Силикатная промышленность - Неметаллы

Цели урока. Дать понятие о силикатной промышленности, о производстве керамики, стекла, цемента. Показать применение этих материалов в народном хозяйстве.

Оборудование и реактивы. Образцы изделий из фарфора (в том числе и известных марок: китайского, майсенского, веджвудского, ломоносовского, дулевского, гжельского и т. д.), керамики, фаянса, стекла (в том числе и хрустального) и т. д. Иллюстрации витражей, строений из бетона и железобетона и др.

I. Общее понятие силикатной промышленности

«Эта отрасль промышленности занимается переработкой природных соединений кремния», — дает определение учитель.

К ней относится производство фарфора, керамики, фаянса, стекла, цемента и т. д. Очевидно, истоки силикатной промышленности лежат в глубокой древности. Уже первые орудия труда около 800—900 тыс. лет до н. э. древние люди изготовляли из кремня — плотного природного образования, состоящего из халцедона, кварца и опала (рис. 47). Позднее для этого стали использовать яшмы, горный хрусталь, агаты, обсидиан (вулканическое стекло), нефрит.

Рис. 47. Древние кремниевые орудия и предметы каменного века:

а — копья; б — скребки

Природные силикаты и сам кремнезем играют важную роль в качестве сырья и конечных продуктов в промышленных процессах. Алюмосиликаты — плагиоклазы, калиевый полевой шпат и кремнезем используются как сырье в керамической, стекольной и цементной промышленности. Для изготовления несгораемых и обладающих электроизоляционными свойствами текстильных изделий (ткани, шнуры, канаты) широко используются асбесты, относящиеся к гидросиликатам — амфиболам. Некоторые виды асбестов обладают высокой кислотостойкостью и применяются в химической промышленности. Биотиты, представители группы слюд, используются как электро- и теплоизоляционные материалы в строительстве и приборостроении. Пироксены применяются в металлургии и каменно-литейном производстве, для получения металлического лития. Пироксены являются составной частью доменных шлаков и шлаков цветной металлургии, которые, в свою очередь, также используются в народном хозяйстве. Такие горные породы, как граниты, базальты, габбро, диабазы, являются прекрасными строительными материалами и даже материалами скульпторов (рис. 48).

Рис. 48. Постамент памятника «Медный всадник» — уникальный природный монолит из гранита

II. Керамика

«Это общее название многочисленных материалов, полученных при спекании глин с различными минеральными добавками», — опять дает определение учитель и просит учащихся назвать известные им керамические материалы и соглашается, что и кирпич, и кафель, и древнегреческие амфоры, и изоляторы для ЛЭП, и черепица, и дренажные трубы, и многое, многое другое — все это керамика.

Состав химически чистой глины, или каолинита, выражается формулой Аl₂O₃ · 2SiO₂ · 2Н₂O.

Глины представляют собой главным образом смесь каолинита со многими другими веществами. Глина, которая идет для изготовления кирпичей, содержит много железа. Эти соединения и придают кирпичам их специфическую красную окраску.

Влажная глина мягка и пластична; ей легко можно придать любую форму. После высушивания глина становится твердой, но от воды снова размягчается. Если глину обжечь при высокой температуре, то получается масса, которая уже не способна размягчаться в воде. Этим и пользуются в производстве.

В древнем мире керамические изделия были распространены по всей территории Земли (рис. 49). Со второй половины XIX в. и до настоящего времени индустриальная керамическая промышленность неизмеримо расширила выпуск и ассортимент керамики.

Рис. 49. Керамические и фарфоровые изделия разных веков

Универсальную классификацию керамик создать трудно, но можно выделить следующие типы.

1. Благодаря экономичности производства, высоким физико-механическим и художественно-декоративным качествам керамические материалы широко используются как строительные и декоративные. Это кирпич; пустотелые блоки для стен, перегородок, перекрытий, облицовочные плитки; изразцы; терракотовые и майоликовые детали в архитектуре; канализационные и дренажные трубы.

2. Огнеупорная керамика используется в производстве металлов, цемента, стекла, для кладки высокотемпературных печей, футеровки их внутренней поверхности.

3. Химически стойкие керамики заменяют или защищают металлы в производствах, связанных с агрессивными средами, например в химической промышленности.

4. Тонкая керамика включает в себя изделия из фарфора и фаянса. К ним относятся бытовая и химическая посуда, художественные изделия, изоляторы разных типов.

Процессы производства многообразны и в общих чертах сводятся к: 1) обработке сырья; 2) приготовлению керамической массы; 3) формованию изделий и их сушке; 4) обжигу; 5) отделке. В современном производстве эти операции обеспечиваются специальным оборудованием, порой очень сложным, а сами процессы проводятся в оптимальных технологических режимах, разработанных на серьезной научной основе учеными различных профилей.

Глины, приближающиеся по своему составу к каолиниту, называются каолинами, или фарфоровыми глинами. Каолин обычно белоснежный, иногда с желтоватым оттенком. Из таких сортов глины изготовляют фаянсовые и фарфоровые изделия.

