- •Ведение
- •1. Строение атома
- •Квантовые числа
- •Принципы распределения электронов в атоме
- •2. Периодический закон д.И. Менделеева
- •Периодические свойства элементов
- •3. Энергетика химических процессов
- •Внутренняя энергия
- •Первое начало термодинамики. Энтальпия
- •Второе начало термодинамики. Энтропия
- •Энергия Гиббса
- •4. Скорость химической реакции
- •5. Химическое равновесие
- •Факторы, влияющие на смещение равновесия
- •6. Растворы
- •Энергетика процесса растворения
- •Растворимость
- •Способы выражения концентрации растворов
- •7. Растворы неэлектролитов
- •Давление пара растворов. Закон Рауля
- •Замерзание и кипение растворов
- •8. Растворы электролитов
- •Степень диссоциации
- •Слабые электролиты. Константа диссоциации
- •Кислоты, основания, соли с точки зрения теории электролитической диссоциации
- •Реакции обмена в растворах электролитов
- •Диссоциация воды. Водородный показатель
- •9. Гидролиз солей
- •10. Окислительно-восстановительные реакции
- •Процесс окисления
- •11. Электродные потенциалы
- •Ряд напряжений металлов
- •Гальванические элементы
- •12. Магний, кальций, жесткость воды
- •Физические и химические свойства
- •Жесткость воды
- •13. Кремний
- •Физические свойства
- •Химические свойства
- •14. Основы химии вяжущих материалов
- •Воздушные вяжущие
- •Гидравлические вяжущие
- •Коррозия цементного камня и бетона
- •Библиографический список
Жесткость воды
Природная вода, содержащая ионы Ca2+ и Mg2+, называется жесткой. Жесткая вода при кипячении образует накипь, в ней не развариваются пищевые продукты; моющие средства не дают пены.
Различают временную (карбонатную) и постоянную (некарбонатную) жесткость. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния Сa(HCO3)2, Mg(HCO3)2; некарбонатная жесткость – хлоридов и сульфатов этих металлов MgCl2, СаСl2; CaSO4, MgSO4. Сумма временной и постоянной жесткости составляют общую жесткость воды.
Жесткость воды выражается числом миллимолей эквивалентов ионов Ca2+ и Mg2+, содержащихся в 1 л воды (ммоль/л). Один миллимоль эквивалентов жесткости отвечает содержанию 20 мг/л ионов Ca2+ или 12 мг/л ионов Mg2+. По значению жесткости воду условно делят на мягкую (до 4 ммоль экв./л), средней жесткости (4 – 8) ммоль экв./л), жесткую (8 – 12 ммоль экв./л) и очень жесткую (более 12 ммоль экв./л)
Удаление жесткости воды осуществляется путем осаждения из раствора ионов Ca2+ и и Mg2+:
1) кипячением: Сa(HCO3)2 –t CaCO3 + CO2 + H2O
Mg(HCO3)2 –t Mg(ОН)2 + 2CO2
2) добавлением известкового молока:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 + 2H2O
3) добавлением соды:
Ca(HCO3)2 + Na2CO3 CaCO3+ 2NaHCO3
CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4
MgCl2 + Na2CO3 MgCO3 + 2NaCl
4) пропусканием через ионнообменную смолу
а) катионный обмен:
2RH + Ca2+ R2Ca + 2H+
б) анионный обмен:
2ROH + SO42- R2SO4 + 2OH-
(где R - сложный органический радикал)
Для удаления временной жесткости используют все четыре способа, а для постоянной - только два последних.
13. Кремний
Второй по распространённости (после кислорода) элемент в земной коре. На его долю приходтся 27% от массы земной коры. В свободном состоянии не встречается. Распространен только в соединениях: в виде диоксида кремния или кремнезема SiO2 и в виде солей кремниевых кислот (силикатов) и алюмосиликатов.
Получают восстановление SiO2 магнием (аморфный кремний) или коксом (кристаллический кремний):
2Mg + SiO2 –t°→ 2MgO + Si
2С + SiO2 –t°→ Si + 2CO
Физические свойства
Кремний существует в двух аллотропных модификациях:
Кристаллический кремний – тёмно-серое вещество с металлическим блеском, обладает большой твёрдостью, хрупок, полупроводник; ρ = 2,4 г/см3, t°пл =1415°C; t°кип = 2680°C. Имеет алмазоподобную структуру (sp3- гибридизация атомов кремния) и образует прочные ковалентные σ-связи. Инертен.
Аморфный кремний – бурый порошок, гигроскопичен, ρ = 2,33 г/см3, более реакционноспособен.
Химические свойства
Типичный неметалл, инертен.
