Урок в 10 класі. Силікати.

Тема. Силікатна кислота. Силікати. Поняття про будівельні матеріали.

Клас: 10 ( академічний рівень)

Мета: вивчити фізичні та хімічні властивості силікатної кислоти; ознайомити із солями силікатної кислоти , силікатами; дати уявлення про будівельні матеріали; пояснити застосування, розвивати, виховувати.

Тип уроку: урок засвоєння нових знань

Форми і методи роботи: індивідуальне опитування, розповідь учителя, виконання лабораторного досліду , розв’язування задач і виконання вправ.

Обладнання: періодична система хімічних елементів, колекція природних силікатів (пісок, каолін, тальк, польовий шпат, нефелін), мультимедіа.

                                      Хід уроку

1.                Організаційний момент

2.                 Актуалізація опорних знань.

   2.1.Як маючи у своєму розпорядженні тільки хлоридну кислоту,
         розпізнати такі тверді речовини: кальцій карбонат, натрій сульфат
         і калій сульфіт? Напишіть відповідні рівняння реакцій.

     2.2.Який об'єм вуглекислого газу утворюється внаслідок термічного
             розкладу натрій гідрогенкарбонату кількістю речовини 1 моль?

3. Вивчення нового матеріалу ( бесіда)

Склад силікатної кислоти умовно зображують формулою Н₂SiO3,  насправді її будова складніша. Силікатна кислота належить до слабких двохосновних кислот, у воді практично не розчиняється і не змінює колір індикаторів. На відміну від багатьох інших неорганічних кислот силікатну кислоту не можна добути гідратацією силіцій(ІV) оксиду, він з водою за звичайних умов не реагує. Ми з вами вчили, що оксиди неметалів або кислотні оксиди при реакції з водою утворюють кислоти. Але не в цьому випадку. Згадайте, що ми з вами бачимо коли приходимо на пляж.  Коли ми з вами приходимо на пляж, ми не попадаємо в кислоту. А саме пісок це  силіцій(ІV) оксид, реакція гідратації – це додавання води.

 Силікатну кислоту добувають дією кислот на розчини її солей. При цьому силікатна кислота випадає у вигляді драглистого осаду:

                              Nа₂SiO₃ + 2НС1 -> 2NаС1 + Н2SiO₃↓

Силікатна кислота нестійка під час нагрівання розкладається.

                               Н₂SiO₃ → Н₂0 + SіО2

Солі силікатної ,кислоти називають силікатами. Багато силікатів
тугоплавкі і у воді практично нерозчинні.

Лабораторний дослід.

Тема. Ознайомлення зі зразками природних силікатів.

Мета: ознайомитись із виглядом природних силікатів, їх
складом та застосуванням.                            _;

Обладнання та реактиви: колекція природних силікатів (пісок, каолін, тальк, польовий шпат, нефелін).

Хід роботи

Завдання 1. Розгляньте зразки природних силікатів і заповніть таблицю.

Назва  мінералу	Формула мінералу	Застосування
Пісок	SіО2	Для виробництва цегли, бетону, скла, порцеляни, фаянсу, цементу. Під час будівництва автомобільних та залізничних доріг.
Каолін	Al2O3∙2SiO2∙2H2O	У медицині; входить до складу  пестицидів та парфумерних виробів; використовується як наповнювач у виробництві папе­ру, гуми, пластмас; для виготовлення вогнетривкої  цегли, будівельної та елек­тротехнічної керамі­ки, білого цементу
Тальк	3MgO∙4SiO2∙H2O	Застосовується в побуті, медицині і спорті як при­сипка; в харчовій промисловості як харчова добавка; як наповнювач під час виробництва гуми, паперу, лаків, фарб, кераміки
Польовий шпат	K2O∙ Al2O3∙6SiO2	Використовується під час виробни­цтва кераміки; як абразивна речовина; для виготовлення ювелірних прикрас
Нефелін	Na2O∙ Al2O3∙2SiO2	Застосовується під час виробництва скла, соди і одер­жання алюмінію

Зробіть висновки про значення силікатів.

Далі складаємо асоціативний кущ класифікації будівельних матеріалів.

