Что не относится к продукции силикатной промышленности?

Стальная арматура

Фаянсовая раковина

Какие вещества входят в шихту для варки оконного стекла?

Алебастр CaSO₄ · 0,5H₂O

Силикатная промышленность — 9 класс, химия: объяснение и примеры

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Кремний и его соединения

Коротко о главном

Силикатная промышленность выпускает стекло, цемент, кирпич и керамику (в том числе фарфор и фаянс). Сырьё у неё природное: известняк, песок, глина, сода. Главная реакция — разложение карбонатов с образованием силикатов.

\mathrm{Na_2CO_3 + CaCO_3 + 6SiO_2 \xrightarrow{t} Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2 + 2CO_2\uparrow}

Подробное объяснение

Оглянитесь вокруг: оконное стекло, кафель в ванной, кружка, кирпичная стена, бетонный пол. Всё это сделано почти из одного и того же — из соединений кремния и кислорода, то есть из силикатов и оксида кремния(IV). Отрасль, которая их производит, называют силикатной промышленностью.

Три цепочки «сырьё — процесс — продукт». Известняк и глина спекаются в клинкер, из него цемент. Сода, известняк и песок сплавляются в стекло. Глину формуют и обжигают — получается керамика. — Цемент спекают, стекло варят, керамику обжигают — сырьё у всех трёх в основном природное.

Цемент: спекание

Цемент — связующий материал: он скрепляет кирпичи и камни и превращается в «камень» сам. Его получают так:

Смесь известняка и глины спекают во вращающихся печах при температуре около 1500 °C. Карбонат кальция разлагается: $\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow}$
Основный оксид $\mathrm{CaO}$ реагирует с кислотным оксидом $\mathrm{SiO_2}$ и амфотерными $\mathrm{Al_2O_3}$ , $\mathrm{Fe_2O_3}$ из глины. Получаются силикаты и алюминаты кальция — спёкшиеся комки, клинкер. Например: $\mathrm{CaO + SiO_2 \xrightarrow{t} CaSiO_3}$
Клинкер размалывают и добавляют немного алебастра $\mathrm{CaSO_4 \cdot 0{,}5H_2O}$ .

Цемент с песком и водой — цементный раствор. Он твердеет не потому, что высыхает: вода химически связывается с силикатами, получаются твёрдые гидраты. Поэтому бетон набирает прочность даже под водой.

Стекло: варка

Стекло варят — сплавляют соду, известняк и песок. Карбонаты разлагаются, выделяется углекислый газ, оксиды натрия и кальция соединяются с оксидом кремния. Состав оконного стекла условно записывают как $\mathrm{Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2}$ — это не смесь трёх оксидов, а силикатный сплав, просто такая запись удобна для расчётов.

Стекло — аморфное вещество: у него нет кристаллической решётки и точной температуры плавления. При нагревании оно постепенно размягчается, и его можно выдувать, вытягивать, отливать. Добавки оксидов металлов окрашивают стекло: $\mathrm{CoO}$ — в синий, $\mathrm{Cr_2O_3}$ — в зелёный, $\mathrm{Fe_2O_3}$ — в коричневый. Если вместо оксида кальция ввести оксид свинца $\mathrm{PbO}$ , получится хрусталь — он сильнее преломляет свет и звенит (в учебнике указан $\mathrm{PbO_2}$ ; в стекловарении используют $\mathrm{PbO}$ ). Сверхчистое кварцевое стекло ( $\mathrm{SiO_2}$ ) идёт на оптическое волокно для передачи данных.

Керамика: обжиг

Керамика — изделия из обожжённой глины: кирпич, плитка, посуда. Глину смешивают с водой, формуют, сушат и обжигают.

Фарфор делают из белой глины с добавками. Он плотный, непористый, в тонком слое просвечивает. Его придумали в Китае; первый русский фарфор получил Д. И. Виноградов в XVIII веке.
Фаянс пористый и непрозрачный, стенки толще. Из него делают посуду, плитку, сантехнику.

Фарфор ценится выше: он прочнее, не впитывает воду, тоньше и красивее.

Как решать задачи

Запишите уравнение реакции; для стекла и кристаллогидратов — с формулой «через точку».
Посчитайте молярную массу всей формулы: $M(\mathrm{Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2}) = 62 + 56 + 6 \cdot 60 = 478$ г/моль. Не забудьте коэффициенты внутри формулы.
Найдите количество вещества известного вещества: $$n = m/M$$ . Для тонн удобно считать в кмоль (кг/кмоль).
По коэффициентам уравнения найдите количество искомого вещества, затем массу ( $$m = nM$$ ) или объём газа ( $V = n \cdot 22{,}4$ ; в кмоль — м³).

