Va rugam dezactivati programul ad block pentru a vizualiza pagina!

Cumpara abonament!
Plateste cu PayPal

Combinațiile siliciului

Partajeaza in Google Classroom

Partajeaza cu Google Classroom
Susține Lectii-Virtuale!

Scurtă definiție

Siliciul, ca și carbonul, în combinațiile sale este tetracovalent. El poate forma și combinații coordinative în care este hexacovalent. Mai mult decât cu orice alt element, siliciul se combină cu oxigenul, din care cauză dioxidul de siliciu și silicații care derivă de la acesta sunt cele mai răspândite și importante combinații ale siliciului. Siliciul se mai poate combina și cu hidrogenul, însă afinitatea lui pentru hidrogen este cu mult mai slabă decât în cazul carbonului. 

Definiție Descarcă PDF

 

Siliciul, ca și carbonul, în combinațiile sale este tetracovalent. El poate forma și combinații coordinative în care este hexacovalent. 
 
Mai mult decât cu orice alt element, siliciul se combină cu oxigenul, din care cauză dioxidul de siliciu și silicații care derivă de la acesta sunt cele mai răspândite și importante combinații ale siliciului. 
 
Siliciul se mai poate combina și cu hidrogenul, însă afinitatea lui pentru hidrogen este cu mult mai slabă decât în cazul carbonului. 
 
Atomii de siliciu au proprietatea să se lege între ei, însă în timp ce la carbon posibilitatea de a forma lanțuri este aproape nelimitată, la siliciu, ea scade chiar de la doi atomi de siliciu în moleculă; aceste combinații ale siliciului sunt nestabile. În schimb, sunt stabile combinațiile în care atomii de siliciu sunt legați între ei prin intermediul unor punți de oxigen. 
 
 
Combinațiile siliciului cu hidrogenul sunt interesante prin analogia lor cu combinațiile carbonului cu hidrogenul. Aceste combinații, numite silani, se obțin prin descompunerea siliciurii de magneziu cu acid clorhidric:
Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4
În realitate, în timpul reacției se formează nu numai monosilanul, SiH4, ci un amestec de mai mulți silani, dintre care se cunosc primii șase termeni (monosilanul, SiH4, disilanul, Si2H6, trisilanul, Si3H8 etc.) Separarea lor se face prin distilare fracționată în aparatură specială, în absența aerului. Primii doi termeni sunt gaze; restul sunt lichide. Silanii sunt foarte nestabili. 
 
În ceea ce privește formulele lor moleculare și structurale, silanii se aseamănă cu hidrocarburile saturate. 
 
În contact cu aerul, silanii se aprind, reacția fiind foarte energică. Silanii sunt agenți reducători foarte puternici; astfel reduc KMnO4 la MnO2, sărurile de Fe(III) la săruri de Fe(II). Cu halogenii reacționează energic la temperatura camerei; la temperatură mai înaltă și în prezența unei halogenuri de aluminiu drept catalizator, reacția se produce însă moderat, atomii de hidrogen putând fi progresiv înlocuiți cu atomi de halogen. 
Silanii sunt toxici. 
 
Derivații silanilor. De la silani derivă diferiți compuși rezultați prin înlocuirea atomilor de hidrogen cu alți atomi sau radicali organici. Astfel, se cunosc derivați halogenați ai silanilor, ca de exemplu de tipul SiHX (analogi cloroformului, CHCl3). Atomii de halogeni din derivații halogenați sunt reactivi față de apă; ei pot fi înlocuiți prin grupe OH. Compușii respectivi (silanolii) sunt însă nestabili; se elimină apă între două molecule și rezultă compuși în care atomii de carbon sunt uniți prin intermediul unui atom de oxigen (siloxani). De exemplu:
SiH3Br + HOH → SiH3OH + HBr
2SiH3OH → H3Si-O-SiH3 + H2O
Sau:
SiH2Br2 + 2HOH → 2SiH2(OH)2 + 2HBr
2HO-SiH2-OH → HO-SiH2-O-SiH2-OH + H2O
În mod similar, prin hidroliza unor derivați ai silanilor în care atomii de hidrogen sunt înlocuiți cu atomi de halogeni și cu radicali organici alchili (de exemplu metil, -CH3), rezultă o varietate de derivați cu atomii de siliciu uniți prin intermediul atomilor de oxigen. Asemenea substanțe policondensate, care conțin grupe SiR2O (în care R reprezintă un radical organic alchil) legate fie în catene, fie în cicluri se numesc siliconi. Cei mai simpli siliconi sunt metil-siliconii:
 
siliconi
 
Siliconii cu un grad mic de condensare - până la 10 atomi de siliciu - sunt lichide cu vâscozitate mică și transparente. Siliconii cu un grad și mai mare de condensare, care conțin catene mai lungi, liniare sau ramificate, sunt vâscoși sau cu consistență de pastă; se folosesc drept lubrifianți, mai ales pentru temperaturi joase, deoarece vâscozitatea lor nu variază mult cu temperatura (ulei de siliconi). Siliconii cu un grad și mai mare de condensare sunt produse cu aspect de cauciuc (cauciuc de siliconi); se folosesc ca dielectrici sau ca înlocuitori de cauciuc pentru variații mari de temperaturi (de la -55 până la +300°C). 
 
În condiții adecvate de lucru se obțin siliconi în care grupele SiR2O sunt unite în rețele tridimensionale, ca și la silicați. Asemenea produse au aspect rășinos și sunt folosite ca izolatori electrici (rășini de siliconi). 
 
Datorită proprietăților lor interesante, siliconii s-au introdus mult în tehnică; ei se mai folosesc și pentru a conferi țesăturilor, materialelor de construcții, hârtiei, etc. proprietăți ignifuge și impermeabile. 
 