                          Класифікація будівельних матеріалів

Далі учні діляться на 4 групи . Кожна група отримує матеріал для опрацювання, по якому вони повинні скласти наочний конспект для пояснення свого матеріалу іншим учням класу. ( Додаток 1)

Під час відповіді використовується презентація вчителя « Силікатна промисловість».

Закріплення вивченого матеріалу.

Проблемне питання. Ви вирішили побудувати собі будинок. Яки будівельні матеріали ви будете використовувати, чому саме ці матеріали. Що ви будете враховувати в першу чергу. Обґрунтувати свою позицію.

Рефлексія.

Що нового ви дізнались на сьогоднішньому  уроці.

Які знання з уроку ви зможете застосовувати у повсякденному житті?

Домашнє завдання. 

Опрацювати відповідний параграф підручника. Підготувати творчу роботу по темам : « Силікатна промисловість в Україні» або « Порівняння силікатної промисловості різних країн». Також учні можуть вивчений матеріал оформити у вигляді презентації. (додаток 2)

         Додаток 1

                                                 Група 1

                                                Скло

Виготовлення скла Історія скла походить із глибокої давнини. Відомо, що в Єгипті та Месопотамії воно з'явилося вже 6000 років тому. Імовірно, що скло по­чали виготовляти все-таки дещо пізніше, ніж перші керамічні вироби, оскільки для його виробництва застосовувалися більш високі темпера­тури, ніж для обпалювання глини. Якщо для найпростіших керамічних виробів вистачало лише глини, то для скла необхідно як мінімум три компоненти.

Для скловаріння використовують лише найчистіші різновиди кварцового піску, у яких загальна кількість забруднень не перевищує 2—3 %. Особливо небажаною є наявність Fе, що навіть у незначних кількостях (десяті частки %) надає склу зеленуватого кольору. Якщо до піску додати соду (Nа₂С0₃), то зварити скло можна буде і при температурі на 200—300 °С нижчій. Такий сплав виявиться менш в'язким (пухирці легше видаляються при варінні, а вироби легше формуються). Але! Таке скло є розчинним у воді, а вироби з нього піддаються руйнуванню під впливом атмосфер­них явищ. Для надання склу нерозчинності до його складу вводять третій компонент—вапно, вапняк, крейду — усі вони мають одну хімічну фор­мулу— СаС0₃.

Скло, вихідними компонентами якого є кварцевий пісок, сода та вапно, називають натрієво-кальцієвим. Воно становить близько 90 % одержу­ваного у світі скла. При варінні карбонати Натрію і Кальцію розкладають­ся відповідно до рівняння:

СаС0₃→СаО + С0₂↑.

У результаті до складу скла входять оксиди Sі0₂, Nа₂0 і СаО. Вони утво­рюють складні сполуки — силікати, які є натрієвими й кальцієвими со­лями кремнієвої кислоти.

До скла замість Nа₂0 можна вводити К₂0, а СаО може бути замінено на Мg0, РbО, ZnО, ВаО. Частину кремнезему можна замінити на оксид Бору або Фосфору введенням сполук борної або фосфорної кислот. У кожному склі міститься незначна кількість глинозему (А1₂0₃), що по­трапляє зі стінок скловарного посуду. Іноді його додають спеціально.

Кожен із перерахованих оксидів надає склу специфічних властивостей:

•    оксид борної кислоти (В₂0₃) призводить до зниження коефіцієнта теп­лового розширення скла, а значить, робить його більш стійким до різких змін температури;

•    Рb значно збільшує показник заломлення скла;

• оксиди лужних металічних елементів збільшують розчинність скла у воді, тому для виготовлення хімічного посуду використовують скло з ма­лим їх умістом.

У таблиці подано склад (у %) деяких типових видів промислового скла.

