ВЕЧІР З ХІМІЇ НА ТЕМУ: «СИЛІЦІЙ І ЙОГО СПОЛУКИ»
ПРОГРАМА ВЕЧОРА:
І. Виступ з проведенням дослідів:
1) Історія відкриття силіцію.
2) Поширення сполук силіцію в природі та використання їх народами в різні епохи. (Перші знаряддя з силіціію і яшми, перші прикраси в спорудах Єгипту. Гірський кришталь, його обробка і застосування).
3) Добування силіцію в промисловості і в лабораторії, фізичні і хімічні властивості силіцію, сполуки силіцію і їх застосування, керамічні вироби, застосування силіцію.
II. Вікторина.
III. Демонстрування кінофільму «Фарфор і фаянс».
1. ВИСТУП З ПРОВЕДЕННЯМ ДОСЛІДІВ
1.У чистому вигляді кремній був виділений в 1811 році французькими ученими Жозефом Луї Гей-Люссаком і Луї Жаком Тенаром. У 1825 шведський хімік Йєнс Якоб Берцеліус дією металевого калію на фтористий кремній SiF4 отримав чистий елементарний кремній. Новому елементу було дано назву «силіцій» (від лат. silex — кремінь). Назва «кремній» введена в 1834 році російським хіміком Германом Івановичем Гессом.
2. За поширеністю в природі силіцій займає друге місце серед хімічних елементів (27,6% маси земної кори)[1]. У вільному стані в природі силіцій не зустрічається. Найбільш поширеними його сполуками є діоксид силіцію SiO2 (силікатний ангідрид або кремнезем) і солі силікатної кислоти — силікати, які являють собою основу всіх гірських порід. У невеликих кількостях сполуки силіцію входять також до складу організмів рослин. Бл. 12% літосфери складає кварц SiO2 і його різновиди, а 75% складають різні силікати і алюмосилікати (польові шпати, слюди, амфіболи).Сер. вміст К. (в масових %): в кам. метеоритах 18, ультраосновних гірських породах 19, основних 24, середніх 26, кислих 32,3, глинах 7,3, пісковиках 36,8, карбонатних гірських породах 2,4; у воді океанів 3·10-4%.
Силіцій застосовується головним чином для виробництва різних сплавів. Так, залізо з добавкою 4% силіцію має здатність швидко намагнічуватись і розмагнічуватись. З нього виготовляють електричні трансформатори. Сталь з вмістом 15—20% силіцію є кислотостійкою і йде на виготовлення хімічної апаратури. Сплав міді з 4—5% силіцію застосовується у машинобудуванні. Силіцій широко застосовують як напівпровідниковий матеріал в електронній та радіотехнічній промисловості. Але для цього він повинен бути найвищої чистоти.
Серед штучно одержуваних сполук силіцію, які застосовуються в практиці, слід відмітити карбід силіцію, або карборунд SiC, який одержують прожарюванням в електропечах діоксиду силіцію з надлишком коксу:
Карборунд за своєю твердістю мало в чому поступається перед алмазом, його використовують як абразивний матеріал для виготовлення точильних та шліфувальних кругів, брусків тощо. Технічний Кремній. застосовують як легуючу добавку при виробництві сталей і сплавів кольорових металів, напівпровідниковий Кремній. – в електротехніці й електроніці.
3) В лабораторних умовах кремній добувають з чистого річкового піску і порошку магнію. Пісок необхідно прожарити, промити і висушити.
Дослід. Відважити 1 ваг. ч. піску і 0,7 ваг. ч. порошку магнію. Висипати обидві речовини в фарфорову ступку і добре розтерти. В суху чисту пробірку взяти не більше 2 см3 цієї суміші. Пробірку вертикально закріпити в металевому штативі і нагрівати на пальнику (газовий, бензиновий або спиртівка) доти, поки суміш спалахне. Внаслідок реакцій утворюється аморфний кремній, силіцид магнію Mg2Si і окис магнію:
Si02 + 2Mg = 2MgO + Si ; Si + 2Mg = Mg2Si,
або сумарно:
6Mg + 2Si02 = Si + 4MgO + Mg2Si.
Після охолодження суміші пробірку обережно розбити. Суміш розтерти в фарфоровій ступці і перенести в стакан з соля- ною кислотою (1 : 1). При дії соляної кислоти на силіцид магнію утворюється силан SiH4, який самозаймається на повітрі:
Mg2Si + 4HC1 = SiH4 + 2MgCl2;
SiH4 + 202 = Si02 + 2H20;
MgO + 2HC1 == MgCl2 + H 2O.
