«ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГЛИНОЗЕМА И ПРИРОДНЫХ СИЛИКАТОВ»


Глинозем. Основные термины

Глинозем Al2O3 находиться в глине в связном состоянии, участвуя в составе глинообразующих минералов и слюдянистых примесей. Он является наиболее тугоплавким окислом. С повышением содержания глинозема, как правило, повышается пластичность глины, возрастает прочность сформированных, сухих и обожженных изделий, увеличивается их огнеупорность.

Глинозем – природная форма распространения оксида алюминия Al2O3, по количественному составу в земной коре он уступает лишь кремнезему. В чистом виде, глинозем встречается в виде корунда – минерала, обладающего массой полезных свойств.

Глинозем входит в состав множества горных пород и минералов, наиболее ярко выражен в бокситах – глинистой породе, содержащей в себе гидраты глинозема, оксиды титана и железа. В промышленности широкое применение приобрели технические виды глинозема, получение которых осуществляется из различных видов сырья и технологий

Природные силикаты образовались в основном из расплавленной магмы. Предполагается, что при затвердевании магмы из нее сначала выкристаллизовывались силикаты, более бедные кремнеземом - ортосиликаты, затем после израсходования катионов выделялись силикаты с высоким содержанием кремнезема - полевые шпаты, слюды и, наконец, чистый кремнезем.

Силикаты - сложные кремнекислородные соединения в виде минералов и горных пород, занимают определяющее место в составе земной коры (80% по В.И.Вернадскому). А если добавить природный оксид кремния - кварц, то кремнекислородные соединения образуют более 90% массы земной коры и практически полностью слагают объем Земли. Силикатные минералы являются породообразующими: такие горные породы, как гранит, базальт, кварцит, песчаник, полевой шпат, глина, слюда и другие, сложены силикатными и алюмосиликатными минералами. Абсолютное большинство силикатных минералов является твердыми кристаллическими телами, и только незначительное количество минералов находится в аморфном состоянии (халцедон, опал, агат и др.)или в коллоидно-дисперсном состоянии: глины, цеолиты и др.

 Каждый минерал, как известно, обладает совокупностью физических и химических свойств, которые всецело определяются его кристаллической структурой и химическим составом. Кристаллические структуры силикатов многообразны, но основу их составляют комбинации атомов самых распространенных элементов - Si (кремния) и O (кислорода). Координатное число кремния 4. Таким образом, каждый атом  кремния находится в окружении четырех атомов кислорода. Если соединить центры атомов кислорода, то образуется пространственная кристаллическая структура - тетраэдр, в центре которого находится атом кремния, соединенный с четырьмя атомами кислорода в вершинах. Такая группировка называется кремнекислородным радикалом [SiO] . Химическая связь Si - O - Si называется силоксановой, природа связи - ковалентная, энергия связи Si – O очень высока и равняется 445 кДж/моль. Поскольку устойчивое координатное число кремния равно 4, силикатные структуры полимерны. Они представлены различными типами структур - островной, кольцевой, цепочечной или слоистой, каркасной.

Состав и строение главных породообразующих минералов определяют их свойства, а следовательно, и поведение в массивах горных пород при различных механических, физических и физико-химических воздействиях в естественных условиях залегания и при проведении  горных работ. Таким образом, химия силикатов является одним из главных моментов при проектировании и технологии проведения горных работ.

 Природные силикатные материалы, их классификация

Кроме того, многочисленные силикатные минералы и
породы широко используются как сырьевые материалы в различных технологических производствах, например, в высокотемпературных процессах (обжиг, спекание, плавление) при производстве:

1) цемента (глины, карбонаты, мергели);
2) глазурий, стекол (полевые шпаты, пегматиты, нефелины, и другие щелочные, в том числе литиевые алюмосиликаты, циркон);
3) легких заполнителей и (вспучивающиеся при термоизоляционных порошков обжиге вермикулиты, перлиты и т.д.);
4) огнеупоров, керамических изделий (глины, каолины, силлиманиты, циркон);
5) форстеритовых огнеупоров (дуниты, оливиновые минералы, тальк, асбестовые отходы);
6) фарфора (глины, каолины и др.);
7) изоляторов (тальк);
8) каменных материалов (глины).

Группа силикатов используется без обжига в качестве:

1) адсорбентов для очистки газов и вод (бентонитовые глины, цеолиты);
2) компонента буровых растворов (бентонитовые высокодисперсные глины);
3) наполнителя при производстве бумаги, резины (каолины, тальк);
4) драгоценных камней (изумруд, топаз, цветные турмалины, хризотил, голубые аквамарины и др.).

Силикатные руды и минералы используют для добычи металлов, их оксидов и солей, а также для извлечения Zi (лепидолит, сподумен), CS (поллуцит), Be (берилл) и получения Ni (ревдинкит, гарниерит и др.)  и Zr (циркон).

Многообразие структурных типов силикатных соединений определяется  важнейшим законом кристаллохимии силикатов: кремнекислородные тетраэдры, входящие в состав сложных силикатных радикалов, объединяются друг с другом только общими вершинами (а не ребрами или гранями) и сохраняют свой состав и строение. Это объясняют сильным взаимным сталкиванием между многозарядными атомами (ионами) кремния, занимающими центральное положение в каждом соседнем тетраэдре. Так, например, в кристаллах кварца (SiO) каждый кремнекислородный тетраэдр дает на образование силоксановых связей четыре вершины:

 

¦
O
¦
--- O ---Si--- O ---
¦
O
¦

Образуется сплошной трехмерный каркас (каркасный тип структуры).  В кристаллах более сложных силикатов тетраэдры [SiO] могут давать на связь Si - O - Si одну, две или три вершины.

Тетраэдры внутри сложных радикалов чаще не самостоятельных: атомы кислорода, через который осуществляется силоксановая  связь, принадлежат одновременно каждой из объединившихся структурных единиц. Такие атомы кислорода называются поделенными. Например, шесть кремнекислородных групп тетраэдров, имеющих по два общих атома кислорода, могут соединяться в замкнутое кольцо.

Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции

Глинозем, минералы, кремнекислородный тетраэдр, силоксановые связи.

Вопросы для самоконтроля

1. Что подразумевают под выражением глинозем.

2. Что представляют собой природные силикаты

3. Состав и строение главных породообразующих минералов

4. Природные силикатные материалы, их классификация.

5. Образование силоксановых связей.