Таблиця

Склад типових видів промислового скла, %

Скло	Si02	В203	Аl203	Nа20	К20	СаО	МgО	Рb304	ВаО	ZnО
Віконне	72	—	2	14	—	9	3	—	—	—
Пляшкове	70	—	3	17	—	8	2	—	—	—
Кришталеве	56	—	—	—	11	—	—	33	—	—
Лабораторне	85	9	2	4						4
Оптичне	34	13	3						46	44

Зафарбовування скла здійснюють 2-ма способами:

  • утворенням колоїдних часток певних елементів:

—  золото та мідь при колоїдному розчині надають склу червоного кольору. Таке скло називають відповідно золотим та мідним рубіном;

—  срібло в колоїдному стані надає склу жовтого кольору;

—  гарним барвником є селен: у колоїдному стані він надає склу роже­вого кольору, а у вигляді сполуки СdS∙ЗСdSe — червоного; таке скло нази­вають селеновим рубіном;

• уведенням до складу скла оксидів деяких металічних елементів у певних кількостях:

—кобальт(II) оксид у малих кількостях дає блакитне скло, а у великих— фіолетово-синє з червоним відтінком;

— купрум(ІІ) оксид у натрієво-кальцієвому склі дає блакитний колір, а в калієво-цинковому — зелений;

— манган(ІІ) оксид у натрієво-кальцієвому склі дає червоно-фіоле­тове забарвлення, а в калієво-цинковому — синьо-фіолетове;

-         плюмбум(ІІ) оксид підсилює колір скла і надає йому яскравих відтінків.

Пляшкове скло низького сорту, як правило, має забарвлення, яке зале­жить від наявності в ньому йонів Fе²⁺ і Fе³⁺.

Сировина для виготовлення скла важко очищується від Fе, тому в дешевих сортах воно завжди є присутнім:

• йони Fе²⁺ добре поглинають промені світла з довжиною хвилі при­близно 600 ммк (жовті та червоні) і відповідно надають склу додаткового блакитного кольору;

• йони Fе³⁺ поглинають промені з довжиною хвилі 500 ммк (сині та фіолетові), надаючи склу жовтуватого кольору;

• йони Fе²⁺ мають поглинання приблизно у 10 раз більше, ніж йони Fе³⁺; оскільки у склі одночасно містяться йони як Fе²⁺, так і Fе³⁺, то вони і надають склу зеленуватого (пляшкового) кольору.

Віконне скло

Уперше віконне скло, хоча й досить недосконале, з'явилося на межі старої і нової ер літочислення у римлян. Однак після падіння Римської імперії секрети його виробництва було загублено, тому в початковий пе­ріод Середньовіччя в Європі віконного скла не знали. Звичайно, виникає запитання: «А що ж було у вікнах?». Часто вікна закривалися суцільними дерев'яними ставнями. У теплі дні їх відкривали, впускаючи денне світло до приміщення. В інший час вікна закривалися, і приміщення освітлювали свічками. У Росії свічки, які були дорогими, часто замінювали палаючою скіпкою.

У деяких палацах, парадних будинках і культових спорудах у Європі у віконні прорізи вставляли пластинки слюди, які коштували дуже дорого. У будинках простих людей з цією метою використовували бичачий міхур і просалений папір або тканину. У середині XVI ст. навіть у палацах фран­цузьких королів вікна закривалися просаленим полотном або папером. Лише в середині XVII ст. при Людовіку XIV у вікнах його палацу з'явилося скло у вигляді маленьких квадратиків, вставлених у свинцеве перепле­тення. Листове скло великої площі довго не вміли одержувати. Тому навіть у XVIII ст. засклені вікна мали дрібне переплетіння, про що свідчать рес­тавровані будинки петрівської епохи, наприклад, Меньшиковський палац у Санкт-Петербурзі. Як же вироблялося віконне скло?

Як уже було сказано, римляни навчилися виготовляти віконне скло наприкінці старої ери. Вони робили це шляхом виливання та розкачуван­ня рідкого скла у форму, що мала вигляд листа і виготовлялася із глини. Злитки виймалися з форми ще в гарячому вигляді, доки скло зберігало пластичність. Таким способом одержували віконне скло товщиною близько 10 мм і площею до 0,5 м². Оскільки прилягаюча до форми сторона виявлялася жорсткуватою, то скло не було прозорим.