 
 
Siliciul formează cu oxigenul două combinații: monoxidul de siliciu, SiO, și dioxidul de siliciu, SiO2
 
 
Numele de dioxid de siliciu dat combinației siliciului cu oxigenul, deși uzual folosit, este oarecum nepotrivit, deoarece implică existența unor molecule SiO2. În toate formele în care apare însă acest compus, fiecare atom de siliciu este înconjurat tetraedric de patru atomi de oxigen, fiecare atom de oxigen participând și la un tetraedru vecin:
 
structura moleculei de dioxid de carbon
 
În modul acesta rezultă o moleculă uriașă în care fiecare atom de oxigen este legat de doi atomi de siliciu. Ca urmare, compoziția stoechiometrică medie a compusului este SiO2
Dioxidul de siliciu există în trei forme cristaline diferite, fiecare prezentând o modificație de temperatură înaltă (\small \beta) și o modificație de temperatură joasă (\small \alpha):
 
cele trei forme cristaline ale SiO2
 
Cristobalitul are structura diamantului, atomul de siliciu fiind în locul atomului de carbon; în cuarț și tridimit, dispoziția este elicoidală, așa încât se formează izomeri optici. (Izomeria optică este o formă de izomerie în care izomerii sunt identici în compoziție, constituție, masă moleculară, proprietăți chimice și majoritatea proprietăților fizice, deosebindu-se numai după modul în care deviază razele luminii polarizate. Dacă planul de vibrații este rotit la dreapta, substanța se consideră dextrogiră, iar când este rotit la stânga, substanța se consideră levogiră; dacă planul de vibrații nu este afectat, substanța se consideră inactivă). 
 
Transformarea reciprocă a cuarțului, tridimitului și cristobalitului reprezintă modificări în așezarea particulelor componente, ceea ce necesită ruperea și refacerea unor legături. Asemenea transformări necesită deci energii foarte mari și ele se produc foarte lent. Ca o consecință, toate cele trei forme polimorfe ale dioxidului de siliciu se găsesc în natură, cuarțul \small \alpha fiind cel mai stabil la temperatură obișnuită. Celelalte forme sunt metastabile. Transformările reciproce între formele \small \alpha și \small \beta ale fiecărui tip structural se produc fără ruperea legăturilor și deci repede și la temperaturi relativ scăzute. 
 
Dioxidul de siliciu (silicea) este foarte răspândit în natură, atât în formă cristalizată, cât și amorfă. 
 
Cristalizat, dioxidul de siliciu este cel mai răspândit sub formă de cuarț. Cuarțul (numit și cristal de stâncă) este un dioxid de siliciu transparent (reprezentat în figura de mai jos), care se găsește în natură ca atare sau în compoziția unor roci: granit, porfir, micașist, gneis, etc.

cristalul de stanca
Cristalul de stâncă
 
Cuarțul există în cele două forme optice: levogir și dextrogir. El prezintă fenomenul de dublă refracție. Duritatea lui este este 7. 
 
Cuarțul este străbătut de razele ultraviolete (spre deosebire de sticlă, care nu lasă să treacă aceste raze). Din această cauză este folosit la fabricarea tuburilor în lămpile cu mercur pentru raze ultraviolete. Pentru proprietățile sale optice, cuarțul mai este folosit la confecționarea diferitelor instrumente optice, a unor lentile speciale pentru ochelari etc. 
 
Datorită proprietăților lui piezoelectrice (piezoelectricitatea înseamnă dezvoltare de electricitate prin compresiunea lamelor de cuarț), cuarțul este folosit la diverse instrumente electrice. 
 
Prin încălzire peste 1600°C cuarțul începe să se înmoaie, transformându-se într-o pastă care la răcire devine amorfă ca și sticla (sticla de cuarț). Această proprietate permite cuarțului să fie prelucrat, ca și sticla, prin turnare și suflare. 
 
Datorită proprietății sale de a avea un coeficient de dilatare foarte mic, cuarțul se întrebuințează la ustensile de laborator: creuzete, pahare, tuburi, aparate optice etc. 
 
Datorită proprietății sale de a avea un coeficient de dilatare foarte mic, cuarțul se întrebuințează la ustensile de laborator: creuzete, pahar, tuburi, aparate optice etc. 
 
Sub formă de nisip, cuarțul se folosește la prepararea mortarului de var, a cimentului, în industria sticlei și a porțelanurilor; apoi, ca materie primă pentru carborund, ferosiliciu, silicat de sodiu (sticla solubilă) etc. 
 
Dioxidul de siliciu cristalizat poate fi colorat când conține diferiți oxizi metalici. Varietăți de dioxid de siliciu colorat (folosite ca pietre semiprețioase) sunt: ametistul, de culoare albastru-violetă, citrinul, de culoare galbenă; cuarțul fumuriu, brun; morionul, negru ca smoala; aventurina conține foiță de mică astfel încât sclipește, etc. 
 
Dioxidul de siliciu amorf este o pulbere albă care se obține prin deshidratarea gelurilor de silice. În natură există o varietate de dioxid de siliciu hidratat formată din resturi de schelete de diatomee (infuzorii), de unde numele de pământ de infuzorii sau kiselgur. Acesta se prezintă sub formă de pulbere albă-cenușie sau brună și are o mare putere de absorbție. Kiselgurul este folosit ca material izolant termic și izolant acustic, ca adaos la fabricarea săpunului și a hârtiei de împachetat. Din cauza porozității lui mari, kiselgurul se întrebuințează ca material filtrant și la fabricarea dinamitei (când se impregnează cu nitroglicerină), la fabricarea pietrei ponce sintetice, etc. În industria ceramică este folosit, în amestec cu caolinul, la fabricarea faianței. 
 
Tripoli sau pămânțelul este înrudit cu kieselgurul. Se folosește la polizarea și șlefuirea metalelor, a pietrelor, ca adaos de umplutură în compoziția unor săpunuri, a cauciucului etc. 
 
