разрушаются.

Основным продуктом разрушения является минерал каолинит - главная составная часть белой глины. В результате выветривания горных пород образовались залежи глины, песка и солей.

Из искусственных силикатов наибольшее значение имеют стекло, цемент и керамика.

1.3 Промышленное использование силикатов

1.3.1 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.

При 1400-1500°С масса спекается с образованием сложных силикатов. Выходящий из печи спекшийся материал называют клинкером. 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·Al₂ O₃ , 2CaO·Fe₂ O₃. Кроме того, в цементе всегда в переменных количествах содержатся различные примеси.

Основной химический процесс при производстве цемента - спекание при 1200 - 1300 °С смеси глины с известняком, приводящий к образованию силикатов и алюминатов кальция:

Al₂ O ·2SiO₂ · 2H₂ O = Al₂ O₃ · 2SiO₂ + 2H₂ O (10)

CaCO₃ = CaO + CO₂ (11)

CaO + SiO₂ = CaSiO₃ (12)

3CaO + Al₂ O₃ = 3CaO *Al₂ O₃ (13)

При смешивании с водой происходит постепенная гидратация:

3CaO · Al₂ O₃ ·6 H₂O = 3CaO ·Al₂O₃ + 6 H₂O (14)

Если при замешивании цементной массы ввести в нее щебень, гравий и тому подобные материалы, то получится бетон. Если же бетоном прикрывают какую-либо основу (каркас) из железных прутьев, проволоки, стержней и т.д., то подобные конструкции называют железобетоном.

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 воздушные и гидравлические. К воздушным вяжущим материалам причисляют 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 на воздухе, так и в воде. Сюда относят цемент.

1.3.1 Стекольное производство

Состав обычного оконного стекла примерно выражают формулой Na₂O·СаО·6SiO₂. Стекло получают сплавлением в специальных печах смеси соды Na₂CO₃, известняка СаСО₃ и белого песка SiO₂.

SiO₂+Na₂CO₃=Na₂SiO₃+CO₂ (15)

SiO₂+CaCO₃=CaSiO₃+CO₂ (16)

Na₂SiO₃+CaSiO₃+4SiO₂=Na₂O·CaO·6SiO₂ (17)



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 Na₂ CO₃ 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 K₂ CO₃ , 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 оксида свинца кальция оксидом свинца PbO получают хрустальное стекло приблизительного состава K₂ O·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.

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

силикат стекло цемент оксид



ГЛАВА 2. Экспериментальная часть

2.1 Приборы и реактивы

Реактивы:

1. Диоксид кремния (кварцевый песок);

2. Гидроксид натрия (х.ч);

3. Соляная кислота 0,1 М (х.ч);

4. Раствор силиката натрия (х.ч);

5. Хлорид кобальта (х.ч);

6. Сульфат меди (х.ч);

7. Сульфат никеля (х.ч);

8. Фенолфталеин (х.ч);

9. Хлорид аммония (х.ч).

Приборы:

1. Фарфоровый тигель;

2. Микрошпатель;

3. Стеклянный стакан;

4. Пробирка;

5. Весы;

6. Спиртовка.

2.2 Методика получения

В работе получали силикат натрия.

Вычисляют объем раствора NaOH заданной концентрации и массу SiO₂, требуемые для получения 2 г Na₂SiO₃.

Рассчитанный объем щелочи наливают в фарфоровый тигель и с помощью микрошпателя добавляют небольшими порциями диоксид кремния. Затем содержимое тигля нагревают в течение 10-15 минут. Полученный раствор соли взвешивают и определяют ее выход. [6]

2.3 Проведение расчетов

Необходимо получить 2 г силиката натрия. Рассчитаем массы исходных реагентов:

SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂O (18)

n(Na₂SiO₃)= = 0,02 моль,

n(SiO₂) = 0,02 моль,

m(SiO₂) = 0,02· 60 г/моль = 1,2 г,

n(NaOH) = 0,01моль · 2 = 0,02 моль,

m(NaOH) = 0,02моль · 40г/моль = 0,8 г,

m(30% NaOH)= 0,8 · 0,3= 0,24 г,

V(NaOH) =

2.4 Проведение эксперимента

Размельчили силикатное стекло в ступке, до порошкообразного состояния, т.к для получения силиката натрия необходим диоксид кремния в виде кварцевого песка.

