Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

§ 29. Силікатні матеріали

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • наводити приклади силікатних матеріалів;
  • характеризувати їхнє значення;
  • обґрунтовувати застосування силікатних матеріалів їхніми властивостями;
  • оцінювати їхню роль у житті людини й розвитку технологій.

Силікатні матеріали люди почали використовувати з давніх-давен і використовують дотепер. З кременю (SiO2) наші пращури виготовляли знаряддя праці (800-600 тис. років до н. е.). Згодом почали використовувати яшми, гірський кришталь, агати, обсидіан (вулканічне силікатне скло) та нефрит (рис. 29.1).

Рис. 29.1. Усюдисущий силіцій(ІV) оксид.

1. Кременеві знаряддя праці (2016 р., с. Межиріч Острозького р-ну Рівненської обл., пізній етап трипільської культури, бл. 3600-3500 р. до н. е.). 2. Ритуальний обсидіановий ніж (культура Чатал-Хююка, Туреччина, 7000-6000 р. до н. е.). 3. Велика коливанська ваза з яшми - найбільша ваза у світі (XIX ст., Санкт-Петербург, Державний Ермітаж). 4. Ручна агатова ступка з товкачиком є в кожній сучасній хімічній лабораторії

Кремнезем та алюмосилікати1 - сировина, на основі якої виробляють силікатні матеріали, - дуже поширені в природі. У земній корі вміст кремнезему перевищує 12 %, а частка алюмосилікатів становить близько 75 %. Висока механічна міцність, вогне- та хімічна стійкість, властиві силікатним матеріалам, зумовлені їхньою полімерною будовою та великою часткою ковалентних зв’язків у них. Розгляньмо деякі із цих матеріалів докладніше.

1 Комплексні аніони алюмосилікатів містять Силіцій та Алюміній: [AlSiO4]-, [AlSi4O10]-, [Al2Si3O10]2-. Катіони: Na+, К+, Mg2+, Са2+, іноді Ва2+ та Li+.

Скло - один з найзатребуваніших матеріалів у сучасних архітектурі, дизайні, мистецтві тощо. Його значення неможливо переоцінити. Склад звичайного віконного скла спрощено відображає формула Na2O · СаО · 6SiO2. Щоб надати склу спеціальних властивостей, до його складу вводять інші компоненти. Наприклад, скло, у якому замість Натрію міститься Калій, вирізняється тугоплавкістю. Кришталеве скло містить значну кількість Плюмбуму (або Барію) та Калію. Воно добре відбиває й заломлює світло, блищить, тому його використовують в оптиці та для виготовлення посуду й декоративних виробів (рис. 29.2).

Рис. 29.2. 1. Кристали Swarovski - це оброблені та огранені кристали з надпрозорого кришталевого скла, які імітують діаманти. Їх широко застосовують як декоративні елементи. 2. Кришталеві вироби з експозиції музею скла Мозер у Кардових Варах (Чехія)

Боросилікатне скло має високу термічну та хімічну стійкість, з нього виготовляють лабораторний посуд. Рубінове скло містить розпорошені частинки золота. Жовтого кольору склу надає хром(VІ) оксид, блакитного - купрум(ІІ) оксид, зеленого - оксиди Феруму(ІІ) та Феруму(ІІІ), оливково-коричневого - оксиди Ванадію(ІІІ) та Ванадію(V), фіолетового й бузкового - нікель(ІІ) оксид та манган(ІІІ) оксид. Залежно від умісту кобальт(ІІ) оксиду скло набуває відтінків від блакитного до синьо-фіолетового.

Зі скла - давнього й одвічно молодого матеріалу - виробляють скловолокна та склотканину, піноскло тощо (рис. 29.3). Без них важко уявити поступ у створенні новітніх матеріалів та технологій, зокрема в будівництві.

Рис. 29.3. 1. Скляні оптичні волокна виготовляють з кварцового скла. 2. Склотканина - універсальний армувальний, фільтраційний, ізоляційний та будівельний матеріал. 3. Піноскло - легкий пористий формований матеріал, що утворюється внаслідок тверднення спіненої скломаси, - має високі ізоляційні властивості

Цікаво і пізнавально

Головною родзинкою станції Київського метрополітену «Поштова площа» (1976) є вітраж «Дніпро» з різнобарвного литого скла, який створила художниця Ірина Левитська (рис. 29.4)1.