На території давньослов'янської держави археологи неодноразово знаходили фрагменти скляних кругів діаметром 200—250 мм із добре обробленими краями. Учені сходяться на думці, що ці скляні круги слугу­вали для скління вікон великих громадських будинків, наприклад, храму Київської Софії та інших церков домонгольської Русі. Вважають, що спосіб їх виробництва зводився до наступного: у формі видувалася посудина у вигляді конусоподібного графина, дно цього «графина» обрізалося і краї заверталися.

Група 2

Вітраж

Вітраж — це декоративна ор­наментальна або тематична ком­позиція, виготовлена зі шматків різнокольорового скла, що запов­нює віконний проріз. Він широко використовувався для архітектур­ного оздоблення готичних храмів. Пізніше у вигляді вітражів почали виконувати герби міст у міських ратушах та інших будинках гро­мадського призначення. Дворяни у вигляді вітражів стали оформлю­вати сімейні герби.

Це мистецтво одержало розвиток в епоху Середньовіччя і досягло най­більшого розквіту в епоху Відрод­ження. Слово «вітраж» походить від французького vitre — «віконне скло». Крім різнокольорового, вико­ристовувалося скло, розписане фарбами, у якості яких застосовували тонко розтерті суміші оксидів металічних елементів (Сu, Fе тощо) з легко­плавким склом. Суміші замішувалися на воді, вині або олії й у вигляді кашки наносилися на скло, яке після висихання піддавалося обпалюванню при помірній температурі.

Кришталь, кришталеве скло

Кришталь — це силікатне скло, що містить різну кількість плюмбум оксиду РbО. Часто на маркуванні виробу вказується вміст Рb. Чим більше його, тим вищою буде якість кришталю.

Таке скло характеризується високою прозорістю, гарним блиском і ве­ликою щільністю. Вироби з нього в руці відчуваються за масою. Якщо у ньому частину К₂0 замінити на Nа₂0, а частину РbО — на СаО, Мg0, ВаО або ZnО, то утвориться напівкришталь.

Вважають, що кришталь було відкрито в Англії у XVII ст.

Кварцеве скло

Кварцеве скло одержують плавленням чистого кварцевого піску або гірського кришталю, що мають склад Sі0₂. Виготовлення такого скла по­требує дуже високої температури (вище 1700 °С).

Розплавлений кварц має високу в'язкість, з нього важко видаляються пухирці повітря. Тому таке скло часто легко можна впізнати за включени­ми у ньому пухирцями. Найважливішою його властивістю є здатність ви­тримувати будь-які різкі зміни температури. Наприклад, кварцеві труби діаметром 10—30 мм витримують багаторазове нагрівання до 800—900 °С і охолодження у воді. Бруси із кварцевого скла, охолоджувані з одного боку, зберігають на протилежному боці температуру 1500 °С, і тому вико­ристовуються як вогнетривкі. Тонкостінні вироби із кварцевого скла ви­тримують різке охолодження на повітрі від температури вище 1300 °С, і тому успішно використовуються для високоінтенсивних джерел світла. Кварцеве скло є найбільш прозорим для ультрафіолетових променів.

Сітали

Сітали — склокристалічні матеріали, одержувані регульованою кри­сталізацією скла.

Скло, як відомо, — це твердий аморфний матеріал. Його мимовільна кристалізація в минулому приносила збитки на виробництві. Як правило, скломаса є досить стабільною й не кристалізується. Однак при повторно­му нагріванні виробу зі скла до певної температури стабільність склома­си знижується і вона переходить у тонкозернистий кристалічний мате­ріал. Технологи навчилися здійснювати процес кристалізації скла, запобі­гаючи його розтріскуванню.

При виготовленні виробів зі склокристалічних матеріалів спочатку формують скляні вироби, які повторним нагріванням піддають спрямо­ваній кристалізації.

Сітали мають високу механічну міцність і термостійкість, водостійкі й газонепроникні, характеризуються низьким коефіцієнтом розширення, високою діелектричною проникністю та низькими діелектричними втра­тами. Вони застосовуються для виготовлення трубопроводів, хімічних реакторів, деталей насосів, фільєр для формування синтетичних волокон, матеріалу для інфрачервоної оптики, в електротехнічній і електронній про­мисловостях.

