Керамика

КОКИНСКАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА

РЕФЕРАТ

по химии на тему: «Керамика»

Выполнил: ученик 9^б класса Голубев А.М.

Проверила: Макшанцева М.А.

2003

План

1. Глина и каолин.

v состав

v образование

v применение

2. Виды керамических изделий.

v фарфор

v каменные изделия

v фаянс

v кирпич

v огнеупорные изделия

3. Приложение.

v примеры керамических изделий

v изделия из фарфора

Глина и каолин. Массу, в сухом состоянии землистую, мягкую, липкую, а во влажном состоянии более или менее пластичную, называют глиной. Она образуется при разложении горных пород, богатых полевым шпатом. Состав глин разнообразен и зависит от видов горных пород, в результате разрушения которых они образовались. Чисто аналитическим путем (не учитывая тип связи) определены главные составные части глин – Al₂O₃, SiO₂ и H₂O. Раньше считали, что каолин представляет собой основное вещество глины, что различные виды глины, следовательно, являются каолином более или менее сильно загрязнённым примесями. Однако в соответствии с более поздними данными глина и каолин – это вещества совершенно различного характера, даже в тех случаях, когда они случайно имеют один и тот же аналитический состав. Ценные керамические глины содержат в значительном количестве примесь каолина; такой каолин был вымыт из своих первичных месторождений, а позднее снова осаждён вместе с другими коллоиднораспределенными минералами, которые, однако, могут являться образователями глин и сами по себе.

В качестве основной составной части каолин содержит каолинит, который представляет собой (по рентгенографическим данным) кристаллическое вещество состава Al₂O₃•2SiO₂•2H₂O. Глины или совсем не содержат этого соединения или содержат его как случайную примесь. Чистый каолин – белого цвета и отличается сравнительно малой пластичностью. Ввиду того, что он служит сырьём для изготовления фарфора, его называют фарфоровой землёй.

Глины, которые часто значительно превосходят каолин по своим пластическим свойствам, служат для изготовления гончарных изделий, фаянса, керамических изделиё и майолики. Большинство сортов глин окрашено в желтовато-серые или синеватые тона, но встречаются также и совершенно белые глины. Глины, богатые окисью железа, окрашиваются после прокаливания (обжига) в бурые цвета. Из них изготавливают обычноглиняные горшки и терракотовые изделия. Формовой землёй называют глину, сильно загрязнённую окисью железа и песком. Такая глина служит преимущественно для изготовления кирпича и черепицы. Глину, сильно загрязнённую примесями карбонатов кальция и магния, называют мергелем. Она не пригодна в качестве сырья для керамических изделий, однако её используют при производстве цемента.

Образование глины происходит при выветривании силикатных горных пород, которое связано с их значительным механическим раздроблением (превращение в коллоидное состояние). Наряду с этим протекает подчинённый химический процесс, а именно гидролиз более или менее значительной части силикатов (прежде всего полевых шпатов) с образованием аморфных глинозёмистых гелей. Последние называются аллофанами и, по-видимому, представляют собой чистые смеси гидратов окиси алюминия и двуокиси кремния или прокаолинами – тоже аморфные, содержащие воду силикаты алюминия. Прокаолин является, вероятно, определенным химическим соединением состава Al₂O₃•2SiO₂. Он содержит переменное количество воды, которая не связана с ним химически, как в каолините, примешана к нему, как вода в гелях. Раздробленные только механически и поэтому ещё кристаллические составные части горных пород содержатся в большинстве сортов глин также преимущественно в коллоиднораздробленном состоянии.

Особые свойства глин создаются определёнными составными частями, которые имеют слоистую структуру решётки, образованной шестичленными кольцами, состоящими из тетраэдров SiO₄. Эти составные части, подобно пермутитам, отличаются определённой способностью к катионному обмену. К ним в первую очередь относится каолин и родственные ему вещества (например, галлоизит, Al₂O₃•2SiO₂•4H₂O), монтмориллонит и некоторые слюдоподобные минералы. Все глинообразующие минералы имеют аналогичные решётки. Аморфные составные части глин (аллофаны), смешанные большей частью с кристаллическими, преимущественно находящимися в коллоиднораздробленном состоянии составными частями, не имеют существенного значения для свойств глин.

