Bài 23. Công nghiệp silicat

I − THỦY TINH

1. Thành phần hoá học và tính chất của thuỷ tinh

Thuỷ tinh loại thông thường được dùng làm cửa kính, chai, lọ,… là hỗn hợp của natri silicat, canxi silicat và silic đioxit, có thành phần gần đúng viết dưới dạng các oxit là Na2O.CaO.6SiO2. Thuỷ tinh loại này được sản xuất bằng cách nấu chảy một hỗn hợp gồm cát trắng, đá vôi và sođa ở 1400oC :

6SiO₂ + CaCO₃ + Na₂CO₃ → t^o Na₂O.CaO.6SiO₂ + 2CO₂

Thuỷ tinh không có cấu trúc tinh thể mà là chất vô định hình, nên không có nhiệt độ nóng chảy xác định. Khi đun nóng nó mềm dần rồi mới chảy, do đó có thể tạo ra những đồ vật và dụng cụ có hình dạng như ý muốn.

2. Một số loại thuỷ tinh

Ngoài loại thuỷ tinh thông thường nêu trên, còn có một số loại thuỷ tinh khác, với thành phần hoá học và công dụng khác nhau.

Khi nấu thuỷ tinh, nếu thay Na₂CO₃ bằng K₂CO₃ thì được thuỷ tinh kali, có nhiệt độ hoá mềm và nhiệt độ nóng chảy cao hơn. Thuỷ tinh kali được dùng làm dụng cụ thí nghiệm. Thuỷ tinh chứa nhiều oxit chì dễ nóng chảy và trong suốt, được gọi là thuỷ tinh pha lê, được dùng để làm lăng kính, thấu kính,…

Thuỷ tinh thạch anh được sản xuất bằng cách nấu chảy silic đioxit tinh khiết. Nó có nhiệt độ hoá mềm cao, có hệ số nở nhiệt rất nhỏ, nên không bị nứt khi làm lạnh đột ngột.

Khi cho thêm oxit của một số kim loại, thuỷ tinh sẽ có màu khác nhau, do tạo nên các silicat có màu. Thí dụ, crom oxit (Cr₂O₃) cho thuỷ tinh màu lục, coban oxit (CoO) cho thuỷ tinh màu xanh nước biển.

II – ĐỒ GỐM

Đồ gốm là vật liệu được chế tạo chủ yếu từ đất sét và cao lanh. Tuỳ theo công dụng, người ta phân biệt gốm xây dựng, vật liệu chịu lửa, gốm kĩ thuật và gốm dân dụng.

1. Gạch và ngói

Thuộc loại gốm xây dựng. Phối liệu để sản xuất chúng gồm 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. Sau khi nung, gạch và ngói thường có màu đỏ gây nên bởi oxit sắt ở trong đất sét.

2. Gạch chịu lửa

Thường được dùng để lót lò cao, lò luyện thép, lò nấu thuỷ tinh v.v…. Có hai loại gạch chịu lửa chính : gạch đinat và gạch samôt. Phối liệu để chế tạo gạch đinat gồm 93-96% SiO2, 4 – 7% CaO và đất sét ; nhiệt độ nung khoảng 1300 – 1400^oC. 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 khi đóng khuôn và sấy khô, vật liệu được nung ở 1300 – 1400^oC. Bột samôt là đất sét được nung ở nhiệt độ rất cao rồi nghiền nhỏ.

3. Sành, sứ và men

Hình 3.9

a) Đất sét sau khi nung ở nhiệt độ khoảng 1200 – 1300^oC thì biến thành sành. Sành là vật liệu cứng, gõ kêu, có màu nâu hoặc 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.

b) 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 – 1450^oC. Sứ có nhiều loại : sứ dân dụng (hình 3.9), sứ kĩ thuật. Sứ kĩ thuật được dùng để chế tạo các vật liệu cách điện, tụ điện (hình 3.9), buzi đánh lửa, các dụng cụ thí nghiệm (hình 3.10).

Hình 3.10

III. XI MĂNG

1. Thành phần hoá học và phương pháp sản xuất

a) Xi măng thuộc loại vật liệu kết dính, được dùng trong xây dựng. Quan trọng và thông dụng nhất là xi măng Pooclăng. Đó là 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).

b) Xi măng Pooclăng được sản xuất bằng cách nghiền nhỏ đá vôi, trộn với đất sét có nhiều SiO₂ và một ít quặng sắt bằng phương pháp khô hoặc phương pháp ướt, rồi nung hỗn hợp trong lò quay (hình 3.11) hoặc lò đứng ở 1400 – 1600^oC. Sau khi nung, thu được một hỗn hợp màu xám gọi là clanhke. Để nguội, rồi nghiền clanhke với một số chất phụ gia thành bột mịn, sẽ được xi măng.

Hình 3.11

3. Quá trình đông cứng xi măng

Trong xây dựng, xi măng được trộn với nước thành khối nhão, sau vài giờ sẽ bắt đầu đông cứng lại. Quá trình đông cứng của xi măng chủ yếu 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 :

3CaO.SiO₂ + 5H₂O → Ca₂SiO₄. 4H₂O + Ca(OH)₂

2CaO.SiO₂ + 4H₂O→ Ca₂SiO₄. 4H₂O

3CaO.Al₂O₃ + 6H₂O → Ca₃(AlO₃)₂. 6H₂O

Hình 3.12. Nhà máy xi măng Hải Phòng

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 nhà máy xi măng : Hải Phòng (hình 3.12), Hoàng Thạch, Bỉm Sơn, Chinfon, Hoàng Mai, Hà Tiên v.v…