Для специальности: 240111 «Производство тугоплавких неметаллических и силикатных материалов и изделий»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ВОПРОСЫ САМОКОНТРОЛЯ

по дисциплине: ОП.04 «Химия кремния»

Для специальности: 240111 «Производство тугоплавких неметаллических и силикатных материалов и изделий»

Для группы Т 1-1уз

Введение

Обратите внимание на использование теории химии кремния в технологии производства строительных материалов.

Вопросы для самоконтроля

1.Что изучает химия кремния?

2. Каково значение химии кремния?

Тема 1. Кремний

При изучении материала данной темы следует обратить внимание на нахождение кремния в природе, его аллотропические видоизменения, лабораторный и промышленные способы получения, на физические и химические свойства кремния, а также на применение кремния в металлургии и полупроводниковой технике.

Вопросыдля самоконтроля

1.Как можно получить элементарный кремний?

2. Каковы свойства кремния?

3. Где применяется кремний?

Тема 2. Бинарные соединения кремния

Основная цель темы — познакомиться с понятием силицидов, способами их получения, условиями проведения химических процессов образования силицидов. В конспекте необходимо записать уравнения реакций получения силицидов железа, магния, молибде­на. Силициды получают следующими методами:

1. Прямым соединением металла (Me) с элементарным кремнием

Me + Si → MeSi

2. Восстановлением оксида металла (МеО) элементарным кремнием:

2МеО + 3Si → MeSi + SiO₂

или восстановлением смеси, состоящей из оксидов металла, диоксида кремния и восстановителя — углерода:

МеО + SiO₂ + ЗС → MeSi + ЗСО.

3 Замещением металлом галогенида в галогенопроизводных силана:

Me + SiCl₄ + 2Н₂→ MeSi + 4HC1.

Соединение кремния с углеродом также относится к бинарным соединениям. Материал о карбиде кремния следует проработать политературе.

Известно, что существуют два бинарных соединения кремния с углеродом, один из которых, встречающийся в природе минерал муассонит, не имеет практического применения, второй — карборунд SiC, получаемый искусственно, применяют разнообразно.

Изучая применение карбида кремния, сделайте акцент на то, что его широкое использование связано с высокой твердостью и огнеупорностью.

Наиболее изученными являются кремневодороды, называемые силанами, Общая формула силанов, образующих гомологический ряд, — Si_nH_2n+2. Вследствие меньшей электроотрицательности кремния по сравнению с углеродом атомы кремния не образуют очень длинных цепей. Ознакомьтесь с учебным материалом, рассказывающим о простейших представителях гомологического ряда силанов, — моно- и дисиланах. Законспектируйте только тот материал, который знакомит с галогенидами кремния: тетрахлорсиланом, тетрафторсиланом, кремнефтористоводородной кислотой.

При характеристике отдельных представителей галогеносиланов обратите особое внимание на свойства кремнефтористоводородной кислоты, ее солей. Из учебного материала, описывающего использование кремнефторидов, тщательно разберите и усвойте процесс флюатирования, связанный с пропиткой искусственных и естественных камней строительного назначения для их уплотнения.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие соединения называются бинарными?

2. Каковы способы получения бинарных соединений?

3. Как можно получить силициды? Каковы их свойства и применение?

4. Как получают карбид кремния? Каковые его свойства? Где он используется?

5. Как можно получить галогениды кремния?

5. Сущность процесса флюатирования.

Тема3. Кремнеорганические соединения

При изучении данной темы необходимо составить общее представление о кремнеорганических соединениях, которые можно рассматривать как продукты замещения водорода в силанах на органические радикалы или на другие группы атомов, содержащие в своем составе углерод.

Ознакомьтесь со способами связи атомов кремния и углерода. Выясните для себя применение кремнеорганических материалов. Высокомолекулярные кремнеорганические соединения — это продукт

| | |

замещения атомов водорода и целых звеньев: — Si — Si — Si

| | |

— или

| |

— Si — О — Si —- на органические радикалы.

| |

Изучите способы

получения полимерных кремнеорганических соединений в лаборатории и промышленности, их свойства. Обратите внимание на использование кремнеорганических материалов.