В то время как выветривание горных пород с образованием глин может идти в обычных условиях атмосферного выветривания, образование каолина, как впервые показал Шварц (1933 год), связано с особыми условиями. Этому существенно благоприятствуют повышенная температура, повышенное давление, присутствие сильных кислот (например, HCl), но не угольной кислоты. Однако, согласно Ноллю (1935 год), в геологические периоды каолин мог образоваться также при низких температурах. Действие сильных кислот способствует образованию каолина, т.к. при этом ускоряется гидролиз полевого шпата. Если исходить из продуктов гидролиза полевого шпата, не содержащих щелочи, то можно наблюдать образование каолина в отсутствие кислоты. Так, Нолл смог синтезировать каолин, исходя, например, из смеси аморфной SiO₂ с бёмитом или с байеритом при нагревании её с водой под давлением. Если нагревать смесь в присутствии раствора едкого натра, то образуется монтмориллонит. Очевидно, образование каолин в природе идет в том случае, если щелочные и щелочноземельные элементы полностью выщелочены из исходных горных пород; в противном случае образуется монтмориллонит. Следовательно, образование каолина в природе ускоряется прежде всего интенсивным вымыванием и хорошей циркуляцией растворов, а также благодаря кислой реакции вымывающих вод.

Образования каолина – чисто химический процесс, который можно передать суммарным уравнением

2K(AlSi₃O₈) + 7H₂O = Al₂(Si₂O₅)(OH)₄ + 4H₂SiO₃ + 2KOH .

полевой шпат каолин

Каолин может образоваться непосредственно из полевого шпата, а также из прокаолина, первоначально образованного из полевого шпата при обычном выветривании, если его нагревать с водой под высоким давлением. Если каолин нагревать под давлением в слабо щелочной среде (с раствором щелочного карбоната), то он превращается в монтмориллонит Al₂(Si₄O₁₀)(OH)₂•nH₂O, в то время как в сильно щелочной среде из него получаются цеолиты.

При нагревании каолинит сначала отщепляет воду (10 мм рт. ст. при 430˚). Механизм отщепления воды показывает, что вода в каолините связана химически. Обезвоженный каолинит (метакаолинит) при более сильном нагревании сначала разлагается на Al₂O₃ и SiO₂; при ещё более высокой температуре из него образуется муллит 3Al₂O₃•2SiO₂ (наряду с тридимитом).

Рентгеноструктурным анализом установлено, что каолинит построен из сетчатых плоскостей, образованных ионами (Si₂O₅)^2-, между которыми включено иногда по два слоя из (Al(OH)₂)⁺. С каолинитом имеют одинаковый состав минералы дикит и накрит, встречающиеся во многих сортах каолина. Они показывают иную, чем каолинит, картину рентгеновской интерференции, но, по-видимому, построены аналогично.

Чистую глину в виде порошка применяют в медицине и называют «Bolus alba» (bvloz - комок земли).

Керамические изделия. Изделия, получаемые из встречающихся в природе и искусственно приготовленных пластических смесей глины или каолина с другими веществами называют «керамическими изделиями» (от слова ƒeramƒoz – глиняный, гончарный). Легко формующейся или «пластической» называют вязкую массу, которой при незначительном давлении можно придать любую форму, причем эта форма сохраняется и после прекращения давления. Важнейшие керамические изделия и их характерные свойства приведены в таблице 1.

Таблица 1

Важнейшие керамические изделия и их свойства

Фарфор. Фарфор был известен в Китае уже в самые древние времена, а в Европе его стали изготовлять фабричным способом впервые в Мейссене (с 1710 года). Фарфор был получен при сильном прокаливании («обжиге») пластичных масс, изготовленных перемешиванием каолина (фарфоровой земли) с порошкообразным полевым шпатом и кварцем с добавлением небольшого количества воды. Если температура обжига не слишком высокая, то форма изделий сохраняется, только объём сильно уменьшается, так как фарфор «садится» при обжиге. Одновременно масса («черепок») становится плотной (водонепроницаемой) и звонкой.