Аморфний кремній і кусочки скла залишаються на дні стакана, їх треба добре промити водою, відфільтрувати і використати для наступного досліду. Тут слід підкреслити, що цей дослід використовується для з’ясування суті «чуда» «таємничі або блукаючі вогні».
Фізичні і хімічні властивості кремнію
Дослід. Взаємодія кремнію з розчином лугу. У велику пробірку взяти невелику кількість аморфного кремнію і добавити 2—3 мл40-процентного розчину їдкого лугу (NaOH або КОН). Суміш, нагріта до кипіння, стала прозорою. Відбулося розчинення кремнію з виділенням водню: Si + 2NaOH + H20 = Na2Si03 + 2H2 . Сполуки кремнію, їх властивості і застосування:
а) карборунд;
б) кремнезем, кварц;
в) скло(звичайне,кришталеве,кварцове,кольорове,розчинне).
З розчинним склом проводяться такі досліди:
Дослід. Гідроліз силікату натрію. В пробірку внести 2— З кристалики Na2Si03 і долити 2—3 мл води. Суміш збовтати. До одержаного розчину добавити 1—2 краплі розчину фенолфталеїну. Розчин набув малинового забарвлення. Отже, силікат натрію має лужну реакцію. Для цього можна використати силікатний клей.
Дослід 1. Добування силікатної кислоти. В пробірку налити 2—3 млконцентрованого розчину силікату натрію (беруть однакові об’єми силікатного клею і води) і добавити 4—5 крапель насиченого розчину хлористого амонію. Утворюється білий драглистий осад кремнієвої кислоти, що не виливається з пробірки:
Na2Si03 + 2NH4C1 = (NH4)2Si03 + 2NaCl;
(NH4)2SiО3 + 2H20 = H2SiО3 + 2NH4OH.
Дослід 2. В пробірку налити 2—3 мл розчину силікату натрію і пропустити струмінь вуглекислого газу з апарата Кіппа. Утворюється білий драглистий осад кремнієвої кислоти:
Na2Si03 + С02 + Н20 = H2Si03 + Na2C03.
Дослід. Добування нерозчинних силікатів. В 3 пробірки налити по 1—2 мл розчину силікату натрію. В одну з них добавити розчину хлористого барію, в другу — розчину солі міді, в третю розчину солі цинку. В усіх пробірках випаде осад силікату:
ВаС12 + Na2Si03 = BaSi03 + 2NaCl;
CuS04 + Na2Si03 = CuSi03 + Na2S04;
ZnS04 + Na2SiOs = ZnSi03 + Na2S04.
Керамічні вироби і їх значення для народного господарства:
а) цегла, черепиця, гончарні вироби;
б) фарфор і фаянс.
Цемент, бетон, залізобетон та їх значення для народного господарства.
Особливо підкреслюється роль і значення сполук кремнію в будівельній справі. Наприклад, для будівництва п’ятиповерхового будинку потрібно 70 т цементу, а на будівництво Куйбишевської гідроелектростанції витрачено 6 млн. м3 бетону, Каховської — 2 млн. м3, Кременчуцької—1,5—2 млн. м3 .
Застосування кремнію
Кремній широко використовується для виробництва термостійких, кислотостійких, легованих та інструментальних сталей та різних сплавів (силумін, сплави міді і алюмінію з кремнієм), для виготовлення фотоелементів, випрямлячів струму, напівпровідників та кремнійорганічних сполук, що називаються силіконами.
Серед різноманітних продуктів, що становлять нову групу технологічних матеріалів, є силіконові смоли, каучуки, силіконові рідини, емульсії, мастила, силіконові водостійкі засоби. Всі ці продукти дуже цінні для різних галузей народного господарства і багатьох промислових виробництв.
Основна заслуга в добуванні кремнійорганічних речовин в нашій країні належить К. А. Андріанову.
II. ВІКТОРИНА
1. Який елемент є основою всього мінерального світу нашої
планети?
Кремній становить 27,6% доступної нашому дослідженню земної кори і є головним елементом в царстві мінералів і гірських порід, які майже виключно складаються з сполук кремнію.
2. Хто вперше правильно пояснив будову рубінового скла?
Науково правильне пояснення будови рубінового скла першим дав великий вітчизняний вчений М. В. Ломоносов.
3. Які два елементи разом становлять 3/4 складу земної кори?
Кремній разом з киснем становлять 3/4 складу земної кори.
4. Яке скло добре розчиняється у воді?
З усіх силікатів (солей кремнієвої кислоти) розчинні у воді тільки силікати натрію і калію. Тому вони дістали назву «розчинного скла».
Розчинне скло широко застосовується для виготовлення кислототривкого цементу й бетону, для просочування тканин, для виготовлення вогнезахисних фарб, як клей.
