Кремний қышқылы. Силикаттар. Силикат өнеркәсібі.

Сабақтың тақырыбы: Кремний қышқылы. Силикаттар. Силикат өнеркәсібі.

Сабақтың мақсаты:   Тақырып бойынша теориялық  білімдерін қолдануда оқушылардың жоспар бойынша өздігінен білім алуларына бағыт бере отырып, олардың қосымша әдебиеттермен жұмыс жасауға, топтық жұмыста бір-біріне көмектесуге, бірін-бірі бағалай білуге  жағдай жасау.

а) білімділігі:   кремний қышқылының қасиеттерін білу, оның қосылыстарының халық шаруашылығындағы маңызын түсіну;
ә) тәрбиелігі:   өндірісте қолданылатын заттардың қасиеттерін біле отырып, қоршаған ортаны ластанудан қорғай білуге, Қазақстан экономикасының дамуына силикат өндірістерінің қосқан үлесін білуге бағыттау;
б) дамытушылығы:   қосымша әдебиеттерді қолдана отырып, өздігінен білім алу,білік, білім дағдыларын қалыптастыру, өз жұмыстарын бағалауды, қорытынды жасай алуды дамыту.

Сабақтың түрі:  семинар-конференция

Әдісі:  түсіндіру, ізденіс, сұрақ-жауап

Формасы:  ұжыммен, топпен, жекелеме

Жабдығы:   сынауықтар, натрий силикаты, тұз қышықылының ерітіндісі, шыныдан жасалған бұйымдар.

Пәнаралық байланыс:  география, экология, экономика, математика, информатика, қазақ тілі, биология.

Қолданылған әдебиеттер:

1. Б.Бірімжанов, Н.Нұрахметов «Жалпы химия» Алматы 1992ж.
2. Химия: оқушы анықтамасы, Алматы, «Арман-ПВ», 2005 ж.
3. Химия: «Энциклопедия для детей» Алматы  2007 ж.
4. // «Химик анықтамалығы» 2008 ж.  № 1; 3; 4;5-6 ; 2009 ж. № 4; 5; 6;

Сабақтың барысы:

І этап Ұйымдастыру

Біз өткен сабақта кремний, кремний диоксидінің қаситтерін оқып, түсіндік. Осыған байланыста сіздерге мынадай тапсырма.    

Тапсырма: Мына айналуларды жүзеге асыратын реакция теңдеулерін жазыңыздар:
кремний → кремний оксиді → натрий силикаты → кремний қышқылы → кремний оксиді

Si → SiO₂ → Na₂SiO₃ → H₂ SiO₃ → SiO₂

1. Si +  O₂ = SiO₂
2. SiO₂ +  2NaOH  =  Na₂SiO₃  +  H₂O
3. Na₂SiO₃ + 2HCl  =  H₂ SiO₃↓ + 2 NaCl
4. H₂ SiO₃ → SiO₂ + H₂O

(тақырыппен, мақсатымен, семинардың жоспарымен таныстыру.)

Жоспар:

1. Кремний қышқылы. Силикаттар. І   топ
2. Шыны өндірісі. ІІІ  топ
3. Цемент өндірісі.                               ІҮ топ
4. Қыш өндірісі. ІІ   топ
5. Өндірістік есептер.

ІІ этап  Әр топ берілген тақырыптарды талдайды, оны көпшілік алдында қорғайды. Сұрақтар қойылып, пікір алмасу жүргізіледі. Дәптермен жұмыс жасайды, керек қосымша мәліметтерді жазып алып отырады. Есептерді шығарады.

1. Кремний қышқылы. Силикаттар. І   топ

Кремний диоксиді – қышқылдық оксид. Оған суда аз еритін әлсіз кремний қышқылдары сәйкес келеді. Кремний қышқылының жалпы формуласы nSiO₂·mH₂O деп белгілейді. Бұл жерде n-нің мәні бірден көп болса, поликремний қышқылы деп аталады.

