§ 60. Химия в строительст

Определения и обозначения

Силикатные материалы — неорганические строительные материалы на основе соединений кремния, включая силикаты и алюмосиликаты. Они широко встречаются в природе и составляют основу многих горных пород и минеральных сырьевых смесей. К этой группе относят стекло, керамику и некоторые вяжущие материалы. Их используют потому, что исходные вещества доступны, а готовые изделия могут быть прочными и устойчивыми.

Стекло — аморфный материал, который получают при охлаждении расплава. В аморфном веществе частицы не образуют упорядоченную кристаллическую решётку, хотя материал остаётся твёрдым. Поэтому стекло отличается от кристаллических веществ внутренним строением, а не просто внешним видом. Это позволяет получать прозрачные изделия разной формы.

Керамика — изделия из глины и других минеральных материалов, которые формуют и затем обжигают. При сушке удаляется часть влаги, а при обжиге сырьё претерпевает необратимые изменения и частицы связываются между собой. Так изделие становится прочным и менее восприимчивым к воде. Керамику применяют, например, для кирпича, плитки и посуды.

Цемент — минеральное вяжущее, которое после смешивания с водой твердеет в результате химических реакций. Вода вступает во взаимодействие с минералами цемента, и образуются твёрдые продукты, связывающие частицы. Поэтому затвердевание не сводится к высыханию смеси. Цемент используют для получения раствора и бетона.

Как это устроено

Кремний и алюминий широко распространены в земной коре, поэтому для производства строительных материалов можно использовать доступные минералы и горные породы. Соединения этих элементов при нагревании образуют прочные структуры, а многие из них устойчивы к воздействию воздуха и воды. Именно сочетание распространённости сырья и подходящих свойств делает силикаты полезными в строительстве. Состав смеси при этом подбирают под назначение материала.

Основное сырьё для обычного стекла — кварцевый песок, то есть кремнезём SiO₂, а также сода Na₂CO₃ и известняк CaCO₃. Смесь нагревают до образования расплава, потому что компоненты должны перемешаться и вступить в реакцию. При взаимодействии карбонатов с кремнезёмом образуются силикаты натрия и кальция, а CO₂ уходит в виде газа. После охлаждения расплав становится твёрдым стеклом.

Свойства стекла определяются не только основными компонентами, но и добавками, а также способом охлаждения. Добавление оксидов металлов может менять окраску, показатель преломления и другие свойства; специальные составы позволяют получать, например, цветное или термостойкое стекло. Если охлаждать расплав быстро, частицы не успевают выстроиться в кристаллический порядок, поэтому материал остаётся аморфным. Изменение состава и режима обработки позволяет подобрать стекло для окон, посуды или приборов.

Керамическое изделие сначала формуют из глины или смеси минеральных веществ, затем сушат и обжигают. Сушка удаляет свободную воду, а обжиг вызывает более глубокие изменения: удаляется связанная вода и меняются минералы сырья. При высокой температуре частицы сближаются и связываются, поэтому изделие приобретает прочность и водостойкость. После обжига простое добавление воды уже не возвращает исходную глину.

Для получения цемента сырьевую смесь, обычно содержащую известняк и глинистые компоненты, обжигают в печи до образования клинкера — твёрдых гранул с нужными минеральными соединениями. Клинкер измельчают, получая цементный порошок. При смешивании с водой минералы цемента гидратируются, то есть вступают в химические реакции с водой, образуя твёрдую связующую структуру. Поэтому цемент способен твердеть и во влажной среде, а не только после испарения воды.

Основные строительные материалы: состав, получение и применение

Сравнивая строки, сначала определите, из какого сырья сделан материал, затем проследите, что именно превращает его в готовое изделие. Особенно полезно различать цемент как вяжущее и бетон как смесь цементного камня с заполнителями. По последнему столбцу можно связать состав и способ получения с областью применения.

Разбор задач

Задача 1. Назовите основное сырьё для производства обычного стекла и укажите, какие вещества образуются при нагревании соды и известняка с кремнезёмом. Нужно соотнести названия сырья с формулами и продуктами реакций. Важно учитывать, что карбонаты при взаимодействии с кремнезёмом дают силикаты и углекислый газ.