Затем 1,2 г полученного диоксида кремния внесли в фарфоровый тигель с помощью микрошпателя и добавили 0,5 мл гидроксида натрия. Далее содержимое тигля нагревали в течение 10 минут. Образуется растворимая соль - силикат натрия. После чего отфильтровывали избыток диоксида кремния. Затем упаривали до образования кристаллов соли. После чего переносили в чашку Петри.

Проведено 3 параллельных синтеза. Массы образующегося Na₂SiO₃ составляют:

m₁ = 1,5г,

m₂ = 1,3г,

m₃ = 1,1г.

2.5 Расчет выхода

щ =

щ =

2.6 Идентификация

Для того, чтобы доказать образование силиката натрия, добавляем к раствору несколько капель соляной кислоты. При этом образуется белый студенистый осадок, что говорит о наличии в растворе ионов SiO₃^-

Na₂SiO₃+2HCI=2NaCI+H₂SiO₃ (19)

Доказать наличие ионов натрия в растворе можно следующим образом: вносим в пламя медную проволоку и прокаливаем ее.

Наблюдалось красивое зеленое пламя, так как именно медь дает такую окраску. После того, как проволока покрылась черным налетом и перестала гореть зеленым цветом, опустили ее в раствор силиката натрия и снова держали над пламенем.

Наблюдали красивое желтое окрашивание до тех пор, пока раствор соли не испарится. Желтый цвет пламени доказывает наличие ионов натрия в растворе.

2.7 Получение малорастворимых солей кремниевой кислоты

Проведение эксперимента: В небольшой стеклянный стакан вносим насыщенный раствор силиката натрия. Опускаем в этот раствор по 2-3 кристалла хлорида кобальта, сульфата меди и сульфата никеля.

Наблюдается появление и рост окрашенных нитей образовавшихся силикатов кобальта - фиолетового цвета, меди - голубого цвета и никеля - зеленого.

2.8 Изучение свойств солей кремниевой кислоты

А) Гидролиз силиката натрия.

Проведение эксперимента: В пробирку вносим несколько капель насыщенного раствора силиката натрия и дистиллированной воды. Добавляем каплю раствора фенолфталеина. Раствор окрашивается в малиновый цвет, т.к раствор силиката натрия имеет сильнощелочную среду.

Б) Гидролиз силиката натрия в присутствии хлорида аммония.

Проведение эксперимента: В пробирку поместили несколько капель насыщенных растворов силиката натрия и хлорида аммония. Содержимое пробирки перемешиваем и осторожно нагреваем.



Наблюдается образование осадка-геля кремниевой кислоты.

Na₂SiO₃+NH₄CI+H₂O=SiO₂·H₂O+NH₃+NaCI (22)

В) Пропитка тканей силикатом натрия.

Проведение эксперимента: Взяли две полоски хлопчатобумажной ткани. Одну из них выдержали в насыщенном растворе силиката натрия 10 минут, после чего просушили над пламенем горелки.

Обе полоски ткани вносим в пламя горелки одновременно. Полоска, не смоченная силикатом натрия сгорает быстрее.

Таким образом пропитка тканей силикатом натрия обеспечивает их огнестойкость.



ВЫВОДЫ

1. Синтезирован силикат натрия по реакции гидроксида натрия с диоксидом кремния. Выход продукта составил 65%.

2. Соединение идентифицировано по качественным реакциям.

3. Получены малорастворимые соли кремниевой кислоты Co₂(SiO₃)_3, CuSiO₃, NiSiO₃ и изучены их свойства.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Википедия - свободная энциклопедия: сайт / Кремниевая кислота. - URL: http://ru.wikipedia.org/

2. Энциклопедический словарь юного химика / Сост. В.А. Крицман, В.В. Станцо. - М.: Педагогика, 1982. - 368 с.

3. Павлов, Н.Н. Общая и неорганическая химия: учеб. для вузов / Н.Н. Павлов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2002. 448 с.

4. Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия: учеб. для вузов / Н.С. Ахметов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1998. - 743 с.

5. Популярная библиотека химических элементов: сайт / Библиотека Мошкова. -Кремний.

6. Пахомова, Н.Е. Практикум по неорганической химии: учеб. Пособие для вузов - М.: Высш. шк., 1987. - 239 с.

Размещено на Allbest.ru

...