Bài 5: Công Nghiệp Silicate | Chuyên đề học tập Hóa học 12 | Chuyên Đề 2: Trải Nghiệm, Thực Hành Hóa Học Vô Cơ - Lớp 12 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

Trang 22

MỤC TIÊU

- Nêu được thành phần hoá học và tính chất cơ bản của thuỷ tinh, gốm, xi măng.

- Trình bày được phương pháp sản xuất các loại vật liệu trên từ nguồn nguyên liệu có trong tự nhiên nói chung và trong tự nhiên Việt Nam nói riêng.

I. THỦY TINH

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

Thuỷ tinh là chất rắn vô định hình, không có nhiệt độ nóng chảy xác định. Khi đun nóng, thuỷ tỉnh mềm dần và hoá thành chất lỏng có độ nhớt cao.

Thành phần hoá học: Thủy tinh thông thường có khoảng 75% silicon dioxide (), còn lại là sodium oxide (), calcium oxide (CaO) và một số chất phụ gia khác.

Hình 5.2. Thuỷ tỉnh thông thường

Trang 23

Tính chất: Thuỷ tinh thông thường (thuỷ tinh mềm, thuỷ tinh kính, thuỷ tinh soda) trong suốt, dễ tạo hình, khả năng chịu lực và chịu nhiệt kém. Tính chất của thuỷ tỉnh thay đổi khi thêm một số thành phần khác.

Ứng dụng: Thuỷ tinh được dùng làm kính cửa sổ, chai, hộp đựng thực phẩm hoặc đồ uống, bóng đèn,...

EM CÓ BIẾT

Một số loại thuỷ tinh thông dụng

Thủy tin an toàn: có hai loại là thuỷ tinh an toàn dạng lớp và thuỷ tinh an toàn cường lực.

Thủy tinh an toàn dạng lớn được sản xuất bằng cách dán hai tấm thủy tinh thông thường với một lớp nhựa (PVC) mỏng giữa chúng. Khi thuỷ tinh an tòan dạng lớp bị vỡ, các mảnh vỡ được giữ lại bởi lớp xen kẽ.

Thuỷ tinh an toàn cường lực thu được bằng cách nung nóng một tấm thuỷ tinh đến gần điểm nóng chảy và sau đó làm nguội nhanh trong dầu hoặc không khí. Thủy tinh an toàn cường lực có khả năng chịu lực và chịu nhiệt tốt hơn thủy tinh thông thường, khi vỡ không tạo các mảnh vỡ có cạnh sắc.

Thuỷ tinh an toàn được sử dụng để sản xuất cửa ra vào, tấm chắn cửa sổ của ô tô, tàu thuỷ, máy bay,...

Thủy tinh borosilicate hay thuỷ tinh pyrex:

Thành phần: ,

Tính chất: chịu nhiệt tốt hơn so với thuỷ tinh thông thường.

Ứng dụng: làm dụng cụ trong phòg thí nghiệm, đồ nấu ăn, đèn ô tô, linh kiện quang học,...

Thủy tinh lead oxide (thủy tinh pha lê):

Thành phần: , PbO, ,

Tính chất: có vẻ ngoài rực rỡ, chịu nhiệt kém, dễ vỡ và dễ cắt hơn các loại thủy tinh khác.

Ứng dụng: làm đồ trang trí, thấu kính, ống đèn neon, ống tia âm cực, lăng kính quang phổ,...

Hình 5.3 Một số loại thủy tinh thông dụng

a) Dụng cụ thí nghiệm bằng thuỷ tinh

b) Thuỷ tinh lead oxide hay thủy tinh pha lê

c) Thủy tinh an toàn

Câu hỏi và bài tập

1. Khi sử dụng đồ thuỷ tinh cần lưu ý điều gì để đảm bảo an toàn?

Trang 24

2. Sản xuất thủy tinh

Thuỷ tinh được sản xuất theo quy trình dưới đây.

Chuẩn bị nguyên liệu	Silica () ở dạng cát trắng, thạch anh, mảnh vụn thuỷ tinh; chất tẩy màu; soda ( ), đá vôi () được nghiền riêng và phối trộn theo tỉ lệ thích hợp cho đến khi thu được hỗn hợp đồng nhất.
Nung chảy	Thủy tinh được nấu chảy trong lò nung và được duy trì ở nhiệt độ cao (1 800 °C - 1 800 °C để giảm độ nhớt của thuỷ tinh nóng chảy, thu được một chất lỏng đồng nhất. Thêm chất khử màu hoặc chất tạo màu. Sau đó, làm lạnh đến khoảng 700 °C — 1 200 °C để chất lỏng có độ nhớt thích hợp cho việo tạo hình.
Ủ	Làm lạnh từ từ các sản phẩm thủy tinh (gọi là ủ thuỷ tinh) trong các buồng đặc biệt.
Định hình	Rót thuỷ tinh nóng chảy vào khuôn và các máy tự động để tạo thành các hình dạng mong muốn như tấm, ống, thanh, dây,...
Hoàn thiện	Làm sạch, mài, đánh bóng về cắt các sản phẩm thủy tinh.