SiO₂· H₂O→H₂SiO₃  метакремний қышқылы

SiO₂·2H₂O→H₄SiO₄ ортакремний  қышқылы

3SiO₂·2H₂O→H₄Si₃O₈ трикремний қышқылы

Бос күйде ортакремний қышқылы мен метакремний қышқылы бөлініп  алынғаны белгілі. Метакремний қышқылының аса қанық ерітіндісі біртіндеп өзара бірігеді де, қоймалжың коллоидты күйге айналады. Кремний қышқылдарын 100˚С-қа дейін қыздырса, судың біраз мөлшерін жоғалтып, ақ түсті қатты затқа айналады. Сәл мөлдірлеу, арасында  көптеген жұқа кеуектері бар ондай затты силикагель деп атайды. Оны белсендірілген көмір сияқты газдарды және су буларын сіңіре алатын адсорбент ретінле қолданады.

Қышқылдың алынуы. Кремний (ΙV) оксидіне  SiO₂ су қосып кремний қышқылын тікелей алуға болмайды. Бірақ оның ерімтал тұздарына күшті қышқылмен әсер еткенде, қоймалжың тұнба түзіледі. Ол кремний  қышқылының тузілуі:

Na₂SiO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂SiO₃↓

SiO^2-₃ + 2H⁺ = H₂SiO₃

Кремний қышқылы көмір қышқылынан да әлссіз қышқыл, оңай айырылады

H₂SiO₃  →  SiO₂   +   Н₂О

Есеп
Құрамында 50% қоспасы бар 240 г техникалық натрий силикаты тұз қышқылымен әрекеттескенде түзілетін кремний қышқылының зат мөлшерін есептеңіздер.

Берілгені: m(Na₂SiO₃) тех. = 240г        120г

W(қоспа) = 50%            Na₂SiO₃ +  2HCl  =  H₂ SiO₃↓ + 2 NaCl

Табу керек: m(Н₂SiO₃) -?                 1 моль                       1 моль

Mr (Na₂SiO₃) = 122                           122г/моль                  78г/моль

Mr (H₂SiO₃) = 78                               122г                            78г

m(Na₂SiO₃)= 50% * 240/100= 120

ν(Na₂SiO₃)= 120г/122г/моль = 0,98моль

реакция теңдеуі бойынша  ν (Na₂SiO₃)= ν(Н₂SiO₃) ендеше

ν (Н₂SiO₃)= 0.98 моль

Жауабы: ν (Н₂SiO₃)= 0.98 моль

Кремний қышқылдарының тұздары

Силикаттар

                            жай                                      күрделі

                            Na₂SiO₃                           Табиғи силикаттар

K₂SiO₃                            kЭ₂O₃ · nSiO₂ · mH₂O                                                                  

                           СаSiO₃

Алюмосиликаттар:

• ортоклаз К₂ О Al₂O₃ · 6SiO₂ (дала шпаты)
• альбит Na₂О Al₂O₃ · 6SiO₂
• анортит СaО Al₂O₃ · 2SiO₂
• слюда 2Э₂О2Н₂О · 3Al₂O₃ · 6SiO₂ (Э=Na,K)
• Каолин Al₂O₃ 2SiO₂ ·2Н₂О
• Асбест СaО 3MgO · 4SiO₂
• Тальк 3MgO · 4SiO₂Н₂О

2. Шыны өндірісі. ІІІ  топ

Шыны өндірісі адамға ертеден белгілі. Шыны деп натрий мен калий силикатының артық мөлшеріндегі кремнеземмен аморфты мөлдір құймасын айтады.

Na₂CO₃+SiO₂=Na₂SiO₃+CO₂
CaCO₃+SiO₂+CaSiO₃+CO₂

Кәдімгі шынының формуласы Na₂O · CaO · 6SiO₂

Шыны – тұтқырлығы жоғары оттексіз қосылыстар мен оксидтер қоспаларының  балқымасын салқындату нәтежиесінде алынатын  аморфты қатты зат. Кристалдық заттарға тән торлар шыныда жоқ. Шынының белгілі бір балқу температурасы жоқ. Қыздырғанда 450˚С — тан бастап біртіндеп жұмсарады, 1000-1400˚С арасында сұйықтыққа айналады. Шыны бірден қатпайды, тек біртіндеп қоюланып қатады.

