SILIC- HỢP CHẤT SILICAT VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG

CỦA CHÚNG TRONG ĐỜI SỐNG VÀ SẢN XUẤT

I. Tính chất vật lý

- Silic tinh thể: Có cấu trúc giống kim cương, màu trắng xám, ánh kim, nóng chảy ở

1420oC, có tính bán dẫn và ở nhiệt độ thường độ dẫn điện thấp.

- Silic vô định hình: Là chất bột màu nâu.

II. Tính chất hóa học

- Si vừa có tính khử vừa có tính oxi hóa.

- Silic vô định hình có khả năng phản ứng cao hơn silic tinh thể.

1. Tính khử

- Tác dụng với phi kim: Silic tác dụng với flo ở nhiệt độ thường còn khi đun nóng có thể

tác dụng với các phi kim khác:

2 4Si + 2F SiF

(silic tetraflorua)

2 2

Si + O SiO

(silic ®ioxit)

- Tác dụng với hợp chất: Silic tác dụng tương đối mạnh với dung dịch kiềm, giải phóng

hiđro:

2 2 3 2Si + 2NaOH + H O Na SiO + 2H

2. Tính oxi hóa Ở nhiệt độ cao, silic tác dụng với các kim loại như Ca, Mg, Fe… tạo

thành hợp chất

silixua kim loại:

III. Các hợp chất của silic

1. Silic đioxit

ot

22Mg + Si Mg Si

(magie silixua)

- Silic đioxit là chất ở dạng tinh thể, không tan trong nước, thành phần chủ yếu của cát

và tồn tại chủ yếu ở dạng khoáng vật là thạch anh.

- Là oxit axit, tan chậm trong dung dịch kiềm đặc nóng, tan dễ trong kiềm nóng chảy

hoặc cacbonat kim loại kiềm nóng chảy, tạo thành silicat.

ot

2 2 3 2SiO + 2NaOH Na SiO + H O

ot

2 2 3 2 3 2SiO + 2Na CO Na SiO + CO

- Silic đioxit tan trong axit flohiđric

ot

2 4 2SiO + 4HF SiF + 2H O

Dựa vào phản ứng này người ta dùng dung dịch HF để khắc chữ và hình trên thủy tinh.

2. Axit silixic và muối silicat

a. Axit silixic

* Tính chất vật lí: H2SiO3 là chất ở dạng keo, không tan trong nước.

* Tính chất hóa học

- Dễ mất nước khi đun nóng:

ot

2 3 2 2H SiO SiO + H O

(silic ®ioxit)

Khi sấy khô, axit silixic mất một phần nước tạo thành vật liệu xốp là silicagen:

SiO2.nH2O (n < 2).

- Là axit rất yếu, yếu hơn cả axit H2CO3 nên dễ bị khí CO2 đẩy ra khỏi dung dịch muối

của nó.

2 3 2 2 2 3 2 3Na SiO + CO + H O H SiO + Na CO

(axit silixic)

b. Muối silicat

- Muối silicat của kim loại kiềm thủy phân mạnh tạo môi trường kiềm:

2 3 2 2 3Na SiO + 2H O H SiO + 2NaOH

- Dung dịch đậm đặc của Na2SiO3 và K2SiO3 gọi là thủy tinh lỏng. Được dùng để chế

tạo keo dán thủy tinh và sứ, khi tẩm lên vải hoặc gỗ sẽ khó bị cháy.

Ứng dụng: sản xuất chất tẩy rửa, silicagel, làm keo dán, xử lí nước, phụ gia trong sản

xuất gốm sứ, xi măng, vải, gỗ chống cháy...

IV. Điều chế silic

- Trong PTN silic được điều chế bằng cách đốt cháy một hỗn hợp gồm bột magie và cát

nghiền mịn:

ot

2SiO + 2Mg Si + 2MgO

- Trong CN silic được điều chế bằng cách dùng than cốc khử silic đioxit trong lò điện ở

nhiệt độ cao:

ot

2SiO + 2C Si + 2CO

V. Trạng thái tự nhiên đến ứng dụng

Silic là nguyên tố phổ biến thứ hai sau oxi (29,5% khối lượng vỏ Trái Đất).