«Безпечне» скло

Напевно, кожному міському жителю доводилося бачити на автотран­спорті розбите лобове скло. Першим із «безпечного» скла, застосованого для автомобілів, був триплекс. Він наразі теж використовується. У ре­зультаті удару на триплексі утворюються численні радіальні й концент­ричні тріщини, але не осколки. Це різко знижує можливість поранення пасажирів. Триплекс складається з пакета, утвореного із двох або більше листів звичайного скла, між якими прокладено прозору пластичну плівку, яка міцно з'єднується зі склом клейовою сполукою. Завдяки міцній склейці осколки, що утворюються під час удару, утримуються на про­кладці. Найбільш розповсюдженим є тришаровий триплекс. Як орга­нічна прокладка у ньому використовується целулоїд.

У промисловому будівництві широко застосовують «армоване» скло, усередину якого введено металеву сітку. Воно також належить до безпеч­ного, оскільки при ударі осколки не розсипаються, а утримуються сіткою. «Армоване» скло має протипожежні властивості, оскільки затримує по­ширення полум'я у приміщеннях: від полум'я таке скло не висипається з рами, а лише розтріскується, тому перешкоджає утворенню протягів, що посилюють вогонь.

Скляна вата й волокно

При нагріванні скло розм'якшується й легко витягується в тонкі та довгі некрихкі скляні нитки. їхньою характерною властивістю є надзви­чайно високий питомий опір розриву. Нитка діаметром 3—5 мкм має опір до розриву 200—400 кг/мм², тобто наближається за цією характе­ристикою до м'якої сталі. З них виготовляють скловату, скловолокно й скло­тканини.

Скловата має прекрасні тепло- і звукоізоляційні властивості.

Склотканини проявляють надзвичайно високу хімічну стійкість, тому їх використовують у хімічній промисловості як фільтри для кислот, лугів і хімічно активних газів. Унаслідок гарної вогнестійкості склотканини застосовують для пошиття одягу пожежників і електрозварювальників, театральних занавісок, драпірувань, килимів тощо.

                                              Група 3

                                         Кераміка

Особливості виробів із глини Керамічні вироби широко представлено в побуті та будівництві. Слово «кераміка» на­стільки міцно ввійшло в нашу мову, що ми дивуємося, коли дізнаємося, що воно іншо­мовного походження. Насправді слово «кераміка» бере свій початок із Греції: грецьке слово keramos означає «глиняний посуд». Керамічні вироби здавна одержували обпалюванням глини або сумішей її з пев­ними мінеральними добавками. Розкопки показують, що керамічні виро­би виготовляються людиною з епохи неоліту (8—3 тис. років до н. е.). Оскільки глина є досить поширеною в природі, то і гончарне ремесло широко й часто незалежно розвивалося в різних частинах світу, відносно легко переймалося і поширювалося.

Глина — незцементована осадова порода з перевагою певних міне­ралів, що за хімічним складом є гідроалюмосилікатами. Геологи розрізня­ють близько шістдесяти різних видів глини. Наразі вважають, що для гли­нистих мінералів є характерною наявність шарів, які містять атоми Силі­цію, оточені чотирма атомами Оксигену [Sі0₄], і атоми Алюмінію, ото­чені шістьма атомами Оксигену [АlO₆]. Основними властивостями глини є пластичність і вогнестійкість. Порошок глини, замішаний із во­дою, утворює в'язке тісто, здатне формуватися та зберігати надану йому форму. Обпалена у вогні глина набуває кам'янистої твердості та міцності. Саме на цих двох властивостях глини ґрунтується керамічна промис­ловість — одна із найдавніших на Землі, а в минулому одна з найважлив­іших за своїм значенням для прогресу людини.

Наразі керамічні матеріали поділяють на 2 групи:

•    груба кераміка, що характеризується високою пористістю і високим водопоглинанням (не нижче 5—10 %): будівельна цегла, теракота, стінна майоліка, плитка для підлоги, черепиця;

•    тонка кераміка, яка поділяється на:

—  пористу кераміку, до якої належать фаянс, напівпорцеляна, біла і ко­льорова майоліки;

—  щільну кераміку, до якої належить порцеляна.