Opalul este o varietate de gel de dioxid de siliciu diferit hidratat. Prin încălzire pierde apa pe care o conține; de aceea, dacă se încălzesc bucățele de opal într-o eprubetă, se aud trosnituri, iar pe pereții eprubetei se depun picături de apă. 
 
Calcedonia este o varietate de dioxid de siliciu, care a pierdut apa de cristalizare; ea poate avea culori diferite din cauza impurităților pe care le conține: agatul este o varietate de calcedonie formată din zone concentrice diferit colorate; onixul are straturi alternative albe și negre; jaspul este colorat galben până la roșu-brun din cauza compușilor de fier; cremenea sau silexul, o varietate de calcedonie care a fost folosită ca piatră de amnar încă din timpurile preistorice, este uneori colorată în negru din cauza cărbunelui conținut. Se folosește la mori cu bile și în ceramică. 
 
Dioxidul de siliciu se comportă ca anhidrida acizilor silicici. El nu reacționează însă direct cu apa, în care este insolubil. Dintre acizi este atacat numai de acidul fluorhidric, cu care formează întâi tetrafluorura de siliciu, SiF4, și, mai departe, acidul hexafluorosilicic, H2SiF6:
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O
SiF4 + 2HF = H2SiF6
Dioxidul de siliciu reacționează cu hidroxizii alcalini; se formează un silicat alcalin (respectiv un metasilicat alcalin):
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
Fiind nevolatil, dioxidul de siliciu înlocuiește anhidridele volatile din sărurile lor. Astfel, prin topire cu carbonat de sodiu se obține silicat de sodiu și dioxid de carbon:
SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2
Prin topire cu cărbune, dioxidul de silicat de siliciu este redus și rezultă carbura de siliciu, SiC. 
 
 
 
Silicații rezultă prin topirea dioxidului de siliciu cu oxizi bazici (sau cu săruri ale unor acizi volatili), la cald. După proporțiile în care au loc aceste combinații, se cunosc un număr mare de silicați. Cei mai simpli sunt metasilicații, MI2SiO3, și ortosilicații, MI4SiO4; ei conțin un mol SiO2 față de un mol, respectiv, doi, de oxid bazic, MI2O:
SiO2 + MI2O = MI2SiO3
SiO2 + 2MI2O = MI4SiO4
Silicații care conțin la un mol MI2O doi sau mai mulți moli SiO2 se numesc disilicați, trisilicați etc. (polisilicați MI2O · nSiO2). 
 
Pentru simplificarea formulelor, compoziția acestor silicați se reprezintă deseori (în mineralogie și în chimia silicaților) sub forma unei combinații de dioxid de siliciu cu oxizi bazici. De exemplu, silicatul de sodiu, Na2SiO3, se poate scrie Na2O·SiO2; nefelinul, Na[AlSiO4], se scrie Na2O·Al2O3·2SiO2 etc. Dacă silicatul conține și apă de cristalizare, aceasta se notează în mod obișnuit. Astfel, formula argilei este: Al2O3·2SiO2·2H2O. 
 
Deși după compoziția lor, silicații derivă de la diferiți acizi silicici, nu se cunosc decât un număr limitat de asemenea acizi liberi. Astfel, în anumite condiții, în soluții apoase poate exista acidul ortosilicic, H4SiO4, dar în concentrație mică; el este foarte nestabil și trece de cele mai multe ori în compuși polimerizați, solizi, insolubili în apă. Asemenea compuși sunt considerați ca rezultați prin condensarea produsă de eliminarea unei molecule de apă între câte două molecule de acid silicic, ceea ce duce la formarea de legături:
 
legaturi in molecula de silicu
De asemenea, ca acizi silicici cu compoziție definită, mai pot fi obținuți acidul metasilicic, H2SiO3, și acidul disilicic, H2Si2O5. Prin acidularea unor soluții de silicați alcalini se formează întâi acid silicic într-o formă monomoleculară, solubilă în apă (acid ortosilicic). Acesta, cu timpul, se condensează treptat cu eliminare de apă, astfel încât la urmă precipită agregate macromoleculare insolubile în apă. Uneori nu are, însă, loc precipitarea, ci se formează soluții coloidale de acid silicic. Acestea sunt foarte stabile. Dacă unei soluții coloidale de acid silicic i se adaugă însă un electrolit, se depune imediat un precipitat gelatinos. De aceea, pentru a păstra soluțiile coloidale de acid silicic trebuie să se îndepărteze din ele electroliții prezenți, ceea ce se poate realiza prin dializă. 
 
Gelurile de silice proaspăt preparate pot conține până la 330 mol H2O la un mol SiO2. Asemenea geluri menținute în aer uscat (sau în exsicator) cu timpul pierd aproape toată apa și se transformă în mase pulverulente. 
 
În gelul de silice, apa este legată fizic. Ca dovadă, la uscarea gelului rămân spații goale, care pot accepta apoi un alt lichid, în volum corespunzător volumului de apă cedat. 
 
Gelurile de silice, mai ales xerogelurile (denumire dată gelurilor uscate), din cauza suprafeței interne foarte mari, au putere de adsorbție similară cărbunelui activ. Ele sunt folosite pentru adsorbția vaporilor la rafinarea lichidelor, drept suport pentru catalizatori, în medicină, etc. 
 
Structura silicaților este foarte complexă. Ea a fost lămurită în mare măsură cu ajutorul studiilor cu raze X. 
 
Atomii de siliciu și de oxigen care alcătuiesc anionii silicaților sunt astfel așezați, încât atomii de oxigen formează un tetraedru în jurul atomului de siliciu (distanța Si-O este de 1,6 Å). Uneori aceste tetraedre, formate din anionul ortosilicat, [SiO4]4-, sunt izolate. De cele mai multe ori, tetraedrele sunt însă asociate între ele în diferite moduri, formând cicluri de 3, 4, 5 unități, lanțuri lungi, benzi plane, rețele tridimensionale. Tetraedrele sunt legate între ele prin intermediul unui atom de oxigen care devine comun la două tetraedre. 
 