Trong tự nhiên chỉ gặp silic dưới dạng các hợp chất: chủ yếu là cát, các khoáng vật

silicat và aluminosilicat như: cao lanh, xecpentin, fenspat, …

Cát (SiO2)

- Tồn tại chủ yếu ở dạng khoáng vật là thạch anh - khoáng vật phổ biến nhất trên Trái

Đất. Tinh thể, trong suốt, sáng lấp lánh.

Tùy theo tạp chất có lẫn trong thạch anh mà nó có màu sắc khác nhau như:

- Ứng dụng: Làm đồ trang sức, trang trí. Thanh lọc nước. Có nhiều ứng dụng trong y

học.

Cao lanh (Al2O3.2SiO2.2H2O)

- Sinh ra từ quá trình phong hóa, quá trình xói mòn, tại nơi trầm lắng do biến đổi thủy

nhiệt hay phong hóa.

- Màu trắng xám, dạng đặc khít là những khối dạng đất sáng màu, tập vảy nhỏ.

- Ứng dụng: Trong công nghiệp gốm sứ, giấy, sơn, cao

su, chất dẻo, vật liệu xây dựng, gạch chịu lửa. Làm xúc

tác cho công nghệ lọc dầu.

Xecpentin (3MgO.2SiO2.2H2O)

Thạch anh vàng Thạch anh tím

Thạch anh đỏ Thạch anh hồng

- Cấu trúc dạng sợi hay phiến, vẻ ngoài giống nephrit.

- Ứng dụng: Secpentin là chất giải độc hiệu quả. Giúp trị chứng đau đầu, chứng ngủ lịm

và xương mau liền.

Fenspat (Na2O.Al2O3.6SiO2)

- Ứng dụng: Fenspat vật liệu thô trong sản xuất gốm sứ. Sử

dụng trong định tuổi quang nhiệt và định tuổi quang học. Là

thành phần trong Bom ami Mỹ, chất tẩy rửa dụng cụ gia

đình. Có trong phụ gia bánh ở dạng bột.

Trong cơ thể động, thực vật với lượng nhỏ và có vai trò đáng kể trong hoạt động sống

của thế giới hữu sinh. (Tích hợp kiến thức môn Sinh học)

- Trong cơ thể con người

Silic có trong các mô liên kết, xương sụn và xương gân. Cơ thể người chứa 1,4g Si ở

động mạch, da, tuyến ức.

Vai trò của Si trong cơ thể: Tác động đến nhiều quá trình canxi hóa xương, là thành

phần của hợp chất collagen của mô liên kết. Nếu bị thiếu Si sẽ làm ức chế quá trình

tổng hợp mucopolysaccharide cần thiết cho sự hình thành xương sụn. Khi bị giảm hàm

lượng Si trong động mạch chủ, sẽ dẫn tới xơ cứng động mạch. Sự xơ hóa động mạch,

xơ hóa khớp và mô liên kết chủ yếu do rối loạn sử dụng Si hoặc sự thoái hóa theo độ

tuổi.

- Trong thực vật

Phân tích nhiều loại thực vật cho thấy nồng độ silic từ 1 g đến 100 g Si trong 1 kg

trọng lượng khô. Cây trồng hấp thụ silic ở dạng axit monosilic hoặc anion của nó.

Silic tập trung ở các mô biểu bì như một lớp silicon - màng tế bào và được liên kết

pectin và các ion canxi. Bằng cách này lớp biểu bì kép silica - cutic bảo vệ và tăng

cường cấu trúc cây trồng.

Vai trò sinh lý của silic trong cây: Người ta xác nhận cây hút nhiều silic thì có khả

năng chống đổ ngã tốt, chống sự xâm nhập của sâu bệnh như sâu đục thân, sâu cuốn lá,

giúp tạo chất diệp lục thuận lợi, tăng khả năng quang hợp, tăng hiệu quả sử dụng P và

N, làm thuốc lá dễ cháy, tăng chất lượng của thuốc.