                                                 Теракота

Теракота — різновид грубої кераміки. Вона є відомою з епохи неоліту, тобто більше 5 тис. років до н. е. Слово «теракота» італійського походження. Його дослівний переклад означає «обпалена земля». Те­ракота випускається промисловістю у вигляді неглазурованих однотон­них керамічних виробів з пористим черепком червоного, коричневого або кремового кольорів. Кольоровий відтінок теракоти значною мірою залежить від умов обпалювання. її водопоглинання становить 8—10 %. Глина для виробництва теракоти є досить поширеною. У сучасному будівництві теракота використовується у вигляді архітектурно-декора­тивних виробів і застосовується для художнього оздоблення інтер'єрів, а також садів і парків у вигляді вставок, розеток, барельєфів, плиток для стін і садових доріжок, каменів для огорож і штахету для клумб.

                                                      Майоліка

Майоліка є близькою за властивостями та якістю до теракоти, але, на відміну від неї, покрита глазур'ю, що надає виробам водонепроникності, запобігає забрудненням, поліпшує зовнішній вигляд, підвищує міцність. Для грубих керамічних виробів, зокрема й для майоліки, доступною і де­шевою є соляна глазур. Для її нанесення на поверхню виробу в розпечену піч (1040—1180 °С) уводять кам'яну сіль (NaCl) і водяну пару. У резуль­таті цього в окисній атмосфері виріб набуде коричнево-жовтого кольору, а у відновній — сірого.

Повноцінна глазур — прозоре безбарвне або кольорове склоподібне покриття, що добре розтікається при нанесенні на черепок. Глазур забез­печує виробу гладкість поверхні та декоративний ефект. Міцності зчеп­лення глазурі з черепком сприяє Кальцій оксид СаО.

Висловлюються припущення, що слово «майоліка» походить від назви острова Майорка в Середземному морі, що є головним центром з експорту іспано-мавританської кераміки в Італію. Майоліку широко застосовували вже у II—І тисячоліттях до н. е. в Ассіро-Вавилонії, потім у Середній Азії, а пізніше в Іспанії та Італії. У X—XII ст. у Київській Русі майоліку використовували для облицювання стін, настилання підлоги, обрамлення віконних і дверних прорізів у церковних будинках і палацах. У наш час вона широко застосовується для оздоблення інтер'єрів гро­мадських і промислових будинків.

Фаянс

До винайдення порцеляни фаянс був найкоштовнішим керамічним матеріалом. Від порцеляни він відрізняється значно більшим умістом гли­ни (до 85 %) і характеризується більш високою пористістю, водопоглинанням (до 20 %), а також меншою механічною міцністю. Температура його обпалювання є значно нижчою (до 950 °С), ніж порцеляни. Залежно від якості глини колір фаянсу змінюється від білого до кремового. Через висо­ку пористість його завжди покривають глазур'ю. Тому деякі види майо­ліки наближаються до фаянсу. Глазур може бути прозорою, кольоровою або глушеною. З такого фаянсу виготовляють ванни, раковини та інші санітарно-технічні вироби.

Назва «фаянс» походить від міста Фаенца (Північна Італія), на околи­цях якого у XIV—XV ст. було широко розвинуто керамічне ремісництво.

Фаянс, що вироблявся в Європі, характеризувався непросвічуваністю. Перський фаянс, виробництві якого пройшло тривалу епоху підйому й розквіту (X—XVII ст. н. е.), мав добре просвічуваний черепок. Він ви­роблявся з маси, багатої на кварц, з невеликими добавками обпаленої глини. На всіх стародавніх фаянсових виробах на глазурі є сітка дрібних тріщин (фахівці називають сітку цих тріщин цеком; на порцелянових гла­зурях цек зустрічається значно рідше). Для колекціонерів і цінителів керамі­ки сітка тріщин свідчить про вік виробу. Причиною розриву глазурі й утво­рення тріщин є схильність фаянсу до зворотного поглинання вологи і на­брякання, унаслідок чого об'єм черепка збільшується в межах 0,016—0,086 %.

                                                 Порцеляна

Порцеляна — найблагородніша кераміка. Це матеріал, що складаєть­ся з каоліну, глини, кварцу й польового шпату. Його характерні ознаки: білий колір, відсутність пористості, висока міцність, термічна й хімічна стійкості. Для господарської порцеляни цінується просвічуваність.