Ortosilicați simpli. Unii silicați conțin anioni simpli [SiO4]4-, individuali (figura de mai jos), cationii asociați fiind coordinați cu atomi de oxigen, după numărul de coordinație al cationului. 
 
anionul ortosilicat
Anionul ortosilicat [SiO4]4-
 
De exemplu, la Be2SiO4, cationii sunt înconjurați tetraedric de patru atomi de oxigen; la Mg2SiO4, cationul are numărul de coordinație șase, adică este înconjurat octaedric de șase atomi de oxigen. Legăturile M-O au caracter intermediar, între ionic și covalent. 
 
Anioni neciclici. Unii silicați conțin anioni de silicați condensați, adică formați prin combinarea a două sau mai multe tetraedre SiO4, prin participarea atomilor de oxigen. Cel mai simplu anion condensat este ionul de pirosilicat, [Si2O7]6- (figura de mai jos) care se găsește, de exemplu, în thorveitit, Sc2[Si2O7]. 
 
anionul pirosilicat
Anionul pirosilicat [Si2O7]6-
 
Anionii ciclici. Anionii [Si3O9]6- și [Si6O18]12- au structuri ciclice (figura de mai jos). Anionul [Si3O9]6- se găsește în wolastonit, Ca3[Si3O9]; anionul [Si6O18]12- se întâlnește în beril, Be3Al2[Si6O18]. 
 
anioni ciclici
Anioni ciclici
 
Anioni în lanțuri. Legarea tetraedrelor SiO4 în lanțuri duce la structuri cu compoziția [SiO3]n2-, când lanțurile sunt simple, și la structuri cu compoziția [Si4O11]n6-, când lanțurile sunt duble (cazuri ilustrate în figurile de mai jos). 
 
anion in lanturi simple
Anioni în lanțuri simple


 
anioni in lanturi duble
     Anioni în lanțuri duble

 
Structura [SiO3]n2- este caracteristică piroxenilor (de exemplu enstatit, MgSiO3, sau spodumen, LiAl[SiO3]2, pe când structura [Si4O11]n6- este caracteristică amfibolilor, de exemplu tremolit, Ca2Mg5(Si4O11)2(OH)2. În piroxeni, lanțurile [SiO3]n2- sunt legate în paralel prin cationi, după cum în amfiboli, benzile [Si4O11]n6- sunt legate în paralel prin cationi. 
 
 
Anioni în straturi. Tetraedrele SiO4 se pot uni în rețele bidimensionale dând structuri cu compoziția [Si2O5]n2-. Asemenea structuri se caracterizează prin repetarea unităților ciclice Si6O18:
 
anioni in straturi
Anioni în straturi
 
Trei atomi de oxigen devin participanți la alte tetraedre; numai un singur atom este neparticipant și se comportă ca și cum ar avea o valență liberă. Straturile individuale sunt legate între ele prin forțe electrostatice incluzând cationii prezenți. Aceste forțe sunt slabe în comparație cu forțele din fiecare strat și se exercită la distanțe mai mari. De aceea, mineralele caracterizate prin acest tip de aranjament clivează cu ușurință (de exemplu mica). 
 
Anioni în rețele tridimensionale. Participarea completă a tuturor atomilor de oxigen din tetraedrele SiO4 duce la rețele tridimensionale (spațiale), fiecare atom de siliciu fiind comun la două tetraedre. Acest tip de structură este caracteristică dioxidului de siliciu, formula lui empirică fiind [SiO2]n
 
Uneori, o parte din atomii de siliciu din rețelele tridimensionale sunt înlocuiți cu atomi de aluminiu (care au dimensiuni apropiate). O asemenea înlocuire izomorfă formează rețele (Si,Al)O2 încărcate negativ (sarcina negativă suplimentară se datorează faptului că se mențin cei patru atomi de oxigen, dar aluminiul are numai trei electroni de valență, pe când siliciul are patru electroni). De aceea, pentru menținerea neutralității electrice este necesară prezența unor cationi suplimentari, distribuiți uniform în rețea. 
 
Aluminosilicații cu asemenea structură sunt feldspații, zeoliții, ultramarinele, etc. 
 
Cationii se găsesc răspândiți în scheletul format de anionii de silicați. Repartiția lor în silicați depinde de volumul lor; uneori cationii se pot înlocui fără ca structura de bază a silicaților să se modifice. Este interesant că aluminiul poate avea rol atât de cation Al3+, când este înconjurat de șase (sau chiar cinci) atomi de oxigen, cât și de component structural, în locul siliciului, când este înconjurat de patru atomi de oxigen.
 
Silicații sunt foarte răspândiți în natură, scoarța pământului fiind alcătuită în cea mai mare parte din silicați și dioxid de siliciu. Dintre silicații existenți în natură, majoritatea sunt polisilicați. 
 
Sub acțiunea aerului și a apei rocile fiind supuse unei continue transformări și distrugeri - fenomen cunoscut în general sub numele de dezagregare (degradare) - se sfărâmă mecanic până la dispersare coloidală; concomitent se produce și un proces chimic de hidroliză, a unei părți din silicați, când rezultă geluri. Cel mai ușor se dezagregă feldspatul. Sub acțiunea agenților atmosferici, oxizii alcalini ai feldspatului sunt îndepărtați și astfel, în cele din urmă, rămân silicați de aluminiu hidratați, adică argile. 
 
Când dezagregarea rocilor este și mai înaintată, se descompun și silicații de aluminiu; hidroxidul de aluminiu este dus de ape și rămâne numai componentul silicaților cel mai greu acceptabil, anume SiO2, sub formă de nisip. 
 
Feldspații sunt cele mai răspândite minerale din natură, formând aproape două treimi din scoarța pământului. 
 