Для изготовления твёрдого фарфора обычно применяют около 50% каолина, 25% полевого шпата и 25% кварца. При обжиге каолин сначала отдает конституционную воду. Затем он разлагается на Al₂O₃ и SiO₂, которые растворяют в стеклообразно размягчённом полевом шпате. При дальнейшем повышении температуры полевой шпат растворяет в возрастающих количествах крупнокристаллический кварц. По мере того, как полевой шпат обогащается двуокисью кремния, из него осаждается муллит, т.к. с увеличением содержания SiO₂ растворяющая способность полевого шпата по отношению к муллиту понижается. Поэтому готовый фарфор состоит из стекловидной основной массы, которая пронизана тесно сплетенными между собой иглами муллита и оставшимися нерастворёнными зернышками кварца (и крохотными пузырьками воздуха). Как правило, обжиг производят дважды. После первого обжига, так называемого «сырого обжига», идущего приблизительно при 900˚, на фарфор наносят прозрачную глазурь: полученные после сырого обжига ещё пористые черепки быстро погружают в глазурную массу – водную суспензию каолина, глины, полевого шпата и мрамора. При нагревании из неё образуется тугоплавкое стекло. Последующим высушиванием (около 1450˚) производят окончательный обжиг. Часто фарфор подвергают еще третьему обжигу в муфельной печи при красном калении после нанесения красок, т.е. перетертого со скипидаром мелкоизмельчённого цветного стекла. Большей стойкостью обладают краски для «острого» огня или подглазурные краски, наносимые на неглазурованный черепок. Однако существует немного красок, для которых этот метод возможен. Окончательно отожженный без глазури фарфор называют бисквитным. Вместо процесса формования фарфоровой массы, основанного на её пластичности, фарфоровую массу можно перевести в жидкое состояние добавление незначительного количества щелочи и отлить в форме из гипса. В результате поглощения воды обожженной гипсовой формой наступает быстрое отвердение фарфорового изделия. Фарфор не только для изготовления домашней посуды и художественных изделий, но также, и при том в весьма широкой степени, для изготовления химической посуды, а благодаря его электроизоляционным свойствам – для изготовления изоляторов.

От обычного или твердого фарфора отличается мягкий фарфор, из которого изготовляют главным образом художественные изделия. В мягком фарфоре содержится меньше каолина и соответственно этому больше «плавней», например, полевого шпата, мела. Такой фарфор в соответствии с его легкоплавкостью подвергают обжигу при менее высокой температуре (обычно при 1200-1300˚) . Поэтому легко удается произвести его многоцветное подглазурное раскрашивание.

Каменные материалы, подобно фарфору, являются плотными звонкими и настолько твёрдыми, что не царапаются сталью; кроме того, они очень стойки по отношению к химическому воздействию. Поскольку их изготовляют из глины, они требуют более низкой температуры обжига, чем твердый фарфор (1200-1300˚), не обладают такой, как фарфор, просвечиваемостью и в большинстве случаев имеют не белый, а серый, жёлтый или коричневый цвет. Их часто покрывают только тонким слоем «солевой» глазури, который образуется при испарении поваренной соли, бросаемой в печь; благодаря этому на поверхности такого изделия осаждается стекловидный двойной силикат натрия. В химической промышленности весьма часто применяют неглазурованные изделия из каменного материала.

Тонкий каменный материал служит для изготовления ваз и других художественных изделий, в архитектуре для изготовления рельефов и украшения фасадов. Из каменного материала выделывали серые, расписанные голубой краской старинные германские сосуды (кубки и т.п.). Примерами изделий из грубого коричневого каменного материала могут служить водопроводные и канализационные трубы, а также «метлахские плитки». В химической промышленности применяют многочисленные сосуды, изготовленные из коричневого каменного материала: туриллы, змеевики для охлаждения, трубы, ванны и др.