Черепок фаянса — порист и непрозрачен; черепок фарфора — плотен, звонок и просвечивает. Для приготовления фарфора применяются более чистые глины. Технология производства фаянсовых и фарфоровых изделий почти одинакова. Глину отмучивают от крупных частиц, затем смешивают с мелкозернистым кварцем, полевым шпатом и другими веществами; из полученной массы изготовляют изделия, которые затем подвергают обжигу.

Изделия из обожженной глины пористы и пропускают воду. Поэтому вода в глиняном кувшине всегда прохладнее, чем в стеклянном. Ее молекулы просачиваются наружу и испаряются с поверхности кувшина, охлаждая его.

Фарфор — это керамический материал, состоящий из каолина, обычной глины, кварца и полевого шпата. Этот материал характеризуют такие свойства, как белый цвет, отсутствие пористости, высокая прочность, химическая и термическая стойкость. Для посудного фарфора ценится просвечиваемость. Высокой белизной обладает фарфор, изготовленный только на основе каолина, без добавки обычной глины.

Родина фарфора — Китай, где он был известен уже в 220 г. до н. э. В Европу его везли по Великому Шелковому пути, и здесь он стал предметом роскоши. Впервые изготовил настоящий европейский фарфор майсенский алхимик И. Беттгер в 1720 г. И до сих пор эта марка фарфора считается наиболее качественной наряду с английским фарфором из Веджвуда.

В России изготовление фарфора было разработано Д. И. Виноградовым в 1746 г. и налажено его производство на императорском заводе под Санкт-Петербургом (ныне он носит имя М. В. Ломоносова).

Фаянс — керамический материал, отличающийся от фарфора гораздо большим содержанием глины (до 85%) и характеризующийся высокой пористостью и водопоглощением (до 20%). Температура обжига фаянса значительно ниже, чем температура обжига фарфора.

Название «фаянс» произошло от города Фаэнца в Северной Италии, где в XIV—XV вв. было широко развито керамическое ремесленничество.

III. Стекло

Стекло — это твердый силикатный материал, основным свойством которого являются прозрачность и химическая стойкость.

Стекло получают варкой шихты (сырьевой смеси, состоящей из песка, соды и известняка) в специальных стекловаренных печах.

Основные реакции, происходящие при плавке этой смеси, выражаются уравнениями:

и наконец:

Прежде чем изготовлять из расплавленной прозрачной массы изделия, ей дают немного остыть. Дело в том, что стекло имеет ценное свойство — оно не сразу переходит из жидкого состояния в твердое, а сначала делается вязким. В этом состоянии стекло можно выдувать, вытягивать или обрабатывать прессованием.

Иногда в стекло вводят вещества, способствующие его помутнению — «глушители», например криолит, плавиковый шпат CaF₂ и т. д. Их равномерно распределенные кристаллики делают стекло непрозрачным. Сильно заглушенное стекло (оно белого цвета) называют молочным и используют прежде всего для изготовления светильников.

Стекла широко используются для изготовления витражей. Слово «витраж» происходит от французского vitre — оконное стекло (отсюда и «витрина»). Витраж делают из кусков разноцветного стекла и стекол, расписанных красками.

IV. Цемент

Цемент — это вяжущие материалы, употребляемые в строительстве для скрепления между собой твердых предметов.

В зависимости от того, происходит ли отвердевание на воздухе или под водой, различают цементы воздушные (известновое тесто) и гидравлические. В технике цементами называют только гидравлические цементы.

Цемент был известен еще римлянам, которые получали его из извести, вулканического пепла и жженой извести. В настоящее время главнейшим видом цемента является портландский цемент (портландцемент), который получается сильным прокаливанием смеси известняка и глины.

Только в редких случаях в природе встречаются такие глинистые известняки, в которых глина и известняк находятся в том самом состоянии, которое требуется для изготовления портландцемента. Мощные залежи такого цементного камня находятся у нас на Черноморском побережье Кавказа — от Новороссийска до Сочи. В большинстве же случаев цемент готовят из искусственной смеси известняка и глины.

Если приготовить из портландцемента и воды тесто, то оно постепенно превращается в сухую массу, которая с течением времени все больше и больше твердеет. При затвердевании цемента происходит поглощение воды. Из портландцемента возводят постройки, особенно в сырых местах и во влажном климате, портовые и мостовые сооружения, преграды от притока воды к нефтяным скважинам и минеральным источникам.

Строительство любого масштаба не может существовать без цемента. Он используется для связывания строительных деталей при получении массивных строительных блоков, плит, труб и кирпича; является основой таких широко применяемых строительных материалов, как бетон, шлакобетон, железобетон.

Цементным клинкером называется продукт обжига смеси глины и известняка, а цементом — мелкоизмельченный клинкер с минеральными добавками, регулирующими его свойства. Его применяют в смеси с песком и водой. Вяжущие свойства цемента обусловлены способностью цементных минералов взаимодействовать с Н₂O и SiO₂ и при этом затвердевать, образуя прочную камневидную структуру. При схватывании цемента происходят сложные процессы: гидратация минералов с образованием гидросиликатов и гидроалюминатов, гидролиз, образование коллоидных растворов и их кристаллизация. Исследования процессов твердения цементного раствора и минералов цементного клинкера сыграли большую роль в становлении науки о силикатах и их технологии.