În funcție de dimensiunile cationilor se deosebesc două tipuri de feldspați. Un tip este reprezentat caracteristic prin ortoclaz, KAlSi3O8, și celsian, BaAl2Si3O8, iar celălalt tip, prin albit, NaAlSi3O8, și anortit CaAl2Si3O8. În ortoclaz și albit, o pătrime din centrele tetraedrelor sunt ocupate de atomi de aluminiu, pe când în celsian și anortit, înlocuirea este pe jumătate, ceea ce necesită prezența unor cationi cu sarcină mai mare pentru menținerea neutralității electrice. Pentru a ilustra proporția în care atomii de siliciu sunt înlocuiți cu atomi de aluminiu, mineralele mai pot fi formulate în forma K[(AlO2)(SiO2)3], respectiv Ca[(AlO2)2(SiO2)2]. Datorită diferențelor de dimensiuni ale cationilor (K+, Ba2+ sunt mai mari decât Na+, Ca2+), simetria structurală este modificată. 
 
Mica este de asemenea un silicat de aluminiu și de diferite alte elemente; compoziția ei este complicată și variată. De exemplu, muscovitul, o varietate de mică, are o compoziția KAl2[AlSi3O10](OH,F)2, iar biotitul are compoziția K(Mg, Fe)3[(AlSi3O10)](OH,F)2
 
Forțele electrostatic exercitate între ionii pozitivi și straturile negative fac ca mica să fie mai dură decât caolinul și talcul; datorită structurii sale lamelare, care se menține, mica prezintă proprietatea specifică de clivaj. 
 
Argilele sunt mase care în stare yscată sunt pământoase și moi, iar în stare umedă sunt plastice. (Prin plasticitate se înțelege însușirea produsă de o anumită presiune, chiar după îndepărtarea acestei presiuni.)

După natura rocii din care au rezultat, argilele au o compoziție foarte diferită; în afară de componentele principale: Al2O3, SiO2 și H2O, argilele folosite în ceramică mai conțin și minerale dispersate coloidal, care au fost duse împreună de apă și apoi depuse. Cea mai obișnuită argilă (lutul sau argila ferugionasă) conține oxizi de fier. Culoarea ei variază între galben și roșu. Se întrebuințează foarte mult pentru fabricarea cărămizilor și a oalelor obișnuite. Când argila este amestecată cu piatră de var și nisip se numește marnă
 
Argilele au o structură microcristalină; ele pot reține apă și săruri în spațiile rețelelor cristaline, formând rezervele din care plantele își iau din sol cea mai mare parte din hrana lor. 
 
Argilele nu au un punct de topire definit; prin încălzire ele se înmoaie. După ardere, apa nu mai are nicio acțiune asupra lor. Argilele sunt greu atacate de acizi și baze. 
 
Caolinul este un silicat de aluminiu hidratat, rezultat din feldspați. Caolinizarea este un proces chimic, care poate fi redat în esență prin reacția:
2KAlSiO3O8 + 7H2O = Al2[Si2O5](OH)4 + 4H2SiO3 + 2KOH
     feldspat                             caolin
Caolinul este alb și are o plasticitate mai redusă decât a argilelor. El este materia primă pentru fabricarea porțelanului. 
 
Caolinul conține drept component principal caolinitul, o combinație cristalină cu compoziția Al2O3·2SiO2·2H2O, adică: Al2[Si2O5](OH)4. El este alcătuit din straturi neutre din punct de vedere electric, care pot aluneca cu ușurință unele peste altele, în diferite plane, ceea ce imprimă mineralului caracteristicile de clivaj și impresia de unsoare la pipăit. 
 
Prin încălzire sub presiune, în mediu slab alcalin, caolinul se transformă în montmorilonit, Al2[Si4O10](OH)2 · 2H2O sau Al[Si2O5](OH) · xH2O. Acesta are structură lamelară ca și caolinul. În natură, montmorilonitul apare sub formă de component principal al bentonitei. El are multe întrebuințări industriale, de exemplu la prepararea catalizatorilor pentru obținerea benzinelor cu cifră octanică mare. Bentonita este folosită ca umplutură la unele săpunuri, ca stabilizator de suspensii, ca mediu filtrant, etc. 
 
În laborator și în tehnică, silicații se prepară prin topirea dioxidului de siliciu cu oxizi bazici, respectiv carbonați, în raporturi de masă bine stabilite. 
 
Numai silicații alcalini sunt solubili în apă; soluțiile apoase ale silicaților alcalini, din cauza hidrolizei, au reacție puternic bazică. Mulți silicați, practic insolubili în apă, sunt solubilizați de acizi tari; în special acidul fluorhidric atacă silicații. 
 
Silicații greu solubili pot fi trecuți în silicați solubili prin topire cu carbonat de sodiu (topire alcalină):
MgSiO3 + Na2CO3 = MgCO3 + Na2SiO3
Aceasta este metoda curentă în laborator și tehnică pentru a solubiliza silicații greu solubili. 
 
Silicații au importanță deosebită în tehnică.
 
Zeoliții sunt aluminosilicați de sodiu hidratați, cristalini, naturali, alcătuiți din rețele [(Al,Si)O2]n; în comparație cu feldspații, structura rețelelor zeoliților este mai puțin compactă. Caracteristic acestor aluminosilicați este capacitatea de a schimba cationii lor cu alți cationi (de exemplu Ca2+, Mg2+) din soluțiile sărurilor cu care vin în contact. Astfel, dacă un zeolit având cationul A+ este introdus într-o soluție care conține un cation B+, se stabilește o distribuție la echilibru a fiecărui cation între zeolit și faza apoasă; această distribuție la echilibru se realizează foarte repede datorită structurii poroase a zeolitului, care permite trecerea rapidă a ionilor în și din zeolit. Proprietățile de schimb reversibil au făcut ca zeoliții să fie folosiți pentru dedurizarea apelor și pentru separări de ioni. Zeoliții au fost primii schimbători de ioni descoperiți. Ulterior s-au preparat și pe cale de sinteză. 
 