Вопросы для самоконтроля

1.Как получают кремнеорганические соединения?

2. Какова структурная формула их молекул?

3. Каковы свойства и применение кремнеорганических соединений?

Вопросы для самоконтроля

1.Каково строение молекул кремневых кислот?

2. Какие условия способствуют образованию золя и геля кремневой кислоты?

3. Как используются силикагель и природные гидраты кремнезема?

Тема 8. Силикаты щелочных металлов

При изучении темы следует понять, что силикаты — это химические соединения, в которых кремний присутствует в составе комплексного иона [SiO₄]^{4 -} или производных последнего, а также обратить внимание на свойства силикатов натрия и калия, получение и применение растворимого стекла.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие химические соединения называют силикатами?

2. Каковы свойства силикатов натрия и калия?

3. Как получают растворимое стекло, где оно используется?

Тема 9. Силикаты щелочно-земельных металлов

При изучении данной темы необходимо познакомиться с использованием в промышленности силикатов магния, кальция, бария, стронция и бериллия, особенно силикатов магния в производстве керамики и магнезиальных огнеупорных изделий, а также со строением молекул гидросиликатов магния: талька, серпентина, со свойствами и использованием асбеста как разновидности серпентина.

Вопросы для самоконтроля

1.Каково значение силикатов магния в производстве строительных материалов?

2. В каком виде силикаты магния находятся в природе?

3. Каково строение молекул талька и серпентина?

4. Каковы свойства и использование асбеста?

Тема 10. Силикаты кальция

Основная цель темы — познакомиться с ролью силикатов кальция как главной частью цементов и металлургических шлаков, со значением ортосиликата 2СаО•SiO₂ и его природных разновидностей: минералов бредигита и ларнита, а также волостанита, псевдоволостанита, трехкальциевого силиката и трехкальциевого бисиликата. Далее необходимо уяснить, что двухкальциевый силикат существует в четырех кристаллических модификациях: ά, ά', β, γ. Для каждой модификации существует свой температурный режим. Для технологии вяжущих веществ важными являются β и γ -модификации двухкальциевого силиката.

Вопросы для самоконтроля

1. Какова роль силикатов кальция в производстве строительных
материалов?

2. Каковы природные разновидности силикатов кальция?

3. Как образуется силикат кальций при обжиге цементного клинкера?

4. Какое значение имеют β и γ -модификации двухкальциевого силиката?

Вопросы для самоконтроля

1.Каково распространение в природе и практическое использование минералов — силикатов алюминия?

2. Какое значение имеют глины и глинообразующие материалы?

3. Какими свойствами обладают глины и глиняные растворы?

Тема 13. Полевошпатовые минералы

Впроцессе изучения темы необходимо уяснить, что соединения, в которых анионом служит алюмокремнекислородный ион, называются алюмосиликатами, что представителями алюмосиликатов являются полевошпатовые минералы, алюмосиликаты натрия, нефелин, альбит, алюмосиликаты калия и кальция, которые используются в промышленности.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие соединения называются алюмосиликатами?

2. Какие полевошпатовые минералы известны?

3. Как используются полевые шпаты в промышленности?

Тема 14. Слюды

При изучении темы необходимо ознакомиться с основными представителями слюд, со значением обменных процессов, идущих на пермутитах для очистки природных и отработанных вод.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие разновидности слюд известны?

2. Где используются слюды?

3. Какое значение имеют обменные процессы, идущие на пермутитах?

Тема 1.5. Химические процессы в силикатных производствах

Основная цель темы — познакомиться с основными химическими процессами в силикатных производствах: в производстве стекла, керамики и вяжущих веществ и мероприятиями по охране окружающей среды при переработке соединений кремния.

Вопросыдля самоконтроля

1.Какие химические процессы используются в силикатных производствах?

