Урок по теме: "Силикатная промышленность"
методическая разработка по химии (9 класс) на тему

Тема урока: «Силикатная промышленность», 9 класс.

Автор урока: учитель химии МБОУ лицей №4 Шевченко Алла Вячеславовна.

Тип урока: комбинированный (КУ).

Цели урока: сформировать у учащихся представление об отраслях силикатной промышленности, познакомить с областями применения ее продукции; продемонстрировать красоту творческого труда; показать возможность использования продукции силикатной промышленности в архитектуре и изобразительном искусстве; расширить кругозор учащихся, а также метапредметные связи химии с литературой,  историей,  географией,  физикой; создать базу для ориентации  учащихся в мире современных профессий,  вооружить знаниями, необходимыми в повседневной жизни (многие вещества, о которых будет идти речь, имеют большое прикладное  значение).

Оборудование: компьютер,  мультимедиапроектор,  экран,  выставка изделий из керамики, фарфора  различных марок, фаянса, стекла,  хрусталя, образцы цемента, глины, кварцевого песка,  соды, известняка, коллекция «Cтекло», иллюстрации витражей, строений из бетона и железобетона; карта России; микроскоп, калейдоскоп, бинокль, фотоаппарат.

При проведении урока используются иллюстрационные слайды, созданные в рамках системы  Power Point  2007.

Здоровье сберегающие технологии: проветривание, физкультминутка, разнообразные формы ведения урока.

    Учитель заранее сообщила учащимся тему предстоящего урока и предложила тематику для рефератов, докладов, видеослайдов.

                                             Ход урока.

В начале урока учитель предлагает учащимся несколько загадок.

   Лепят разные вещицы (глина мягче пластилина), обжигают,  чтобы  сделать  ее «каменной», и из глины получается….

                                       (керамика)

                                                 Такова моя природа:

                                                 Известняк,  песок и сода

                                                 Много требуют огня,

                                                 Чтобы  выплавить меня.

                                                 Я прозрачно и светло

                                                 И зовут меня….

                                       (стекло)

                                                 Я - серый порошок,

                                                  Пока мой дом – мешок.

                                                  Но  лишь напьюсь воды - в момент

                                                  Окаменею. Я - ….

                                                   (цемент)

           По  мере  отгадывания  загадок  учитель прикрепляет к доске таблички: « Керамика », «Стекло», «Цемент».

 Что объединяет все эти продукты? ( В их состав входят соединения кремния).

  Учитель сообщает, что все производства, основанные на переработке природных или искусственно полученных силикатов, относятся  к силикатной промышленности, и предлагает учащимся направиться в удивительную страну с таким названием. А помогут им в этом путешествии различные специалисты: химики, историки, технологи, географы , консультанты  службы  занятости.

      На столах учащихся стоят карточки с названиями этих профессий. Имеются  также

дополнительная литература, географические карты, коллекция «Стекло».

      Учащиеся готовят сообщения. Химики – о химических процессах, протекающих при производстве керамики, стекла, цемента. Технологи – о технологии процессов производства; историки – об истории создания  керамики, стекла, цемента; консультанты службы занятости – о профессиях в каждой отрасли силикатной промышленности. Географы должны указать на карте города и селения, в названиях которых есть слова «стекло»,  «керамика», «глина », «цемент» или их производные, а также населенные пункты, где имеются предприятия силикатной промышленности.

  Учащиеся, сидящие в первом ряду, знакомят одноклассников с производством керамики, во втором – стекла, в третьем – цемента.

 Керамика. Глиняные изделия известны и широко используются уже 7000 лет. Едва научившись ходить, ребенок получал как самую веселую забаву глиняную свистульку. В сенокосную пору не было ничего приятнее, как испить из кувшина- квасника прохладный  напиток.

  Керамические материалы можно назвать старожилами среди веществ, изготавливаемых  людьми для своих нужд. Тем не менее им и в будущем отводится роль, так как по своим основным свойствам (твердость, химическая стойкость, высокая износоустойчивость, термостойкость) они отвечают самым высоким требованиям. В настоящее  время из керамических масс производится не менее 60 тыс. изделий – от ферритовых сердечников с булавочную головку до гигантских (высотой с дом) изоляторов для установок высокого напряжения.

     Широко применяется кирпич разных видов: крупноформатные кирпичные блоки, пористый и пустотелый кирпич, отличающийся хорошими теплоизоляционными свойствами, закаленный кирпич. Правда, себестоимость кирпича почти на 40 % выше, чем силикатного бетона.

  Из фарфора и фаянса создают красивые и яркие сервизы, чашки, тарелки, статуэтки, вазы, игрушки. Крупный центр художественной керамики – село Гжель под Москвой.

  Фаянс отличается от фарфора более высокой пористостью, водопоглощением. Фаянс обжигают при более низкой температуре, чем фарфор.

  Фарфорист – одна из старейших профессий в России. Так называют себя люди, делающие фарфор. Слово «фарфор» персидского происхождения, оно обозначает керамические изделия из особого материала. А первые фарфоровые изделия появились в Китае.

                                                В городах далеких Шао Линь

                                                Копали глину – каолин.

                                                Из этой глины с давних пор

                                                В Китае делали….

                                                                        (фарфор)

  В России состав фарфоровой массы был разработан Д.И. Виноградовым в 1747 г. С тех пор появился у нас фарфор – покрытый глазурью и неглазурованный, или, как его называют, бисквит. Одна из главных профессий в производстве фарфора – точильщик фарфора. Ему предшествует работа другого мастера – скульптора по фарфору, в старину его называли лепщиком. Другие делают роспись по фарфору. Здесь имеет значение каждый  завиток. Крытельщицы покрывают готовую продукцию краской, которая становится фоном для рисунка. Граверы, вооруженные лупами, вырезают рисунки. Форматор находит способы изготовления изделий без брака.

   Стекло. « Мир вокруг нас – громадная экспозиция областей применения текла».  (М.В.Артамонов). Глубоко звучит керамика, в ней  свой секрет. Музыка стекла вся на виду, особенно музыка хрусталя – она самая звонкая.