Prin topirea cuarțului cu caolin și carbonat de sodiu rezultă mase poroase, care au proprietatea mai accentuată decât aluminosilicații naturali de a-și schimba ionii de Na+ cu cantități echivalente de ioni de Ca2+ sau Mg2+, de unde și numele lor de permutiți (de la “permutare”). 
 
Reacțiile de schimb sunt reversibile:
Al2O3·2SiO2·Na2O + Ca2+ ⇄ Al2O3·2SiO2·CaO + 2Na+
De aceea, pentru regenerare, permutiții sunt tratați cu o soluție de clorură de sodiu. Sunt folosiți pentru dedurizarea apelor industriale. 
 
Puterea de schimb a permutiților se datorează faptului că ionii alcalini nu ocupă poziții fixe în rețeaua cristalină. (Tetraedrele de SiO4 și AlO4 sunt dispuse într-un sistem inelar. În interiorul canalelor formate se găsesc ionii alcalini, respectiv cei alcalino-pământoși care, neocupând poziții fixe, se pot schimba ușor între ei.)
 
O utilizare recentă a zeoliților și permutiților se bazează pe proprietatea lor de adsorbanți selectivi. Dacă gelul de aluminosilicat de sodiu, cu compoziția Na12[(AlO2)12(SiO2)12]·27H2O este încălzit la 350°C, sub vid, apa de hidratare se îndepărtează și rezultă o substanță cristalină cu simetrie cubică, în care tetraedrele AlO4 și SiO4 sunt astfel legate între ele, încât formează cavități de anumite dimensiuni începând de la 2 Å. Aceste cavități, care în stare hidratată sunt ocupate cu molecule de apă, în stare anhidră pot fi ocupate de diferite molecule cu care zeolitul vine în contact, în special cu moleculele ale căror dimensiuni sunt foarte apropiate de cele ale cavităților. Aceste molecule sunt menținute în cavități prin forțe de atracție de tip electrostatic și van der Waals. 
 
Zeoliții sunt capabili să absoarbă și să rețină numai moleculele având astfel de dimensiuni, încât tocmai să intre în cavități. Prin această adsorbție selectivă zeoliții se comportă ca adevărate site, de unde și numele ce li s-a dat de site moleculare
 
Sticla solubilă se obține prin topirea la temperatură înaltă a nisipului de cuarț cu carbonat de sodiu sau de potasiu (în raport de 1 mol oxid alcalin la 3-5 mol SiO2); prin urmare, sticla solubilă este un silicat de sodiu sau de potasiu. Are aspectul sticlei, însă este solubilă în apă, de unde și numele de sticlă solubilă. Se prezintă în bulgări de culoare albastră - când este silicat de potasiu, și incoloră - când este silicat de sodiu. 
 
Sticla solubilă are întrebuințări ca liant într-un chit special, necesar în industria chimică, sau ca liant pentru praful de șamotă cu care se căptușesc cuptoarele pentru fabricarea oțelului, apoi la fabricarea unor calități de hârtie pentru încleiere, etc. Deoarece nu arde, se utilizează pentru impregnarea diferitelor obiecte, pentru a fi apărate contra focului (de obicei se impregnează lemnul, diferite țesături expuse pericolului incendiilor. În industria alimentară se folosește la conservarea ouălor (silicatul de sodiu astupă porii cojii oului, formând un înveliș impermeabil). 
 
Sticla este un amestec de dioxid de siliciu cu silicați ai diferitelor metale. Neavând o compoziție chimică unitară, sticla nu are un punct de topire definit; devine lichidă pe la 1400°C. Înainte de a deveni lichidă, se înmoaie trecând prin toate gradele de vâscozitate, ceea ce îi permite să fie prelucrată prin suflare, presare sau turnare. Prin răcire se solidifică treptat într-o masă amorfă dură și transparentă. 
 
Sticla este formată din rețele neregulate care nu prezintă simetrie. Numai în domenii restrânse se pot deosebi anumite grupe de atomi, ca de exemplu, tetraedrele de SiO4; acestea sunt legate între ele prin vârfuri, ca și la combinațiile cristaline, însă așezarea lor fiind neregulată nu rezultă o rețea ordonată ca la cristale. 
 
Proprietățile fizice ale sticlei sunt în funcție de compoziția ei. O sticlă bogată în dioxid de siliciu se topește mai greu și este mai rezistentă față de agenți chimici. Componentele bazice scad rezistența ei față de agenții chimici; de aceea, sticlele bogate în alcalii sunt atacate de apă la fierbere. 
 
Alcaliile atacă sticla obișnuită mai ușor decât apa; în schimb, acizii o atacă mai greu. Acidul fluorhidric reacționează cu sticla. 
 
Deoarece nu conduce curentul electric, sticla este un bun izolator; cu creșterea temperaturii, însă, crește conductibilitatea electrică, iar în stare topită, sticla conduce curentul electric ca un electrolit. 
 
O proprietate a sticlei, de care trebuie să se țină seama, este sensibilitatea ei față de schimbările de temperatură. La răcirea obiectelor de sticlă, suprafața se contractă mai repede decât miezul, din care cauză o sticlă încălzită la temperatură înaltă și răcită brusc prezintă tensiuni care duc la sfărâmarea sticlei. Astfel, tensiunile într-o picătură de sticlă topită și răcită brusc în apă sunt atât de mari, încât numai o zgârietură a suprafeței sticlei duce la pulverizarea întregii mase. De aceea, obiectele de sticlă presate sau turnate trebuie răcite foarte încet ăn camere de răcire. 
 
Sticla obișnuită are compoziția Na2O·CaO·6SiO2. Ea se fabrică prin topirea în cuptor a nisipului de cuarț cu piatră de var și sodă calcinată; rezultă silicatul de sodiu și silicatul de calciu:
Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2
CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2
Sticla cu această compoziție se folosește pentru geamuri, borcane, sticle de vin, etc. 
 