1. Кварцевый песок — это преимущественно SiO₂; сода — Na₂CO₃, известняк — CaCO₃.
2. Сода реагирует с кремнезёмом с образованием силиката натрия Na₂SiO₃ и CO₂.
3. Известняк реагирует с кремнезёмом с образованием силиката кальция CaSiO₃ и CO₂.

Ответ: используют кварцевый песок, соду и известняк; образуются силикаты натрия и кальция, а также углекислый газ.

Задача 2. Запишите уравнения взаимодействия карбоната натрия и карбоната кальция с диоксидом кремния. Сначала определяем продукты: катион металла входит в силикат, а карбонатная часть уходит в составе CO₂. Затем проверяем, чтобы число атомов каждого элемента совпадало слева и справа.

1. Для натрия составляем уравнение Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂. Число атомов натрия, углерода, кремния и кислорода уже одинаково с обеих сторон.
2. Для кальция получаем CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂. Здесь также сохраняется по одному атому кальция, углерода и кремния, а кислорода — четыре атома с каждой стороны.
3. Коэффициенты перед всеми формулами равны единице, поэтому дополнительные числа ставить не нужно.

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

Задача 3. При обжиге 500 кг чистого CaCO₃ он полностью разложился. Найдите массу CO₂ и объясните связь производства материалов с выбросами газа. Уравнение реакции показывает, что один моль карбоната даёт один моль углекислого газа; по молярным массам можно найти отношение масс.

1. Записываем реакцию: CaCO₃ → CaO + CO₂.
2. Находим молярные массы: M(CaCO₃) = 100 г/моль, M(CO₂) = 44 г/моль. Значит, из 100 кг CaCO₃ теоретически получится 44 кг CO₂.
3. Для 500 кг используем пропорцию: 500 × 44 / 100 = 220 кг.

Ответ: выделится 220 кг CO₂. Газ возникает при разложении карбонатов в печи; при производстве он также может образовываться при сжигании топлива, необходимого для нагрева.

Типичные ошибки

Стекло иногда считают кристаллическим, потому что оно твёрдое и сохраняет форму. Но твёрдость сама по себе не означает наличия кристаллической решётки: у обычного стекла частицы расположены без дальнего регулярного порядка. Проверка: вспомните, что стекло образуется при охлаждении расплава без упорядоченной кристаллизации.

Цемент и бетон часто называют одним материалом, поскольку цемент входит в состав бетона. Однако цемент — вяжущий порошок, а бетон получают, добавляя к цементу воду и заполнители. Проверка простая: если в составе названы песок или щебень, речь обычно идёт о бетонной смеси, а не о чистом цементе.

Ошибочно объяснять твердение цемента только испарением воды: цемент может твердеть и во влажной среде. Причина в гидратации — химических реакциях минералов цемента с водой, при которых возникает твёрдая структура. Чтобы проверить объяснение, спросите себя, могли бы реакции идти при наличии воды; для цемента ответ положительный.

Обжиг керамики иногда принимают за обычное высушивание глины. Сушка удаляет влагу, тогда как при обжиге происходят необратимые изменения минерального сырья и образуются связи между частицами. Проверка: после обжига изделие не превращается обратно в пластичную глину при простом смачивании водой.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся свойства оксидов кремния и алюминия, а также карбонатов и умение составлять уравнения реакций. Производство стекла связывает химию силикатов с взаимодействием карбонатов и кремнезёма, а получение цемента — с термическим разложением солей и обжигом сырья. Расчёты по уравнениям позволяют оценивать количество продуктов и выбросы. Эти знания применимы в материаловедении, при оценке экологических последствий промышленности и выборе строительных материалов.

Что запомнить

• Кварцевый песок — важное сырьё для производства стекла.
• Обычное стекло — аморфный, а не кристаллический материал.
• Керамику получают формованием минерального сырья и последующим обжигом.
• Цемент твердеет при взаимодействии с водой, а не только при её испарении.
• Бетон состоит из цементного камня и заполнителей.
• Разложение карбонатов при производстве материалов сопровождается выделением CO₂.