  Изделия из стекла известны 5000 лет. История изобретения этого ценнейшего продукта  человеческой цивилизации уходит корнями в незапамятное прошлое. Она была овеяна легендами уже во времена Плиния – государственного деятеля Древнего Рима (начало нашей эры). « В Финикии есть река,- писал он,- содержащая вблизи своего устья блестящий песок. Этот песок в течение столетий служил материалом для производства стекла. Согласно легенде однажды там пристал груженный содой корабль. Люди варили на берегу еду и грели котлы на кусках соды. В жару последние должны были сплавиться в прозрачную массу. Так было изобретено стекло».

    В России стекло известно давно. Большое влияние на развитие стеклоделия и совершенствование научных основ и технологии производства стекла оказал М.В. Ломоносов, получивший в 1752 г. ссуду для «делания изобретенных им разноцветных стекол и из них бисеру, принизок и стеклярусу и всяких других галантерейных вещей и уборов». Завод в Гусь - Хрустальном  - один из старейших в России.

  В наше время производится свыше 30 тыс. самых разнообразных изделий из стекла. Стекло может,  например, обернуться тончайшей шелковистой нитью, которая произвела полный переворот в телевизионной,  фото – и кинотехнике.

  Стекловар и выдувальщик – это редкостные профессии, их работа – настоящее искусство. Стекловар должен хорошо знать режим варки стекла, технологию, происходящие в стекломассе химические реакции. Самый интересный цех тот, где работают выдувальщики.

  В стеклоделии есть свои направления, тенденции, своя мода. Они зависят не только от стеклодувов, но и от обработчиков стекла – алмазчиков, граверов, шлифовальщиков, полировщиков. Но скульптором остается выдувальщик. Настоящий мастер не приемлет моду на прессованный хрусталь. Во всех каталогах мира, несмотря на веяния моды, остается особым образом обработанный хрусталь, известный как « русский камень»,- речь идет о рисунке, напоминающем бриллиантовую огранку.

   Цемент. Этот «хлеб строительства» был известен еще древним римлянам,  которые получали его из вулканического пепла и жженой извести. В настоящее время главнейшим видом цемента является портландский цемент, который  получается  сильным прокаливанием  смеси известняка и глины. Мощные залежи цементного камня находятся на Черноморском побережье Кавказа от  Новороссийска до Сочи. Но в основном цемент получают из искусственной смеси глины и известняка.

  Цемент – самая важная и самая дорогая часть бетона, который является лидером среди всех силикатных материалов, как и вообще среди всех массовых химических продуктов.

  Процесс обжига сырья производит машинист вращающихся печей (обжигальщик). Он разжигает печи, доводит их до нормального режима, следит за работой автоматических устройств, по показаниям приборов и данным лабораторных анализов контролирует количество и качество продукции.

По ходу урока каждый учащийся заполняет таблицу.

Силикатная промышленность

В заполненном  виде таблица приводится в приложение № 1.

Сообщения учащихся сопровождаются компьютерной презентацией темы с использованием мультимедиапроектора; знакомством с выставкой произведений искусства, связанных с темой урока, произведений народного творчества (например, дымковской глиняной игрушкой). Заранее подготовившиеся  учащиеся декламируют  стихи  (отрывки   из  поэмы  М. В. Ломоносова   « письмо о пользе стекла»).

                                    Под долговременном теченьи наших дней

                                    Тупеет зрение ослабленных очей.

                                     …Одно лишь нам Стекло в сей бедности отрада.

                                     Оно способствием  искусныя руки

                                        Подать нам зрение умеет через очки!

*   *   *

                                        Во зрительных трубах Стекло является нам,

                                        Колико дал Творец пространство небесам.

*   *   *

                                        Коль много Микроскоп нам тайностей открыл,

                                        Невидимых частиц и тонких в теле жил!

    Рассказывая  о стекле, учащиеся знакомят одноклассников с коллекцией «Стекло», устройством микроскопа, используют калейдоскоп для демонстрации стекол различного цвета, говорят о М. В. Ломоносове, возродившем в России древнее искусство мозаики из  цветного стекла, демонстрируют слайды с мозаикой.

   В конце урока учитель подводит его итог, оценивает деятельность класса в целом, отмечает  лучшие  ответы (сообщения, доклады, рефераты), большинство учащихся получают отметку за работу на уроке; учитель благодарит учащихся за урок и предлагает домашнее задание используя Интернет – ресурсы, найти ответы на вопросы по изученной теме  (вопросы и ответы на них приводятся в приложении №2).

ПРИЛОЖЕНИЕ    № 1.

Сообщения учащихся, их  рефераты и доклады, таблицы, рисунки.

1. КЕРАМИКА.

« Классификация керамик ».

1-й учащийся:

   Керамика- это общее значение многочисленных материалов, полученных при спекании глин с различными минеральными добавками. Керамические материалы – это и кирпич, и кафель и древнегреческие амфоры, и изоляторы для ЛЭП ,  и черепица, и дренажные турбины, и многое, многое другое.

   Состав химически чистой глины,  или  каолинита,  выражается  формулой

AI2O3 * 2SiO2 * 2HO .

    Глины представляют собой главным образом смесь каолинита со многими другими веществами. Глина, которая идет для изготовления кирпичей, содержит много железа. Эти соединения и придают кирпичам их специфическую красную окраску.

    Влажная глина мягка и пластична; ей легко можно придать любую форму. После высушивания глина становится твердой, но от воды снова размягчается. Если глину обжечь при высокой температуре, то получается масса, которая уже не способна размягчаться в воде. Этим и пользуются в производстве.

  2-й учащийся:

   В древнем мире керамические изделия были  распространены  по всей территории Земли.

Со второй половины ХIХ в. и до настоящего времени индустриальная керамическая  про-

мышленность неизмеримо расширила выпуск и ассортимент керамики.

   Универсальную классификацию керамик создать трудно, но можно выделить следующие типы.