Dacă la fabricarea sticlei se înlocuiește carbonatul de sodiu cu carbonat de potasiu, sticla obținută este mai rezistentă și se topește la temperatură mai înaltă. Asemenea sticlă se folosește pentru vase de laborator, tuburi pentru combustii la analiza elementară organică, etc. Dacă și calciul este înlocuit cu plumb, sticla respectivă capătă bune proprietăți de refracție optică, precum și o densitate mare. O asemenea sticlă este cristalul, folosit pentru obiecte de artă. Sticle bogate în plumb mai sunt flintul, folosit îndeosebi pentru instrumente optice, și strasul, cu putere mare de refracție, folosit pentru podoabe (imitații de diamante). 
 
Unele sticle conțin și cantități mici de oxid de aluminiu sau de oxid de bor, cum sunt sticlele “Jena”, “Duran”, “Pyrex” și altele, caracterizate printr-o mare rezistență la variațiile de temperatură. 
 
Prin adăugare de anumiți oxizi, care formează silicați colorați, se obțin sticle colorate; de exemplu, prin adăugarea de oxid de cobalt, sticla devine albastră; oxidul de crom o face verde, oxidul cupros roșie, dioxidul de mangan violetă, sulfatul de cadmiu galbenă etc. 
 
Glazurile sunt amestecuri în care predomină dioxidul de siliciu, oxizi de plumb, borax și diferiți alți oxizi, fiind asemănătoare cu cele întrebuințate la fabricarea sticlei colorate. În general, glazurile se aplică pe obiecte după ce au fost arse; acestea se ard din nou pentru topirea glazurii depuse pe suprafața obiectelor de care aderă. 
 
Emailul este o glazură opacă. Opacizarea se realizarea prin adăugarea de anumite substanțe ca: dioxid de staniu, fluoruri, fosfați etc. Emailul trebuie să fie antiacid, pentru că se aplică pe obiecte de metal. El este sensibil la diferențe mari de temperatură sau lovituri mecanice. Vasele emailate sunt foarte mult întrebuințate în industria chimică și în instalațiile sanitare. 
 
Produse ceramice. Obiectele obținute din amestecuri naturale sau preparate din argilă, caolin și alte substanțe se numesc produse ceramice. Proprietatea importantă a acestor substanțe ca materii prime pentru industria ceramică este plasticitatea. 
 
Produsele ceramice la ardere formează două faze, una solidă și alta lichidă; diferitele categorii de produse ceramice se disting prin proporția celor două faze. 
 
Porțelanul era cunoscut de chinezi încă din secolul al VI-lea. Abia în secolul al XVI-lea fabricarea porțelanului a apărut în Europa. 
 
Materiile prime necesare fabricării porțelanului sunt: caolinul (50%), cuarțul (25%) și feldspatul (25%). Amestecul este tratat fie cu o cantitate mică de apă, care îl transformă într-o masă plastică ce se prelucrează, fie cu un adaos de carbonat de sodiu, care îl face fluid, astfel încât poate fi turnat în forme de ghips în care se solidifică. După uscare, se arde la circa 900°C. După prima ardere, obiectul trebuie acoperit cu smalț: apoi se arde din nou la 1400-1500°C. Temperatura fiind foarte înaltă, masa devine transparentă. Uneori este suficientă numai o singură ardere. 
 
Porțelanul este dur, are aspect alb lăptos și un sunet clar la lovire. Nu este atacat de acizi, cu excepția acidului fluorhidric, dar este atacat de topituri alcaline. De fapt, el este o sticlă de silicați în care sunt fin repartizate cristale nedizolvate de cuarț și de silicați de aluminiu. 
 
Din porțelan se confecționează obiecte casnice și de artă, ustensile de laborator și piese izolante pentru industria electrotehnică. 
 
Faianța se fabrică din caolin, feldspat și nisip. Pasta se modelează în forme de ghips (care absoarbe apa); plăcile de faianță se confecționează prin presarea pastei. Obiectele de faianță ies din prima ardere poroase (sunt numite biscuit). Ele se smălțuiesc printr-o nouă ardere în cuptoare apeciale, la o temperatură de peste 1000°C. 
 
Din faianță se confecționează plăci, farfurii, castroane, căni, cuvete, instalații sanitare etc. 
 
Gresia este o ceramică colorată de obicei în cenușiu-cafeniu din cauza impurităților, mai ales de fier. Uneori este acoperită cu glazură formată din silicat dublu de sodiu rezultat în urma pulverizării obiectelor în cuptor, cu clorură de sodiu. Fiind rezistentă față de agenți chimici se întrebuințează pentru confecționarea vaselor, a tuburilor de condensare și conductelor pentru acizi, a vaselor pentru galvanizare, rezervoarelor pentru produse chimice etc. Se folosește și pentru plăci de pardoseli, podoabe de perete, vase de interior și altele. 
 
Majolica și teracota sunt fabricate din argilă de calitate inferioară; ele sunt brune-roșii din cauza oxidului de fier pe care-l conțin. Se pot smălțui ca și celelalte produse ceramice. 
 
Cărămida și țigla se fabrică din pământ argilos și puțin nisip, calitatea lor putând fi îmbunătățită prin adăugarea de cocs, alumină, etc. Amestecul se frământă cu apă; pasta obținută se toarnă în forme și se pune la uscat, fie la aer liber, fie în uscătorii artificiale. Apoi se arde la circa 800°C. Țiglele se pot smălțui cu diferite culori. 
 
Olăriile (străchini, castroane, ulcioare, căni, etc.) se fac dintr-un amestec de argilă feruginoasă, feldspat, nisip, etc. Ele sunt uneori smălțuite cu oxid de plumb, nisip și diferiți coloranți. Pentru ca plumbul să nu treacă în alimente, aceste vase trebuie spălate cu oțet înainte de a fi întrebuințate. (Urmele de plumb se transformă în acetat de plumb, care este solubil). 
 
