CÔNG NGHIỆP SILICAT

I - Thủy tinh

  Thủy tinh loại thường là hỗn hợp của natri silicat Na₂SiO₃ và canxi silicat CaSiO₃ nóng chảy rồi để nguội.

  Thủy tinh được tạo nên khi nấu chảy hỗn hợp natri cacbonat Na₂CO₃ và canxi cacbonat CaCO₃ với cát ở nhiệt độ khoảng 1000^oC.

\(CaCO_3 + SiO_2 \xrightarrow{1000^oC} CaSiO_3(\text{lỏng})\ +CO_2(\text{khí})\\ Na_2CO_3 + SiO_2 \xrightarrow{1000^oC} Na_2SiO_3(\text{lỏng})+CO_2(\text{khí})\)

  Các quá trình nấu chảy được thực hiện trong lò xây bằng gạch chịu lửa và đốt nóng bằng khí than.

  Thủy tinh là một chất rắn, giòn, không có thành phần cố định và không có cấu trúc đều đặn, nó là chất vô định hình.

  Vì không có cấu trúc đều đặn nên nó không vỡ dọc the bề mặt tinh thể mà vỡ theo mặt hình tròn, cạnh lởm chởm.

  Vì là chất vô định nên không có nhiệt độ nóng chảy xác định : khi đun nóng nó mềm dần rồi mới chảy ra cho nên người ta mới có thể thổi, ép hoặc cán tạo ra các đồ vật có hình thù rất khác nhau.

  ❝Thủy tinh sẽ trong suốt và không màu nếu tất cả các bọt khí cacbonic được thoát ra hết và là các nguyên liệu có chất lượng cao. Tuy nhiên, thủy tinh loại thường có màu xanh lục gây nên bởi màu của sắt (II) silicat.❞

  Thủy tinh loại thường có nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ nóng chảy thấp, dãn nở nhiều khi thay đổi nhiệt độ nên dễ bị nứt.

  Người ta có thể thay đổi một số thành phần của thủy tinh để tạo ra những tính chất mong muốn.

  Thay natri trong thủy tinh thường bằng kali thì sẽ được thủy tinh kali có nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ nóng chảy cao hơn. Loại thủy tinh này được dùng làm dụng cụ trong phòng thí nghiệm như ống nghiệm, cốc, bình cầu,...

  Thay canxi trong thủy tinh kali bằng chì sẽ được thủy tinh chì trong suốt và dễ nóng chảy hơn gọi là phalê. Loại thủy tinh chứa nhiều chì hơn có chỉ số khúc xạ lớn có thể làm đồ trang sức(mặt ngọc,...), làm thấy kính, lăng kính.

  Thủy tinh loại thường không bền với nước và bị dung dịch kiềm ăn mòn. Để tăng tính chịu nhiệt và tính bền hóa học, người ta giảm bớt Na⁺ và Ca²⁺ và thay vào đó là bo(B) và nhôm (Al).

  Có hai loại thủy tinh nổi tiếng thế giới là thủy tinh Pyrex của Pháp và thủy tinh Iêna của Đức. Các loại thủy tinh này có độ bền cơ học lớn ; rất bền với nước, bazo, axit, có hệ số dãn nở rất nhỏ

  ⚠ Lưu ý : Muốn cho thủy tinh có màu sắc khác nhau, người ta cho vào nguyên liệu một số oxit kim loại hay muối. Các chất này sẽ tạo nên các silicat kim loại có màu.

  ➤ Thí dụ : Coban(II) oxit tạo ra màu xanh da trời, mangan(IV) oxit tạo ra màu tím.

Đồng(I) oxit tạo ra màu lục

Hợp chất urani tạo ra màu vàng

Hợp chất selen tạo ra màu đỏ

  Thủy tinh đổi màu : Cho một lượng nhất định AgBr( hoặc AgCl) vào thủy tinh nóng chảy( có thể lượng vết đồng kim loại để làm tăng độ nhạy ) khi có ánh sáng xả ra qua trình : 

\(AgBr \rightleftharpoons Ag + Br\)

  Chính các nguyên tử Ag này tạo ra các màu sắc, sáng tối khác nhau, khi hết ánh sáng xảy ra quá trình ngược lại.

  Sợi cáp quang ( Sợi quang học) :

Được làm từ thủy tinh thạch anh (SiO₂ cực kì nguyên chất được điều chế từ O₂ và SiCl₄, lượng tạp chất Fe, Mn Ca chỉ cỡ một phần tỉ). Một sợ cáp quang bằng sợi tóc có thể dẫn 10 000 cuộc điện thoại cùng một lúc ; sợi cáp quang được "bọc" bời một lớp silicon hoặc polime có chỉ số khúc xạ cực kì bé, không cho các tia sáng thoát ra ngoài. Các máy nội soi ở bệnh viện cũng dùng sợi cáp quang. 

II - Gốm

  Đồ gốm bao gồm những sản phẩm làm từ nguyên liệu chủ yếu là đất sét, được tạo thành hình rồi sấy khô và nung.