1. Благодаря  экономичности  производства,  высоким  физико – механическим и художественно – декоративным  качествам  керамические  материалы  широко  используются как строительные и декоративные. Это кирпич; пустотелые блоки для стен, перегородок, перекрытий, облицовочные плитки; изразцы; терракотовые и майоликовые детали в архитектуре; канализационные и дренажные трубы.
2. Огнеупорная керамика используется в производстве металлов, цемента, стекла, для кладки высокотемпературных печей, футеровки их внутренней поверхности.
3. Химически стойкие керамики заменяют или защищают металлы в производствах,  связанных с агрессивными средами, например в химической промышленности.
4. Тонкая керамика включает в себя изделия из фарфора и фаянса. К ним относятся бытовая и химическая посуда, художественные изделия, изоляторы разных типов.

   Процессы производства многообразны и в общих чертах сводятся к:1) обработке сырья;

2) приготовлению керамической массы; 3) формированию изделий и их сушке; 4) обжигу;

5) отделке. В современном производстве эти операции обеспечиваются специальным оборудованием, порой очень сложным, а сами процессы проводятся в оптимальных технологических режимах, разработанных на серьезной научной основе учеными различных профилей.

  Глины, приближающиеся по своему составу к каолиниту, называются каолинами, или фарфоровыми глинами. Каолин обычно белоснежный, иногда с желтоватым оттенком. Из

таких сортов глины изготовляют фаянсовые и фарфоровые изделия.

3-й учащийся:

                                       «   ФАРФОР  И   ФАЯС   »

Черепок  фаянса –  порист и непрозрачен ; черепок  фарфора  – плотен,   звонок  и просвечивает. Для приготовления фарфора применяют более чистые глины. Технология

производства  фаянсовых  и фарфоровых  изделий  почти одинакова. Глину  отмучивают  от крупных частиц, затем смешивают с мелкозернистым кварцем, полевым шпатом и другими

веществами; из полученной массы изготовляют изделия, которые затем подвергают обжигу.

Изделия из обожженной глины пористы и пропускают воду. Поэтому вода в глиняном кувшине  всегда  прохладнее  ,  чем в стеклянном.  Ее молекулы  просачиваются   наружу и испаряются с поверхности кувшина, охлаждая его.

  Фарфор – это керамический материал, состоящий из каолина, обычной глины, кварца, и полевого шпата .Этот материал характеризует такие свойства, как белый цвет, отсутствие пористости, высокая прочность, химическая и термическая стойкость. Для посудного фарфора ценится  просвечиваемость.  Высокой белизной обладает фарфор, изготовленный только на основе каолина, без добавки обычной глины.

   Делать фарфоровые изделия человек научился много позже, чем керамику и стекло. Первые фарфоровые изделия появились в Китае в 206 году до н.э., в эпоху династии Хань. Способ их получения мастера- китайцы держали в строжайшей тайне, однако в ХIII веке 

европейский  путешественник Марко Поло не только привез на родину образцы фарфора,

но и выведал секрет его производства. Правда, потом  этот секрет был утерян, и европейцы

изобрели фарфор заново.

   Фарфор получается при сильном прокаливании массы, образующейся при смешивании белого каолина АI2O3   2SiO2   2H2 O («фарфоровой глины») с другими кремнийсодержащими минералами и водой. При обжиге каолин выделяет воду и разлагается на оксиды алюминия и кремния, которые сплавляются с другими составными частями фарфоровой массы. При этом

Изделия уменьшаются в объеме, фарфор становится плотным и звонким.

   Фаянс появился в мире раньше фарфора. Родина фаянса – Египет, откуда секрет его производства попал в Персию, а потом в Европу. Наибольшего расцвета производство фаянсовых изделий достигло в  ХVI веке в  итальянском  городе Фаэнце (отсюда и название

«фаянс»). Технология изготовления фаянса, из которого делают не только посуду, но и всевозможное химическое оборудование и сантехнические изделия (раковины, унитазы), в основном совпадает с «фарфоровой»,но вместо каолина здесь используются особые «фаянсовые»белые глины, более пластичные и легкоплавкие.

     4-й учащийся:

«Технология изготовления керамических материалов».

   Керамика – первый искусственный материал, созданный человеком. Сырьем для керамики служит глина, а основной компонент глины – минерал каолин состава AI2O3  2SiO2  2H2O. Кроме того, глина  содержит примеси: песок (диоксид кремния SiO2), карбонаты кальция и магния ( CaCO3 и MgCO3 ) и оксид железа Fe2O3, придающий ей бурый цвет. Каолин образует кристаллы чешуйчатой форму, так плотно примыкающие друг к другу, что глинистая почва почти не впитывает и не пропускает воду. При увлажнении глина  становится пластичной, как тесто, и из нее нетрудно вылепить какой-нибудь предмет. Чтобы повысить прочность изделий з глины, их обжигают.

      Обожженные глиняные сосуды, которые были изготовлены восемь тысяч лет тому назад,

археологи впервые обнаружили Сирии. При раскопках на острове Крит были найдены керамические сосуды высотой около двух метров, в которых два тысячелетия назад хранились зерно и масло. Как древние гончары сформовали такие большие и тяжёлые изделия, как сушили и обжигали их, остаётся загадкой.

       Чтобы мокрая глина стала ещё более податливой, древние мастера добавляли к ней жидкий навоз. Они также заметили, что добавка к глине гашеной извести – гидроксида кальция Ca(OH)2 помогает обжигать керамику быстрее.

       При обжиге из каолина сначала выделяется вода:

Al2O3   2SiO2   2H2O = Al2O3   2SiO2 + 2H2O  ,

а затем при более высокой температуре отщепляется часть диоксида кремния:

3 ( Al2O3   2SiO2 ) = 3Al2O3   2SiO2 + 4SiO2

Содержащиеся в глине карбонаты кальция и магния разлагаются с выделением диоксида углерода СO2 и образованием оксидов кальция и магния:

CaCO3 = CaO + CO2

MgCO3 = MgO + CO2

        Эти оксиды образуют с диоксидом кремния легкоплавкие силикаты:

CaO + SiO2 = CaSiO3

MgO + SiO2 = MgSiO3

которые пропитывают изделие и образуют игловидные кристаллы, связывающие чешуйки глины. Легкоплавкие примеси помогают спеканию керамики.