VI. Ứng dụng silic trong đời sống và y học

Vật liệu bán dẫn (Tích hợp kiến thức môn Vật lý)

Silic siêu tinh khiết có thể trộn thêm asen, bo, gali hay photpho để silic dẫn điện tốt hơn

và được dùng trong kĩ thuật vô tuyến điện và điện tử.

Luyện kim

Ferrosilic là một trong các hợp kim fero của sắt và silic thay

đổi từ 15% đến 90% Si, thông thường có chứa từ 1% đến

2% canxi và nhôm. Được sử dụng trong ngành luyện thép

chịu axit như: thép tấm, thép xây dựng...

Làm phân bón

Pin mặt trời chế tạo từ silic có khả năng chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời

thành điện năng, cung cấp cho các thiết bị tàu vũ trụ.

Silic là thành phần quan trọng trong phân bón hóa học (vì silic là thành phần dinh

dưỡng cần thiết cho cây trồng, đặc biệt là cây lúa, mía và các loại cây 2 lá mầm.)

Silic giúp tăng cường độ cứng cho thân cây, ngăn ngừa sâu bệnh

và côn trùng gây hại.

Tăng cường độ màu mỡ và khả năng giữ nước của đất.

Giúp cân bằng và nâng cao lượng khoáng chất trong đất giúp cây

dễ hấp thụ.

Phân chứa silic giúp cho cây trồng và hoa màu không bị thoái hóa giống.

Giúp tăng năng suất cây trồng, rau quả vị thơm ngon (đặc biệt là đối với cây lúa, mía

và ngô).

Dùng làm chất hút ẩm

Silicagel là hợp chất của silic (SiO2.nH2O (n<2)) có khả năng hút ẩm cao nên được chứa

trong túi nhỏ trong các sản phẩm đóng gói, thuốc, thiết bị điện tử để giúp bảo quản thực

phẩm, thuốc, điện tử.

Chú ý: Nếu ăn vào sẽ gây nguy hiểm vì độc nên thường có dòng chữ “do not eat”.

Cây lúa được bón phân

chứa silic

Cây lúa không được bón

phân chứa silic nên dễ mắc

bệnh dịch (đạo ôn)

Dùng trong công nghệ thẫm mĩ

Hợp chất chứa silic gồm silicon lỏng và silicon dẻo là 2 dạng silicon chủ yếu được sử

dụng trong thẩm mỹ như là chất liệu cấy độn vào cơ thể giúp da căng mịn, tươi trẻ

hoặc sử dụng làm lăng kính tiếp giáp (kính úp tròng).

VII. Ảnh hưởng silic đến sức khỏe con người

Những người thường xuyên làm việc hoặc sống trong môi trường có chứa nhiều

bụi silic trong không khí dễ mắc bệnh bụi phổi silic và có tuổi thọ thấp.

Tuổi nghề n Mắc bệnh bụi

phổi silic p

10 năm (1) 75 8 (10,7%)

P3

- 4<

0,0

1 11 – 15 năm (2) 164 25 (15,2%)

16 – 20 năm (3) 120 30 (25,0%)

>20 năm (4) 100 35 (35,0%)

Cộng 459 98 (21,4%)

Cách phòng tránh

Công nhân làm ở

khu khai thác đá

vôi

Hình ảnh bệnh bụi phổi

Silicosis ở giai đoạn muộn

- Tránh xa các khu khai thác mỏ, các khu công nghiệp.

- Nếu phải làm việc trong môi trường nhiều khói, bụi (đặc biệt có silic) nên đảm bảo đầy

đủ thiết bị bảo hộ đầy đủ khi làm việc.

- Hạn chế tối đa việc tiếp xúc với môi trường nhiều khói, bụi (có chứa silic).

- Khi có các triệu chứng về bệnh bụi phổi silic cần đi khám và ngừng làm việc hoặc

sống ở các khu có môi trường không khí chứa nhiều bụi silic nói riêng, khói, bụi bẩn

nói chung.