Фаянс, как и фарфор, белого или почти белого цвета, однако он мягче, так что сталь оставляет на нём царапины; он легче ломается, порист, поэтому в большинстве случаев его необходимо покрывать глазурью. Фаянс получают из смеси глины, кварца, щелочи и сурика, иногда добавляют ещё окрашивающие окислы. Фаянс обжигают дважды: сначала без глазури при 1200-1300˚ (сырой обжиг), а затем несколько слабее с глазурь (окончательный обжиг). Из тонкого фаянса делают мойки, ванны для купания и т.п. Некоторые сорта фаянса часто окрашивают титановой кислотой в бледно-кремовый цвет (умывальники). Примерами неглазурованного фаянса служат глиняные сосуды, глиняные трубка и т.п.

Фаянс имеет грязновато-серый пористый излом. Поэтому его покрывают глазурью, которая благодаря прибавлению двуокиси олова имеет белый цвет и непрозрачна. Раньше фаянс часто применяли для изготовления дешёвой посуды; однако фаянс изготовленный Веджвудом в Англии, почти совершенно вытеснил обычный фаянс из домашнего обихода. Более тонкий фаянс пригоден для художественной керамики. По своим свойствам фаянсу приближается майолика, покрываемая цветной глазурью.

Обычные гончарные изделия, например горшки для цветов, глиняная посуда, также имеют пористый излом. На них наносят глазурь, содержащую большей частью свинец; окрашена она обычно добавленными к ней окислами металлов. Окись железа дает желтую, а вместе с двуокисью марганца – коричневую окраску; медь окрашивает глазурь в зелёный цвет.

Кирпич. Обожженный кирпич формуют из глины и затем подвергают обжигу. Вследствие содержания в глине окиси железа кирпичи большей частью окрашены в красный цвет. Кирпич обладает большой пористостью, т.к. обжиг ведут при относительно низкой температуре. Сильно обожженный, плотный и очень крепкий кирпич называют клинкером.

Огнеупорные материалы. «Огнеупорными» называют такие материалы, которые, не плавясь, выдерживают нагревание при высокой температуре (по крайне мере 1600˚). Наиболее употребляемым огнеупорным материалом является шамот, который состоит из смеси двух сортов глин: обожженной до спекания, возможно более огнеупорной глины (собственно шамот) и красной пластичной глины (связывающая глина). Существуют особые месторождения глин, которые в первую очередь идут на изготовление шамота. Шамот, который содержит обычно около 42-45% Al₂O₃ и 50-54% SiO₂, прежде всего применяют для футеровки топок, высокотемпературных печей и рекуператоров. Для коксовых, керамических печей и для печей сталелитейной промышленности (например, печи Сименса – Мартена) используют в большинстве случаев (впервые полученный в Англии) динас. Его приготовляют обжигом грубозернистого кварцевого песка, смешанного с небольшим количеством известковой массы или глины. Глинистый динас содержит 15-17% Al₂O₃ и 80-83% SiO₂. Он размягчается при 1350˚, однако плавится только выше 1650˚. По огнеупорным свойствам его превосходит известковый динас или силикатный камень (с содержание 1,5-4% CaO, 0,3-2% Al₂O₃ и 94-96% SiO₂), который плавится только при 1700-1750˚. Его и применяют в первую очередь в печах Сименса – Мартена. Ещё большей огнеупорностью обладают так называемые силлиманиты, которые получают обжигом при высокой температуре силлиманита, цианита или андалузита (минералов одного состава Al₂ SiO₅, но различного внутреннего строения), вследствие чего образуется муллит, 3Al₂O₃•2SiO₂, который, как уже было отмечено является составной частью твердого фарфора.

Из огнеупорных веществ, не содержащих SiO₂ или содержащих её в очень небольших количествах, следует назвать боксит, динамидон, магнизит и доломит. Высокими огнеупорными свойствами обладают магнезия, двуокись циркония и главным образом графит (в отсутствии воздуха).

Примеры изделий из керамики

Изделия из фарфора

Литература

1. «Курс неорганической химии»,Г. Реми, изд. «Мир», Москва, 1972.

2. «Энциклопедический словарь юного химика»/ Сост. В.А. Крицман, В.В. Станцо. – М.: Педагогика, 1982.

3. «Детская Энциклопедия Академии педагогических наук РСФСР», Москва, 1983.

4. «Компьютерная Энциклопедия Кирилла и Мефодия», 2000.