2. Каковы мероприятия по охране окружающей среды при переработке соединений кремния?

3. Напишите уравнения реакций, протекающих при варке оконного стекла.

4. Составьте уравнения следующих превращений:

Si → SiO₂ → K₂SiO₃ → H₂SiO₃ → SiCО₂

5. Какую массу (кг) силиката можно получить при сплавлении оксида кремния (IV) с 64,2 кг соды, массовая доля примесей в которой составляет 5 %?

Силикатных материалов

Задача 1

Рассчитайте расход известняка, соды и песка для получения 100 килограммов стекломассы.

Стекло получают сплавлением в особых печах песка (SiO₂), мела (СаСО₃), соды (Na₂CO₃).

Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂Si0₃ + СО₂

CaCO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + СО₂

Кремнезем (он берется в избытке) и силикаты сплавляются в массу, которая постепенно охлаждается. Формула обычного оконного стекла:

Na₉O • СаО • 6SiO₉.

При расчетах, связанных с химическими процессами, количественные отношения веществ, участвующих в них, могут быть найдены по стехиометрическим схемам, которые составляются следующим образом: слева записываются формулы исходных веществ, а справа — формулы получающихся веществ. Перед формулами подбираются коэффициенты таким образом, чтобы количество атомов элементов, содержащихся как в исходных так и в получающихся веществах, было одинаковым.

Решение 1

Записываем стехиометрическую схему получения стекла:

Na₂CO₃ + СаСО₃ + 6SiO₂ -> Na₂O • СаО • 6SiO₂ + 2СО₂. Определяем количество вещества стекла, которое надо получить:

m (стекла)

n(стекла)=---------------- кмоль

М (стекла)

,

n(стекла)=--------------- =0,209 кмоль

478,6

n — количество вещества — моль, кмоль;

m — масса — г, кг, т;

М молекулярная масса — г/моль, кг/моль.

Из стехиометрической схемы следует, что для получения стекла количеством вещества 1 кмоль требуется 1 кмоль Na₂CO_3,

1 кмоль СаСО₃ и 6 кмоль SiO₂, т.е.:

n (Na₂CO₃) 1 n (СаСО₃) 1

------------------------= ---- = 1 --------------------= ---= 1

n (стекла) 1 n (стекла) 1

n(SiO₂) 6

------------ = ------- = 6

n (стекла) 1

n(Na₉CO.) = n (стекла); n(Na₂CO₃) = 0,209 кмоль;

n(CaCO₃) = n (стекла); n(CaCO₃) = 0,209 кмоль;

n(SiO₂) = 6n (стекла); n(SiO₂) = 0,209 • 6 = 1,254 кмоль.

Определяем необходимые массы исходных веществ: m(Na₂CO₃) = n(Na₂CO₃) х M(Na₂CO₃) = 0,209 х 106= 22,15 кг; m(CaCO₃) = n(CaCO₃) х М(СаСО₃) = 0,209 х 100, = 20,92 кг; m(SiO₂) = n(SiO₂) х M(SiO₂) = 1,254 х 60, = 75,35 кг.

Решение 2

Задачу можно решить также методом составления пропорций:

а) из стехиометрическои схемы следует, что для получения стекла количеством вещества 1 кмоль требуется 1 кмоль Na₂CO₃.

Записываем: для получения 1 х 478,60 кг = 478,60 кг стекла требуется 1 х 106кг = 106кг Na₂CO₃;

для получения 100 кг стекла требуется m(Na₂CO₃).

Составим пропорцию:

478,60 : 106= 100 : m(Na₂CO₃).

Отсюда находим: m(Na₂CO₃).= 22,15 кг

б) для получения стекла количеством вещества 1 кмоль требует ся 1 кмоль СаСО₃.

Записываем:

для получения 1 х 478,60 кг - 478,60 кг стекла требуется

1 х 100, кг = 100, кг СаСО₃;

для получения 100 кг стекла требуется m (СаСО₃).