Cimentul. Dacă se arde un amestec de piatră de var și argilă, rezultă o masă granulată - clincherul - care apoi se macină foarte fin. Produsul rezultat este cunoscut sub numele de ciment portland. El conține în medie 63% CaO, 1,5% MgO, 0,5% alcalii, 21% SiO2, 7% Al2O3, 3% Fe2O3, restul de 3% fiind alcătuit din anionii SO42-, CO32- etc. Arderea clincherului se efectuează în cuptoare în cuptoare rotative (figura de mai jos) la circa 1400°C. 
 
instalatie pentru fabricarea cimentului
Schema instalației pentru fabricarea cimentului:
1 - intrarea materiilor prime; 2 - ieșirea clinchetului din cuptor; 3 - ieșirea clincherului din cuptorul ajutător; 4 - intrarea combustibilului; 5 - ieșirea gazelor arse; 6 - intrarea aerului de răcire.
 
Formarea cimentului se explică prin faptul că, în timpul calcinării, piatra de var se descompune, iar argila se deshitratează; componentele bazice (ale calcarului) se combină cu componentele acide (ale argilei), formând silicați, aluminați și feriți de calciu. 
 
Cimentul amestecat cu apă formează o pastă care se întărește în câteva ore. Această întărire se numește priza cimentului. 
 
Priza cimentului este cauzată de transformarea de către apă a silicatului bicalcic, Ca2SiO4 în silicat monocalcic, CaSiO3, și hidroxid de calciu (concomitent are loc și descompunerea aluminaților și feriților). Cu timpul, hidroxidul de calciu trece în carbonat. Un rol important la priza cimentului are și formarea unei combinații cu compoziția 2CaO·SiO2·H2O. O parte din produsele de descompunere și transformare se separă sub formă de cristale microscopice, care imprimă masei de ciment o anumită rigiditate; celelalte produse de descompunere se transformă în silicați de calciu în stare coloidală, care asigură coeziunea și impermeabilitatea cimentului. 
 
În afară de cimentul portland, se mai fabrică și alte varietăți de ciment:
  • Cimentul de zgură este un ciment portland cu un adaos de zgură (de la cuptoare înalte). Compoziția sa chimică medie este următoarea: 26% SiO2, 14% Al2O3, 56% CaO, 2,5% MgO, 1,5% Fe2O3
  • Cimentul aluminos se obține prin încălzirea aproape de topire a unui amestec de bauxită și piatră de var. Compoziția chimică medie a unui ciment aluminos este: 10% SiO2, 40% Al2O3, 10% Fe2O3, 40% CaO. Acest ciment este mai bogat în Al2O3 și are caracteristica de a rezista mai bine la apă de mare sau la alte lichide care alterează cimentul portland. 
  • Cimentul roman a fost obținut inițial prin arderea unor pietre de var cu o cantitate mică de argilă. 
Cimentul se folosește în general pentru orice fel de lucrări de construcție, fie singur, fie sub formă de beton. 
 
Betonul se obține amestecând ciment, nisip, piatră de râu (de dimensiuni diferite) și apă. Proporțiile necesare amestecului sunt variabile, după scopul la care betonul trebuie să servească. Betonul turnat peste un schelet de oțel (format din bare de oțel) constituie betonul armat, forma superioară a construcțiilor moderne. Cele mai mari cantități de ciment se folosesc mai ales pentru case cu multe etaje, pentru drumuri moderne, baraje mari, pentru centralele hidroelectrice, poduri de beton armat cu deschideri imense, consolidări de terenuri și de sondaje petroliere foarte adânci în terenuri acvifere, diguri, etc. 
 
 
Tetrafluorura de siliciu, SiF4, este un gaz incolor care are miros înțepător și fumegă în aer. Se obține prin tratarea dioxidului de siliciu (cuarțului) cu acid fluorhidric (rezultat prin acțiunea acidului sulfuric asupra fluorinei):
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O;       \small \DeltaH = -360 kcal/mol
Tetrafluorura de siliciu este o combinație stabilă. Apa o hidrolizează cu formare de acid fluorhidric:
SiF4 + 2H2O = SiO2 + 4HF
care poate<

Referințe

Edith Beral, Mihai Zapan: Chimie Anorganică, ediția a 3-a, Editura Tehnică, București, 1963

Navigare în lectii

Cumpara abonament
Plătește cu PayPal

Ajutor
Feedback-ul d-voastră este important pentru noi. Dacă observați vreo neregulă vă rugăm să ne-o semnalați apăsând butonul Trimite Feedback de mai jos.

Despre Lecții-Virtuale.ro

Lecții-Virtuale este o platformă educațională care oferă suport în vederea pregătirii pentru Evaluare Națională și Bacalaureat la Matematică, Fizică și Chimie. Lecțiile noastre sunt alcătuite din filme și exerciții și probleme cu tot cu rezolvări. Platforma noastră este o soluție ideală pentru școala online. Pentru facilitarea activității profesorilor în cadrul ecosistemului GSuite de la Google am implementat butonul Google Classroom. Scopul nostru este să ne concentrăm pe prezentarea noțiunilor și fenomenelor într-o manieră care să stimuleze înțelegerea și nu memorarea mecanică. Ne propunem să facilităm accesul la conținut educațional de calitate mai ales elevilor cu venituri mai modeste care nu își pemit meditații particulare. Sperăm să vă simțiti bine alături de noi și să invățați lucruri folositoare. Hai România!

Newsletter

Abonează-te la Newsletter pentru a fi la curent cu toate ofertele noastre.

Parteneri

EduApps partener Lectii Virtuale UiPath partener Lectii Virtuale CCD Galați partener Lectii Virtuale

2021 © Lecții-virtuale.ro Toate drepturile rezervate
Termeni   Despre   Contact   Confidenţialitate   Cariere Parteneri