Công nghiệp Silicat thành phần hóa học của Thủy tinh, đồ gốm sứ và Xi măng - hóa 11 bài 18

Bài này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về thành phần hóa học của thủy tinh, đồ gốm, xi măng. Biết phương pháp sản xuất các loại vật liệu trên từ nguồn nguyên liệu trong tự nhiên.

A. Thủy tinh

I. Thành phần hóa học và tính chất của thủy tinh

- Thủy tinh loại thông thường dùng làm cửa kính, chai, lọ,... là hỗn hợp của natri silicat, canxi silicat và silic đioxit. Thành phần hóa học gần đúng được viết dưới dạng các oxit: Na₂O.CaO.6SiO₂.

- Khi đun nóng thủy tinh mềm dần rồi mới chảy nên có thể tạo ra những đồ vật và dụng cụ có hình dạng như ý muốn.

- Thủy tinh loại thông thường được sản xuất bằng cách nấu chảy một hỗn hợp gồm cát trắng, đá vôi và sođa ở 1400^oC:

 6SiO₂ + CaCO₃ + Na₂CO₃ → Na₂O.CaO.6SiO₂ + 2CO₂

- Nhiệt độ nóng chảy không xác định do không có cấu trúc tinh thể mà là chất vô định hình.

II. Một số loại thủy tinh

• Thủy tinh kali

- Khi nấu thủy tinh, nếu thay Na₂CO₃ bằng K₂CO₃ thì được thủy tinh kali.

- Có nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ nóng chảy cao hơn.

- Được dùng làm dụng cụ thí nghiệm như chế tạo thấy kính, lăng kính,...

• Thủy tinh pha lê

- Là thủy tinh chứa nhiều chì oxit dễ nóng chảy và trong suốt, được dùng làm đồ pha lê.

• Thủy tinh thạch anh

- Được sản xuất bằng cách nấu chảy silic đioxit tinh khiết.

- Loại thủy tinh này có nhiệt độ hóa mềm cao, có hệ số nở nhiệt rất nhỏ, nên không bị nứt khi nóng lạnh đột ngột.

• Thủy tinh có màu

- Khi cho thêm oxit của một kim loại, thủy tinh sẽ có màu khác, do tạo nên các silicat có màu.

- Ví dụ: crom (III) oxit (Cr₂O₃) cho thủy tinh màu lục, coban oxit (CoO) cho thủy tinh màu xanh nước biển.

B. Gốm

- Gốm là vật liệu được chế tạo chủ yếu từ đất sét và cao lanh.

- Tùy theo công dụng, người ta phân biệt gốm xây dựng, vật liệu chịu lửa, gốm kĩ thuật và gốm dân dụng.

I. Gạch và gói

• Gạch và ngói thuộc loại gốm xây dựng.

• Phối liệu để sản xuất chúng gồm đất sét loại thường và một ít cát, được nhào với nước thành khối dẻo, sau đó tạo hình, sấy khô và nung ở 900 − 1000^oC sẽ được gạch và ngói. Sau khi nung, gạch và ngói thường có màu đỏ do có sắt oxit ở trong đất sét.

* Ngoài ra còn có gạch chịu lửa:

• Gạch chịu lửa thường được dùng để lót lò cao, lò luyện thép, lò nấu thủy tinh,...

• Có hai loại gạch chịu lửa chính: gạch đinat và gạch samôt.

- Phối liệu để sản xuất gạch đinat: 93% − 96% SiO2; 4 − 7% CaO và đất sét; nhiệt độ nung khoảng 1300 − 1400^oC. Gạch đinat chịu được nhiệt độ khoảng 1690 − 1720^oC.

- Phối liệu để chế tạo gạch samôt: bột samôt trộn với đất sét và nước. Sau đó đóng khuôn và sấy khô, nung ở 1300 − 1400^oC.

II. Sành, Sứ, Men

1. Sành

- Sành là vật liệu cứng, gõ kêu, có màu nâu và xám được tạo thành bằng cách nung đất sét ở nhiệt độ khoảng 1200 − 1300^oC.