Шыны өндірісі үшін қолданылатын шикізаттар :

Негізгі шикізаттар                             Қосымша шикізаттар

• Құм (SiO2), Бояғыштар:
• сода (Na2CO3), алтын, күміс, марганец оксидтері – күлгін
• натрий сульфаты кобальт (ІІ) оксиді — көк түсті
• поташ (К2CO3), Хром (ІІІ) оксиді – жасыл
• бор (СаCO3), Никель (ІІ) оксиді – көк күлгін түс береді
• қорғасын жосасы (Pb3O4),
• мырышты ақ сырлар(ZnO),
• каолин (Al2O32SiO2·2H2O),
• доломит (СаCO3 ,MgCO3)

Құрамы: Na₂O·CaO·6SiO₂ Шынының бұл  түрінен тұрмыстық, асханалық
ыдыстарды дайындайды.

Құрамы:  K₂O · CaO · 6SiO₂ Натрий оксидін калий оксидіне алмастырсақ шыныға  мөлдірлік, беріктілік және сәулелендіру қабілеті жоғары болады.

Шынының бұл түрінен терезе әйнектері мен жоғарғы сортты химиялық шыны түрлерін алуға болады.

Құрамы: SiO₂·K₂O·PbO. Шынының бұл түрінің сәулелендіру қабілеттілігі
жоғары. Егер:24-30% аралығында болса қорғасынды хрусталь деп атайды.
18-24% арлығында болса төменгі хрусталь деп атайды.

Есеп

Кәдімгі шынының құрамында 13% натрий оксиді, 11,7% кальций оксиді және 75,3% кремний (ІҮ) оксиді болады. Осы берілгендерге сүйене отырып, шынының құрамын өрнектеңіздер.

Берілгені:  w(Na₂O) = 13%                               Шешуі:

W(CaO) = 11.7%               x:y:z = 13/62: 11,7/56 : 75,3/60 =

W(SiO₂) = 75,3%             0,2097 :  0,2089 : 1,255 = 1 : 1 : 6

Табу керек: x Na₂O∙ y CaO ∙z SiO₂       Na₂O∙  CaO ∙6 SiO₂

3. Цемент өндірісі. ІҮ топ

Силикат өнеркәсібінің маңызды бір өнімі құрылысқа өте көп пайдаланылатын – цемент.  Оны алу үшін сваз балшық пен әк тасты күйдіреді. Осы кезде кальций карбонаты  кальций оксиді мен көміртек диоксидіне ыдырайды. Ал негіздік оксид сазбен әрекеттесіп силикат пен кальций алюминатын түзеді.

Al₂O₃ · 2SiO₂ ·2Н₂О = Al₂O₃·2SiO₂+ 2Н₂О↑
СаСО₃ = СаО + СО₂↑
СаО + SiO₂ = СаSiО₃
СaO · Al₂O₃·SiO₂

Қазақстанда цемент өндіру зауыты Қазақстанның бүкіл 14 облысында бар.  Мысалы: Шымкент, Өскемен, Қарағанды, Семей т.б.

«Бұқтырма цемент компаниясы» АҚ 1997 жылы  Өскемен цемент  зауыты  негізінде құрылған. Ұйымдағы цемент сапасының мінсіздігі теңдессіз шикізаттың (батпақ және әк) қоры есебінен қамтамасыз етіледі. Тек осындай сападағы шикізаттан құрылыста жоғарғы маңыздылығымен кеңінен қолданылатын  500-маркалы және одан да жоғарғы сападағы цемент алынуы мүмкін. «БЦК» АҚ  кеңінен тараған қоспасыз портландцемент шығарады, сульфатқатұрақты цемент шығарылымы жетілдерілген, 2008 жылдың сәуір айынан ішкі ауыр бетондардың гидротехникалық құралдары үшін  цементтің жаңа түрі – шлакопортландцемент (ШПЦ 400) шығарады.                                        Оңтүстік Қазақстан облысы, Шымкент қаласында орналасқан Шымкентцемент АҚ 1958 жылы негізі қаланды. Шымкентцемент» АҚ 1.3 млн тонна цемент өндіруге қабілетті. Зауытпен өндірілген цемент Байқоңыр космос кешенінің, Алматы және Тәшкент әуежайының, Қашыр және Нүрек ГЭСі, Қарақұм каналының құрылысында, сондай-ақ Қазақстанның және көрші елдердің басқа да әйгілі нысандарында қолданылған.   Бүгінде біздің цементіміз бүкіл Қазақстанның көптеген ірі нысандарында бұрынғыдай талап етіледі. Шымкент цемент зауытының жоғары сапалы цементінің қолданылуымен «Асар» ықшамуданында тарихи отанына оралған оралмандар үшін үйлер салынып жатыр. Сонымен бірге «Шымкентцемент» АҚ  цементтің арнайы түрін   – Көксарай құрылысына арналған сульфатқа төзімді цемент шығарып жатыр.