Отсюда находим m (СаСО₃).=20,92 кг

в) для получения стекла количеством вещества 1 кмоль требуется 6 кмоль SiO₂.

Записываем: для получения 1 х 478,60 кг = 478,60 кг стекла требуется

6 х 60 кг = 360 кг SiO₂;

для получения 100 кг стекла требуется m(SiO₂).

Отсюда находим: m(SiO₂). = 75,35 кг

Задача 2

Песок массой 2 г сплавили с избытком гидроксида калия, полу­чив в результате реакции силикат калия массой 3,82 г. Определите выход продукта реакции, если массовая доля оксида кремния (IV) в песке равна 90 %.

Решение

1Записываем уравнение реакции:

SiO₂ + 2KOH = K₂SiO₃ + Н₂О.

Определим массу SiO₂ в песке:

_ т(песка) • w(SiO₂)

^m(Sl°²⁾ ~ ioo% '

где w — массовая доля вещества;

Определяем количество вещества SiO₂, вступившего в реакцию:

Из уравнения реакции следует, что для получения силиката ка­лия количеством вещества 1 моль требуется 1 моль SiO₂, т.е n(SiO₂) - n (K₂Si0₃); nCiqSiCg = 0,030 моль.

Определяем массу К^Юз, получающуюся по уравнению реак­ции теоретически:

m(K₂Si0₃) = n(K₂Si0₃) • M(K₂Si0₃); m(K₂Si0₃) = 0,30 х 154,29 = 4,63 г.

Определяем выход продукта реакции:

Решение 2

Задачу можно решить, используя метод составления пропорций. Определив массу SiO₂ в песке m(SiO₂) = 1,8 г, рассуждаем. Из уравнения реакции следует, что для получения силиката калия ко­личеством вещества 1 моль требуется 1 моль SiO₂.

1 х 60,09 = 60,09 г SiO₂ - 1 х 154,29 г = 154,29 г K₂SiO₃;

1,8 г SiO₂ - m г K₂SiO₃.

Составляем пропорцию:

60,09 : 154,29 = 1,8 : т.

Отсюда

Вычислить массовую долю алюминия в каолине.

Решение Молярные массы вещества равны:

М(А1) = 27 г/моль; М(А1₂О₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О) = 258 г/моль.

Выберем для расчета каолин количеством вещества 1 моль, т.е.:

п(А1₂О₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О) = 1 моль. Тогда масса каолина равна:

т(А1₂О₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О) = п (А1₂О₃ • 2SiO₂ ■ 2Н₂О) •

• М(А1₂О₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О) = 1 ■ 258 = 258 г.

Из формулы каолина следует, что количество вещества алюми­ния в два раза больше количества вещества каолина, т.е.:

п(А1) = 2п(А1₂О₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О); п(А1) = 2 моль. Определяем массу алюминия:

т(А1) = п(А1) • М(А1); т(А1) = 2 • 27 = 54 г. Находим массовую долю алюминия в каолине:

= 0,21 или 21%

w(Al) =

т(А1) 54

т(А1₂О₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О) 258

Задана 4

Сколько килограммов кремния получится при нагревании 25 кг песка с массовой долей SiO₂ 90 % и 15 кг кокса в электрической печи?

Решение Записываем уравнение реакции:

SiO₂ + 2С = Si 4- 2СО ф.

Определяем массу SiO₂ в песке

тп(песка) • w(SiO₂) ₌ m(SiO₂) =Г

Определяем количество веществ SiO₂ и С:

) . _п/с_Ю ч ₌ 2*$- = 0,37 моль.

^{n( 2) 60}>⁰⁹

Из уравнения реакции следует, что для реакции с SiO₂ количес­твом вещества 1 моль требуется 2 моль С. Следовательно

n'(SiO₂) __ 1 п'(С) 2 '

Если n'(SiO₂) = n(SiO₂); n'(SiO₂) = 0,37 моль то

n'(C) = 2n(SiO₂); n'(C) = 2 • 0,37 = 0,74 моль.