1 Левитська Ірина Георгіївна (1927-2012) - малярка, графікиня, монументалістка, лауреатка Міжнародної премії ім. С. Гулака-Артемовського (1999), членкиня Національної спілки художників України (1963).

Рис. 29.4. Вітраж «Дніпро»

Кераміка - це й порцеляна (фарфор), і фаянс, і майоліка та чимало інших матеріалів і виробів з них. Порцеляна - вид кераміки, непроникний для води й газів. У тонкому шарі просвічується. Фаянс - керамічний матеріал, подібний до порцеляни. Він має пористий (проникний для рідин) черепок, укритий тонкою склоподібною плівкою - поливою. Майоліка - різновид кераміки, яку виготовляють з випаленої глини з використанням розписної поливи. Цегла, керамічні труби, облицювальна плитка - усе це керамічні вироби. Їх одержують спіканням до каменеподібного стану природних глин та їхніх сумішей з різноманітними мінеральними добавками (рис. 29.5).

Рис. 29.5. 1. Іванна Козак-Ділета в Косові продовжує традиції відомих майстрів і майстринь гуцульської кераміки. 2. Однією з візитівок Перечинщини (Закарпаття) стали оригінальні керамічні вироби Тетяни Майор та вихованців її гуртка. 3. Оксана Грудзинська2 на тлі створеного нею в центральній залі підземного вестибюлю станції Київського метрополітену «Хрещатик» (1960) декоративного майолікового панно

2 Грудзинська Оксана Аркадіївна (нар. 1923) - майстриня художньої кераміки, заслужена художниця УРСР (1990), членкиня Національної спілки художників України (1956).

Цемент належить до мінеральних зв’язувальних речовин - порошкоподібних матеріалів, унаслідок змішування яких з водою утворюється пластична маса. Її зручно вкладати, із часом вона твердне й перетворюється на камінь. Головні складники цементу - силікати та алюмінати Кальцію, які утворюються внаслідок високотемпературного оброблення частково або повністю розплавлених сировинних матеріалів. На основі цементу виготовляють бетон (рис. 29.6), залізобетон, пінобетон, різноманітні зв’язувальні суміші, без яких неможливо уявити сучасну будівельну індустрію.

Рис. 29.6. Будинок з химерами - офіційна резиденція Президента України для проведення протокольних заходів

Цікаво і пізнавально

Видатний архітектор В. В. Городецький збудував у Києві на Куренівці цементний завод «Фор», який із синьої глини з берегу Глибочиці щороку виробляв 640 тис. пудів цементу. За його проектом у 1902—1903 роках було зведено будинок з химерами, у будівництві якого вперше використано бетон як конструкційний та оздоблювальний матеріал. Італійський скульптор Еліо Саля прикрасив будівлю бетонними наядами, дельфінами, слонами, носорогами, жабами, ящірками та іншими істотами.

Залізобетон - штучний будівельний матеріал, у якому поєднані воєдино сталева арматура та бетон. Бетон надає конструкціям жорсткості та захищає арматуру від корозії. Пінобетон - комірчастий пористий легкий бетон. Його одержують з піномаси, яку виготовляють зі спіненого цементного тіста (рис. 29.7).

Рис. 29.7. 1. Залізобетон. 2. Пінобетон

Вогнетриви - матеріали, що мають вогнетривкість не менше 1580 °С. Їх використовують в агрегатах і пристроях для захисту від упливу теплової енергії та газуватих, рідких, твердих агресивних реагентів, зокрема - у чорній металургії, на виробництві сталерозливного приладдя, у машинобудуванні, хімічній та нафтохімічній, цементній промисловості тощо. Поміж вогнетривів також чимало силікатних матеріалів - кремнеземисті, алюмосилікатні, магнієсилікатні, карбідосиліцієві (рис. 29.8).

Рис. 29.8. Вогнетриви

Силікатні фарби для зовнішніх і внутрішніх робіт - це комбінація з розчину калій силікату як сполучного матеріалу й неорганічних кольорових пігментів, що забезпечує максимальну стійкість і довговічність. Їхніми перевагами є паро- та повітряпроникність, світлостійкість, негорючість, екологічність та економічність тощо (рис. 29.9).