Тәуелсіздік күніне орай  Жамбыл облысында, Мойынқұм ауданында, Мыңарал ауданында “Мыңарал Тас Компани” серіктестігі салған цемент зауыты іске қосылды.

2007 жылда Қазақстанда цементтін бағасы өте жоғары болды. Елге сондықтан Ресей, Қырғыстан, Өзбекстан, Қытай елдерінен 3млн. Тонна цемент әкелінді. Осы жылы 9млн. Тонна цемент өндірілді. Бірақ, цементтін бағасы (25-30 мың теңге), ал қазір (9-12мың теңге).Ал, қазақстандықтардың сол кездегі цемент өндіруі 4,5-5 млн. Тоннаға дейін жетті. Цементтін бағасы 2008-2009 жылы өз қалпына келді.

Есеп
Құрылыста қолданылатын цемент ерітіндісін даярлау үшін цемент ұны, құм, суды 1,5:6,0:2,5 қатынасында араластыру керек. Осындай ерітіндінің

2 тоннасын алу үшін әр заттың қандай массасы керек екенін есептеңіздер.

1. Қыш өндірісі.     ІІ   топ

Саз балшықтан және кейбір металл оксидтерінен тұратын заттарды қыш дейді. Қолданылуына қарай отқа төзімді, химиялық берік, техникалық, тұрмыстық және құрылыстық қыш бұйымдар жасалады. Мысалы, құрылыстық қышқа кірпіш, шифер, түрлі түтіктер, беттік қаптау плткалары жатады.  Техникалық қыштан түрлі оқшаулағыштар, конденсаторлар, атомобиль және аиацияға қажет от тұтатқыш шырақтар, отқа төзімді ыдыстар дайындайды. Қыш бұйымдар жасау процессі бірнеше сатыдан тұрады. Алдымен біраз су қосып сазды илеп, созылғыш масса даярлайды, оған тиісті пішін береді де, одан соң кептіріп күйдіреді.

Пікір талас сұрақтары:

1. Кремний қышқылының басқа қышқылдардан қандай айырмашылығы бар?
2. Кремний қышқылының тұздарының ортасы қандай?
3. Тау жыныстарының мүжілуі денегіміз не?
4. Өсімдік өзіне қажет калийді қалай алады?
5. Ертедегі грек аңыздарына сәйкес алғашқы шыны мынадай жағдайда алынған. Сода тиеп әкеле жатқан саудагерлер өзеннің құмды жағасына келіп тоқтаған. Олар ас пісіретін қазан астына қоятын тас табылмағандықтан, оның орнына соданың ксектерін қойған. Бұл жағдайда құрамы қандай шыны алған? Реакция теңдеуін жазыңыздар.
6. Қандай шыны суда ериді? Жауап (Суда «еритін шыны» кремний қышқылының натрий және калий тұздары. Бұл тұздардың түсі шыны тәрізді массаға ұқсайды. Сондықтан бұны ерімтал шыны деп, ал бұлардың судағы ерітіндісін сұйық шыны деп атайды. Сұйық шыны қағаз желіміне , замазка жасауға, құрылыс жұмыстарында, жеңіл тастарға (пемза) сіңіруге, металдарды отқа төзімді етуге , театр декорацияларында қолданылады.)
7. Керамика бұйымдарын жасау саздың қандай қасиеттеріне негізделген?
8. Баяғы уақытта жап-жаңа шыны ыдысты пайдалану алдында бірнеше сағат суға салып қайнатқан. Не үшін?

