Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Процессы солеобразования, характерные для диоксида кремния, осуществляются путем замыкания тетраэдров [8Ю4]4~~ через ионы металлов, что сопровождается поляризацией связей. Расстояния в цепях при этом возрастают, что приводит к более легкой диссоциации соединений на ионы при высоких температурах.
Б1Б2 + 4Н20->Н4БЮ4 4- 2Н2Б
2БЮ2^БГ>+ + БЮ}-;
ЗБЮ2**Б14+ + 2БЮ2-
0,525нм
а
оо
5
Рис. 193. Образование цепей (а) из [Б1206]4
[БЮ4]4-
и лент {б) из тетраэдров
417
14-361
Si-O ; Ca-o ; Fe-Q ; Mn-0 ~ 0,17mm 0,24 HM 0,215 hm 0,227hm в
Рис. 194. Примеры образования силикатов:
и — ортосилнкат натрия Na4[Si04]; б — метасиликат натрия ¦ Na4 [SijiOe], (Na2SiOs); а — ослабление цепи из тетраэдров за счет внедрения ионов Ме2+
Упрощение структуры жидкой фазы сопровождается снижением вязкости. Структура некоторых силикатов представлена на рис. 194.
В состав цепей могут входить структурные элементы [АЮ4]5" или [В04]5~и также принимать участие в солеобразовании. В этом случае мы получаем или алюмосиликаты, или боросиликаты. Типичным и простейшим алюмосиликатом является минерал каолинит, формула которого, выраженная через оксиды, имеет вид А1203 • 2Si02 • 2Н20. В. И. Вернадский предложил для него структурную формулу
Н О I
О—Si—О
III
Н—О—А1 О А1—О—Н III
О—Si—о
Судя по этой структурной формуле оба оксида: А1203 и ЭЮ2 — не потеряли способности к солеобразованию. Можно представить структуру каолинита, исходя из комбинации элементов [А104]5~~ и [8Ю4]4~ по ранее рассмотренным схемам, как это показано на рис. 195. Обращает внимание полное совпадение строения и свойств каолинита со структурной формулой, предложенной В. И. Вернадским.
Огромное многообразие силикатов и алюмосиликатов в природ-
418
Рис. 195. Схема строения алюмосиликата из тетраэдров [8Ю4]4~ и [А104]Г)" — каолинит А1281209Н4 (А1203.28Ю2 -2Н20)
г — главная оптическая ось; х — электрические оси; у -— механические оси в перпендикулярной плоскости к оси г
Рис. 196. Кристалл правовращающего кварца:
ных соединениях объясняется своеобразием и сложностью их строения.
Кварц и кварцевое стекло. Кристаллы кварца бывают природные, а в настоящее время их готовят искусственно, причем качество кристаллов, полученных в промышленных условиях, выше, так как они более однородны. Кристаллы кварца вращают плоскость поляризации вправо или влево-в зависимости от расположения тетраэдров [БЮ*]4"", образующих зеркальную симметрию (правый и левый кварцы). Кристалл кварца — шестигранная призма, завершенная двумя пирамидами, с рядом дополнительных граней. Оптическая ось 1 является главной осью симметрии. Оси х и у, перпендикулярные оси 2 и показанные в сечении на рис. 196, формируют пьезоэлектрический эффект, так как кварц является сегнетоэлектриком. Специальным образом вырезанные из кристалла пластинки позволяют преобразовывать механические напряжения в электрические и наоборот. Поэтому кварц является весьма ценным материалом (пьезодатчики, генераторы ультразвуковых колебаний, стабилизаторы частоты и т. д.).
При быстром охлаждении расплавов кварца (Тш =1983 К.) получается кварцевое стекло 5Ю2, в котором ближний порядок распределения атомов существует, но дальний порядок, определяющий кристаллическую структуру, не сохраняется. Кварцевое стекло имеет ничтожно малый коэффициент теплового расширения
419
4 14*
(к.т.р.), поэтому легко переносит смену температур, является изолятором, пропускает почти полностью ультрафиолетовое излучение (кварцевая оптика), обладает высокой прочностью и представляет собой ценный материал для машиностроения и приборостроения.
Силикатные, боросиликатные стекла. Способностью к переходу в стекловидное состояние обладают силикаты и боросиликаты при избытке БЮ2 или В203. Обычное оконное и поделочное стекло имеет состав Ыа20 • СаО • (БЮзЬ, но, заменяя в нем как анионы [5Ю4]4~ на [В04]5~, так и катионы (К+, РЬ2+ и т. д.), можно получить специальные сорта стекол: оптические, защитные от радиации (РЬ, Сё), тугоплавкие (пирекс) и стекла других назначений. Из' стекла производят листы, трубы, стекловолокно, состоящее из тончайших капилляров, стеклоткань, изоляторы, посуду разных назначений и т. д.
Ситаллами называются стекла, содержащие некоторое количество кристаллической фазы. Само название произошло от соединения двух слов: силикаты и кристаллы. Ситаллы обладают высокой механической прочностью и хорошими изолирующими свойствами. Количество кристаллической фазы регулируется при изготовлении и сообщает ситаллам те или иные свойства.
И стекла, и ситаллы нельзя считать полностью инертными материалами — вода выщелачивает из стекла, особенно из тонко раздробленного, щелочные металлы, и создается рН > 7. Процесс этот обычно захватывает только поверхностные слои, и после соответствующей обработки (пропаривание, промывка кислотными смесями) стекло становится более стойким.
«Растворимое стекло» или «жидкое стекло» — силикат натрия. Его качество определяется модулем 5Ю2/Г^а20. Компоненты из порошков твердых веществ, замешанные на жидком стекле, затвердевают. Жидкое стекло широко применяется для изготовления сварочных электродов, форм для отливки металлов, .для всякого рода уплотнений.