       Керамические изделия обычно получаются пористыми и пропускают воду. Поэтому их покрывают глазурью – легкоплавким составом, который даёт на поверхности тонкую водостойкую плёнку.

II.Стекло.

1-й учащийся

                                                   « Типы стёкол »

В толковом словаре Ожегова читаем: стекло – прозрачный твёрдый материал, полученный из кварцевого песка и оксидов ряда металлов. Химик добавит, что существуют четыре типа стекла: жидкое, или растворимое, типичное, кварцевое и органическое.

Познакомимся со свойствами жидкого (силикатного) стекла.

Жидкое стекло (концентрированные растворы силикатов натрия и калия) получают сплавлением оксида кремния (IV) со щелочами или карбонатами.

Учащийся пишет на доске уравнение:

SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2

  песок         сода       жидкое стекло  углекислый газ

Учащийся через экран демонстрирует опыт – исследование среды жидкого стекла индикаторной бумагой. Бумага показывает сильнощелочную среду.

       Учащийся пишет на доске уравнение гидролиза:

SiO32- + H2O  =  HSiO-3 + OH-

        Пропитанные жидким стеклом изделия из дерева и тканей плохо загораются,

 поэтому таким способом обрабатывают материалы, идущие на изготовление театральных      декораций.

       Чтобы стекло было нерастворимым в воде, в него вводят третий компонент – известняк CaCO3 . Процесс получения обычного стекла выражается уравнением:

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 = 2CO2 + Na2O * CaO *6SiO2

     сода            известняк         песок                                       типичное стекло

В соответствии со сборником « Общероссийские санитарно-гигиенические и санитарно-противоэпидермические правила и нормы правила и нормы », утверждённым главным санитарным врачом России, сода и песок – умеренно опасные вещества,  мел -  малоопасное вещество. Эти вещества действуют на организм человека фиброгенно (на лёгкие), поэтому всех работников на заводах, где производят стекло, снабжают респираторами или ватномарлевыми повязками. Наибольшей фиброгенной активностью по сравнению с другими промышленными веществами, легко образующими пыль, обладает оксид кремния.

Типичные  стёкла подразделяются на: оконное и бутылочное;

   оптическое (с высоким показателем преломления, используется для изготовления оптических линз и декоративного стекла);

   лабораторное (с низким коэффициентом теплового расширения, используется для изготовления лабораторной и кухонной посуды);

    биостекло (совместимое с костной тканью, используется как покрытие для хирургических  имплантантов).

Где же используется оптическое стекло?

Далее второй учащийся рассказывает о линзах и лупах, а третий – о микроскопах.

2-й учащийся:

    В оптических приборах: фотоаппаратах, фильмоскопах, микроскопах, очках –применяются стёкла , ограниченные двумя сферическими поверхностями ( одна из поверхностей может быть плоской), - линзы. Одни линзы собирают проходящий след  - их называют собирающими, другие рассеивают – рассеивающие. С помощью лупы, располагая предмет на различных расстояниях, можно получить отчётливое уменьшение или увеличение объекта.

       При помощи других приборов можно наблюдать за удалёнными предметами, отчётливо рассматривая детали: подробные рельефы поверхности Луны, огромное число звёзд и туманностей во Вселенной. Такие приборы (телескопы, бинокли) как бы приближают к нам рассматриваемые предметы.

3-й учащийся:  

      Максимальное увеличение лупы –  30-40 раз. Чтобы получить увеличение порядка 500-600 раз, пользуются более сложным оптическим прибором – микроскопом.

Его оптическая система состоит из двух линз. Одна из них, с малым фокусным расстоянием, обращена к предмету наблюдения. Она играет роль лупы и называется окуляром. Объективы микроскопов неподвижны в трубе (тубусе),а окуляр можно передвигать и заменять другими. Микроскоп с максимальным увеличением до 100 раз применяют для биологических исследований, есть микроскопы для изучения металлов, минералов.

Затем четвёртый учащийся рассказывает о фотохромных стёклах:

Фотохромные стёкла при облучении ультрафиолетовым светом темнеют, после прекращения действия света опять просветляются. Это боросиликатные стёкла с равномерным включением кристалликов галогенидов серебра. При ярком солнечном освещении такие стёкла темнеют вследствие протекания реакции разложения галогенида серебра, приводящей к освобождению чистого серебра, но в помещении, в тени или сумерках катионы серебра снова соединяются с галогенид-анионами, образуя прозрачные соли серебра. Стекло опять пропускает свет.

      Помимо утилитарного применения (в солнцезащитных очках) такие стёкла  - отличный материал для запоминающих устройств компьютеров.

Пятый учащийся  рассказывает о калейдоскопе.

Всем известна детская игрушка, которую называют  калейдоскопом: горсточка пестрых осколков стекла отражается в трёх плоских зеркальцах, образуются удивительно красивые фигуры, разнообразно меняющиеся при повороте калейдоскопа. Долго калейдоскоп был лишь игрушкой, в наши дни его узоры используют для создания орнаментов обоев, ковров, тканей. Поэт Михаил Щербаков так сказал о нём:

Не угодно ль, вот оптический прибор нехитрый,

Так, система трёх зеркал в цилиндре

Плюс цветные пустяки…

На свет её направь,

Ну, чем тебе не явь?!

Шестой учащийся. В калейдоскопе использованы стёкла различного цвета. Для их получения в стекло искусственно вводят добавки: оксид кобальта позволяет получить синий цвет, оксид хрома (III) – изумрудно-зелёный, оксид марганца(II) – фиолетовый,

Соединения Fe2+ - зелёный. М.В. Ломоносов возродил в России древнее искусство мозаики из цветного стекла, в его мастерской было создано 40 мозаик, до наших дней сохранились 24.

Примеси искусственно вводят для получения  цветного стекла. В других случаях введением примесей добиваются изменений свойств стекла. Например, стекло, содержащее оксид кадмия, задерживает нейтроны, оксид свинца(II) – рентгеновские лучи, оксиды ванадия – ультрафиолетовый свет.