5. Ким сконструйовані машини для виробництва склодроту?
Машини для виробництва склодроту вперше сконструював
робітник-винахідник С. І. Корольов.
6. Яке використання мають тканини із скляних ниток?
Товщина скляної нитки в 20 раз менша товщини людського
волосу, але в багато разів міцніша ніж бавовняні і шерстяні волокна і зафарбовується в любий колір (під час плавлення скла). Скловолокно застосовується, головним чином, як ізоляційний матеріал в хімічній, електрохімічній, авіаційній і інших галузях промисловості. Наприклад, для утеплення та звукоізоляції будівель, для утеплення взуття. Тканина із скла легко чиститься і не псується міллю, не руйнується цвіллю, стійка до кислот.
7. Чим відрізняється скло «пірекс» від звичайного скла?
Скло «пірекс» з підвищеним вмістом кварцу має, порівняно з звичайним склом, велику механічну міцність і стійкість проти різних коливань температури. Із цього скла виготовляють жаростійкі каструлі, сковороди і лабораторний посуд.
8. Коли в Росії був побудований перший завод по вироб
ництву скла?
Перший завод по виробництву скла в Росії було збудовано у 1835 р. Дальший розвиток скляне виробництво набуло при Петрі І. Ще в XVIII ст. М. В. Ломоносов писав: «Пою перед тобой в восторге похвалу. Не камням дорогим, не злату, но стеклу…»
В першій російській хімічній лабораторії, заснованій в Петербурзі в 1748 p., M. В. Ломоносов провів великі дослідження по кольоровому склу і мозаїці. Ним власноручно виконана із мозаїчних каменів велика картина «Полтавська баталія».
9. Хто відкрив фарфор в Росії?
В Росії фарфор вперше був добутий у XVIII ст. хіміком Д. І. Виноградовим, сучасником і другом М. В. Ломоносова.
10. Який склад фаянсу?
Для фаянсових виробів суміш готують із 40—50% глинистих речовин (каолін і глина), 40—50% кварцу і 0—10% польового шпату.
11. Де використовується чотирихлористий кремній?
Чотирихлористий кремній SiCl4 застосовується як димоутворювач. При випаровуванні SiCl4 у вологому повітрі утворюється густий дим.
12. Що таке кераміка?
Кераміка — гончарне мистецтво, вироби з природних глин або сумішей їх з мінеральними і органічними домішками, обпалені до каменеподібного стану.
Термін кераміка охоплює різноманітні вироби: від грубої важкої цегли до легкої і прозорої фарфорової чашки. Кераміка широко застосовується в техніці, мистецтві та побуті.
13. Яка різниця між фаянсом і фарфором?
Основною сировиною для виробництва фаянсу є ті самі матеріали, що і для виробництва фарфору, але в іншому співвідношенні. Фаянс містить порівняно менше польового шпату, ніж фарфорова суміш.
Фарфор — вироби тонкої кераміки, що мають непроникливий для води, білий, дзвінкий, просвічуючий в тонкому шарі черепок без nop.
Фаянс — вироби тонкої кераміки, що мають щільний, дрібнопористий черепок. Фаянсові вироби, як правило, покривають прозорою глазур’ю.
14. Яку роль відіграє кремній в житті рослин і тварин?
Сполуки кремнію входять до складу рослинних і тваринних організмів, де вони потрібні для утворення твердих скелетних частин і тканин. Багато кремнію міститься в таких рослинах, як хвощі, які пишно росли в минулі геологічні епохи, бамбук, який витягується на кілька метрів у висоту. Дрібні
рослини,— діатомові водорості і тварини — радіолярії, кремнієві губки будують свої ніжні скелети з тонких голочок кремнезему.
15. Що таке портландцемент?
Портландцемент — гідравлічна в’яжуча речовина, яка застосовується в будівництві великих споруд, у тому числі й підводних. Наші заводи випускають портландцемент 5 марок: 300, 400, 500, 600, 700. Марка цементу відповідає межі міцності в кгс/см2 при стисненні зразків цементного розчину через 28 діб після виготовлення (ГОСТ10178—62).
Виготовляється портландцемент із 75% вапняку та 25% глини. Встановлено, що він нестійкий у мінералізованих і морських водах.
Російські вчені одержали пуцоланові портландцементи, стійкі до мінералізованих і морських вод.
II. ДЕМОНСТРУВАННЯ КІНОФІЛЬМУ «ФАРФОР І ФАЯНС»
Перед початком вечора учні оглядають виставку, на якій експонуються різні будівельні матеріали, фарфоровий, скляний посуд та вироби із скла, фаянсу; схеми, таблиці, що показують розвиток нашої будівельної промисловості.