Восстановительные свойства:
1. взаимодействует с кислородом
Si + O2 –t°→ SiO2
2. с фтором (без нагревания)
Si + 2F2 → SiF4
3. с углеродом
Si + C –t°→ SiC(карбид кремния)
В промышленности карбид кремния получают при накаливании смеси песка и кокса в электрической печи и полученный продукт называют карборундом.
SiO2 + 3С = SiC+ 2СО
SiC – карборунд очень твердый и огнеупорный. Из порошка карборунда изготовляются шлифовальные круги, бруски, шлифовальную бумагу. Из него готовят муфели и футировку для различных печей.
4. с кислотами не реагирует, растворяется только в смеси азотной и плавиковой кислот:
3Si + 4HNO3 + 18HF → 3H2[SiF6] + 4NO↑ + 8H2O
5. со щелочами (при нагревании):
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3+ 2H2↑
Окислительные свойства:
с металлами (образуются силициды):
Si + 2Mg –t°→ Mg2Si
При действии соляной кислоты на Mg2Si получается кремневодород (силан), подобный метану:
Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4↑
С кислородом кремний образует оксид SiO2 – кварц, горный хрусталь, аметист, агат, яшма, опал, кремнозём (основная часть песка) – твёрдое, тугоплавкое вещество, t°пл= 1728°C, t°кип= 2590°C. SiO2 является кислотным оксидом, при сплавлении взаимодействует с основными оксидами, щелочами, а также с карбонатами щелочных и щелочноземельных металлов:
SiO2 + CaO → CaSiO3
SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
SiO2 + K2CO3 → K2SiO3 + CO2↑
SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O
3SiF4 + 3H2O = 2H2SiF6 + H2SiO3
Оксиду кремния соответствуют кремниевые кислоты: x·SiO2·yH2O
x = 1, y = 1 H2SiO3 – метакремниевая кислота
x = 1, y = 2 H4SiO4 – ортокремниевая кислота и т.д.
H2SiO3 – очень слабая (слабее угольной), непрочная, в воде малорастворима (образует коллоидный раствор), не имеет кислого вкуса, при нагревании разлагается. Соли кремниевой кислоты называются силикатами. Из силикатов растворимы только соли натрия и калия. Они получаются при сплавлении:
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O; SiO2 + K2CO3 = K2SiO3 + CO2↑
Благодаря внешнему сходству со стеклом и растворимости в воде силикаты натрия и калия называются растворимым стеклом. Растворимое стекло в виде водных растворов называется жидким стеклом.
Силикаты очень распространены в природе (кроме Na и К). К ним принадлежат полевые шпаты, слюды, глины, асбест, тальк и многие другие минералы. Они входят в состав многих горных пород: гранита, гнейса, сланцев. Химический состав природных силикатов выражается сложными формулами и их принято изображать в виде оксидов: пишут отдельно формулы диоксида кремния и всех оксидов, образующих силикат, соединяя их точками: Na2O∙CaO∙6SiO2.
В кристаллических решетках силикатов часть атомов кремния может замещаться атомами алюминия вследствие близости их радиусов. Силикаты, содержащие в своем составе алюминий, называются алюмосиликатами. Самыми важными из них являются полевые шпаты, составляющие около 50% массы земной коры. Основные представители полевых шпатов являются
ортоклаз K2O∙Al2O3∙6SiO2; альбит Na2O∙Al2O3∙6SiO2; анортит CaO∙Al2O3∙2SiO2.
На поверхности Земли минералы и горные породы, соприкасаясь с атмосферой и подвергаясь механическому и химическому действию воды и воздуха, постепенно изменяются и разрушаются. Это разрушение называется выветриванием. Например, разложение ортоклаза выражается уравнением:
K2O∙AL2O3∙6SiO2 + CO2 + nH2O = K2CO3 + 4SiO2∙(n-2)H2O + Al2O3∙2SiO2∙2H2O
каолин
Чистый каолин, составляющий основу различных глин, встречается редко. Он имеет белый цвет и содержит лишь незначительную примесь кварцевого песка. Такой каолин используется для изготовления фарфора. Обычная глина представляет собой смесь каолина с другими глинистыми минералами, окрашивающими ее в желтовато-бурый цвет оксидами железа. Наиболее важными свойствами глин является набухаемость, пластичность и связующая способность. В смеси с определенным количеством воды глины образуют пластическую массу, которая под влиянием механических воздействий может принимать любую форму и сохранять ее при высыхании, а после обжига приобретать свойства камня. Глины находят широкое применение в строительстве. Они используются в качестве строительного материала в сыром виде или после обжига при высоких температурах – в виде красного строительного кирпича, черепицы, облицовочной плитки и т.д.