§ 58. Силикатная промышленность

В природе кремний встречается исключительно в виде кислородных соединений: кремнезема и силикатов. В составе силикатов часто встречается третий по распространенности элемент после кислорода и кремния - алюминий. Такие силикаты называются алюмосиликатами. Строение алюмосиликатов сложно, поэтому их состав обычно выражают через окислы, соединением которых минерал образован. Например, состав полевого шпата выражается формулой K₂O*Al₂O₃*6SiO₂. При выветривании алюмосиликатов под действием воздуха и воды они разрушаются и получаются продукты, в состав которых вместо щелочных металлов входит водород. Таков, например, каолинит Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O - главная составная часть глин. В природе встречаются белые, но еще чаще желтые глины, окраску которым придают примеси соединений железа.

Природные кремнезем, силикаты и глина служат сырьем для силикатной промышленности. Главными продуктами ее являются керамика, стекло и цемент.

Керамика (от греческого слова "керамон" - глина). Основным сырьем для производства керамики служит глина. Глины состоят из мельчайших и тончайших кристалликов (рис. 47).

Рис. 47. Кристаллы глины при увеличении в 15 000 раз

Благодаря пластинчатой форме, они тесно, без промежутков, примыкают друг к другу. Поэтому глинистые почвы, в отличие от песчаных, не пропускают воду. При смешивании глины с небольшим количеством воды получается пластичное, т. е. способное сохранять приданную ему форму, тесто. Приданная форма сохраняется после высыхания и закрепляется затем посредством обжига. Изделия из глины, обожженные до камневидного состояния, называются керамическими. Керамика представляет один из древнейших искусственных и сейчас наиболее распространенных материалов в строительстве, повседневном быту и искусстве. Из белой глины изготовляют фарфоровые и фаянсовые изделия, глиняную посуду. Сформованные из глиняного теста изделия доводятся обжигом лишь до начала спекания, а не до плавления. Поэтому керамические изделия получаются пористые и влагопроницаемые. Для уничтожения пористости их покрывают глазурью - различными легкоплавкими составами, образующими на поверхности керамического изделия тонкий стекловидный слой.

Стекло. Стекло производится обычно из белого песка, известняка и соды посредством сплавления смеси их. При этом известняк и сода разлагаются с выделением двуокиси углерода, а образующиеся окислы металлов - натрия и кальция, соединяясь с двуокисью кремния, превращаются в силикаты:

Двуокись кремния берется в избытке. Поэтому готовое стекло представляет сплав силикатов натрия и кальция с кремнеземом. Примерный состав обычного оконного стекла можно выразить формулой Na₂CaSi₆O₁₄, или как соединение окислов, Na₂O*CaO*6SiO₂.

Главное свойство всякого стекла-заключается в том, что оно переходит из жидкого в твердое состояние не скачком, а загустевает по мере остывания постепенно вплоть до полного затвердевания. На этом свойстве стекла основано стеклодувное дело, производство листового стекла и стеклянного волокна. Отбирая из ванны нужные порции остывающего, но еще полужидкого стекла, из него выдувают или прессуют всевозможные стеклянные изделия. Из стеклянной массы вытягивают с помощью машин листовое стекло (рис. 48) и стеклянные трубки.

Рис. 48. Машина для вытягивания листового стекла

Вводя в стекло вместо окислов натрия и кальция окислы других одно- и двухвалентных металлов, окисел бора, можно в широких пределах изменять свойства стекла. Так, при замене соды поташом (т. е. карбонатом калия) получают более тугоплавкое, чем обыкновенное, стекло для химической посуды. Если одновременно и окись кальция заменяется окисью сталь - стекло, сильно преломляющее свет и применяемое в оптике для изготовления линз, призм, а также для изготовления художественной посуды. Цветные стекла получают, вводя в исходную смесь соединения таких металлов, ион которых обладает заданной окраской.

Цемент. Важнейшим современным строительным материалом является цемент. Он производится путем прокаливания до начала спекания смеси из столь доступных природных материалов, как глина и известняк. Цемент получается в цилиндрических наклонных медленно вращающихся печах. Смесь загружается в верхний конец печи и, пересыпаясь, движется к нижнему концу навстречу потоку раскаленных газов - продуктов сгорания вдуваемого через форсунку топлива. При этом из известняка выделяется углекислый газ, из глины - вода, а остающиеся окислы кальция, алюминия и кремния образуют между собой соединения - силикаты и алюминаты кальция, составляющие цемент. Он перемалывается в порошок и упаковывается для изоляции от воды. При смешивании цемента с водой получается постепенно затвердевающее цементное тесто.

Для увеличения объема цемент смешивают непосредственно перед употреблением с песком или щебнем. Такая смесь называется бетоном, Прочность бетонных сооружений еще более возрастает, если в бетон вводится каркас из железных стержней. Железобетон широко применяется в капитальном строительстве для возведения заводских корпусов, плотин и других сооружений. В Программе Коммунистической партии Советского Союза записано: "Огромные масштабы капитального строительства требуют быстрого развития и технического совершенствования строительной индустрии и промышленности строительных материалов". Основу ее и составляют цемент, бетон и железобетон.

1. Что такое силикатная промышленность, каковы ее сырье и основные продукты?
2. На каких свойствах глины основано производство керамических изделий?
3. Какие свойства цемента лежат в основе его применения?
4. Изложите сущность производства: а) стекла, б) цемента.
5. Что такое: а) бетон, б) железобетон?
6. Напишите уравнения реакций, происходящих при варке стекла, когда в качестве исходных материалов берутся поташ К₂СО₃, окись свинца РbО и белый песок.
7. В производстве строительного кирпича в СССР на втором месте после глиняного стоит силикатный кирпич, который готовится из белого песка и гашеной извести и представляет собой зерна кварца, сцементированные силикатом кальция. Напишите уравнение реакции, происходящей при изготовлении силикатного кирпича. Сильно прокалите в пробирке сухую глину. На основании проделанных при этом наблюдений составьте уравнение реакции, происходящей при обжиге керамических изделий.