0 74 моль - количество вещества С, которое требуется для реакции; следовательно, он взят в избытке. Расчет количества вещества и массы продукта необходимо проводить, используя массу и количество ве­щества, взятого в недостатке, т.е. SiO₂. Из уравнения следует:

n(SiO₂) _ 1 n(Si) Г

Отсюда

_{n(Si) =} ⁿ(^SlO2>. _n(Si) = М? моль = 0,37 моль.

Определяем массу кремния

m(Si) = n(Si) • M(Si); m(Si) = 0,37 • 28,1 = 10,4 кг.

Литература

1. Белостоцкая И.С. Химия кремния.– М.: ИНФРА-М, 2008

2. Электронный учебник «Химия кремния»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ВОПРОСЫ САМОКОНТРОЛЯ

по дисциплине: ОП.04 «Химия кремния»

для специальности: 240111 «Производство тугоплавких неметаллических и силикатных материалов и изделий»

Для группы Т 1-1уз

Введение

Обратите внимание на использование теории химии кремния в технологии производства строительных материалов.

Вопросы для самоконтроля

1.Что изучает химия кремния?

2. Каково значение химии кремния?

Тема 1. Кремний

При изучении материала данной темы следует обратить внимание на нахождение кремния в природе, его аллотропические видоизменения, лабораторный и промышленные способы получения, на физические и химические свойства кремния, а также на применение кремния в металлургии и полупроводниковой технике.

Вопросыдля самоконтроля

1.Как можно получить элементарный кремний?

2. Каковы свойства кремния?

3. Где применяется кремний?

Тема 2. Бинарные соединения кремния

Основная цель темы — познакомиться с понятием силицидов, способами их получения, условиями проведения химических процессов образования силицидов. В конспекте необходимо записать уравнения реакций получения силицидов железа, магния, молибде­на. Силициды получают следующими методами:

1. Прямым соединением металла (Me) с элементарным кремнием

Me + Si → MeSi

2. Восстановлением оксида металла (МеО) элементарным кремнием:

2МеО + 3Si → MeSi + SiO₂

или восстановлением смеси, состоящей из оксидов металла, диоксида кремния и восстановителя — углерода:

МеО + SiO₂ + ЗС → MeSi + ЗСО.

3 Замещением металлом галогенида в галогенопроизводных силана:

Me + SiCl₄ + 2Н₂→ MeSi + 4HC1.

Соединение кремния с углеродом также относится к бинарным соединениям. Материал о карбиде кремния следует проработать политературе.

Известно, что существуют два бинарных соединения кремния с углеродом, один из которых, встречающийся в природе минерал муассонит, не имеет практического применения, второй — карборунд SiC, получаемый искусственно, применяют разнообразно.

Изучая применение карбида кремния, сделайте акцент на то, что его широкое использование связано с высокой твердостью и огнеупорностью.

Наиболее изученными являются кремневодороды, называемые силанами, Общая формула силанов, образующих гомологический ряд, — Si_nH_2n+2. Вследствие меньшей электроотрицательности кремния по сравнению с углеродом атомы кремния не образуют очень длинных цепей. Ознакомьтесь с учебным материалом, рассказывающим о простейших представителях гомологического ряда силанов, — моно- и дисиланах. Законспектируйте только тот материал, который знакомит с галогенидами кремния: тетрахлорсиланом, тетрафторсиланом, кремнефтористоводородной кислотой.

При характеристике отдельных представителей галогеносиланов обратите особое внимание на свойства кремнефтористоводородной кислоты, ее солей. Из учебного материала, описывающего использование кремнефторидов, тщательно разберите и усвойте процесс флюатирования, связанный с пропиткой искусственных и естественных камней строительного назначения для их уплотнения.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие соединения называются бинарными?

2. Каковы способы получения бинарных соединений?

3. Как можно получить силициды? Каковы их свойства и применение?

4. Как получают карбид кремния? Каковые его свойства? Где он используется?

5. Как можно получить галогениды кремния?

5. Сущность процесса флюатирования.