VIII. Vai trò của silic trong công nghiệp

1. Thủy tinh

- Thủy tinh thông thường: hỗn hợp của natri silicat, canxi silicat và silic đioxit, có thành

phần gần đúng viết dưới dạng các oxit là Na2O.CaO.6SiO2, được dùng làm cửa kính,

chai, lọ…

Sản xuất bằng cách nấu chảy một hỗn hợp gồm cát trắng, đá vôi và sođa ở 1400oC

ot

2 3 2 3 2 2 26SiO + CaCO + Na CO Na O.CaO.6SiO + 2CO

Ngoài ra còn có một số loại thủy tinh khác với thành phần hóa học và công dụng khác

nhau

- Thủy tinh kali: Thay Na2CO3 bằng K2CO3, có nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ nóng chảy

cao hơn. Được dùng làm dụng cụ thí nghiệm, thấu kính, lăng kính…

- Thủy tinh pha lê: Chứa nhiều oxit chì, dễ nóng chảy và trong suốt.

- Thủy tinh thạch anh: Sản xuất bằng SiO2 tinh khiết, có nhiệt độ hóa mềm cao và hệ số

nở nhiệt nhỏ nên không bị nứt khi nóng lạnh đột ngột.

- Thủy tinh đổi màu: Khi thêm một số oxit kim loại.

Ví dụ: Cr2O3 cho thủy tinh màu lục, CoO cho thủy tinh màu xanh nước biển

Vai trò của silica trong thuỷ tinh

- Giúp phản ứng xảy ra ở điều kiện thường, tiết kiệm năng lượng, do vậy giá thành sản

phẩm rẻ hơn.

- Tạo ra hình dạng nhẵn, bóng và bề mặt không thấm nước.

- Chịu được nhiệt độ cao như biến đổi nhiệt độ bất ngờ, cũng như không chịu được ăn

mòn hoá chất.

2. Đồ gốm

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.

Gạch và ngói: Gạch và ngói thuộc loại gốm xây dựng.

Phối liệu sản xuất: Đất sét loại thường và một ít cát, được nhào với nước thành khối

dẻo, sau đó tạo hình, sấy khô và nung ở 900−1000oC sẽ được gạch và ngói.

Oxit sắt có trong đất sét gây ra màu đỏ của gạch và ngói sau khi nung.

Gạch chịu lửa: gồm loại chính là gạch đinat và gạch samôt, thường được dùng để lót

lò cao, lò luyện thép, lò nấu thủy tinh…

Phối liệu để chế tạo gạch đinat gồm 93 - 96% SiO2, 4 - 7% CaO và đất sét, nhiệt độ

nung khoảng 1300 - 1400oC. Gạch đinat chịu được nhiệt độ khoảng 1690 - 1720

oC.

Phối liệu để chế tạo gạch samôt gồm bột samôt trộn với đất sét và nước, sau đó đóng

khuôn và sấy khô, vật liệu được nung ở 1300 - 1400oC. Bột samôt là đất sét được nung ở

nhiệt độ rất cao rồi nghiền nhỏ.

Vai trò của silic trong sản xuất gạch ngói

- Giúp sản phẩm này có cường độ cơ học (độ cứng, độ rắn, độ giòn ) và độ chịu lửa cao.

- Độ bền sỉ tốt, độ giãn nở nhiệt thấp.

- Các hạt thạch anh (cát) đóng vai trò như một phụ gia gầy, làm giảm độ co khi sấy và

nung. Ở nhiệt độ cao, cát tham gia phản ứng với các oxit kiềm (K2O; Na2O)

3. Sành, sứ và men

- Đất sét sau khi nung ở nhiệt độ khoảng 1200−1300oC thì

biến thành sành. Sành là vật liệu cứng, gõ kêu, có màu nâu

và xám. Để có độ bóng và lớp bảo vệ không thấm nước,

người ta tạo một lớp men mỏng ở mặt ngoài của đồ sành.