Разобранные примеры

База

Сколько извести даёт тонна известняка

Условие

Сколько килограммов оксида кальция получится при обжиге 1 т чистого карбоната кальция?

Дано

$m(\mathrm{CaCO_3}) = 1000$ кг

Найти

$m(\mathrm{CaO})$ . $\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow}$ $n(\mathrm{CaCO_3}) = \dfrac{1000}{100} = 10$ кмоль. По уравнению $n(\mathrm{CaO}) = 10$ кмоль
$m(\mathrm{CaO}) = 10 \cdot 56 = 560$ кг

Решение

Ответ: 560 кг

Средний

Песок для стекла

Условие

Какая масса песка (считать чистым $\mathrm{SiO_2}$ ) нужна, чтобы сварить 239 кг стекла $\mathrm{Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2}$ ?

Дано

$m(\text{стекла}) = 239$ кг

Найти

$m(\mathrm{SiO_2})$ . $\mathrm{Na_2CO_3 + CaCO_3 + 6SiO_2 \rightarrow Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2 + 2CO_2\uparrow}$ $M(\text{стекла}) = 478$ кг/кмоль
$n = \dfrac{239}{478} = 0{,}5$ кмоль. По уравнению $n(\mathrm{SiO_2}) = 6 \cdot 0{,}5 = 3$ кмоль
$m = 3 \cdot 60 = 180$ кг

Решение

Ответ: 180 кг

Сложный

Углекислый газ из известняка с примесями

Условие

Известняк массой 100 кг содержит 20 % некарбонатных примесей. Какой объём углекислого газа (н. у.) выделится при его полном обжиге?

Дано

$m(\text{известняка}) = 100$ кг
$w(\text{примесей}) = 20\%$

Найти

$V(\mathrm{CO_2})$

Решение

Чистого карбоната $100 \cdot (1 - 0{,}2) = 80$ кг, $n(\mathrm{CaCO_3}) = \dfrac{80}{100} = 0{,}8$ кмоль.

\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow}

n(\mathrm{CO_2}) = 0{,}8

кмоль,

V = 0{,}8 \cdot 22{,}4 = 17{,}92

м³.

Ответ: 17,92 м³

Типичные ошибки

Забывают коэффициенты внутри формулы стекла или кристаллогидрата

Почему неверно

Молярную массу $\mathrm{Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2}$ считают как $$62 + 56 + 60 = 178$$ , а у алебастра $\mathrm{CaSO_4 \cdot 0{,}5H_2O}$ прибавляют целую молекулу воды (154 вместо 145). Все дальнейшие расчёты становятся неверными.

Как правильно

Каждое слагаемое умножайте на его коэффициент: $6 \cdot 60 = 360$ , $0{,}5 \cdot 18 = 9$ . Тогда $M(\text{стекла}) = 478$ , $M(\text{алебастра}) = 145$ г/моль.

Считают, что цемент твердеет, потому что высыхает

Почему неверно

Если бы цементный раствор просто сох, он рассыпался бы, как сухой песок, и не твердел бы под водой.

Как правильно

Твердение — химическая реакция: силикаты кальция присоединяют воду и превращаются в твёрдые гидраты. Так же алебастр с водой снова становится гипсом. Поэтому бетон поливают, а не сушат.

Путают фарфор и фаянс

Почему неверно

Оба — белая обожжённая глина, на вид похожи, и их называют одним словом «фарфор».

Как правильно

Фарфор непористый и в тонком слое просвечивает, звонкий. Фаянс пористый, непрозрачный, стенки толще, звук глуше.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Какой оксид добавляют в стекольную шихту, чтобы получить синее стекло, а какой — чтобы получить зелёное?

Подсказка

Цвет стеклу дают оксиды металлов.

Решение

Синий цвет даёт оксид кобальта(II) $\mathrm{CoO}$ , зелёный — оксид хрома(III) $\mathrm{Cr_2O_3}$ . Для сравнения: $\mathrm{Fe_2O_3}$ окрашивает стекло в коричневый цвет.

Ответ

Синее — CoO, зелёное — Cr₂O₃

База Задача 2

Распределите изделия на фарфоровые и фаянсовые: тонкая чашка, просвечивающая на свет; толстая непрозрачная раковина; кафельная плитка с пористым черепком; тончайшая статуэтка.

Подсказка

Фарфор непористый и в тонком слое просвечивает, фаянс пористый и непрозрачный.

Решение

Фарфор — плотный, непористый, в тонком слое пропускает свет: чашка, просвечивающая на свет, и тончайшая статуэтка. Фаянс — пористый и непрозрачный: толстая раковина и плитка с пористым черепком.

