§ 38. Кремниевая кислота и её соли. Стекло. Цемент

Определения и обозначения

Кремниевая кислота — слабая малорастворимая кислота с условной формулой H₂SiO₃. Слово «условная» показывает, что её состав часто записывают упрощённо, а в действительности частицы могут соединяться в более сложные структуры. Это обозначение нужно, чтобы составлять уравнения получения кислоты и её солей.

Силикаты — соли кремниевых кислот. Большинство силикатов в воде не растворяется, но силикаты натрия и калия растворимы, поэтому их называют растворимыми силикатами. Такое различие помогает предсказывать, будет ли вещество находиться в растворе или выпадет в осадок.

Стекло — аморфный материал, получаемый сплавлением кварцевого песка с другими веществами. Аморфный означает, что частицы расположены беспорядочно и не образуют правильной кристаллической решётки. Обычное стекло является смесью силикатов, поэтому его состав нельзя выразить одной точной формулой.

Цемент — минеральное вяжущее вещество, которое при смешивании с водой твердеет и связывает строительные материалы. Вяжущим его называют потому, что оно скрепляет песок, щебень и другие частицы. Это свойство делает цемент основой бетона и строительных растворов.

Как это устроено

Кремниевую кислоту получают действием сильной кислоты на растворимый силикат: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl. Это реакция обмена, в которой ионы водорода соединяются с силикат-ионами. Образовавшаяся кремниевая кислота плохо растворяется в воде, поэтому обозначается стрелкой вниз и отделяется от раствора.

Слабые кислотные свойства кремниевой кислоты связаны с тем, что в воде она распадается на ионы лишь в небольшой степени. Поэтому её раствор проводит ток хуже, чем раствор сильной кислоты, и она не вытесняет многие кислоты из их солей. При этом подкисление раствора силиката всё же приводит к её образованию, потому что сильная кислота связывает растворимые частицы силиката.

Связь кислоты с силикатами видна из общего правила: кислота может образовывать соли при замещении атомов водорода на атомы металла. Например, натрий образует силикат натрия Na₂SiO₃, а калий — силикат калия K₂SiO₃. Растворимый силикат легко обнаружить реакцией с кислотой: появление мутного студенистого осадка указывает на образование кремниевой кислоты.

Обычное стекло получают сплавлением кварцевого песка SiO₂, соды Na₂CO₃ и известняка CaCO₃. При высокой температуре кислотный оксид SiO₂ взаимодействует с карбонатами, а углекислый газ удаляется: Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂↑; CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂↑. Расплав после охлаждения не успевает выстроить кристаллическую решётку и превращается в стеклообразный материал.

Цемент производят из смеси известняка и глины. Обжиг удаляет часть летучих веществ и вызывает образование новых соединений; получившийся твёрдый продукт называют клинкером, который затем измельчают. При добавлении воды минералы клинкера реагируют с ней, образуют малорастворимые гидратированные соединения и постепенно связывают смесь, поэтому цемент твердеет.

Кремниевая кислота, силикаты и строительные материалы

Таблица помогает сравнить вещества по четырём признакам: составу, получению, свойствам и применению. При подготовке к ответу сначала определите объект, затем восстановите цепочку «сырьё или реакция — свойство — использование». Формулы и уравнения особенно полезны для проверки состава и условий получения.

Разбор задач

1. Получение кремниевой кислоты

Условие: запишите уравнение получения кремниевой кислоты из силиката натрия действием соляной кислоты. Нужно определить продукты реакции обмена и учесть растворимость кремниевой кислоты. Поэтому её формулу записывают с обозначением осадка.

1. Записываем исходные вещества: Na₂SiO₃ и HCl.
2. Ионы водорода соединяются с силикатной частью соли, образуя H₂SiO₃, а натрий соединяется с хлором, образуя NaCl.
3. Уравниваем водород и хлор: перед HCl и NaCl ставим коэффициент 2.

Ответ: Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃↓ + 2NaCl.

2. Получение силикатов при варке стекла

Условие: составьте уравнения реакций оксида кремния(IV) с содой и известняком. Карбонаты при нагревании взаимодействуют с кислотным оксидом, а углекислый газ выделяется. Сначала определяем металл в каждом карбонате, затем составляем соответствующий силикат.

1. Для соды Na₂CO₃ продуктом будет силикат натрия Na₂SiO₃: Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂↑.
2. Для известняка CaCO₃ продуктом будет силикат кальция CaSiO₃: CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂↑.
3. Проверяем число атомов: в обоих уравнениях состав и количество атомов каждого элемента совпадают.

Ответ: Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂↑; CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂↑.

3. Расчёт массы силиката натрия

Условие: найти массу Na₂SiO₃, полученную из 60 г SiO₂ при избытке Na₂CO₃. Избыток карбоната означает, что количество продукта ограничивает только оксид кремния(IV). Используем уравнение SiO₂ + Na₂CO₃ → Na₂SiO₃ + CO₂.

1. Находим количество SiO₂: M(SiO₂) = 60 г/моль, n = 60 г : 60 г/моль = 1 моль.
2. По уравнению коэффициенты SiO₂ и Na₂SiO₃ равны 1, значит образуется 1 моль Na₂SiO₃.
3. Вычисляем молярную массу: M(Na₂SiO₃) = 2 · 23 + 28 + 3 · 16 = 122 г/моль.
4. Находим массу: m = nM = 1 моль · 122 г/моль = 122 г.

Ответ: можно получить 122 г силиката натрия.

Типичные ошибки

Ошибка: считать кремниевую кислоту хорошо растворимой. Так думают, потому что многие кислоты образуют прозрачные растворы, но H₂SiO₃ малорастворима и при подкислении даёт осадок. Проверка: в уравнении ставьте знак ↓ после формулы кислоты.

Ошибка: записывать обычное стекло как чистое вещество с одной формулой. Его состав меняется, поскольку стекло является аморфной смесью силикатов, а не одним соединением. Проверка: называйте исходное сырьё и несколько возможных силикатов.

Ошибка: считать растворимыми все силикаты. Так происходит из-за переноса правила о растворимых солях на весь класс соединений, хотя обычно растворяются только силикаты натрия и калия. Проверка: выясните, есть ли среди катионов Na⁺ или K⁺.

Ошибка: путать твердение цемента с высыханием. Вода не просто испаряется, а вступает в химические реакции с компонентами цемента и образует новые соединения. Проверка: объясняйте твердение через взаимодействие с водой, а не через потерю влаги.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия кислоты, соли, кислотного оксида, реакции обмена и условий протекания реакций. Свойства силикатов связаны с оксидом кремния(IV) и карбонатами, которые участвуют в производстве стекла. Эти знания помогают объяснить получение природных минералов, стекла, цемента и других строительных материалов.

Что запомнить

• Кремниевая кислота — слабая и малорастворимая.
• Растворимый силикат при подкислении образует осадок кремниевой кислоты.
• Большинство силикатов нерастворимо в воде.
• Обычное стекло — аморфная смесь силикатов, получаемая сплавлением сырья.
• В состав сырья для обычного стекла входят песок, сода и известняк.
• Цемент получают обжигом смеси известняка и глины.
• Цемент твердеет при взаимодействии с водой.