       Стекло - аморфное вещество. Ионы металла без какой-либо чёткой последовательности располагаются в пустотах силикатной сетки, поэтому стекло, в противоположность кристаллу, не обладает определённой температурой плавления, а в процессе нагревания размягчается постепенно.

« Стекло – современный конструкционный материал »

Седьмой учащийся: Нас окружает стеклянный мир стекла много в любой квартире – и окна, и посуда, и зеркала, и люстры, и лампочки. А вспомним стеклянные линзы в телескопе, микроскопе, очках, объективах фотоаппаратов…

   Стекло – это твердый силикатный материал, основным свойством которого являются прозрачность и химическая стойкость.

   Стекло получают варкой шихты (сырьевой смеси, состоящей из песка, соды и известняка) в специальных стекловаренных печах.

   Основные реакции, происходящие при плавке этой смеси, выражаются уравнениями:

Na2 CO3  + SiO2 = Na2Si O3 +CO2

CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2

и наконец:

Na2SiO3 +CaSiO3 + 4SiO2 = Na2O   CaO   6SiO2

   Прежде чем изготовлять из расплавленной прозрачной массы изделия, ей дают немного остыть. Дело в том, что стекло имеет ценное свойство – оно не сразу переходит из жидкого состояния в твердое, а сначала делается вязким. В этом состоянии стекло можно выдувать, вытягивать или обрабатывать прессованием.

   Иногда в стекло вводят вещества, способствующие его помутнению – «глушители», например криолит, плавиковый шпат CaF2  и т. д. Их равномерно распределенные кристаллики делают стекло непрозрачным. Сильно заглушенное стекло (оно белого цвета) называют молочным и используют прежде всего для изготовления светильников.

   Стекла широко используются для изготовления витражей.

Слово «витраж» происходит от французского vitre-  оконное стекло (отсюда и «витрина»).

Витраж делают из кусков разноцветного стекла и стекол, расписанных красками.

Восьмой учащийся:

   « Как у людей появилось стекло?»

   Старинная легенда приписывает изобретение стекла древним финикийцам, которые будто бы случайно сплавили на костре соду ( карбонат натрия Na2CO3) с песком (диоксидом кремния SiO2) в прозрачную тягучую массу, застывшую в твердые прозрачные куски стекла. Легенда не слишком правдоподобна: для получения стекла нужна очень высокая температура, которая вряд ли достигается в костре.

   Считается, что первое стекло – « растекающийся камень» - было получено в Древнем Египте, а первыми стеклянными изделиями были украшения – бусы. Самая  древняя из доживших до нас бусинок украшала за полторы тысячи лет до нашей эры шею египетской царицы  Хатшепсут и была найдена в царской гробнице. На первых порах стеклянные бусы считались драгоценными и были дороже золота; в Египте их носили только цари.

   Примерно в то же время стекловарением  занималось и племя легендарных киммерийцев в нижнем течении Днепра, которые позднее были порабощены и уничтожены скифами. Стекло, из которого киммерийцы делали бусы, было цветным, чаще всего бирюзового цвета.

   Стекло – это некристаллический твёрдый материал, застывший переохлаждённый расплав. Оно обычно состоит из смеси силикатов натрия, калия и кальция, которые образуют прозрачное вещество состава Na2O * CaO * 6SiO2. Стекло получается при сплавлении песка ( диоксида кремния SiO2) с содой ( карбонатом натрия Na2CО3), магнезией ( карбонатом магния MgCO3), мелом или известняком – карбонатом кальция CaCO3. Если хотят получить более тугоплавкое стекло, соду заменяют поташом  (карбонатом калия K2CO3), добавляют оксиды бора и алюминия  (B2O3 и Al2O3).

   Если в стекломассу добавлять оксид свинца  PbO, то получается хрусталь, который похож на драгоценный камень. Этот хрусталь не следует путать с минералом горным хрусталём  - чистым кристаллическим диоксидом кремния SiO2. Из свинцового хрустального стекла делают посуду, художественные изделия и оптические приборы. Добавление в хрустальную стекломассу ничтожного количества соединений золота Au даёт красные «рубины», оксид кобальта CoO превращает стекло в синие «сапфиры», а оксид хрома Cr2O3 –  зелёные «изумруды».

III. Цемент.

                                          « Силикаты на стройке »

1-й учащийся

Каждый современный человек знает, как выглядит керамика, стекло, кирпич, цемент и бетон. Все это материалы, изобретённые очень давно.  Стены Древнего Вавилона были сложены из кирпича, а керамические сосуды появились у людей и вовсе в незапамятные времена. Три тысячи лет тому назад римские строители обнаружили, что «пуццолановая земля», жёлто-красный пемзовый песок из каменоломен у местечка Пуццоли, в смеси с известью и водой затвердевает в камень, устойчивый к любой непогоде.  Много позже -  примерно в XVII веке нашей эры – эту смесь называли «пуццолановым цементом».

2-й учащийся

Во всём мире получают огромные количества керамики, стекла и фарфора. Но если судить по массе продукта производства, на первом месте всё-таки будет цемент – главный материал для строительства.

   Цемент получается при спекании смеси известняка и глины. Спеченную массу размалывают и получают порошок серого цвета, состоящий из оксида кальция CaO , оксида алюминия Al2O3 и диоксида кремния SiO2. Если эту смесь замешать с водой в тесто, то через некоторое время полученная масса затвердевает. Вот почему цемент скрепляет кирпичную кладку стен. При добавлении в цементное тесто песка и щебня получается бетон.

   Если внутри бетонных изделий находится арматура – каркас из железных прутьев или сетки, получается очень прочный материал железобетон. Без железобетона сейчас немыслимо строительство любых жилых и промышленных зданий. Монолитный железобетон используется не только в массовом строительстве, но и при возведении таких сооружений, как уникальная Останкинская телевизионная башня.

3-учащийся:

Цемент – это вяжущие материалы, употребляемые в строительстве для скрепления между собой твёрдых предметов.

