РАБОТА № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСТИННОЙ ПЛОТНОСТИ КРЕМНЕЗЕМА


1. Цель работы — Определить истинную плотность кремнезема

2. Теоретическая часть

Диоксид кремния имеет несколько полиморфных модификаций.

Самая распространенная из них на поверхности земли — α-кварц — кристаллизуется в тригональной сингонии

При нормальных условиях диоксид кремния чаще всего находится в полиморфной модификации α-кварца, которая при температуре выше 573 °C обратимо переходит в β-кварц. При дальнейшем повышении температуры кварц переходит в тридимит и кристобалит. Эти полиморфные модификации устойчивы при высоких температурах и низких давлениях. При высоких температуре и давлении диоксид кремния сначала превращается в коэсит (который в 1953 был синтезирован американским химиком Лорингом Коэсом), а затем в стишовит (который в 1961 году был синтезирован С. М. Стишовым, а в 1962 был обнаружен в метеоритном кратере)[источник не указан 949 дней]. Согласно некоторым исследованиям стишовит слагает значительную часть мантии, так что вопрос о том какая разновидность SiO2 наиболее распространена на Земле, пока не имеет однозначного ответа.

Также имеет аморфную модификацию — кварцевое стекло.

Синтетический диоксид кремния получают нагреванием кремния до температуры 400—500 °C в атмосфере кислорода, при этом кремний окисляется до диоксида SiO2. А также термическим оксидированием при больших температурах.

В лабораторных условиях синтетический диоксид кремния может быть получен действием кислот, даже слабой уксусной, на растворимые силикаты. Например:

\mathsf{Na_2SiO_3 + 2CH_3COOH \rightarrow 2CH_3COONa + H_2SiO_3\downarrow}

кремниевая кислота сразу распадается на воду и SiO2, выпадающий в осадок.

Натуральный диоксид кремния в виде песка используется там, где не требуется высокая чистота материала.

Диоксид кремния применяют в производстве стекла, керамики, абразивов, бетонных изделий, для получения кремния, как наполнитель в производстве резин, при производстве кремнезёмистых огнеупоров, в хроматографии и др. Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами и поэтому используются в радиотехнике, ультразвуковых установках, в зажигалках.

Диоксид кремния — главный компонент почти всех земных горных пород, в частности, кизельгура. Из кремнезёма и силикатов состоит 87 % массы литосферы.

Аморфный непористый диоксид кремния применяется в пищевой промышленности в качестве вспомогательного вещества E551, препятствующего слёживанию и комкованию, парафармацевтике (зубные пасты), в фармацевтической промышленности в качестве вспомогательного вещества (внесён в большинство Фармакопей), а также пищевой добавки или лекарственного препарата в качествеэнтеросорбента.

Искусственно полученные плёнки диоксида кремния используются в качестве изолятора при производстве микросхем и других электронных компонентов.

Также используется для производства волоконно-оптических кабелей. Используется чистый плавленый диоксид кремния с добавкой в него некоторых специальных ингредиентов.

Кремнезёмная нить также используется в нагревательных элементах электронных сигарет, так как хорошо впитывает жидкость и не разрушается под нагревом спирали.

Пористые кремнеземы

Пористые кремнезёмы получают различными методами.

Силохром получают путём агрегирования аэросила, который, в свою очередь, получают сжиганием силана (SiH4). Силохром характеризуется высокой чистотой, низкой механической прочностью. Характерный размер удельной поверхности 60—120 м²/г. Применяется в качестве сорбента в хроматографии, наполнителя резин, катализе.

Силикагель получают путём высушивания геля кремневой кислоты. В сравнении с силохромом обладает меньшей чистотой, однако может обладать чрезвычайно развитой поверхностью: до 320 м²/г.

Кремниевый аэрогель приблизительно на 99,8 % состоит из воздуха может иметь плотность до 1,9 кг/м³ (всего в 1,5 раза больше плотности воздуха).

3. Методика проведения работы

Приборы и материалы: сушильный шкаф, аналитические весы, пикнометр, образцы кремнезема.

Истинную плотность определяют путем измерения массы единицы объема высушенных зерен песка.

Ход работы

Из аналитической пробы песка берут навеску около 30 г, просеивают ее через сито с отверстиями диаметрам 5 мм, высушивают до постоянной массы и охлаждают до комнатной температуры.

Каждую часть навески всыпают в чистый высушенный и предварительно взвешенный пикнометр, после чего взвешивают его вместе с песком. Затем наливают в пикнометр дистиллированную воду в таком количестве, чтобы пикнометр был заполнен примерно на 2/3 его объема, перемешивают содержимое и ставят его в слегка наклонном положении на песчаную ванну или водяную баню. Содержимое пикнометра кипятят в течение 15 - 20 мин для удаления пузырьков воздуха.

После удаления воздуха пикнометр обтирают, охлаждают до комнатной температуры, доливают до метки дистиллированной водой и взвешивают. После этого пикнометр освобождают от содержимого, промывают, наполняют до метки дистиллированной водой и снова взвешивают. Все взвешивания производят с погрешностью до 0,01 г. Проводят не менее трех параллельных измерений.

Данные заносят в таблицу

Масса пикнометра, г

Масса пикнометра с водой и с песком, г

Масса пикнометра с водой, г

 

 

 

 

Истинную плотность определяют по формуле:

где m-масса пикнометра с песком, г;

m1-масса пустого пикнометра, г;

m2-масса пикнометра с дистиллированной водой, г;

m3- масса   пикнометра   с  песком и  дистиллированной водой после удаления пузырьков воздуха, г;

ρв-плотность воды, равная 1 г/см3.

Провести статистическую обработку результатов.

Сделать вывод.

Контрольные вопросы

1. Получение в лабораторных условиях синтетического диоксида кремния?

2. Применение кремнезема?

3. Какими методами получают пористые кремнезёмы?