- 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

1000oC, sau đó tráng men và trang trí, rồi nung lần thứ hai ở

nhiệt độ cao hơn, khoảng 1400−1450oC.

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, các dụng cụ thí nghiệm.

Gạch chịu lửa Gạch ngói

- Men có 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.

Làng gốm Bát Tràng, các nhà máy sứ Hải Dương, Đồng Nai... là những cơ sở sản xuất

đồ sứ nổi tiếng.

Vai trò của silic trong sành, sứ và men

- Là nguyên liệu chủ yếu và quan trọng trong đồ gốm.

- Tăng khả năng chịu nhiệt, chịu lửa khi nung ở nhiệt độ cao.

- Tăng tính dẻo cho đồ gốm dễ nhào, nặn, tạo hình.

- Đất sét kết hợp với cao lanh trộn với nước có khả năng giữ nguyên hình dạng khi chịu

áp lực bên ngoài mà không bị nứt.

- Tạo pha lỏng trong quá trình nung, hạ nhiệt độ nung thúc đẩy quá trình kết khối sản

phẩm gốm.

4. Sản xuất gang

Thành phần hóa học của gang bao gồm chủ yếu là sắt (hơn 95% theo trọng lượng) và

các nguyên tố hợp kim chính là cacbon và silic. Hàm lượng của cacbon trong gang nằm

trong miền từ 2,1% đến 4,3% trọng lượng, với miền có hàm lương cacbon thấp hơn 2,1%

của họ hợp kim của sắt sẽ là thép cacbon. Một phần đáng kể silic (1 - 3%) trong gang tạo

thành tổ hợp hợp kim Fe-C-Si.

Với đặc tính: Điểm nóng chảy thấp, độ chảy loãng tốt, tính đúc tốt, dễ gia công, có

khả năng chịu mài mòn, nên giá thành gia công rất thấp, do đó gang được sử dụng trong

rất nhiều chi tiết, lĩnh vực khác nhau.

Vật liệu làm bằng gang

Vai trò của silic trong gang

- Ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tạo thành grafit (grafit hóa): Tăng khả năng chống mòn

do ma sát, làm tắt rung động và giao động cộng hưởng.

- Silic càng nhiều hay đúng hơn tổng lượng % (C+Si) càng cao sự grafit hóa càng mạnh,

càng hoàn toàn.

5. Xi măng Quan trọng và thông dụng nhất là xi măng Pooclăng.

- Chất bột mịn, màu lục xám.

- Thành phần chính gồm canxi silicat và canxi aluminat : Ca3SiO5 (hoặc 3CaO.SiO2),

Ca2SiO4 (hoặc 2CaO.SiO2), Ca3(AlO3)2 (hoặc 3CaO.Al2O3).

- Sản xuất : Nghiền nhỏ đá vôi, trộn với đất sét có nhiều SiO2 và 1 ít quặng sắt bằng

phương pháp khô hoặc phương pháp ướt rồi nung hỗn hợp trên lò quay hoặc lò đứng ở

1400 - 1600OC, thu được hỗn hợp màu xám gọi là clanhke. Để nguội, nghiền clanhke

với một số chất phụ gia thành bột mịn sẽ được xi măng.

- Xi măng được trộn với nước thành khối nhão, quá trình đông cứng xi măng là sự kết

hợp của các hợp chất có trong xi măng với nước tạo nên những tinh thể hiđrat đan xen

vào nhau thành khối cứng và bền :

2 2 4 2 22 + 5H O Ca S3Ca iO .4H O + Ca(O.SiO OH)

2 2 4 22 + 4H O Ca SiO2Ca .O. OS O 4Hi

23 3 3 22 2+ 6H O Ca (AlO3CaO.Al ) .6H OO

Hiện nay, người ta còn sản xuất các loại xi măng có những tính năng khác nhau: xi

măng chịu axit, xi măng chịu nước biển… Ở nước ta có nhiều nhà máy xi măng lớn

như : Hải Phòng, Hoàng Thạch, Bỉm Sơn, Hoàng Mai…