  В зависимости от того, происходит ли отвердевание на воздухе или под водой, различают цементы воздушные (известковое тесто) и гидравлические. В технике цементами называют  только гидравлические цементы.

  Цемент был известен ещё римлянам, которые получали его из извести, вулканического пепла и жжёной извести. В настоящее время главнейшим видом цемента является портландский цемент (портланд-цемент), который получается сильным прокаливанием смеси известняка и глины.

  Только в редких случаях в природе встречаются такие глинистые известняки, в которых глина и известняк находятся в том самом состоянии, которое требуется для изготовления портланд-цемента. Мощные залежи такого цементного камня находятся у нас на Черноморском побережье Кавказа – от Новороссийска до Сочи. В большинстве же случаев цемент готовят из искусственной смеси известняка и глины.

   Если приготовить из портланд-цемента и воды тесто, то оно постепенно превращается в сухую массу, которая с течением времени всё больше и больше твердеет. При затвердевании цемента происходит поглощение воды. Из портланд-цемента возводят постройки, особенно в сырых местах и во влажном климате, портовые и мостовые сооружения, преграды от притока воды к нефтяным скважинам и минеральным источникам.

   Строительство любого масштаба не может существовать без цемента. Он используется для связывания строительных деталей при получении массивных строительных блоков, плит, труб и кирпича; является основой таких широко применяемых строительных материалов, как бетон, шлакобетон, железобетон.

Цементным клинкером называется продукт обжига смеси глины и известняка, а цементом – мелкоизмельчённый клинкер с минеральными добавками, регулирующими его свойства. Его применяют в смеси с песком и водой. Вяжущие свойства цемента обусловлены способностью цементных минералов взаимодействовать с H2O и SiO2 и при этом затвердевать, образуя прочную камневидную структуру. При схватывании цемента происходят сложнее процессы: гидратация минералов с образованием гидросиликатов и гидроалюминатов, гидролиз, образование коллоидных растворов и их кристаллизация. Исследования процессов твердения цементного раствора и минералов цементного клинкера сыграли большую роль в становлении науки о силикатах и их технологии.

Стекло и цемент.

Как получают на заводах

Обыкновенное стекло(Na2O * CaO * 6SiO2)?

Из мела ( СaCO3), из песка (SiO2) и соды (Na2CO3).

Cтекло давно в наш быт вошло.

Есть силикатные заводы,

Где выпускается цемент,

Он со стеклом одно природы –

В них кремний – главный элемент.

Цемент готовится из смеси.

А в смеси – глина (Al2O3 * 2SiO2 *2H2O), известняк (CaCO3)

Нам ход реакции известен,

В печах всё происходит так:

Из глины воду удаляют,

И известняк разложат весь:

CaCO3=CaO +CO2.

А в результате получают

Цемент - строительную смесь:

CaO * Al2O3 *2SiO2

                                     Таблица: «Силикатная промышленность»

Таблица №1.

    Классификация керамик.

Таблица №2.

Процессы производства керамики.

Таблица №3.

Таблица №4.

Классификация стёкол по типу бинарных компонентов.

Таблица №5.

«Пою перед Тобой в восторге похвалу
Не камням дорогим, не злату, но Стеклу».
М. В. Ломоносов (1752 г., «Письмо о пользе стекла»)

Таблица №6.

Приложение №2

Сообщения учащихся (ответы учащихся на вопросы)

Что такое фарфор и где он был изобретён?

Фарфор-это керамический материал, состоящий из каолина, глины, кварца и полевого шпата. Его характерные признаки: белый цвет, отсутствие пористости, высокая прочность, термическая и химическая стойкость. Для хозяйственного фарфора ценится просвечиваемость. Различают две разновидности фарфора: 1. Твёрдый – с небольшими добавками плавня (полевого шпата) и потому обжигаемый  при сравнительно высокой температуре (1380-1460 С). Масса классического твёрдого фарфора  состоит из 25% кварца, 25% полевого шпата и 50% каолина и глины. 2. Мягкий-с повышенным содержанием плавней, обжигаемый при 1200-1280 С. Кроме полевого шпата в качестве плавней используют мрамор, доломит, магнезит, жженую кость или фосфорит. С увеличением содержания плавней возрастает количество стекловидной фазы и потому улучшается просвечиваемость фарфора, но  снижается прочность и термостойкость. Глина сообщает фарфоровой массе пластичность (необходимую для формирования изделий ), но снижает белизну фарфора. Высокой белизной обладает фарфор, состоящий из каолина, но без глины.

Родиной фарфора считают Китай, где он был известен уже в 220 г. до н.э. В сравнительно больших количествах китайский фарфор стал ввозиться в Европу в XVI в. Естественно, что в разных странах Европы были попытки открыть секрет производства фарфора .В 1709 г. мейсенский алхимик И. Бетгер получил подобие китайского фарфора из каолина, песка и мела. Уже в 1720 г. он заменил мел полевым шпатом и в результате был изготовлен настоящий твёрдый фарфор. В России состав фарфора был разработан Д. И. Виноградовым в 1746 г. и налажено производство на императорском заводе под Петербургом (ныне фарфоровый завод им. М. В. Ломоносова)

Обычно проводят два обжига фарфоровых изделий:

первый на «утиль», второй «политой».

Чем они отличаются?

Первый обжиг на «утиль» (при 900-1050 С) имеет целью спечь изделие и обеспечить ему пористость и прочность, достаточную для глазурования водной суспензией глазури. Второй обжиг (1380-1430 С) необходим для расплавления глазури на поверхности изделия и осуществления её реакции с материалом черепка.

Что такое фаянс?

Керамический материал, отличающийся от фарфора гораздо большим содержание глины  (до 85%) и характеризующийся высокой пористостью, водопоглащением  (до 20%),  

а также меньшей по сравнению с фарфором механической прочностью. Температура обжига фаянса значительно ниже (950 С),чем температура обжига фарфора. В зависимости от качества глины цвет  фаянса изменяется от белого до кремового. Вследствие высокой пористости фаянсы всегда покрывают глазурью. Она может быть прозрачной, цветной и глушеной. Введением в состав фаянсовой массы шамота получают шамотированный фаянс, который обладает повышенной термостойкостью и устойчивостью к ударам. Из такого фаянса изготавливают ванны, раковины и другие санитарно-технические изделия.