Өндірістік есеп

№1.   1 т шынының түрін өндіруге қажет шикізаттарды есептеңіздер?
1-топ “Кәдімгі шыны”

Берілгені: m (Na₂O· CaO ·6SiO₂) = 1 т =1000кг

Табу керек: m(Na₂CO₃) —  ?

m(CaCO₃) —   ?

m(SiO₂)-    ?   х₁              х₂                    х₃                  1000кг

Шешуі:                   Na₂CO₃ + CaCO₃ + 6SiO₂→ Na₂O· CaO ·6SiO₂ + 2СО₂

                                               106кг       100кг     6·60кг           478кг

Х₁= 106*1000/478 = 222 кг (Na₂CO₃)

Х₂= 100*1000/478 = 209 кг (CaCO₃)

Х₃= 360*1000/478 = 753 кг (SiO₂)
2-топ “Термиялық шыны”

Берілгені: m (К₂O· CaO ·6SiO₂) = 1 т =1000кг

Табу керек: m(К₂CO₃) —  ?

m(CaCO₃) —   ?

m(SiO₂)-    ?   х₁              х₂                    х₃                  1000кг

Шешуі:                   К₂CO₃ + CaCO₃ + 6SiO₂→ К₂O· CaO ·6SiO₂ + 2СО₂

                                               138кг       100кг     6·60кг           510кг

Х₁= 138*1000/510 = 271 кг (K₂CO₃)

Х₂= 100*1000/510 = 196 кг (CaCO₃)

Х₃= 360*1000/510 = 706 кг (SiO₂)

3-топ “Хрусталь шыны”

Берілгені: m (PbO· K₂O ·6SiO₂) = 1 т =1000кг

Табу керек: m(PbCO₃) —  ?

m(K₂CO₃) —   ?

m(SiO₂)-    ?   х₁              х₂                    х₃                  1000кг

Шешуі:                   K₂CO₃ + PbCO₃ + 6SiO₂→ PbO· K₂O ·6SiO₂ + 2СО₂

                                              138кг     267кг     6·60кг           677кг

Х₁= 138*1000/677 = 204 кг (K₂CO₃)

Х₂= 267*1000/677 = 394 кг (PbCO₃)

Х₃= 360*1000/677 = 532 кг (SiO₂)

4-топ “Боросиликатты шыны”

Берілгені: m (Na₂O· CaO ·5SiO₂·B₂O₃) = 1 т =1000кг

Табу керек: m(Na₂CO₃) —  ?

m(CaCO₃) —   ?

m(SiO₂)-    ?

m(B₂O₃)-    ?

х₁              х₂                    х₃          х₄                         1000кг                                                                                                  Шешуі:        Na₂CO₃ + CaCO₃ + 5SiO₂ + B₂O₃  →Na₂O· CaO ·5SiO₂ ·B₂O₃+ 2СО₂

                              106кг       100кг     5·60кг  66кг                 484кг

Х₁= 106*1000/484 = 219 кг (Na₂CO₃)

Х₂= 100*1000/484 = 207 кг (CaCO₃)

Х₃= 300*1000/484 = 620 кг (SiO₂)

Х₄ = 66*1000/484 = 136 кг (B₂O₃)

ІІІ этап Қорытынды

Табиғатта үнемі жүріп жатқан тау жыныстарының мүжілуінен топырақ пайда болады. Бұл аса маңызды құбылыс. Каолин фарфор және түрлі кірпіш жасайтын бағалы шикі зат болып табылады. Ал кварц құмы – цемент пен шыны өндіруге қажет басты шикізат.

Силикатты тау жыныстарының бірі – гранит құрылысқа қажет. Силикаттардан шыны ,қыш, цемент алынады. Слюда мен асбест электроқшаулағыш және термооқшаулағыш материал болып саналады. Кремний қосылыстары қағаз, резеңке, бояу заттары үшін толықтырғыш дайындауда  маңызы ерекше.

90% -ға жуық «күн сәулелі» батерейлер кремнийден жасалады. Қазіргі кезде күн энергиясын электр энергиясына айналдыратын анағұрлым тиімді материал кремний.

Еліміздің дамып, өркендеп, көркейген сайын құрылыстар да  артып отыр. Осыған байланысты кремнийдің қосылыстары мен силкаттарға сұраныс көп.

Бағалау.

Үйге тапсырма: §28  А,В,С жаттығулар. Оқулықтың 116 бетіндегі 2-сарамандық жұмсқа дайындалу.