Строение и свойства силикатов
Силикаты представляют собой соли кремниевых кислот. В основе их кристаллической структуры лежат полимерные цепочки анионов $(SiO_3)^{2n-}$. Пространство между этими протяженными анионными цепями заполняют катионы соответствующих металлов, например, ионы натрия.
Особое внимание стоит уделить растворимости этих соединений. В воде способны растворяться исключительно силикаты щелочных металлов. Раствор силиката натрия в быту и технике часто называют растворимым стеклом.
В водных растворах силикатов протекает процесс гидролиза. При этом длинные полимерные цепочки распадаются на более короткие фрагменты. Тем не менее, наличие таких полимерных структур обуславливает высокую вязкость растворов. Классический пример такого вязкого раствора — всем известный силикатный клей, который представляет собой раствор силиката натрия.
Кремниевые кислоты и образование силикагеля
Если к раствору силиката натрия добавить кислоту, в осадок начинают выпадать слабые кремниевые кислоты. Важно отметить, что нерастворимые формы этих кислот не образуют типичный сыпучий или хлопьевидный осадок. Вместо этого они связывают воду и превращаются в гель (студень).
Среди всех кремниевых кислот выделяется ортокремниевая кислота ($H_4SiO_4$) — она единственная обладает растворимостью в воде. Однако ее существование крайне непродолжительно: она неустойчива и очень быстро подвергается полимеризации по следующему уравнению:
$$nH_4SiO_4 = (H_2SiO_3)_n + nH_2O$$
Если образовавшийся гель кремниевых кислот подвергнуть нагреванию и удалить из него воду, образуется силикагель — активная форма оксида кремния. Благодаря своей структуре силикагель является мощным адсорбентом. Он активно поглощает пары воды из окружающего воздуха, поэтому его повсеместно используют для осушки в контейнерах при хранении влагочувствительных приборов и изделий.
Производство стекла
Силикаты отличаются высокой термической устойчивостью. Это свойство лежит в основе стекловарения. Процесс получения стекла заключается в сплавлении песка (оксида кремния) с оксидами или карбонатами различных металлов.
При охлаждении расплавленные силикаты ведут себя особым образом: они не кристаллизуются, а переходят в аморфное состояние, образуя стекло. Изменяя набор силикатов в исходной смеси, можно получать разные виды стекол: от обычной посуды и оконных стекол до цветных мозаик, оптических линз и даже пуленепробиваемых стекол.
Химический состав обычного оконного стекла принято описывать двумя способами:
- В виде солей (силикатов): $Na_2SiO_3 \cdot CaSiO_3 \cdot 4SiO_2$
- В виде набора оксидов (эта форма записи намного удобнее для проведения химических расчетов): $Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2$
Чтобы запомнить состав оконного стекла в оксидах ($Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2$), используйте правило «1-1-6»: один натрий, один кальций и шесть песков.
Вопросы с занятий и экзамена
Почему раствор силиката натрия вязкий?
Вязкость раствора (силикатного клея) обусловлена наличием в нем полимерных цепочек анионов, которые даже при частичном гидролизе сохраняют достаточную длину для загущения жидкости.
Какова качественная реакция на силикаты?
Качественной реакцией является добавление хлорида аммония ($NH_4Cl$) к раствору силиката натрия ($Na_2SiO_3$). При этом усиливается гидролиз и выделяется газ с резким запахом аммиака ($NH_3$).
Как из кремниевой кислоты получают силикагель?
Сначала получают гель нерастворимых кремниевых кислот, а затем нагревают его. Вода испаряется, и остается активная форма оксида кремния — силикагель.
Что ещё разобрать по теме
- Механизм полимеризации ортокремниевой кислоты
- Процесс гидролиза силикатов щелочных металлов
- Различия в свойствах кристаллических и аморфных силикатов
- Взаимодействие силиката натрия с хлоридом аммония (ионное уравнение)
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Кремниевые кислоты и силикаты» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 90 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 12. Элементы группы IVA»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.