- Để có độ bóng và lớp bảo vệ không thấm nước, người ta tạo một lớp men mỏng ở mặt ngoài của đồ sành.

2. Sứ

- Sứ là vật liệu cứng, xốp, có màu trắng, gõ kêu.

- Phối liệu để sản xuất sứ gồm cao lanh, fenspat, thạch anh và một số oxit kim loại.

- Đồ sứ được nung hai lần, lần đầu ở 1000^oC, sau đó tráng men và trang trí, lần thứ hai nung ở nhiệt độ cao hơn, khoảng 1400 − 1450^oC.

- Sứ có nhiều loại: sứ dân dụng, sứ kĩ thuật.

- Sứ kĩ thuật được dùng để chế tạo các vật liệu cách điện, tụ điện, buzi đánh lửa, chén chịu nhiệt, dụng cụ thí nghiệm, ...

3. Men

- Thành phần chính giống sứ, nhưng dễ nóng chảy hơn.

- Men được phủ lên bề mặt sản phẩm, sau đó nung lên ở nhiệt độ thích hợp để men biến thành một lớp thủy tinh che kín bề mặt sản phẩm.

C. Xi măng

I. Thành phần hóa học của xi măng

- Xi măng thuộc loại vật liệu kết dính quan trọng trong xây dựng, là chất bột mịn, màu lục xám.

- Thành phần chính của xi măng gồm canxi silicat 3CaO.SiO₂ hoặc 2CaO.SiO₂ và canxi aluminat 3CaO.Al₂O₃.

II. Phương pháp sản xuất xi măng

- Xi măng Pooclăng được sản xuất bằng cách nghiền nhỏ đá vôi, trộn với đất sét có nhiều SiO₂ và một ít quặng sắt bằng phương pháp khô hoặc phương pháp ướt, rồi nung hỗn hợp trong lò quay hoặc lò đứng ở 1400 − 1600^oC.

- Sau khi nung, thu được hỗn hợp màu xám gọi là clanhke.

- Để nguội, rồi nghiền clanhke với thạch cao vàmột số chất phụ gia khác thành bột mịn, sẽ được xi măng.

III. Quá trình đông cứng của xi măng

- Xi măng được trộn với nước thành khối nhão, sau vài giờ sẽ bắt đầu đông cứng lại do sự kết hợp các hợp chất có trong xi măng với nước, tạo nên những tinh thể hiđrat đan xen vào nhau thành khối cứng và bền.

SiO₂.3CaO + 5H₂O → Ca₂SiO₄.H₂O + Ca(OH)₂

Al₂O₃.3CaO + 6H₂O → Ca₃(AlO₃)₂.6H₂O

SiO₂.2CaO + 4H₂O → Ca₂SiO₄.4H₂O

- Hiện nay, trong công nghiệp còn sản xuất các loại xi măng có những tính năng khác nhau như: xi măng chịu axit, xi măng chịu nước biển,...

C. Bài tập vận dụng

* Bài 1 trang 83 SGK Hóa 11: Dựa vào các tính chất nào của thủy tinh để tạo ra những vật dụng có hình dạng khác nhau?

>> Giải bài 1 trang 83 SGK Hóa 11

* Bài 2 trang 83 SGK Hóa 11: Một loại thủy tinh có thành phần là Na₂SiO₃, CaSiO₃ và SiO₂. Viết phương trình hóa học để giải thích việc dùng axit flohđric để khắc chữ lên thủy tinh đó.

>> Giải bài 2 trang 83 SGK Hóa 11

* Bài 3 trang 83 SGK Hóa 11: Một loại thủy tinh thường chứa 13,0% natri oxit; 11,7 % canxi oxit và 75,3% silic đioxit về khối lượng. Thành phần của thủy tinh này được biểu diễn dưới dạng các oxit là:

A. 2Na₂O. CaO. 6SiO₂

B. Na₂O. CaO. 6SiO₂

C. 2Na₂O. 6CaO. SiO₂

D . Na₂O. 6CaO. 6SiO₂

>> Giải bài 3 trang 83 SGK Hóa 11