Рис. 29.9. Пам’ятник Магдебурзькому праву в Києві 2013 року до (1) та після (2) реставрування із застосуванням силікатних матеріалів, зокрема силікатних фарб

Органосилікатні матеріали - група синтетичних матеріалів для створення термостійких захисних і декоративних покриттів (фарб). Це суспензії подрібнених силікатів й оксидів металічних елементів у розчинах, що містять органічні та елементоорганічні полімери. Їм властиві висока хімічна, світло-, вогне- та біологічна стійкість, гідрофобність тощо. Тому органосилікатні матеріали використовують як антикорозійне покриття для металевих і бетонних поверхонь. Вони здатні забезпечити електро- та теплоізоляційний захист конструкцій і виробів. Відносно високу ціну органосилікатних композицій компенсує тривалий безремонтний термін експлуатування та висока якість антикорозійного захисту.

Силікони (поліорганосилоксани) - оксигеновмісні високомолекулярні силіційорганічні сполуки з хімічною формулою [R2SiO]n, де R - органічна група (-СН3, -С2Н5, -С6Н5). Описати застосування силіконів ви зможете самостійно, проаналізувавши рисунок 29.10 (зробіть це).

Рис. 29.10. Тисяча й одна «професія» силіконів

Силікатні сорбенти широко застосовують у медицині, наукових дослідженнях, на виробництві, у побуті тощо (рис. 29.11).

Рис. 29.11. 1. Наповнювач для котячого лотка - також цеоліт. 2. Силіковмісні ентеросорбенти

Наприклад, цеоліти - гідратовані алюмосилікати лужних елементів - природні й штучні. Їм притаманні селективні, адсорбційні та йонообмінні властивості. Тому їх використовують для очищення питної води, осушення та очищення газів, проміжних і кінцевих продуктів органічного синтезу, у системах каталізу, для сорбції токсичних речовин у рідких і газуватих середовищах. Також їх застосовують як добавки у виробництві цементу, паперу, удобрювальних сумішей, для дезодорування тваринницьких приміщень тощо. Кристалічна структура цеолітів з регулярно розташованими порами мікроскопічних розмірів робить ці матеріали ідеальною основою для створення систем очищення повітря й води в космічних кораблях і на підводних човнах. Здатність цеолітів поглинати радіоактивні нукліди - йони Цезію, Стронцію та Йоду - використано для дезактивації води, забрудненої радіоактивними речовинами під час катастрофи на японській атомній станції Фукусіма-1.

Так зване біле вугілля - це ентеросорбент, активною речовиною якого є силіцій(ІV) оксид. Високий ступінь його подрібненості забезпечує велику активну поверхню сорбції. Непориста структура частинок забезпечує високу швидкість сорбції та слабку сорбцію низькомолекулярних сполук, зокрема мінеральних речовин і вітамінів.

Гідрогель метилсилікатної кислоти також ефективно адсорбує молекули токсичних речовин екзо- та ендогенного походження, продукти незавершеного метаболізму, радіонукліди та природним шляхом виводить їх з організму.

Про інші новітні силікатні матеріали ви зможете дізнатися самостійно з додаткових інформаційних джерел (зробіть це), адже науковий поступ у цьому напрямі триває.

https://www.youtube.com/watch?v=V8KxKSVulzE

https://www.youtube.com/watch?v=QbYuoMUn8Xc

ПРО ГОЛОВНЕ

• Силікатні матеріали - скло, кераміка та вогнетриви, мінеральні зв’язувальні речовини.

• Властивості силікатних матеріалів зумовлені їхнім хімічним складом і будовою.

• Застосування силікатних матеріалів зумовлене їхніми властивостями.

• Силікатні матеріали широко використовують у промисловості, будівництві, побуті.

Перевірте себе

  • 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

  • 2. Силікатні цементи залежно від їхнього складу можуть бути кислото- або лугостійкими. У цементі 1 - підвищений уміст кремнезему, у цементі 2 - кальцій оксиду та магній оксиду. Поясніть, який із цих цементів кислото-, а який - лугостійкий? Чому?
  • 3. Схарактеризуйте переваги й недоліки скла як конструкційного матеріалу.
  • 4. Які переваги та недоліки піно- та газобетону порівняно зі звичайним бетоном?
  • 5. В одній з українських майстерень виготовляють не просто скляний посуд, а посуд з винних пляшок. В асортименті є тарілки, склянки та набори посуду. Оцініть переваги такого підходу до ведення бізнесу.
  • *6. Проаналізуйте стан виробництва скла, кераміки, цементу, бетону та ринку будівельних матеріалів в Україні, використавши додаткові джерела інформації

Творча майстерня

  • 7. Підготуйте презентацію «Силікатні матеріали в моєму житті». 8. Розробіть один з бізнес-проектів: «Гончарна майстерня», «Ф’юзинг».