Розрізняють два основні різновиди порцеляни:

•тверда — з невеликим додаванням плавня (польового шпату), і тому гартована при порівняно високій температурі (1380—1460 °С); класична тверда порцеляна складається з 25 % кварцу, 25 % польового шпату й 50 % каоліну та глини;

•м'яка — з підвищеним умістом плавню, тому гартована при темпе­ратурі 1200—1280 °С; крім польового шпату, у якості плавня використову­ють мармур, доломіт, магнезит, обпалену кістку або фосфорит.

Завдяки прекрасним декоративним властивостям порцеляна привер­нула увагу європейців із початку XVI ст, коли її було вперше привезено до Європи португальськими купцями з Китаю — батьківщини порцеляни. У Китаї ж вона була відомою вже у 220 р. до н. е.

Природа створила сприятливі передумови для винайдення порцеляни саме в Китаї. Справа в тому, що в провінції Цзянь-Сі біля міста Дзинь-Де-Чжень є невичерпні запаси унікального мінералу — «порцелянового ка­меню», сприятливий склад якого значно спрощує складання композиції порцелянової маси. Звичайно, у будь-якому ремеслі є свої секрети й ню­анси. Наприклад, для поліпшення формувальних властивостей сировини порцелянова маса, що використовувалася для виготовлення знаменитої китайської порцеляни «яєчної шкарлупи», тобто виробів з дуже тонкими стінками, витримувалася у закритому стані в землі по 100 років!

У Росії склад порцеляни було розроблено Д. І. Виноградовим у 1746 р., і налагоджено її виробництво на імператорському заводі під Петербургом (нині порцеляновий завод ім. М. В. Ломоносова).

Як керамічні фарби наразі використовують винятково оксиди металів металічних елементів:

•кобальт оксид надає синього кольору;

•нікель оксид — коричневого;

•купрум оксид — зеленого або синьо-зеленого;

•хром оксид — зеленого;

•манган оксид — коричневого або фіолетового;

•ферум оксид —жовтого або червоного;

•уран оксид — жовтого.

Порцелянові вироби є досить різноманітними за своїм хімічним скла­дом, властивостями і призначенням. Наведемо кілька найбільш відомих видів порцеляни та їх особливості.

Порцеляна бісквітна — матова, без глазурі. Існує думка, що бісквітною її називають через дворазове обпалювання. Префікси «біс» і «бі» у багатьох мовах означають «два». При виробництві порцеляни спо­чатку роблять обпалювання, яке називають утильним, а потім слідує об­палювання при глазурованні. Бісквітна порцеляна обпалюється двічі, але вдруге без глазурі. Наразі технологія виробництва бісквітної порцеляни може й не містити другого обпалювання.

Порцеляна кістяна — м'яка порцеляна, неодмінною складовою якої є зола кісток великої рогатої худоби, утворена в основному з кальцій фосфату. Наразі її іноді замінюють природними фосфатами Кальцію. Ви­готовлені з кістяної порцеляни вироби характеризуються високою білиз­ною, просвічуваністю та декоративністю.

Порцеляна фріттована — добре просвічувана, м'яка, вироб­ляється у Франції з 1738 р. Вона містить 30—50 % каоліну, 25—35 % квар­цу, 25—35 % становлять луги та скляні фрітти. Фрітти — композиційні добавки до порцелянової маси, що забезпечують утворення склоподібної фази, а отже, і зумовлюють просвічуваність. До складу фрітт входять пісок, сода, селітра, гіпс, кухонна сіль і подрібнене свинцеве скло.

                                             Група 4

                                              Цемент  

Цеме́нт (нім. Zement, від лат. caementum - щебінь, битий камінь) — мінеральна в'яжуча порошкоподібна речовина. Після затворення водою з рідкого або тістоподібного стану переходить у твердий каменеподібний стан при звичайній температурі. Один з основних будівельних матеріалів, в'яжучий засіб при виготовленні бетону.

До цементів відноситься велика група гідравлічних речовин, головною складовою частиною яких є силікати кальцію і алюмінати кальцію, які утворюються в результаті випалу до спікання сировинної суміші належного складу.