Название «фаянс» произошло от города Фаэнца (Северная Италия), в окрестностях которого в XIV-XV вв. было широко развито керамическое ремесленничество. Однако нужно иметь в виду, что в XVI в. в Европе фаянсовыми называли майоликовые изделия

Какие химические процессы лежат в основе изготовления бытовых зеркал?

При изготовлении серебряных зеркал стекло обезжиривают и промывают, а затем обрабатывают раствором хлорида олова (II) SnCl2. После этого обливают раствором нитрата себера AgNО3, содержащим сахар. Сахар восстанавливает соль серебра до металла и он ровным и плотным слоем ложится на поверхность стекла.

Хлорид олова (II) играет роль активатора процесса восстановления и способствует образованию качественного слоя серебра.

В прошлом широко изготовлялись ртутные зеркала. Ниже приведён один из старых рецептов. Вымыв спиртом стекло, очищали его тальком и к поверхности плотно прижимали оловянный листок (станиоль). Сверху наливали ртуть и, дав ей постоять, сливали избыток. Образовавшийся слой амальгамы заклеивали или закрашивали. Поскольку пары ртути очень ядовиты, производство ртутных зеркал было весьма вредным. Для здоровья опасно держать ртутные зеркала в жилых помещениях.

В чём специфика состояния стекла?

Наиболее распространённое среди учёных мнение состоит в том, что стекло следует рассматривать , как переохлаждённую жидкость, поскольку с изменением температуры его свойства изменяются непрерывно . При нагревании стекло становится мягким задолго до перехода в жидкое состояние . Это свойство позволяет придавать ему требуемую форму и проводить различные способы обработки. При долгом нагревании вблизи  (несколько ниже) температуры плавления стекло начинает кристаллизироваться и становится непрозрачным  - расстекловывается. Расстекловывание стекла может происходить и при комнатных температурах, но за длительное время. Это иногда наблюдается на старинных стёклах.

Каковы составные части стекла?

Стекло-это твёрдый силикатный материал, основными свойствами которого является прозрачность и химическая стойкость. Главной составной частью стекла, входящей в него в наибольшем количестве, является кремнезем (SiO2)n. Он вводится в шихту (сырьевую смесь заданного состава) в виде кварцевого песка, общее количество примесей в котором не превышает 2-3%. Стекло можно получить из одного кварцевого песка или горного хрусталя (кварцевое стекло), но для этого нужна очень высокая температура (выше 1700 С).При добавлении к песку соды Na2CО3 стекло варится при температуре на 200-300 С ниже. Однако стекло, состоящее из этих двух компонентов, растворимо в воде и разрушается на воздухе под действие атмосферной влаги. Для придания стеклу  привычных свойств используют третий компонент – известь.

При варке стекла сода и известь выделяют диоксид углерода и, таким образом, получающееся стекло состоит из оксидов кремния, натрия и кальция. Это наиболее распространённое стекло, которое называют натриево-кальциевым. Иногда соду заменяют сульфатом натрия Na2SО4. Однако в этом случае варка стекла требует более высоких температур. Кроме того, в шихту необходимо вводить уголь для восстановления серы в соответствии с уравнением

2Na2SO4 + C  2Na2O + 2SO2↑ + CO2↑

Некоторые сорта промышленных стёкол вместо оксида натрия содержат оксид калия, а вместо оксида кальция – оксид магния, свинца, цинка или бария. В табл. 4’приведены составы типичных промышленных стёкол.

Таблица 4’ Составы некоторых типичных стёкол

Что такое стекольная мошка?

Мошкой называют мелкие пузырьки газа, распределённые по всей массе стекла. Её удаление из жидкой массы производят «бурлением» при помощи деревянной чурки или обыкновенного сырого картофеля. Помещённые в жидкое стекло они дают обильное выделение газов, которые и очищают всю массу от мошки. Её наличие в изделиях считается браком. Мошка особенно недопустима в оптических стёклах.

Что означает выражение «глушить стекло» и как это осуществить?

Это процесс, в результате которого стекло становится непрозрачным. Вещества, способствующие помутнению стекла, называют «глушителями». Глушение происходит вследствие распределения по всей массе стекла мельчайших кристаллических частиц. Они представляют нерастворившиеся  частицы глушителя или частицы, выделившиеся из жидкой массы при охлаждении стекла. Эти частицы обычно прозрачны, но их показатель преломления отличается от показателя преломления стекла. Поэтому падающий на них луч отклоняется от прямолинейного направления  и стекло перестаёт быть прозрачным. В далёком прошлом в качестве глушителей стекла использовали костяную муку Ca3(PO4)2 , а также оксиды олова, мышьяка и сурьмы. В настоящее время для этой цели применяют криолит Na3[AlF6],  плавиковый шпат CaF2 и другие соединения фтора.

         Сильно заглушенное стекло (белого цвета) называют молочным. Для его изготовления чаще всего используют криолит. Молочное стекло применяют главным образом для изготовления осветительной арматуры.

Что такое витражи и какова роль химии в их создании?

Слово витраж происходит от франц. vitre – оконное стекло. Он представляет собой декоративную композицию из кусков разноцветного стекла и стёкол, расписанных красками. В качестве последних широко использовали тонкорастёртые смеси оксидов металлов (меди, железа и др.) с легкоплавким стеклом. Смеси замешивались в воде, вине или растительном масле и в виде кашицы наносилось на стекло. После высыхания расписанное стекло подвергалось обжигу при умеренной температуре. По описанию монаха Теофила в XII в. витражи изготовлялись следующим образом. Заранее нарезанные и хорошо подогнанные друг к другу куски цветного стекла обёртывались по краям  полосками свинца. Обёрнутые куски раскладывались на столе и плотно подгонялись один к другому, а затем свинцовые перемычки спаивались припоем из сплава олова и свинца. Спаивание производилось с обеих сторон.

