Кремний қышқылы. Силикаттар. Силикат өнеркәсібі.

292

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

SiO2-3 + 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

                            Na2SiO                         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
  1. 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

 

  1. 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 + B2O→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.