Ответ

Фарфор — чашка и статуэтка; фаянс — раковина и плитка

Средний Задача 3

Сколько килограммов негашёной извести $\mathrm{CaO}$ получится при обжиге 500 кг известняка, содержащего 90 % карбоната кальция?

Подсказка

Сначала найдите массу чистого $\mathrm{CaCO_3}$ .

Решение

Дано

$m(\text{известняка}) = 500$ кг
$w(\mathrm{CaCO_3}) = 90\%$

Найти

$m(\mathrm{CaO})$ . $\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow}$ $m(\mathrm{CaCO_3}) = 500 \cdot 0{,}9 = 450$ кг
$M(\mathrm{CaCO_3}) = 100$ кг/кмоль
$n = \dfrac{450}{100} = 4{,}5$ кмоль. По уравнению $n(\mathrm{CaO}) = n(\mathrm{CaCO_3}) = 4{,}5$ кмоль
$m(\mathrm{CaO}) = 4{,}5 \cdot 56 = 252$ кг

Ответ

252 кг

Средний Задача 4

Вычислите массовую долю оксида кремния(IV) в оконном стекле состава $\mathrm{Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2}$ .

Подсказка

В одном моле стекла 6 моль $\mathrm{SiO_2}$ .

Решение

$M(\mathrm{Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2}) = 62 + 56 + 6 \cdot 60 = 478$ г/моль.

w(\mathrm{SiO_2}) = \dfrac{6 \cdot 60}{478} \cdot 100\% \approx 75{,}3\%

Ответ

≈ 75,3 %

Сложный Задача 5

При прокаливании 86 кг гипса $\mathrm{CaSO_4 \cdot 2H_2O}$ он полностью превратился в алебастр $\mathrm{CaSO_4 \cdot 0{,}5H_2O}$ . Найдите массу алебастра и массу удалённой воды.

Подсказка

Из каждого моля гипса уходит 1,5 моль воды.

Решение

Дано

$m(\mathrm{CaSO_4 \cdot 2H_2O}) = 86$ кг

Найти

$m(\text{алебастра})$
$m(\mathrm{H_2O})$ . $\mathrm{2CaSO_4 \cdot 2H_2O \xrightarrow{t} 2CaSO_4 \cdot 0{,}5H_2O + 3H_2O}$ $M(\mathrm{CaSO_4 \cdot 2H_2O}) = 136 + 36 = 172$ кг/кмоль
$n = \dfrac{86}{172} = 0{,}5$ кмоль. Алебастра столько же: $m = 0{,}5 \cdot 145 = 72{,}5$ кг ( $$M = 136 + 9 = 145$$ ). Воды $n = 1{,}5 \cdot 0{,}5 = 0{,}75$ кмоль
$m = 0{,}75 \cdot 18 = 13{,}5$ кг. Проверка: $$72{,}5 + 13{,}5 = 86$$ кг

Ответ

72,5 кг алебастра, 13,5 кг воды

Сложный Задача 6

Стекло содержит 13,0 % $\mathrm{Na_2O}$ , 11,7 % $\mathrm{CaO}$ и 75,3 % $\mathrm{SiO_2}$ по массе. Выведите его формулу в виде соединения оксидов.

Подсказка

Возьмите 100 г стекла и найдите количество вещества каждого оксида.

Решение

В 100 г стекла: $n(\mathrm{Na_2O}) = \dfrac{13{,}0}{62} \approx 0{,}210$ моль, $n(\mathrm{CaO}) = \dfrac{11{,}7}{56} \approx 0{,}209$ моль, $n(\mathrm{SiO_2}) = \dfrac{75{,}3}{60} \approx 1{,}255$ моль. Делим на наименьшее: $0{,}210 : 0{,}209 : 1{,}255 \approx 1 : 1 : 6$ . Формула — $\mathrm{Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2}$ , это обычное оконное стекло.

Ответ

Na₂O · CaO · 6SiO₂

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Положите на стол стакан, керамическую кружку и (если есть) кусок кирпича или бетона. Спросите, что у них общего: всё это сделано из песка, глины и известняка — силикатов. Дальше три слова-глагола: цемент спекают, стекло варят, керамику обжигают. Посмотрите кружку на свет: если стенка просвечивает — это фарфор, если нет и на сколе видны поры — фаянс или простая керамика.

Вопросы для проверки понимания: 1) Из чего варят оконное стекло и какой газ при этом выделяется? 2) Почему бетон твердеет и под водой? 3) Чем фарфор отличается от фаянса?

На что обратить внимание. В расчётах ребёнок чаще всего ошибается в молярной массе формул «через точку» ( $\mathrm{Na_2O \cdot CaO \cdot 6SiO_2}$ , $\mathrm{CaSO_4 \cdot 2H_2O}$ ) — попросите его проговорить, сколько раз входит каждая часть.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 25	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8