  Có nhiều loại đồ gồm : 

1. Gốm xây dụng (gạch, ngói, ống nước,...).
2. Vật liệu chịu lửa (gạch chịu lửa,...).
3. Gốm kĩ thuật (sứ cách điện,...).
4. Gốm sinh hoạt (bát, đĩa, chậu hoa,...).

  Nguyên liệu chủ yếu là đất sét. Thành phần chủ yếu của đất sét là kao lanh (đất sét nguyên chất) ngoài ra còn có thạch anh (cát), các hidroxit sắt, hidroxit nhôm, các chất hữu cơ,... Hidroxit sắt làm cho đất có màu nâu, các chất hữu cơ làm có đất có màu xám xanh.

  ✿ Các giai đoạn sản xuất đồ gốm : 

  1. Chế biến đất sét hoặc hồ loãng

  Người ta đập, nghiền, luyện hỗn hợp đất sét như caolinit có thành phần \(Al_2O_3.2SiO_2.2H_2O\) và nước thành một khối dẻo, hoặc tạo ra hồ loãng có hàm lượng nước từ 30% đến 40%.

  2. Tạo hình

  Có ba phương pháp tạo hình chính : 

  ☛ Phương pháp dẻo : Tạo hình bàn tay (bàn xoay) hoặc bằng máy. Phương pháp này dùng trong việc sản xuất bát, đĩa, chậu,...

  ☛ Phương pháp ép : Ép đất trong khuân từ sản xuất thủ công cho đến dùng máy ép hàng chục hoặc hàng trăm atmôtphe. Phương pháp này dùng để sản xuất gạch, ngói,...

  ☛ Phương pháp rót : Đi từ một hồ loãng có hàm lượng nước từ 30% đến 40%, rót vào khuôn thạch cao. Nước bị thạch cao hút và bên trong khuôn hình thành sản phẩm. Phương pháp này dùng sản xuất lọ hoa, tượng,...

  3. Sấy và nung

  Quá trình nung là quan trọng nhất vì phải khống chế độ ẩm trong không khí để nước trong sản phẩm bốc ra đều đặn, không quá nhanh, bảo đảm cho sản phẩm co đều, không bị biến dạng, không bị nứt.

  Thời gian nung có thể từ vài giờ (sản phẩm nhỏ) cho đến mấy ngày (sản phẩm lớn).

  Khi nhiệt độ đạt tới 1200^oC - 1300^oC, xảy ra phản ứng chủ yếu của quá trình nung là phản ứng tạo thành khoáng chất mulit \(3Al_2O_2.2SiO_2\).

\(Al_2O_3.SiO_2\xrightarrow{1300^oC}3Al_2O_2.2SiO_2\)

  ➤ Chính mulit truyền cho sản phẩm các đặc tính bền cơ học, nhiệt học và bền hóa học.

 ❄ Một số đồ gốm sứ có giá trị thẩm mỹ cao ❄

III - Ximăng

  Ximăng là một loại vật liệu xây dựng, ở dạng bột mịn, màu lục xám ; khi trộn với nước cho một khối dẻo dễ nhào nặn, để trong không khí hoặc trong nước vài giờ thì rắn lại như đá.

  Ximăng được tạo thành chủ yếu từ hỗn hợp các canxi silicat, aluminat, ngoài ra còn có ferat sắt.

  Có nhiều loại ximăng, nhưng thông dụng nhất là ximăng Poolăng. Thành phần hóa học chỉ yếu của ximăng Poolăng như sau : 

  ✿ Sự đông cứng của ximăng :

  Sau khi nhào trộn với nước vài giờ, ximăng sẽ đông cứng lại. Ximăng có nhiều ưu điểm hơn vôi ở chỗ : 

• Quá trình đông cứng của vôi (trộn cát) chủ yếu là do tác dụng của khí cacbonic trong không khí tạo thành canxi cacbonat. Vôi (trộn cát) sẽ cứng dần sau thời gian vài ba ngày.
• Quá trình đông cứng của ximăng là do tác dụng của nước. Ximăng có thể đông cứng trong không khí hoặc trong nước. Thời gian đông cứng nhanh hơn (sau vài giờ) và sản phẩm đông cứng rất bền vững.

  Các khoáng chất trong ximăng tác dụng với nước tạo nên những hidrat tinh thể.

\(Ca_3SiO_5 + 5H_2O \to Ca_2SiO_4.4H_2O + Ca(OH)_2\\ Ca_2SiO_4 + 4H_2O \to Ca_2SiO_4.4H_2O\\ Ca_3(AlO_3)_2 + 6H_2O \to Ca_3(AlO_3)_2.6H_2O\)

  Tất cả các sản phẩm trên đều là những tinh thể cứng, đan xen vào nhau tạo thành một khối rất cứng và bền.

  Hiện nay ở nước ta có nhiều nhà máy ximăng lớn có sản lượng trên dưới 1 triệu tấn/năm như nhà máy Bỉm Sơn (Thanh Hóa), Bàn Thạch (Hải Dương), ximăng Hải Phòng, ximăng Hà Tiên,...