У виробництві цементу використовуються переважно легкоплавкі глини, аргіліти і глинисті сланці, що складають частину цементної шихти. Другою основною її складовою є карбонатні породи.

Сировиною для виробництва цементу служать вапняк і глина, які змішують у певному співвідношенні (75—80% вапняку і 20— 25% глини) випалюють до спікання при температурі близько 1450 °C. Випалювання проводять у спеціальних циліндричних печах, викладених всередині вогнетривким матеріалом. Сучасні потужні цементні печі досягають у довжину 185 м і мають внутрішній діаметр до 5 м їх встановлюють дещо нахиленими. Шихту завантажують у верхній кінець печі. Піч повільно обертається, і завантажений матеріал, пересипаючись, рухається до нижнього кінця, назустріч розжареним газам — продуктам горіння палива (розпиленого вугілля або горючих газів).

При обпаленні в цементному матеріалі послідовно відбуваються такі головні хімічні перетворення. При 100—120°С випаровується волога. При 500 °C вигоряють органічні домішки. При 800—1000°С розкладається вапняк:

·        CaCO₃ = CaO + CO₂ ↑

При 1000—1300°С оксид кальцію взаємодіє з діоксидом силіцію SiO₂ і Al₂O₃ з глини з утворенням силікатів і алюмінатів кальцію:

·        3CaO + SiO₂ = 3CaO • SiO₂ (Ca₃SiO₅)

·        2CaO + SiO₂ = 2CaO • SiO₂ (Ca₂SiO₄)

·        3CaO + Al₂O₃ = 3CaO • Al2O₃ (Ca₃(AlO₃)₂)

При 1300—1450°С відбувається спікання утворених силікатів і алюмінатів кальцію.

Куски спеклої цементної маси, яку називають клінкером, вивантажуються з нижнього кінця печі і після охолодження розмелюються, внаслідок чого утворюється сіро-зелений порошок, який і називають цементом.

Склад цементу виражають звичайно процентним вмістом CaO, SiO₂, Al₂O₃ і Fe₂O₃. До складу цементу як домішки входять і інші речовини. Звичайний, або так званий силікатний, цемент містить: CaO (60—67%); SiO₂ (17—25%); Al₂O₃ (3—8%); Fe₂O₃ (0,3-6%).

Цемент звичайно використовують у суміші з піском. На одну частину маси цементу беруть 3—5 частин піску. З такої суміші разом з водою виготовляють напіврідку тістоподібну масу, яку називають цементним розчином. Цементний розчин через деякий час тужавіє, а потім твердне в каменеподібну речовину. Твердіння цементного розчину при звичайній температурі продовжується майже місяць. Обумовлюється це явище складними хімічними реакціями, головніші з яких можна зобразити такими рівняннями:

·        Ca₃SiO₅ + 5H₂O = Ca₂SiO₄ • 4H₂O + Ca(OH)₂

·        Ca₂SiO₄ + 4H₂O = Ca₂SiO₄ • 4Н₂О

·        Ca₃(AlO₃)₂ + 6H₂O = Ca₃(AlO₃)₂ • 6Н₂О

Змішування цементного розчину з гравієм і щебенем дає бетон. Якщо бетоном наповнити залізний каркас (залізні стержні, дріт тощо), то тоді його називають залізобетоном. Цемент (бетон) дуже міцно зв'язується з залізом і має однаковий з ним коефіцієнт теплового розширення, при цьому бетон має високий опір до стиснення, а металоконструкція — до згину. Бетон і залізобетон мають дуже високу твердість і механічну міцність. їх широко використовують при будівництві гідроелектростанцій, мостів, каналів, заводських корпусів і в житловому будівництві.

Історія видобутку і застосування

Технології добування були відомі у стародавньому Єгипті. Вважається також, що єгипетські піраміди були побудовані з бетонних блоків, на основі гіпотези, що серед кам'яних брил пірамід було знайдено волосину.

Цікаві факти

У Стародавній Індії для скріплення каменів при будівлях каменярі використовували вапно, розмішане соком цукрової тростини, що і надавало вікову міцність старовинним баштам і храмам.

Коментарі