EM CÓ BIẾT

Các phản ứng diễn ra trong quá trình sản xuất thuỷ tinh ở 1 500 °C - 1 800 °C

Thuỷ tinh được sản xuất trong các xưởng thủ công hoặc trong các nhà máy (Hình 5.4).

Hình 5.5. Sản xuất thủy tinh a) Thủ công; b) Công nghiệp

Câu hỏi và bài tập

Tìm hiểu và trình bày về quy trình sản xuất thủy tinh ở Việt Nam.

Trang 25

II. GỐM

1. Thành phần hoá học và tính chất cơ bản của gốm

Thành phần hoá học chính của gốm là các oxide và . Tùy thuộc vào nhiệt độ nung, gốm có thể chứa ít nhất hoặc không chứa nước kết tinh.

Gốm thông thường có tính cách điện, chịu nhiệt và chống mài mòn tốt, cứng và giòn, không có từ tính, bền vững về mặt hoá học.

Các sản phẩm gốm truyền trồng bao gồm gạch, ngói, đồ sành, đồ sứ,...

Câu hỏi và bài tập

3. Hãy kể tên một số vật dụng làm bằng gốm.

2. Sản xuất đồ gốm

Đồ gốm được sản xuất theo quy trình dưới dây.

Thấu đất (khâu làm đất)	- Chọn nguyên liệu: đất sét, ví fụ: cao lanh (kaolinite). - Tưới nước, nhào kĩ nhiều lần, loại bỏ tạp chất.
Chuốt gốm (tạo hình đồ gốm)	Tạo hình bằng tay trên bàn xoay hoặc bằng khuôn.
Trang trí hoa văn	Vẽ trang trí cho gốm (vẽ duới men là vẽ trực tiếp trên gốm khô hoặc vẽ trên men là vẽ sau khi gốm đã được tráng men).
Tráng men	Tráng men là bao phủ gốm bằng một lớp thuỷ tinh mỏng. Lớp men thường có ba thành phần chính: làm nền men,  để tăng cường độ nhới của men và các oxide kim loại kiềm hoặc kiềm thổ để hạ thấp nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp men xuống. Ngoài ra, men thường có thêm các oxide kim loại chuyển tiếp để tạo màu cho men. Công đoạn tráng men có thể được thực hiện từ sản phẩm mộc hoặc sản phẩm đã được nung sơ bộ.
Nung sản phẩm gốm	Đất sét đã tạo hình được để khô rồi nung nóng để tạo thành sản phẩm.

Trang 26

Sản phẩm đất nung: sản phẩm gốm thu được sau khi nung đất sét ở khoảng 1 000 °C.

Đồ sành và đồ sứ: sản phẩm gốm thu được khi nung đất sét ở khoảng 1 200 °C.

Hình 6.5. Một số công đoạn trong sản xuất gốm

a) Tạo hình

b) Tráng men 

c) Nung

Câu hỏi và bài tập

4. Hãy tìm hiểu và trình bày về các công đoạn trong quy trình sản xuất gốm ở Việt Nam có trong Hình 5.5.

III. XI MĂNG

Xi măng là vật liệu được sử dụng rộng rãi trong đời sống. Trong số các loại xi măng, xi măng Portland thông thường (Ordinary Portland Cement, viết tắt là OPC) được sử dụng phố biển nhất.

1. Thành phần hoá học của xi măng Portland thông thường

Thành phân của xi măng Portland thông thường gồm các oxide CaO, , , và . Ngoài ra, còn có một lượng nhỏ các nguyên tố khác có nguồn gốc từ đá sỏi tự nhiên (Na, K, Mg) và thạch cao (Ca).

2. Tính chất cơ bản của xi măng

Xi măng tạo thành hỗn hợp sệt khi trộn với nước, có thể đông kết cứng lại và có khả năng liên kết các mảnh vật rắn để tạo thành một khối rắn hoàn chỉnh.

Xi măng sau khi đóng rắn vẫn giữ được độ cứng và độ bền ngay cả dưới tác dụng của nước. Xi măng tạo thành hỗn hợp vữa khi trộn với nước và cốt liệu mịn (ví dụ cát), tạo thành bê tông khi trộn với nước, cát và sỏi (hay đá nhỏ).