Для чего в прежние времена новую стеклянную посуду перед использованием кипятили несколько часов в воде?

При нагревании в воде стекло частично растворяется и образующаяся кремниевая кислота xSiO2 yH2O заполняет микротрещины. Это приводило к существенному упрочнению изделий из стекла – они в меньшей степени давали трещины и бились.

Что такое «батавские слёзки»?

Капли расплавленного стекла, падая в воду, затвердевают в виде «головастиков с хвостиком». Их и называют «батавскими слёзками». Они характеризуются исключительно высоким поверхностным натяжением. Если на их поверхности сделать царапину или надломить хвостик (нарушить поверхностный слой), то «слёзка» с треском распадается на мелкие кусочки.

Кто разработал способ «просветления оптикой»

и в чём он заключается?

Свет не только проходит через стекло, но и отражается от него. В сложных  оптических системах, состоящих из нескольких линз и призм, потери на отражение могут составить до 75-80%. Для увеличения светосилы акад. И. В. Гребенщиков разработал способ «просветления оптики». Для этого на поверхность стекла наносят плёнку фторидов металлов или кремниевой кислоты, показатель преломления света которых n равен n для стекла. Толщина плёнки должна быть равной всего 0,25 длины волны падающего света. Такая плёнка в 7-10 раз уменьшает отражение света.

Почему бутылочное стекло, как правило, имеет окраску?

Окраска бутылочного стекла зависит от присутствия в нём ионов Fe2+ и Fe3+ . Стекольное сырьё трудно очищается от железа и поэтому в дешёвых сортах оно всегда присутствует. Ионы Fe2+ хорошо поглощают лучи света с длиной волны примерно 600 ммк (жёлтые и красные) и, следовательно, окрашивают стекло в дополнительный голубой цвет. Ионы Fe3+   поглощают лучи с длиной волны 500 ммк (синие и фиолетовые), окрашивая стекло в жёлтоватый цвет. Важно отметить, что ионы Fe2+  в области видимого света имеют удельное поглощение примерно в 10 раз большее, чем ионы Fe3+ . Поскольку в стекле одновременно содержатся как ионы Fe2+  , так и ионы Fe3+ , то они и придают стеклу зеленоватую окраску (бутылочный цвет).

Существуют химические и физические способы обесцвечивания стекла. В химическом способе стремятся все содержащееся железо перевести в Fe3+  .  Для этого в шихту вводят окислители – нитраты, CeO2, а также As2O3 и Sb2O3. Химически обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счёт ионов Fe3+) в  желтовато-зелёноватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При физическом обесцвечивании в состав стекла входят «красители», т. е. ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске ионами железа – это оксиды никеля, кобальта, редкоземельных элементов, а также селен. Диоксид марганца MnO2  обладает свойствами как химического, так и физического обесцвечивателя. В результате двойного поглощения света стекло становится бесцветным, но его светопропускание понижается. Таким образом, следует различать светопрозрачные и обесцвеченные стёкла, поскольку эти понятия различимы. Следует отметить, что окрашенное стекло иногда предохраняет содержимое бутылок от нежелательного  фотохимического воздействия. Поэтому окраску бутылочного стекла иногда специально усиливают.

Как осуществляют эмалирование бытовых и

промышленных стальных и чугунных изделий?

Эмалирование осуществляется нанесением на поверхность изделий водной суспензии ил сухим напудриванием. Вначале наносят грунтовочный слой, после чего следует обжиг в печи. Далее наносят слой покровной эмали и повторяют  обжиг. Наиболее распространены стекловидные эмали – прозрачные или заглушённые. Их компонентами являются SiO2 (основная масса), B2O3, Na2O, PbO. Кроме того, вводят вспомогательные материалы: окислители органических примесей;  оксиды, способствующие сцеплению эмали с эмалируемой поверхностью; глушители, красители. Эмалирующий материал получают сплавлением исходных компонентов, измельчением в порошок и добавлением 6-10%  глины.

Как изготавливают искусственные камни?

Они получаются в результате смешения жидкого стекла с различными (чаще минеральными) наполнителями: карбонатными горными породами, кварцевым песком, древесными опилками и др. Отформованную массу помещают в раствор хлорида кальция CaCl2 или сульфата алюминия Al2(SO4)3. Это приводит к затвердеванию массы и образованию камня. Вводя в массу окрашенные добавки, получают камни, напоминающие натуральные.

Что такое фотохромные стекла и в чём заключается обратимый фотохромизм?

Фотохромные стёкла изменяют окраску под действием излучения. В настоящее время получили распространение очки со стёклами, которые при освещении темнеют, а в отсутствии интенсивного освещения вновь становятся бесцветными. Такие стёкла применяют для защиты  от солнца сильно остеклённых зданий и для поддержания постоянной освещённости помещений, а также на транспорте. Фотохромные стёкла содержат оксид бора В2О3, а светочувствительным компонентом является AgCl в присутствии Cu2O. При освещении происходит процесс

AgCl hvAg. +Cl.

Выделение атомарного серебра приводит к потемнению стекла. В темноте реакция протекает в обратном направлении. Оксид меди (I) Cu2O играет роль катализатора.

Почему дома из кирпичной кладки просыхают длительное время?

Для связывания кирпичей используют раствор, который готовят смешиванием гашеной извести ( гидроксида кальция) с песком и водой. Процесс связывания кирпичей вначале включает испарение воды и кристаллизацию гидроксида кальция .Затем происходит довольно длительная стадия образования карбоната и силикатов кальция. Карбонат кальция образуется при взаимодействии диоксида углерода СО2 ,содержащегося в воздухе, в соответствии с уравнением

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 +H2O

Таким образом, «созревание» связки кирпичей протекает во  времени и приводит к выделению воды. Иногда, если соблюдены меры противопожарной безопасности, в закрытое помещение вносят горящие угли. Повышение концентрации в воздухе СО2 ускоряет «просыхание» домов из кирпичной кладки.

Согласно данным раскопок в Мохендра-Джаро (Пакистан) ещё 5000 лет назад существовали постройки из камней, скрепленные известковым раствором.