EM CÓ BIẾT

Xi măng Portland

Người phát minh ra xi măng Portland là J. Aspdin (Át-sđin), người Anh, Năm 1824, ông đã được cấp bằng sáng chế cho một loại vật liệu được sản xuất từ hỗn hợp tổng hợp của đá vôi và đất sét. Vật lậu này được gọi là "xi măng Portland" vì giống với đấ Portland (một loại đá vôi được khai thác trên đảo Portland và được sử dụng để xây dựng ở Anh.

(Nguồn: James F. Shackelford, Robert H. Doremus, 2008. Ceramic and Glass Materials: Structure, Properties and Processing.)

Trang 27

3. Sản xuất xi măng Portland thông thường

Xi măng Portland thông thường (OPC) được sản xuất theo quy trình dưới đây.

Khai thác và nghiền nguyên liệu thô	- Nguyên liệu thô gồm khoảng 80% đá vôi (hành phần chính là ), 20% đất sét hoặc đá phiến sét (thành phần chính là , và ) - Nguyên liệu thô được khai thác, nghiền nhỏ.
Trộn nguyên liệu theo tỉ lệ chính xác	Pha trộn nguyên liệu thô vớitỉ lệ phù hợp.
Nung clinker	Nung nóng hỗn hợp nguyên liệu ở khoảng 1 450 °C, thu được sản phẩm clinker.
Nghiền hỗn hợp đã nung	Lâm mát hệ trồng và kết tinh các pha khoáng khác. Trộn clinker với thạch cao rồi nghiền mịn
Lưu trữ, đóng gói	Xi măng tạo thành được bơm bằng khí nén tới các kho để lưu trữ đóng gói

EM CÓ BIẾT

Các quá trình vật lí và hoá học xảy ra bên trong lò nung sản xuất xi măng

Ở nhiệt độ 20 °C - 100 °C: làm bay hơi các phân tử nước hấp phụ.

Ở 100 °C - 430 °C: tách loại nước tạo thành các oxide như

Ở 800 °C - 1 100 °C tạo calcium oxide:

Ở 1 100 °C - 1 300 °C: tạo thành pha silicate thứ cấp.

Ở1 300 °C - 1 450 °C: quá trình thiêu kết và các phản ứng xảy ra bên trong vật liệu nóng chảy.

(Nguồn: Luca Lavagna and Robolo Nistico, 2023. An lnsigh into the Chemistry of Cement - A Review. Applied Sciences, Volume 13.)

Câu hỏi và bài tập

5. Hãy tìm hiểu và trình bày các công đoạn trong quy trình sản xuất xi măng ở Việt Nam.

Hình 6.8. Sơ đồ dây chuyền sản xuất clinker

Ống khói

Nguyên liệu thô

Nhiên liệu dạng bột rắn hoặc khí

Clinker

Không khí

Làm lạnh clinker

Trang 28

EM ĐÃ HỌC

• Thủy tinh

Thành phần chính:

Thủy tinh là chất rắn vô định hình, không có nhiệt độ nóng chảy xác định.

Khi nung nóng, thủy tinh mềm dần và hóa thành chất lỏng có độ nhớt cao.

Thủy tinh thông thường trong suốt, dễ tạo hình, khả năng chịu lực và chịu nhiệt kém.

Tính chất của thủy tinh thay đổi khi thành phần của nó thay đổi.

Sản xuất thủy tinh gồm các giai đoạn: chuẩn bị nguyên liệu, nung chảy, ủ, định hình và hoàn thiện sản phẩm.

• Gốm

Thành phần chính: , .

Gốm thông thường có tính cách điện, chịu nhiệt và chống mài mòn tốt, cứng và giòn, không có từ tính và bền vững về mặt hóa học.

Sản xuất gốm gồm các giai đoạn: thấu đất, chuốt gốm, trang trí hoa văn, tráng men và nung.

• Xi măng

Thành phần chính: CaO, ,

Xi măng tạo thành hỗn hợp sệt khi trộn với nước, có thể đông kết và cứng lại, có khả năng liên kết các mảnh vật rắn để tạo thành khối rắn hoàn chỉnh.

Sản xuất xi măng gồm các giai đoạn: nghiền nguyên liệu thô, trộn nguyên liệu theo tỉ lệ chính xác, nung clinker, nghiền hỗn hợp đã nung và trộn với lượng nhỏ thạch cao.

EM CÓ THỂ

Làm một đồ vật bằng gốm từ nguyên liệu đất sét.